生产用于在冷铸造方法或层压方法中生产构件的增材制造且涂覆的铸造模具的方法与流程

本发明涉及一种生产用于在冷铸造方法或层压方法中生产复杂构件的增材制造的铸造模具的方法。

背景技术：

1、计算机辅助方法使建筑师和工程师能够设计由例如具有高度几何复杂性的混凝土制成的复杂构件。由于制造成本高或无法使用传统制造方法和工具进行制造，这些设计的实际实施常常失败。

2、增材制造允许通过增材制造成形构件(随后是铸造模具或有时是模版)来由例如混凝土等建筑材料生产复杂构件，而不是通过数控铣床加工或用木材或塑料手工加工。

3、增材制造在模具制造中的应用是众所周知的。3d打印机使用粘合剂喷射方法为铸造厂制作砂模，以生产复杂的机器构件。例如，wo 2011/021080 a2描述了建筑行业中的粘合剂喷射方法。

4、在此可以使用多种增材方法。事实证明，基于粉末床的方法(粘合剂喷射)和基于挤出的方法对于生产此类模具最有利。来自voxeljet ag的ep 3 174 651 b1描述了使用基于粉末床的方法生产这种铸造模具，该方法也称为粘合剂喷射。在此过程中，粉末状原材料在选定的点与粘合剂(“binder”)粘合。在此方法中，通过根据3d数据(例如cad数据)计算为每个单独层创建的几何形状，逐层构建工件。然后将一层粉末或颗粒施加到高度可调的工作台上，并使用打印头在形成工件一部分的点处粘合到粘合剂上。然后将工作台降低一层厚度并涂上一层新的粉末。重复此过程，直到工件完全形成，然后工件完全被周围的粉末隐藏。然后将多余的粉末返回以供进一步使用，将工件从打印机中取出并清除粉末残留物。通过这种方式，也可以生产建筑行业的模具。

5、ep 3 174 651 b1描述了这些铸造模具由预先涂覆有活化剂组分的砂制成，并且选择性地与合成树脂(通常是酚醛树脂)结合，因为活化剂组分和合成树脂形成聚合物。所得铸造模具具有孔隙，因此需要先涂上铸型涂料，然后再涂上pu、环氧树脂、聚酯等塑料基密封剂，以便在建筑中用作模版。这种多步骤的过程包括打印模版、清除模版上的松散颗粒材料、施加铸型涂料以封闭孔隙，以便混凝土压力不会迫使密封剂进入孔隙，以及施加密封剂本身，这是非常复杂的。此外，在工艺步骤之间必须遵守一定的停机时间和休息时间。由于使用昂贵的合成树脂作为粘合剂以及塑料涂层作为密封剂，重砂模版在使用后成为危险废物，并且必须以复杂且昂贵的方式进行处理。由于砂是铸造模具的主要成分，因此非常重，因此难以处理。因此，需要特殊的起重装置来进行锚定、提升、移动和放下。

6、其他现有技术文献包括例如de 10 2017 009 742 a1，其描述了通过粉末基层构造方法生产的水溶性模具。该方法与ep 3 174 651 b1中描述的方法类似，但使用水溶性塑料作为粘合剂。例如，使用石英砂作为水不溶性组分。该方法优选用于具有侧凹的复杂几何形状。使用这种粘合剂可以生产强度为0.8-1.5n/mm2的构件。随后的烘箱处理可将强度提高至＞2n/mm2。由于使用成本密集的塑料基粘合剂和砂作为高重量的颗粒材料，并且由于模具的强度低，所以该方法也不经济。此外，还需要较长的停机时间和烘箱处理。粘合剂溶解后，砂可以重复使用，但必须首先完全除去粘合剂和污垢，然后干燥。溶解在水中的粘合剂必须单独处理。

7、de 10 2016 119 365 a1描述了一种由塑料打印的模块化模版系统，其中至少面向混凝土的表面由分层施加和硬化的塑料组成。模块化的单个模具由可重复使用的基础支架和可拆卸、可回收的塑料组成，塑料也可以是水溶性的。模版由塑料丝通过挤出方法制成，由于打印头数量有限，生产大体积模制品的过程很漫长。此外，使用挤出方法会留下凹槽表面，需要付出相当大的努力才能平滑，或者打印的层厚度如此地薄，使得生产速度更慢。使用塑料生产大量构件成本高昂，因为回收需要去除壳板油、混凝土残留物、水泥浆、灰尘颗粒等污染物。由于基础支架可重复使用，模具结构与基础支架的规格相关，这可以被视为生产中的限制，并且与增材制造的基本原则(每个构件的形状完全自由)相矛盾。

8、ep 2 961 581 b1描述了由各种材料增材制造的多孔水溶性铸造模具的生产。使用后，将模具溶解在温控水浴或高压釜中，并将防水壳皮从铸造构件上洗掉。该方法的缺点是其不经济性。每个模版只能使用一次。还需要大量的水来溶解模版。水在使用后必须进行处理，并且必须过滤掉水中溶解的物质。

9、us2015/315399 a1描述了由含有氧化镁的水泥和酸添加剂组成的可溶性粘合剂的粉末混合物。该混合物还含有非反应性陶瓷填料。粉末中添加了酸添加剂，因此粉末始终具有反应性，并且可能因湿度而发生结块和反应。压力流体由高达50％的溶剂和酸性添加剂组成。

10、us2011/7177188 a1描述了一种用于3d打印粘合剂喷射的粉末混合物，以便生产用于铸铁的3d打印模具。粉末混合物由粘合剂、砂和促进剂组成。使用水泥，优选波特兰水泥或火山灰水泥或粉煤灰作为粘合剂。水泥本身可能含有石灰和碱性氧化物。反应性碱性氧化物是：氧化钙、氧化镁或氧化锌。可溶性硅酸盐，例如水玻璃作为促进剂存在。波特兰水泥和氧化镁的混合物受到严格的审视。如果水泥中氧化镁含量过多，就会形成氧化镁，从而破坏硬化结构。例如，在建筑中禁止使用钠水玻璃。

11、de 3 506 555 a1描述了基于氧化镁作为粘合剂和硫酸镁作为促进剂的研钵状物质的生产。木片等生物材料被用作骨料。直到20世纪50年代，氧化镁一直用于制造地板。在此，混合物中添加了木屑、锯末等，使地板的脚感温暖。人们希望硫酸镁的刺激能够带来更好的耐水性。

12、de 2 922 815 a1涉及通过添加硅酸乙酯来提高氧化镁的耐水性的想法。

13、cn 110342898 a描述了氧化镁和硫酸镁作为3d打印粘合剂的用途。使用滑石粉和白云石粉作为骨料。文献中将滑石和白云石描述为可以轻松与mgo结合的添加剂。

技术实现思路

1、现有技术中已知的缺点使得增材制造的铸造模具在例如建筑工业或造船业中的使用不切实际，因为这种铸造模具要么由于复杂的生产而不经济，要么由于大的质量而引起问题。另外，现有技术中的铸造模具通常只能使用一次，然后必须花费很大的费用进行处理。

2、因此，本发明的目的是提供一种减少这些缺点的制造铸造模具的方法以及铸造模具本身。

3、所述目的通过一种生产用于在冷铸造方法或层压方法中生产构件的增材制造的铸造模具的方法来解决，该方法包括以下步骤：

4、a)确定铸造模具的三维结构，

5、b)提供混合物，其中所述混合物包含粉状粘合剂和粉状骨料，

6、c)提供包含氯化镁或硫酸镁的水溶液的压力流体，

7、d)将一层混合物施加到支架上，

8、e)仅将压力流体施加到混合物中将形成铸造模具一部分的那部分上，

9、f)将另一层混合物施加到前一层混合物上，

10、g)仅将压力流体施加到混合物中将形成铸造模具一部分的那部分上，

11、h)重复步骤f)和g)直至获得所需的铸造模具形状，

12、i)使混合物的已加入氯化镁或硫酸镁水溶液的那部分凝固，

13、j)除去尚未与水溶液混合的混合物，以及

14、k)用壳皮涂覆铸造模具的至少那些与混凝土接触的部分。

15、在详细描述本发明之前，下面更详细地解释本发明的一些术语。

16、3d打印方法是现有技术中已知的能够构造自由形状构件的所有适用方法。例如，这些将是粘合剂喷射、轮廓加工、立体光刻。

17、选择性结合可以在每次施加颗粒材料之后发生。它发生在3d cad模型指定的位置。

18、颗粒材料是任何适合粉末基3d打印的材料。

19、为了本发明的目的，颗粒材料混合物是至少两种不同材料的材料混合物。出于本发明的目的，它们是骨料和粘合剂。

20、骨料：来自建筑行业的所有散装材料，最好是轻质建筑材料，例如膨胀珍珠岩、膨胀板岩、膨胀粘土等。

21、粘合剂：适用于建筑行业的所有粘结剂，如石膏、水泥、石灰、氧化镁、硫酸镁、硬石膏、硅酸盐等。

22、再煅烧：反应后的粘结剂在使用和加工后再次燃烧，从而再次具有反应性。

23、压力流体：其通过打印头选择性地施加到颗粒材料上并引发颗粒材料中的反应，其中颗粒材料中的组分结合并最终形成整体的成型体。

24、在当前情况下，优选使用氯化镁mgcl2溶液作为压力流体。氯化物在凝固过程中起到催化剂的作用。优选使用20℃时比重为1.25kg/l的浓缩液。mgcl2含量应至少为25重量％。为了获得良好的强度，mgo和mgcl2溶液之间的最佳重量比为1至2，特别优选1.5。反应物之间的最佳比例由化学计量mgcl2/mg＝1.5确定，尽管在3d打印过程中该比例通常会稍微降低并在1到1.5之间。也可以使用硫酸镁，只要质量比例适当即可。然而，mgcl2具有更好的性能。一方面，这是由于mgso4的吸湿特性，即从环境中吸收水分的能力。另一方面，事实证明，压力流体中的mgcl2与作为粘合剂的mgo的组合(见下文)在材料完全回用方面优于mgso4。

25、安装空间：在施工过程中通过重复涂覆颗粒材料沉积颗粒材料混合物并在那里通过选择性粘合创建构件的几何空间。建筑空间包括底板和四个壁，顶部是开放的。

26、孔隙率：它描述了物质或物质混合物的总体积的空腔体积。在模具制造中，过多的孔隙率不利于强度和涂层，特别是在多孔结构中。

27、涂层：在本发明的意义上，不透水的疏水层还耐水硬性和非水硬性粘合剂并且耐uv辐射和机械影响。其形成了增材制造的模具和浇注到模具中的材料之间的边界。

28、冷铸造方法是例如在浇注混凝土之前、期间和之后未达到铸造模具和型芯的温度、模具材料和涂层的分解或软化温度的铸造方法。

29、模具、模版、铸造模具：描述增材制造的模具，该模具经过涂层并在冷铸造方法中将材料注入其中。

30、优选地，还设置有用于调节液压流体的粘度的调节剂。例如，可以使用米粉或液体调节剂作为调节剂来调节粘度。此外，溶液可保持在20至25℃的恒温，因为当温度下降时盐会沉淀。通过调节剂和温度，压力流体的动力粘度可在1-1000mpa·s的范围内适配，具体取决于喷嘴直径和要求。

31、在一个实施例变型中规定，混合物还包含填料。

32、优选地规定，混合物包括：

33、·10至70重量％粘合剂

34、·30至90重量％骨料

35、·0.01至3重量％填料。

36、粘合剂可以例如选自氧化钙、水泥、硫酸钙、氧化镁、硫酸镁、粘土、火山灰或其混合物。

37、特别优选的是，粘合剂包含氧化镁。

38、事实证明，骨料的密度为50kg/m3至1600kg/m3是有利的。具有这样的密度的合适的骨料例如选自膨胀粘土、膨胀珍珠岩、膨胀云母、膨胀玻璃、膨胀板岩、浮石、木片、火山石泡沫熔岩、锅炉砂、烧结硬煤粉或者由加气混凝土、砖建筑材料制成的回收或废弃建筑材料或者其混合物。

39、骨料可以具有不同的粒度。理想的筛分曲线的粒度分布优选为a(d)＝(d/dmax)q，其中颗粒混合物为0.2＜q＜0.7。

40、在理想筛线方程a(d)＝(d/dmax)q中：

41、a＝每个颗粒尺寸的筛分质量％(图表中y轴上的值)

42、d＝0和d之间的颗粒直径，应计算颗粒混合物中的百分比

43、d＝要计算的筛分曲线最大颗粒的直径

44、q＝考虑颗粒形状的指数。对于理想球形：q＝0.5；对于砾石砂：q＝0.4对于碎天然砂：q＝0.25。

45、通过这个公式，可以计算颗粒的最紧密堆积，并获得应添加到干混合物中的每个颗粒尺寸的质量比例。颗粒形状偏离球形越多，岩石颗粒就必须越细，并且混合物中mgo的比例就越大，因为非球形颗粒具有必须结合的更大表面积。

46、由此，可以避免铸型涂料或孔填充，这意味着需要少一个工作步骤和干燥步骤，从而可以节省时间。

47、填料优选选自面粉颗粒、甲基纤维素、膨润土或其组合。填料的任务是固定施加到颗粒床中的混合物的压力流体。

48、添加剂是影响干混合物特性的粉状物质。优选使用以下添加剂：

49、(a)甲基纤维素和/或膨润土：提高干混料的保液能力。当压力流体喷射到混合物上时，这些添加剂在流体释放点将流体局部固定在粉末床中。通过添加甲基纤维素或膨润土，颗粒结构中的液体保留在其释放的位置，并且不会由于重力而迁移穿过粉末层，从而导致构件中出现所谓的象脚(elefantenfüβen)。这使得生产尺寸精确、精度高的构件成为可能。添加量：0.01-3％体积百分比。

50、(b)粒径小于0.125mm的颗粒称为面粉颗粒。面粉颗粒有利于封闭小空腔，从而增加铸造模具的强度。它还促进干砂浆通过气动输送软管的输送并促进干砂浆的滴流。最细的岩石颗粒可用作面粉颗粒。面粉粒封闭了孔，因此不必像现有技术那样使用铸型涂料或刮刀。添加量最多为体积的3％。这里优选使用石英粉，因为它非常适合作为填料，并为3d打印模具提供封闭的坚硬表面，由于石英粉的细度，该表面仍然可以进行加工。壳皮可以更好地粘附到由少量石英粉制成的模制构件上，并且由于基材较硬，因此更耐用。

51、(c)反应性填料，例如火山灰。火山灰是含有二氧化硅或粘土的物质，可以通过添加水、氯化镁、碱液、水玻璃等发生碱性反应。此类反应性填料或添加剂包括：

52、(i)粉煤灰：粉煤灰是富含二氧化硅或石灰的煤尘燃烧残留物，是在清洁燃煤发电厂蒸汽发生器的烟气时产生的。粉煤灰由具有火山灰性质的球形颗粒组成，具有多种优点。优点是提高了颗粒材料在应用和深滚压过程中的压实能力。更好的后固化、更高的最终强度、更致密的结构并减少开裂倾向。粉煤灰改善了颗粒材料混合物在最细颗粒范围内的颗粒分布，并且与主要为球形的颗粒形状(滚珠轴承效应)相关，改善了颗粒材料的可加工性和流动性。在粉煤灰的帮助下，可以更好地填充颗粒材料混合物中最小的孔隙，从而使最终构件的结构更致密，从而获得更大的强度特性。粉煤灰主要由活性sio2和氧化铝al2o3以及少量其他可激发碱性的氧化物组成。粉煤灰中含有的二氧化硅是无定形的，类似于玻璃态。因此，单个sio2分子能够与酸和碱发生反应。反应过程中形成的氢氧化镁mg(oh)2刺激粉煤灰发生反应，形成第二种地质聚合物结构。由此使得3d打印结构中高比例的孔隙得以进一步减少。

53、作为能源生产的副产品，粉煤灰具有出色的二氧化碳平衡性，有助于保护自然资源，因为可以替代更多的能源密集型粘合剂。在此保留了mgo的可回收性和可再锻性。作为颗粒材料混合物中的组分，粉煤灰可以替代3-45％的较昂贵的mgo，并使颗粒材料混合物更便宜。

54、(ii)微硅、硅粉：一种硅酸(二氧化硅sio2)比例较高的人造火山灰。它是一种类似玻璃的无定形二氧化硅。硅粉是硅和硅铁合金生产的副产品。硅粉所含颗粒呈球形，粒径为0.1至0.2μm，比水泥颗粒细50至100倍。根据标准，其比表面积应为15至35m2/g。因此，微硅是一种极其细粒的矿物质。硅粉的化学成分差异很大。一般来说，二氧化硅含量在80重量％至98重量％之间。高细度导致硅粉具有显着的空腔填充效应和火山灰效应。硅粉还可以改善氧化镁和岩石颗粒或纤维之间接触区域的粘合力。此外，堆积密度也增加。这意味着可以通过添加微硅来提高强度性能。添加到混合物中的量在此为mgo含量的1％至20％。由于研磨的细度，微硅具有很强的反应性，与氢氧化镁mg(oh)2发生反应，高比表面积导致接触表面反应，从而导致毛细孔减少。

55、(iii)其他添加剂可以是细磨的砖粉、偏高岭土或煅烧粘土。优选使用粉煤灰和微硅的混合物。由此可以改善3d打印模具的材料特性。由此使得模具非常耐用，在测试中可重复使用多达40次。

56、压力流体优选具有至少30重量％、优选45至55重量％的氯化镁浓度。

57、壳皮可以包括例如热固性材料，优选聚氨酯或环氧树脂、不饱和聚酯树脂或酚醛塑料。

58、事实证明，可以从用过的铸造模具中获得粘合剂和骨料的混合物，从而可以完全回收。特别地，可以使用根据本发明的方法预先生产铸造模具。首先将壳皮从所使用的铸造模具中取出，然后将没有壳皮的铸造模具压碎，分离颗粒材料并重新煅烧粘合剂。

59、整个方法优选在3d打印机中进行。