BINDEMITTELSYSTEM

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bindemittelsystem für Sandformen sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer Sandform, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 6.

Aus der DE 102 24 981 A1 ist ein generatives 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Sandformen mit Hilfe eines Zweikomponenten-Bindemittelsystems bekannt, bei dem ein Formsand/Harzgemisch in übereinanderliegenden Schichten aufgebracht und an jeder einzelnen Schicht mit dem Härter des Bindemittelsystems bedruckt wird, so dass ein individuell geformter Festkörper entsteht, der nach Ablauf der Reaktionszeit des Bindemittelsystems als integrale Metallgussform aus dem umliegenden, ungebundenen Materialbett entnommen werden kann. An ein hierfür, aber auch generell zur Sandformherstellung geeignetes Bindemittelsystem werden hinsichtlich kurzer Reaktionszeiten, geringer Ausgasung während des Gussvorgangs und erzielbarer Sandformfestigkeit hohe Anforderungen gestellt.

So ist aus der DE 101 36 365 A1 ein CO ₂ -härtbares Bindemittelsystem bekannt, bei welchem der Harzkomponente mindestens eine stickstoffhaltige Verbindung, insbesondere Harnstoffharz, zugemischt ist, um dadurch die mechanische Festigkeit der resultierenden Sandform zu erhöhen. Nachteilig dabei ist, dass die so gefertigten Sandformen ein verstärktes Ausgasungsverhalten während des Abgusses aufweisen, was zum Einschluss von Gasblasen bei der Erstarrung der Metallschmelze und demzufolge zu Porositäten und Lunkerbildungen im Gussteil führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein generatives 3D-Druckverfahren und ein hierfür geeignetes Bindemittelsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ein geringes Ausgasungsverhalten während des Gussvorgangs und zugleich eine hohe Festigkeit der mit dem Bindemittelsystem gefertigten Sandformen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Bindemittelsystem bzw. das im Patentanspruch 6 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, dass eine Festigkeitserhöhung durch Zugabe einer stickstoffhaltigen Verbindung nicht zwangsläufig mit einer erhöhten Ausgasung des Bindemittelsystems während des Abgusses verbunden ist, sondern sich das gussstörende Ausgasungsverhalten überraschenderweise durch eine Stickstoffzugabe zur säurehärtbaren Harzkomponente sogar noch signifikant verringern lässt, wenn der Stickstoffanteil an der Gesamtharzmenge innerhalb definierter Grenzen gehalten und zusätzlich ein spezieller Härter mit einem, bezogen auf die Harzmenge, ebenfalls begrenzten Gewichtsanteil verwendet wird, mit dem Ergebnis, dass die resultierenden Sandformen eine hohe Bruch- und Biegefestigkeit aufweisen und dennoch eine qualitativ hochwertige, von Porositäten und Lunkern weitgehend freie und maßgenaue Gussteilfertigung sicherstellen.

Ein weiterer, vor allem in Verbindung mit dem generativen 3D-Druckverfahren wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Bindemittelsystems liegt in den verkürzten Reaktionszeiten und den sich daraus ergebenden, höheren Produktionsgeschwindigkeiten. Dabei wird der Formsand vorzugsweise mit dem Härter des Bindemittelsystems vorgemischt und das Sand/Härtergemisch schichtweise mit der stickstoffhaltig angereicherten Harzkomponente bedruckt, wodurch die Sandformfestigkeit nochmals gesteigert werden kann.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die Reinigung des Druckkopfes: Während das generative 3D-Drucken mit einer durch eine stickstoffhaltige Verbindung, etwa Harnstoffharz, angereicherten Harzkomponente bisher zumeist daran scheiterte, dass die verstop- fungsgefährdeten Druckerdüsen nicht oder nur mit unvertretbar großem Aufwand gereinigt werden konnten, lassen sich die Druckerdüsen von den Harzrückständen des erfindungsgemäßen Bindemittelsystems problemlos mit Hilfe eines aromatischen Alkohols, vorzugsweise Benzylalkohol, befreien.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, als stickstoffhaltige Verbindung ein Hamstoffharz mit einem Gewichtsanteil an der Gesamtharzmenge von etwa 4% und als Härter Xylolsulfonsäure mit 30 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtharz, auszuwählen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben, in deren einziger Figur eine generative 3D-Druckanlage in stark schematisierter Darstellung gezeigt ist.

Die in der Zeichnung gezeigte Druckanlage enthält einen Formsandbehälter 1 , Vorratsbehälter 2 bis 4 für den Härter bzw. die Harzkomponente eines säurehärtbaren Bindemittelsystems sowie einen Reinigungsmittelbehälter 5. Als Härter ist eine Arylsulfonsäure, nämlich im Ausführungsbeispiel Xylolsulfonsäure vorgesehen, die Harzkomponente im Behälter 3 ist Furfurylalkohol, der Behälter 4 enthält Harnstoffharz oder eine äquivalente stickstoffhaltige Verbindung und das Reinigungsmittel im Behälter 5 besteht aus einem aromatischen Alkohol, z. B. Benzylalkohol.

Der Formsand und die Xylolsulfonsäure werden zunächst im einem Mischer 6 vorgemischt und anschließend in übereinanderliegenden Schichten 7.1 7.n auf einen Träger 8 aufgebracht. Dabei wird jede einzelne Materialschicht 7 jeweils in einem individuell vorgegebenen Flächenbereich mittels eines Druckkopfes 9, welcher nach Art eines Tintenstrahldruckers mit selektiv ansteuerba-

ren Harzdüsen 10 ausgestattet ist, mit dem zuvor in einem Mischbehälter 11 mit Harnstoffharz angereicherten Furfurylalkohol bedruckt, so dass die Schichten 7.1 7.n in den bedruckten Materialzonen sukzessive aushärten und sich zu einem dreidimensional geformten Festkörper 12 verbinden, welcher aus dem umliegenden, ungebundenen Materialbett entnommen werden kann und dann z. B. einen - in der Zeichnung schraffiert dargestellten - Formkern einer (nicht gezeigten) Metallgussform bildet.

Im Hinblick auf kurze Aushärtzeiten, eine hohe Sandformfestigkeit und ein geringes Ausgasungsverhalten der Sandform 12 während des Metallgussvorgangs beträgt der Stickstoffanteil der Harnstoffzugabe an der Gesamtharzmenge 2 bis 6 Gew.-% und das Gewichtsverhältnis der Xylolsulfonsäure zur Gesamtharzmenge liegt zwischen 0,1 und 0,65. Als besonders günstig hat sich ein Stickstoffanteil von etwa 4 Gew.-% und ein Härter/Harzverhältnis von 0,3 bis 0,5 erwiesen.

Sehr einfach ist auch die Druckkopfreinigung, da sich Rückstände des Furfuryl- alkohol/Hamstoffharzgemisches mühelos mit Benzylalkohol aus den Druckerdüsen 10 entfernen lassen.