用于使用水溶性铸模制造模制部件的方法以及用于其制造的材料系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于使用水溶性铸模制造模制部件的方法以及用于其制造的材料系统。
【背景技术】
[0002]使用公知的注射成型方法制造的塑料部件的特点是高强度、良好的表面质量和低制造成本。这同样适用于由模铸混凝土、石膏或其它可硬化材料制造的部件。但是，制造相应的铸模相对昂贵，因为它们需要高精度。
[0003]用于逐层构建物体的方法、例如诸如快速原型法的3D打印方法，可以实现快速和成本有效地以良好的精度制造物体。因此，期望使用此类型的方法，以制造可硬化材料的铸模。然而，通过逐层构建方法制造的铸模的孔隙率对表面质量、可硬化材料的凝结和模具填充行为产生不利影响。
[0004]对从模具中取出铸件的问题迄今也没有得到满意的解决。
[0005]DE 691 25 064 T2描述了一种用于在模具中铸造产品的方法，其使用复杂的形状、诸如底切或空腔构造。在该方法中，制成了由颗粒材料、以及水溶性碳水化合物制成的水溶性铸模型芯，其可以在铸造后用水溶解。然而，由于模具在边界表面不具有多孔性，可铸材料不能渗入模具。
[0006]DE 195 25 307 Al公开了一种由利用结合剂固化的干物质而制成的铸造型芯。在制成铸件后，用水将该铸造型芯溶解、冲掉。该铸造型芯由干沙或珍珠岩以及磷酸氢二钠作为水溶性结合剂而制成。
[0007]DE 10 2005 019 699 B3描述了一种用于由金属盐颗粒制造3D物体作为铸模或铸造型芯的方法。为此，在逐层构建方法中使用了 3D物体，其由包括单价或多价、水溶和/或醇溶(alcohol-soluble)金属盐的颗粒制成。
[0008]上述引用的任何现有技术的文献都没有公开或教导本发明。
[0009]使用由使用基于粉末床的逐层构建法制造的铸模的显著缺点在于其孔隙率，这是由使用粉末材料导致的。该孔隙率构成由水凝性材料制造精确且尺寸准确的铸件的障碍。
[0010]已知方法的另一个缺点是:容易地和完全地从所制造的模制部件分离铸造过程所需的模具的性能。此外，根据现有技术的吸收性部件不适合用来处理水硬性铸造材料。
【发明内容】
[0011 ] 本发明的目的是提供一种属于开始所述技术领域的方法，该方法能利用使用逐层构建法制造的铸模来制造模制部件，促进了精确且尺寸准确的铸造和简单地将模制部件从铸模取出，或者为此至少减少或完全避免现有技术中的缺点。
[0012]该目的通过根据权利要求1限定的特征实现。根据本发明，在第一步骤中使用逐层构建法制造水溶性铸模。特别是，该铸模优选地是使用基于粉末床的逐层构建法制造。在第二步骤中，用不溶于水的材料密封铸模的表面。此后，通过用可流动的、可硬化材料填充铸模来制造模制部件的铸件。在铸件固化后，用水溶液、特别是加热的水溶液溶解铸模。
[0013]通过用不溶于水的材料进行密封，存在于铸模中的孔可以被封闭，而且，铸模的可能的表面粗糙度可能得到平滑化。如此，即使是在基于粉末床的逐层构建法中制造的铸模中，也可以制成促进尺寸准确且精确的铸件的光滑的表面。由于铸模是由水溶性材料制成，可以用水溶液容易且快速地从固化的模制部件去除，同时可洗掉用于密封的不溶于水的材料。令人惊奇的是还发现，通过密封工艺，在铸模的表面上没有发生可流动的硬化材料的显著渗透。
[0014]因此，本发明提供了复杂的铸模，其可容易、快速且经济高效地用3D打印制造。此夕卜，不仅可以利用根据本发明制造的铸模来制造复杂的铸模，而且，由于在铸造后可以将铸模去除，可以在铸件中进行底切。
[0015]令人惊奇的是，清洗步骤可以这种方式很容易进行，并且铸模可以完全被去除。通过根据本发明的方法，使用少量的材料、能量和时间，就能以在成本有效的工作步骤中迅速且完全地移除部件。
[0016]更令人惊奇的是，可以容易地制造密封，并且可以实现非常良好的铸造效果。而人们会预期看到铸造材料在密封和铸模中的显著渗透，并从而预期到铸造的不精确。然而，在根据本发明方法使用的方法步骤以及所选择的密封工艺中并不是这样，可以实现非常良好的铸造质量。因此，可以在很宽的工艺窗口中实现异常地好的表面。
[0017]使用根据本发明的方法和材料的特殊组合，现在可以避免因3D打印期间所造成的孔隙率以及对于铸件的负面的、所不期望的不精确度。出乎意料的是，使用在铸造步骤促进高精度的根据本发明的方法，可以实现非常高的表面质量。
[0018]在本申请中“水溶性材料”是指在过量的水或水溶液中完全溶解的材料。过量是指水或水溶液的体积是至少等于或大于要溶解的材料的体积。特别是，水溶性材料的溶解度大于I克每升。
[0019]铸件具有待制造的模制部件的外部形状的至少一个负模型。用逐层构建法制造的铸模优选地还包括形成待制造的模制部件中的内部形状或空腔的型芯。特别是，根据本发明的铸模具有复杂的几何形状，如底切。
[0020]所有在现有技术公知的逐层构建法、例如熔融沉积成型都可以使用作逐层构建法。在该方法中，通过在空间中可动的挤压机喷嘴逐层地涂覆水溶性材料。然而，特别优选地是使用基于粉末床的逐层构建法，其中，颗粒材料以薄层涂覆到平台上，计算机控制的打印头基于所存储的数字化数据用结合剂选择性地打印一些区域，以用于使这些区域结合。随后，在该方法结束而没有结合的多余的颗粒材料，可以从已结合的材料移除和例如再使用。
[0021]原则上所有从现有技术已知的3D打印用材料都可以用作颗粒材料，例如沙、石膏、热塑性塑料、以及金属、矿物、硅酸盐或陶瓷粉末。在本申请范围中使用的术语“颗粒材料”包括粒状材料以及纤维材料、诸如纤维素纤维、木纤维、草纤维等。水溶性结合剂用作结合剂、诸如至少一种多糖、蛋白质、盐、硅酸盐、鞣质、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或它们的混合物。
[0022]该铸模在用不溶于水的材料密封表面之前优选进行清洁。此外，铸模的表面在密封之前也可以例如通过研磨进行机加工处理。
[0023]在本申请的意义内“不溶于水的材料”是指在水中没有或只有非常低的溶解度，例如小于I克每升的材料。为了在用热水溶解铸模时避免由具有低玻璃化转变温度的可硬化材料制造的模制部件的可能的变形，特别是，可以使用非常低熔点的蜡或脂肪。
[0024]在本申请的意义内，“可硬化材料”理解为通过化学反应从可流动状态转变为硬化状态的材料。特别是通过缩聚、加聚或离子聚合而发生聚合反应的材料。特别地，可硬化材料优选地包括水凝性材料，即具有吸湿性能和以晶体结构将水存储为结晶水的材料，其中该材料由于晶体结构的形成而硬化。
[0025]该材料优选包含水泥结合性材料、磷酸锌黏固剂、石膏、硫酸钙(硬石膏)以及聚亚氨酯、环氧树脂、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚酯和/或聚酰亚胺、以及可生物降解的塑料。应理解，铸模所填充的可硬化材料包括硬化材料的基材或相应聚合物的单体。因此，例如异氰酸酯和用以形成聚氨酯的多羟基化合物。为了生成模制部件的铸件，材料是可流动的，即具有足够小的粘度以允许用该材料填充铸模。
[0026]原则上，所有不需要为了进行固化除去溶剂的系统都适合。这包括所有的双组分塑料系统。在一个特别优选的具体实施例中，将玻璃纤维增强化材料引入铸模中，然后将铸模用双组分铸造聚氨酯填充。对于在硬化期间表现出强烈放热反应的材料，也可以进一步从外部冷却该铸模，以防止将用于密封铸模的表面的不溶于水的材料熔化。
[0027]在本申请的意义上“水溶液”是指以大于50%、优选大于75%的体积比例包含水的溶液。特别优选的是使用纯水作为水溶液，特别是蒸馏水。
[0028]水溶液特别优选地被加热用于溶解铸模，也就是说，它具有比20°C的典型室温高的温度，如80°C。特别地，选择所用的不溶于水的材料的熔化温度之上的温度。结果，不溶于水的材料可以从模制部件的铸件迅速和可靠地移除，同时，铸模被溶解。
[0029]用于制造水溶性铸模的材料的选择和不溶于水的材料的选择优选是这样地进行:在铸模溶解后这些材料可以容易地从水溶液分离，并分别再利用。例如，不溶于水的材料可以在水溶液冷却后结晶，而铸模的水溶性材料可从水溶液过滤出来。
[0030]铸模优选地在3D打印工艺中制造。特别优选在基于粉末床的3D打印工艺中制造。
[0031]铸模的表面优选地通过浸在浴槽中、通过在其上喷雾和/或通过在其上涂刷而用不溶于水的材料密封。优选的是，不溶于水的材料在密封之前通过加热到熔化温度之上而液化。可替代地，不溶于水的材料还可以由挥发性有机溶剂溶解而作为有机溶液施加到铸模的表面，在溶剂完全蒸发后在铸模的表面上留下一层不溶于水的材料。
[0032]在用材料填充铸模时，优选地将欠压或过压施加于铸模、和/或使其受到震动或升温。这使得可以确保用可流动、可硬化材料完全填充存在于铸模中的模制部件的负模型。
[0033]如果使用水泥粘合材料，可以特别是在铸件中包含强化材料。这些增强材料可配置为丝网、玻璃纤维布或等效结构。然而，水泥材料必须设为低粘度以用于填充铸模。现有技术公知的流动性改善添加剂、球形聚集体或特殊沙层适用于此目的。通过额外地引入空心玻璃球，可以由极轻水泥材料使用根据本发明的方法制造模制部件。
[0034]虽然不必，但可以进行强化。同样地，可将其它填料加入到材料中，特别是短纤维或纳米颗粒，以用于强化模制部件。
[0035]特别地，可以使用根据本发明的方法优选制造弹性模制部件。双组分硅树脂由于其相对低的粘度而特别适用于该目的。
[0036]铸模优选地通过浸在含有水溶液的浴槽中而溶解。该溶解优选通过铸模在浴槽内的运动或通过升温和/或通过施加超声波而被加速。
[0037]可使该铸模在浴槽中积极地移动，例如，通过用手使其来回移动。可代替地，可以将浴槽置于摇杆上，或可利用混合装置将水溶液设成运动。温度上升优选通过浴槽设于其上的外部热源或通过浸没式加热系统来进行。超声波的施加优选地在市售超声波浴槽中进行。
[0038]特别优选的是，铸模的溶解发生在压热器中。由于压热器中产生的过压和高热量流，可从快速且无残留物地将根据本发明的铸模和用于密封的不溶于水的材料从模制部件的铸件除去。
[0039]特别地，铸造聚酰胺用作不溶于水的材料。“铸造聚酰胺”是指一种热塑性材料，其由己内酰胺通过离子聚合而得到。
[0040]本发明的另一个目的是提供一种材料系统用于制造水溶性铸模，其特别是