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WO2025056125A1 - Artificial sandstone moulding produced by additive manufacturing, and the production thereof - Google Patents

Artificial sandstone moulding produced by additive manufacturing, and the production thereof Download PDF

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WO2025056125A1
WO2025056125A1 PCT/DE2024/150010 DE2024150010W WO2025056125A1 WO 2025056125 A1 WO2025056125 A1 WO 2025056125A1 DE 2024150010 W DE2024150010 W DE 2024150010W WO 2025056125 A1 WO2025056125 A1 WO 2025056125A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
artificial sandstone
molded body
molding
sandstone
solidified
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/DE2024/150010
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German (de)
French (fr)
Inventor
Piotr Kramarczyk
Stefan Meutzner
Christoph Salewski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zalewa Tec GbR Vertretungsberechtigte Gesellschafter Piotr Kramarczyk Stefan Meutzner Christoph Salewski 09603 Grossschirma
Original Assignee
Zalewa Tec GbR Vertretungsberechtigte Gesellschafter Piotr Kramarczyk Stefan Meutzner Christoph Salewski 09603 Grossschirma
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Publication date
Application filed by Zalewa Tec GbR Vertretungsberechtigte Gesellschafter Piotr Kramarczyk Stefan Meutzner Christoph Salewski 09603 Grossschirma filed Critical Zalewa Tec GbR Vertretungsberechtigte Gesellschafter Piotr Kramarczyk Stefan Meutzner Christoph Salewski 09603 Grossschirma
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    • C04B2111/00939—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for the fabrication of moulds or cores

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a solidified, additively manufactured artificial sandstone molding, as well as to the solidified, additively manufactured artificial sandstone molding produced by the method.
  • the artificial sandstone molding is particularly suitable for use as a master or forming model, for example, as a casting model or core box for the production of lost casting molds; it is also suitable as a permanent mold and as an art and decorative object.
  • the additive manufacturing of molded bodies can be carried out using materials from almost all material groups.
  • 3D printing can be carried out using materials from almost all material groups.
  • the sand particles applied in layers as a bulk material, are bound to predetermined positions in the respective sand layer by means of a specifically applied binder; the three-dimensional molded body is created by building up the material layer by layer.
  • the material thus created from a binder and an aggregate, such as sand forms an artificial stone; if sand is used as the aggregate, an artificial sandstone.
  • Organic binders such as synthetic resins, or inorganic binders, such as alkali silicates, can be used as binders in this process.
  • DE 10 2011 105 688 A1 or EP 4 019 161 A describe the additive manufacturing of molded bodies made of sand and binders, i.e., additively manufactured artificial sandstone molded bodies, which are used in particular as lost molds, for example, as casting molds and casting cores, in the foundry industry.
  • WO 2007/110091 A1 discloses a binder system for producing a sand casting mold by additive manufacturing.
  • the artificial sandstone moldings manufactured in this way have inherently limited mechanical stability, which is why the artificial sandstone moldings are very well suited as lost molds for the foundry, but are only of limited use for multiple or long-term applications.
  • Components used in the foundry industry include, for example, casting patterns, which are used to create molds for frequently used castings. Casting patterns are generally produced from solid material, such as wood, using a machining process; however, this custom production is usually quite complex. The use of an additively manufactured casting pattern would therefore be economically interesting, particularly for the production of castings in small series.
  • casting patterns additively manufactured from known materials either do not offer the required mechanical stability, as is the case with the additively manufactured artificial sandstone moldings described above, or are not economically viable compared to conventionally manufactured casting patterns. Since the additive manufacturing of artificial sandstone moldings is extremely economical due to the low-cost starting material, i.e. sand, and the low rework required, it would be desirable to produce casting patterns additively from artificial sandstone, which has sufficient mechanical stability for casting patterns.
  • crushed inorganic substrate material is mixed with a reactive polymer resin to form a raw mass, shaped, compacted, and the polymer resin is then cured by a polymerization reaction.
  • Additional Si compounds are added to the raw mass mixture of polymer resin and substrate material to improve crosslinking during the polymerization reaction.
  • These are preferably silanes; however, silicone resins can also be used.
  • the Si compounds are preferably introduced by homogeneous mixing into the raw mass; alternatively, they can also be introduced—before curing—by application to the surface of the pre-formed or pre-compacted raw mass.
  • the object of the invention is to provide an additively manufactured artificial sandstone molded body which is mechanically more stable than the prior art and a method for its production. This object is achieved by a method for producing a solidified, additively manufactured artificial sandstone molded body according to claim 1 and by a solidified, additively manufactured artificial sandstone molded body according to claim 9. Expedient developments of the invention are set out in claims 2 to 8 as well as 10 and 11.
  • a - still unsolidified - artificial sandstone molding is additively manufactured from sand and a binder in a fundamentally known manner.
  • Additive manufacturing is preferably carried out using the powder bed process.
  • sand with a defined grain size is bound layer by layer at predefined positions using the binder.
  • the layered structure creates the artificial sandstone molding, which, since it is in an unsolidified state immediately after completion of additive manufacturing, is also referred to as a green body in the context of this disclosure.
  • the green body produced in this way has a more or less pronounced open porosity between the sand particles bonded by the binder, which runs through the unsolidified artificial sandstone molding; i.e., the sand particles are bound into a partially formed, porous matrix of binder.
  • the additively manufactured artificial sandstone body is preferably made of quartz sand, with the grain size of the quartz sand grains primarily ranging from 0.05 mm to 0.30 mm. Quartz sand with an average grain size of 0.13 mm to 0.14 mm is particularly suitable for the additive manufacturing of artificial sandstone bodies.
  • Synthetic resin especially furan, phenol, or polyurethane resin
  • inorganic materials such as water glass can also be used as binders.
  • Artificial sandstone molded body is still considered unconsolidated, ie as green body,
  • the artificial sandstone molded body is subjected to heat treatment.
  • the heat treatment temperature is preferably in the range of 50 °C to 150 °C.
  • the heat treatment temperature should be maintained for a holding time of at least 15 minutes.
  • the artificial sandstone molded body is then cooled, usually to room temperature.
  • the artificial sandstone molded body which has cooled after heat treatment, is infiltrated by applying a synthetic resin.
  • the synthetic resin preferably an epoxy resin or a silicone resin
  • the synthetic resin applied to the surface of the artificial sandstone molded body penetrates into the open pores of the artificial sandstone molded body, i.e., it infiltrates or saturates the artificial sandstone molded body in an infiltration zone adjacent to the molded body surface up to a predetermined infiltration depth.
  • the process of applying the synthetic resin is continued until, under normal practical conditions, the applied synthetic resin no longer penetrates into the molded body interior or until no more synthetic resin is absorbed by the artificial sandstone molded body, i.e., until saturation of the infiltration zone occurs.
  • the formation of a permanent synthetic resin film on the surface can be used as an indicator for reaching this saturation state.
  • the synthetic resin can be applied to the surface using conventional methods known from painting technology, such as spraying, brushing, dipping, or similar methods.
  • the infiltration treatment is usually carried out under normal atmospheric conditions, i.e., without the aid of positive or negative pressure.
  • the resin-infiltrated artificial sandstone body is air-cured to form the solidified, additively manufactured artificial sandstone body.
  • the artificial sandstone body is stored in an air environment, which causes the resin to harden in the infiltration zone and thus solidifies the artificial sandstone body.
  • Air-curing like the infiltration treatment, usually takes place under normal atmospheric conditions. Conditions, i.e., free of overpressure or underpressure.
  • the curing time is approximately 12 hours to several days. Curing can also be performed by oven curing at elevated air temperatures, for example, in the range of 200 °C to 220 °C; the curing time is generally 12 to 24 hours.
  • the infiltration treatment and subsequent air curing steps may be repeated once; however, they can also be repeated multiple times.
  • the artificial sandstone molded body can be cleaned, for example by blasting with air or compressed air.
  • the synthetic resin used for the infiltration treatment is an epoxy resin.
  • An epoxy resin having a bisphenol A-based epoxy resin content of 80 to 90 mass percent, a bisphenol F-based epoxy resin content of 5 to 10 mass percent, and an aliphatic glycidyl-based epoxy resin content of 5 to 10 mass percent has proven particularly suitable.
  • alkyl silicone resins When using a silicone resin for the infiltration treatment, alkyl silicone resins have proven suitable, especially alkyl silicone resins with alkoxy groups.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a consolidated artificial sandstone moulding by additive manufacturing, and to the consolidated artificial sandstone moulding produced by means of the method. According to the method, the artificial sandstone moulding is subjected, after additive manufacturing, to a heat treatment and to an infiltration treatment followed by a curing step. The artificial sandstone moulding is suitable in particular for use as a prototype model or forming model, for example as a casting model for producing lost casting moulds, and as a plastics article for decorative purposes.

Description

Additiv gefertigter Kunstsandsteinformkörper und dessen Herstellung Additively manufactured artificial sandstone molding and its production

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verfestigten, additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörpers sowie den mittels des Verfahrens hergestellten verfestigten, additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörper. Der Kunstsandsteinformkörper eignet sich insbesondere zur Verwendung als Ur- oder Umformmodell, zum Beispiel als Gussmodell oder Kernkasten zur Herstellung von verlorenen Gussformen; ebenso eignet er sich als Kokille sowie als Kunst- und Dekorgegenstand. The invention relates to a method for producing a solidified, additively manufactured artificial sandstone molding, as well as to the solidified, additively manufactured artificial sandstone molding produced by the method. The artificial sandstone molding is particularly suitable for use as a master or forming model, for example, as a casting model or core box for the production of lost casting molds; it is also suitable as a permanent mold and as an art and decorative object.

Die additive Fertigung von Formkörpern, gemeinhin als 3D-Druck bezeichnet, kann mit Werkstoffen aus nahezu allen Werkstoffgruppen durchgeführt werden. So ist es unter anderem möglich, Formkörper additiv aus Sand und einem Bindemittel im Pulverbettverfahren zu fertigen. Hierbei werden die schichtweise als Schüttung aufgetragenen Sandpartikel mittels eines gezielt applizierten Bindemittels an vorgegebenen Positionen der jeweiligen Sandschicht gebunden; durch den Aufbau Schicht für Schicht entsteht der dreidimensionale Formkörper. Das derart aus einem Bindemittel und einer Gesteinskörnung, wie zum Beispiel Sand, entstehende Material bildet einen Kunststein, im Fall der Verwendung von Sand als Gesteinskörnung einen Kunstsandstein. Zur Durchführung des Verfahrens können als Bindemittel organische Bindemittel, wie zum Beispiel Kunstharze, oder auch anorganische Bindemittel, wie zum Beispiel Alkalisilikate, genutzt werden. The additive manufacturing of molded bodies, commonly referred to as 3D printing, can be carried out using materials from almost all material groups. For example, it is possible to produce molded bodies additively from sand and a binder using the powder bed process. In this process, the sand particles, applied in layers as a bulk material, are bound to predetermined positions in the respective sand layer by means of a specifically applied binder; the three-dimensional molded body is created by building up the material layer by layer. The material thus created from a binder and an aggregate, such as sand, forms an artificial stone; if sand is used as the aggregate, an artificial sandstone. Organic binders, such as synthetic resins, or inorganic binders, such as alkali silicates, can be used as binders in this process.

In DE 10 2011 105 688 A1 oder in EP 4 019 161 A wird die additive Fertigung von Formkörpern aus Sand und Bindemitteln, d. h. von additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörpern, beschrieben, welche insbesondere als verlorene Formen, zum Beispiel als Gussformen und Gusskerne, in der Gießereiindustrie Verwendung finden. Ein Bindemittelsystem zum Herstellen einer Sandgussform im Wege der additiven Fertigung offenbart WO 2007/110091 A1 . DE 10 2011 105 688 A1 or EP 4 019 161 A describe the additive manufacturing of molded bodies made of sand and binders, i.e., additively manufactured artificial sandstone molded bodies, which are used in particular as lost molds, for example, as casting molds and casting cores, in the foundry industry. WO 2007/110091 A1 discloses a binder system for producing a sand casting mold by additive manufacturing.

Die derart additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörper besitzen verfahrensinhärent eine begrenzte mechanische Stabilität, weshalb sich die Kunstsandsteinformkörper zwar sehr gut als verlorene Formen für die Gießerei eignen, für Mehrfach- oder Daueranwendungen aber nur bedingt brauchbar sind. Zu solchen mehrfach angewandten Bauteilen zählen in der Gießereiindustrie zum Beispiel die Gussmodelle, mit deren Hilfe häufig verwendete Gussformen abgeformt werden. Gemeinhin werden die Gussmodelle mittels abtragenden Verfahren aus einem Vollmaterial, zum Beispiel aus Holz, erzeugt; diese individuelle Fertigung ist jedoch zumeist recht aufwendig. Gerade für die Herstellung von Gussformen im Kleinserienbereich wäre die Nutzung eines additiv gefertigten Gussmodells daher wirtschaftlich interessant. Die additiv aus bekannten Materialien gefertigten Gussmodelle bieten jedoch entweder, wie im Fall der beschriebenen additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörper, nicht die erforderliche mechanische Beständigkeit oder sind im Vergleich zu den konventionell hergestellten Gussmodellen nicht wirtschaftlich herstellbar. Da die additive Fertigung von Kunstsandsteinform körpern aufgrund des kostengünstigen Ausgangsmaterials, d. h. Sand, und aufgrund des geringen Nacharbeitsaufwandes ausgesprochen wirtschaftlich ist, wäre es wünschenswert, Gussmodelle additiv aus Kunstsandstein, der eine für Gussmodelle ausreichende mechanische Stabilität aufweist, zu fertigen. The artificial sandstone moldings manufactured in this way have inherently limited mechanical stability, which is why the artificial sandstone moldings are very well suited as lost molds for the foundry, but are only of limited use for multiple or long-term applications. Components used in the foundry industry include, for example, casting patterns, which are used to create molds for frequently used castings. Casting patterns are generally produced from solid material, such as wood, using a machining process; however, this custom production is usually quite complex. The use of an additively manufactured casting pattern would therefore be economically interesting, particularly for the production of castings in small series. However, casting patterns additively manufactured from known materials either do not offer the required mechanical stability, as is the case with the additively manufactured artificial sandstone moldings described above, or are not economically viable compared to conventionally manufactured casting patterns. Since the additive manufacturing of artificial sandstone moldings is extremely economical due to the low-cost starting material, i.e. sand, and the low rework required, it would be desirable to produce casting patterns additively from artificial sandstone, which has sufficient mechanical stability for casting patterns.

Die konventionelle Herstellung von Kunststeinen aus einem anorganischen Substratmaterial und einem Polymer als Matrix offenbart DE 10 2017 107 591 A1. Demnach wird zerkleinertes anorganisches Substratmaterial mit einem reaktiven Polymerharz zu einer Rohmasse vermischt, in Form gebracht, verdichtet und das Polymerharz anschließend durch Polymerisationsreaktion ausgehärtet. Der Rohmassemischung aus Polymerharz und Substratmaterial werden zur Verbesserung der Vernetzung während der Polymerisationsreaktion zusätzliche Si- Verbindungen hinzugeführt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Silane; es können aber auch Silikonharze Verwendung finden. Das Einbringen der Si- Verbindungen erfolgt vorzugsweise durch homogenes Einmischen in die Rohmasse; alternativ kann das Einbringen auch - vor dem Aushärten - durch Auftrag auf die Oberfläche der vorgeformten oder vorverdichten Rohmasse vorgenommen werden. The conventional production of artificial stone from an inorganic substrate material and a polymer matrix is disclosed in DE 10 2017 107 591 A1. According to this document, crushed inorganic substrate material is mixed with a reactive polymer resin to form a raw mass, shaped, compacted, and the polymer resin is then cured by a polymerization reaction. Additional Si compounds are added to the raw mass mixture of polymer resin and substrate material to improve crosslinking during the polymerization reaction. These are preferably silanes; however, silicone resins can also be used. The Si compounds are preferably introduced by homogeneous mixing into the raw mass; alternatively, they can also be introduced—before curing—by application to the surface of the pre-formed or pre-compacted raw mass.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen im Vergleich zum Stand der Technik mechanisch stabileren, additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörper sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines verfestigten, additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörpers nach Anspruch 1 sowie durch einen verfestigten, additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörper nach Anspruch 9 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 sowie 10 und 11 aufgeführt. The object of the invention is to provide an additively manufactured artificial sandstone molded body which is mechanically more stable than the prior art and a method for its production. This object is achieved by a method for producing a solidified, additively manufactured artificial sandstone molded body according to claim 1 and by a solidified, additively manufactured artificial sandstone molded body according to claim 9. Expedient developments of the invention are set out in claims 2 to 8 as well as 10 and 11.

Nach Maßgabe der Erfindung wird im ersten Schritt des Verfahrens zur Herstellung des verfestigten, additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörpers ein - noch unverfestigter - Kunstsandsteinformkörper in grundsätzlich bekannter Weise aus Sand und einem Bindemittel additiv gefertigt. Die additive Fertigung erfolgt vorzugsweise im Pulverbettverfahren. Zur Herstellung des Kunstsandsteinformkörpers wird Sand mit definierter Körnung schichtweise mittels des Bindemittels an vordefinierten Positionen gebunden. Durch den schichtweisen Aufbau entsteht der Kunstsandsteinformkörper, der, da er unmittelbar nach Abschluss der additiven Fertigung im unverfestigten Zustand vorliegt, im Rahmen dieser Offenbarung auch als Grünkörper bezeichnet wird. Der so gefertigte Grünkörper weist zwischen den durch das Bindemittel verbundenen Sandpartikeln eine den unverfestigten Kunstsandsteinformkörper durchziehende mehr oder minder stark ausgeprägte offene Porosität auf, d. h., die Sandpartikel sind in eine partiell ausgebildete, von Poren durchsetzte Matrix aus Bindemittel eingebunden. According to the invention, in the first step of the method for producing the solidified, additively manufactured artificial sandstone molding, a - still unsolidified - artificial sandstone molding is additively manufactured from sand and a binder in a fundamentally known manner. Additive manufacturing is preferably carried out using the powder bed process. To produce the artificial sandstone molding, sand with a defined grain size is bound layer by layer at predefined positions using the binder. The layered structure creates the artificial sandstone molding, which, since it is in an unsolidified state immediately after completion of additive manufacturing, is also referred to as a green body in the context of this disclosure. The green body produced in this way has a more or less pronounced open porosity between the sand particles bonded by the binder, which runs through the unsolidified artificial sandstone molding; i.e., the sand particles are bound into a partially formed, porous matrix of binder.

Vorzugsweise wird der additiv gefertigte Kunstsandsteinformkörper aus Quarzsand gebildet, wobei die Korngröße der Quarzsandkörner vornehmlich im Bereich von 0,05 mm bis 0,30 mm liegt. Besonders geeignet für die additive Fertigung der Kunstsandsteinformkörper ist Quarzsand mit einer mittleren Korngröße von 0,13 mm bis 0,14 mm. The additively manufactured artificial sandstone body is preferably made of quartz sand, with the grain size of the quartz sand grains primarily ranging from 0.05 mm to 0.30 mm. Quartz sand with an average grain size of 0.13 mm to 0.14 mm is particularly suitable for the additive manufacturing of artificial sandstone bodies.

Als Bindemittel bei der additiven Fertigung kommt vorzugsweise Kunstharz, insbesondere Furan-, Phenol oder Polyurethanharz zum Einsatz. Alternativ können auch anorganische Stoffe, wie zum Beispiel Wasserglas, als Bindemittel verwendet werden. Synthetic resin, especially furan, phenol, or polyurethane resin, is the preferred binder in additive manufacturing. Alternatively, inorganic materials such as water glass can also be used as binders.

Im nächsten Verfahrensschritt nach der additiven Fertigung desIn the next process step after the additive manufacturing of the

Kunstsandsteinformkörpers wird der noch als unverfestigter, d. h. als Grünkörper, vorliegender Kunstsandsteinformkörper einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von 50 °C bis 150 °C. Die Wärmebehandlungstemperatur sollte über eine Haltedauer von mindestens 15 Minuten gehalten werden. Im Anschluss wird der Kunstsandsteinformkörper abgekühlt, im Regelfall auf Raumtemperatur. Artificial sandstone molded body is still considered unconsolidated, ie as green body, The artificial sandstone molded body is subjected to heat treatment. The heat treatment temperature is preferably in the range of 50 °C to 150 °C. The heat treatment temperature should be maintained for a holding time of at least 15 minutes. The artificial sandstone molded body is then cooled, usually to room temperature.

Im nächsten Verfahrensschritt wird eine Infiltrationsbehandlung des nach der Wärmebehandlung abgekühlten Kunstsandsteinformkörpers durch Applikation eines Kunstharzes durchgeführt. Hierzu wird das Kunstharz, vorzugsweise ein Epoxidharz oder ein Silikonharz, auf die Oberfläche des Kunstsandsteinformkörpers unter Absorption im Kunstsandsteinformkörper aufgebracht, bis die Absorptionsfähigkeit der mit dem Kunstharz benetzten Formkörperoberfläche erschöpft ist. Das auf die Oberfläche des Kunstsandsteinformkörpers aufgebrachte Kunstharz dringt in die offenen Poren des Kunstsandsteinformkörpers ein, d. h., es infiltriert bzw. tränkt den Kunstsandsteinformkörper in einer an die Formkörperoberfläche angrenzenden Infiltrationszone bis zu einer vorgegebenen Infiltrationstiefe. Der Vorgang des Kunstharzauftrags wird solange durchgeführt, bis das aufgetragene Kunstharz unter üblichen Praxisbedingungen nicht mehr ins Formkörperinnere wegschlägt bzw. bis kein Kunstharz vom Kunstsandsteinformkörper mehr aufgesaugt wird, d. h., bis eine Sättigung der Infiltrationszone eintritt. Als Indikator für das Erreichen dieses Sättigungszustandes kann zum Beispiel die Ausbildung eines oberflächlich bleibenden Kunstharzfilms herangezogen werden. Der Oberflächenauftrag des Kunstharzes kann mit den üblichen, aus der Lackiertechnik bekannten Auftragsmethoden erfolgen, zum Beispiel durch Sprühen, Pinseln, Tauchen oder ähnliche Methoden. Die Infiltrationsbehandlung erfolgt im Regelfall unter normalen atmosphärischen Bedingungen, d. h. ohne Über- oder Unterdruckunterstützung. In the next process step, the artificial sandstone molded body, which has cooled after heat treatment, is infiltrated by applying a synthetic resin. For this purpose, the synthetic resin, preferably an epoxy resin or a silicone resin, is applied to the surface of the artificial sandstone molded body with absorption in the artificial sandstone molded body until the absorption capacity of the molded body surface wetted with the synthetic resin is exhausted. The synthetic resin applied to the surface of the artificial sandstone molded body penetrates into the open pores of the artificial sandstone molded body, i.e., it infiltrates or saturates the artificial sandstone molded body in an infiltration zone adjacent to the molded body surface up to a predetermined infiltration depth. The process of applying the synthetic resin is continued until, under normal practical conditions, the applied synthetic resin no longer penetrates into the molded body interior or until no more synthetic resin is absorbed by the artificial sandstone molded body, i.e., until saturation of the infiltration zone occurs. The formation of a permanent synthetic resin film on the surface can be used as an indicator for reaching this saturation state. The synthetic resin can be applied to the surface using conventional methods known from painting technology, such as spraying, brushing, dipping, or similar methods. The infiltration treatment is usually carried out under normal atmospheric conditions, i.e., without the aid of positive or negative pressure.

In dem an die Infiltrationsbehandlung anschließenden Verfahrensschritt erfolgt eine Lufthärtung des mit Kunstharz infiltrierten Kunstsandsteinformkörpers unter Ausbildung des verfestigten, additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörpers. Hierzu wird der Kunstsandsteinformkörper in Luftumgebung gelagert, wodurch es zur Aushärtung des Kunstharzes in der Infiltrationszone und damit zur Verfestigung des Kunstsandsteinformkörpers kommt. Die Lufthärtung erfolgt - wie die Infiltrationsbehandlung - üblicherweise unter normalen atmosphärischen Bedingungen, d. h. über- oder unterdruckfrei. Imprägnatabhängig beträgt die Aushärtungszeit circa 12 Stunden bis hin zu mehreren Tagen. Die Aushärtung kann auch als Ofenhärtung mit erhöhter Lufttemperatur, zum Beispiel im Bereich von 200 °C bis 220 °C, durchgeführt werden; die Aushärtungszeit liegt hierbei im Regelfall bei 12 bis 24 Stunden. In the process step following the infiltration treatment, the resin-infiltrated artificial sandstone body is air-cured to form the solidified, additively manufactured artificial sandstone body. For this purpose, the artificial sandstone body is stored in an air environment, which causes the resin to harden in the infiltration zone and thus solidifies the artificial sandstone body. Air-curing, like the infiltration treatment, usually takes place under normal atmospheric conditions. Conditions, i.e., free of overpressure or underpressure. Depending on the impregnated material, the curing time is approximately 12 hours to several days. Curing can also be performed by oven curing at elevated air temperatures, for example, in the range of 200 °C to 220 °C; the curing time is generally 12 to 24 hours.

Es kann vorgesehen sein, die Verfahrensschritte der Infiltrationsbehandlung und der nachfolgenden Lufthärtung zu wiederholen, um noch offene Restporosität zu füllen. Vorzugsweise werden die Behandlungsschritte der Infiltration und der nachfolgenden Aushärtung einmal wiederholt; sie können jedoch auch mehrfach wiederholt werden. It may be necessary to repeat the infiltration treatment and subsequent air curing steps to fill any remaining porosity. Preferably, the infiltration and subsequent curing steps are repeated once; however, they can also be repeated multiple times.

Als Zwischenschritt nach der Wärmebehandlung und vor der Infiltrationsbehandlung kann der Kunstsandsteinformkörper gereinigt werden, zum Beispiel durch Reinigungsstrahlen mit Luft bzw. Druckluft. As an intermediate step after the heat treatment and before the infiltration treatment, the artificial sandstone molded body can be cleaned, for example by blasting with air or compressed air.

Die Festigkeit des additiv als Grünkörper gefertigten Kunstsandsteinformkörpers wird durch die der additiven Fertigung nachfolgenden Konsolidierungsschritte signifikant gesteigert. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare bzw. hergestellte verfestigte, additiv gefertigte Kunstsandsteinformkörper weist die an die Formkörperoberfläche angrenzende Infiltrationszone auf, die bis zu einer vorgegebenen Infiltrationstiefe mit ausgehärtetem Kunstharz durchdrungen ist. Im Regelfall liegt die Infiltrationstiefe im Bereich von 2 mm bis 1 ,5 cm, vielfach im Bereich von 4 mm bis 1 cm. Dünne Formkörperbereiche des Kunstsandsteinformkörpers sind folglich vollständig mit ausgehärtetem Kunstharz durchdrungen. Dickere Bereiche besitzen dagegen in der Kernzone den nach der Wärmebehandlung verbleibenden werkstofftechnischen Aufbau. Die erfindungsgemäßen Kunstsandsteinformkörper besitzen folglich regelmäßig eine feste, harzdurchdrungene Hüllzone im oberflächennahen Bereich und eine etwas weichere, aber flexiblere Kernzone. Diese Eigenschaftskombination führt zur hohen mechanischen Stabilität des Kunstsandsteinformkörpers, nämlich zu einer hohen Festigkeit, gepaart mit einer gleichzeitig guten Zähigkeit. D. h., die verfahrensgemäß hergestellten Kunstsandsteinformkörper besitzen nicht nur eine verbesserte Zug-, Druck- und Biegefestigkeit, sondern auch eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Schlag- und Stoßbelastungen. Darüber hinaus ist die harzdurchdrungene Oberflächenzone im Regelfall flüssigkeitsdicht, d. h., die Kunstsandsteinformkörper sind oberflächlich versiegelt. Erfindungsgemäße Kunstsandsteinformkörper, die als Kunst- oder Dekorgegenstände, zum Beispiel als Skulpturen, ausgebildet sind, können daher nicht nur in Innenbereichen sondern - infolge einer durch die Oberflächenversiegelung bedingten guten Witterungsbeständigkeit - auch im Freien aufgestellt werden. The strength of the additively manufactured green artificial sandstone molding is significantly increased by the consolidation steps following additive manufacturing. The solidified, additively manufactured artificial sandstone molding that can be produced or is produced using the process according to the invention has an infiltration zone adjacent to the molding surface that is penetrated with cured synthetic resin to a predetermined infiltration depth. As a rule, the infiltration depth is in the range of 2 mm to 1.5 cm, often in the range of 4 mm to 1 cm. Thin molding areas of the artificial sandstone molding are therefore completely penetrated with cured synthetic resin. Thicker areas, on the other hand, have the material structure that remains after heat treatment in the core zone. The artificial sandstone moldings according to the invention therefore regularly have a solid, resin-permeated shell zone in the area near the surface and a somewhat softer but more flexible core zone. This combination of properties results in the high mechanical stability of the artificial sandstone molding, namely high strength coupled with good toughness. This means that the artificial sandstone moldings produced using this process not only exhibit improved tensile, compressive, and flexural strength, but also improved resistance to impact and shock loads. Furthermore, the resin-permeated surface zone is generally impermeable to liquids, meaning the artificial sandstone moldings are surface-sealed. Artificial sandstone moldings according to the invention, which are designed as art or decorative objects, such as sculptures, can therefore be installed not only indoors but also outdoors – due to the good weather resistance provided by the surface sealing.

Besonders geeignet sind die Kunstsandsteinformkörper für Ur- und Umformmodelle, da sie - neben der erforderlichen mechanischen Stabilität - infolge der Fertigung aus Sand und infolge der versiegelten Oberfläche eine inhärent hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Die durch die additive Fertigung gegebene Möglichkeit, schnell und individuell Formkörper herzustellen, prädestiniert das erfindungsgemäße Verfahren daher insbesondere zur Herstellung von Gussmodellen, vor allem von solchen, die für die Sandgussformherstellung für kleinere und mittlere Gussserien genutzt werden. The artificial sandstone molds are particularly suitable for master and forming models because, in addition to the required mechanical stability, they exhibit inherently high wear resistance due to their sand-based construction and sealed surface. The ability to quickly and individually produce molds, provided by additive manufacturing, therefore makes the process according to the invention particularly suitable for the production of casting models, especially those used for sand casting mold production for small and medium-sized casting series.

Die Wirksamkeit der Infiltrationsbehandlung wird unter anderem durch die vorangehende Wärmebehandlung sichergestellt. Durch die Wärmebehandlung werden aus den vorhandenen offenen Poren Reststoffe, insbesondere Restfeuchtigkeit, entfernt bzw. ausgegast und somit wird ein vorteilhafter Initialzustand für die Infiltration geschaffen. Die Infiltration kann nicht zuletzt aufgrund dieser Kombination der Verfahrensschritte ohne Unter- oder Überdruck durchgeführt werden. Kostenintensive Verfahrensschritte, wie zum Beispiel eine Vakuum- oder Druckimprägnierung, sind zwar möglich, aber entbehrlich. The effectiveness of the infiltration treatment is ensured, among other things, by the preceding heat treatment. The heat treatment removes or outgasses residual materials, especially residual moisture, from the existing open pores, thus creating a favorable initial condition for the infiltration. Due not least to this combination of process steps, the infiltration can be carried out without negative or positive pressure. Cost-intensive process steps, such as vacuum or pressure impregnation, are possible but unnecessary.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens kann der verfestigte Kunstsandsteinformkörper nach der abschließenden Lufthärtung zur Verbesserung der Oberflächenqualität, d. h. insbesondere zur Verringerung der Rauheit der Formkörperoberfläche, durch abtragende Verfahren, wie zum Bespiel durch Schleifen, Gleitschleifen, Strahlen oder Polieren, oberflächlich nachbearbeitetet werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der verfestigte Kunstsandsteinformkörper in einem abschließenden Verfahrensschritt mit einer Endlackierung überzogen wird. Für die Endlackierung haben sich pigmentierte Alkydharz-Nitrocelluloselacke, Polyisocyanat-Lacke und Urea-Beschichtungen als geeignet erwiesen. Vorzugsweise wird als Endlackierung ein Lacksystem verwendet, das eine Grundierung aus pigmentiertem Alkydharz-Nitrocelluloselack und einen Decklack aus Polyisocyanat- Lack aufweist. According to one embodiment of the method, the solidified artificial sandstone molded body can be surface-treated after the final air curing to improve the surface quality, i.e. in particular to reduce the roughness of the molded body surface, by abrasive processes such as grinding, vibratory grinding, blasting or polishing. It may also be provided that the solidified artificial sandstone molded body is coated with a final coating in a final process step. Pigmented alkyd resin nitrocellulose coatings, polyisocyanate coatings, and urea coatings have proven suitable for the final coating. Preferably, a coating system comprising a primer of pigmented alkyd resin nitrocellulose coating and a topcoat of polyisocyanate coating is used as the final coating.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist das für die Infiltrationsbehandlung verwendete Kunstharz ein Epoxidharz. Insbesondere geeignet hat sich ein Epoxidharz erwiesen, das einen auf Bisphenol-A basierenden Epoxidharzanteil von 80 bis 90 Masseprozent, einen auf Bisphenol-F basierenden Epoxidharzanteil von 5 bis 10 Masseprozent und einen auf aliphatischen Glycidyl basierenden Epoxidharzanteil von 5 bis 10 Masseprozent aufweist. According to one embodiment of the method, the synthetic resin used for the infiltration treatment is an epoxy resin. An epoxy resin having a bisphenol A-based epoxy resin content of 80 to 90 mass percent, a bisphenol F-based epoxy resin content of 5 to 10 mass percent, and an aliphatic glycidyl-based epoxy resin content of 5 to 10 mass percent has proven particularly suitable.

Bei Verwendung eines Silikonharzes für die Infiltrationsbehandlung haben sich Alkylsilikonharze als geeignet erwiesen, insbesondere Alkylsilikonharze mit Alkoxygruppen. When using a silicone resin for the infiltration treatment, alkyl silicone resins have proven suitable, especially alkyl silicone resins with alkoxy groups.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert; dazu zeigen: The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments and with reference to the schematic drawings; in this case:

Fig. 1 : einen additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörper in Form eines Gussmodells in perspektivischer Darstellung, und Fig. 1 : an additively manufactured artificial sandstone molded body in the form of a casting model in perspective view, and

Fig. 2: einen additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörper in Form einer Skulptur im Längsschnitt. Fig. 2: an additively manufactured artificial sandstone molded body in the form of a sculpture in longitudinal section.

In Fig. 1 ist ein typisches, mit dem beschriebenen Verfahren hergestelltes Gussmodell für das Sandformgießen dargestellt. Der das Gussmodell bildende additiv gefertigte Kunstsandsteinformkörper ist für diese Anwendung mit einer Endlackierung versehen. Fig. 1 shows a typical casting pattern for sand casting, produced using the described process. The additively manufactured artificial sandstone body forming the casting pattern is provided with a final coating for this application.

Die Fig. 2 verdeutlicht anhand des als Skulptur ausgebildeten, verfestigten, additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörper dessen typischen werkstofftechnischen Aufbau. Der Kunstsandsteinformkörper besitzt demnach in der oberflächennahen Randzone die kreuzschraffiert dargestellte Infiltrationszone 1 , die die weitgehend unverändert aus der additiven Fertigung hervorgehende Kernzone 2 umgibt. Fig. 2 illustrates the typical material properties of the solidified, additively manufactured artificial sandstone body designed as a sculpture. Structure. The artificial sandstone body therefore has the cross-hatched infiltration zone 1 in the near-surface edge zone, which surrounds the core zone 2, which results largely unchanged from the additive manufacturing process.

Claims

Patentansprüche Patent claims 1 . Verfahren zur Herstellung eines verfestigten, additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörpers, gekennzeichnet durch die nacheinander ausgeführten Verfahrensschritte: a) Additive Fertigung eines Kunstsandsteinformkörpers aus Sand und einem Bindemittel; b) Wärmebehandlung des Kunstsandsteinformkörpers bei einer Wärmebehandlungstemperatur im Bereich von 50 °C bis 150 °C über eine Haltedauer von mindestens 15 min; c) Infiltrationsbehandlung des nach der Wärmebehandlung abgekühlten Kunstsandsteinformkörpers durch Applikation eines Kunstharzes, wobei das Kunstharz auf die Oberfläche des Kunstsandsteinformkörpers unter Absorption im Kunstsandsteinformkörper aufgebracht wird, bis die Absorptionsfähigkeit der mit dem Kunstharz benetzten Formkörperoberfläche erschöpft ist; d) Lufthärtung des mit Kunstharz infiltrierten Kunstsandsteinformkörpers unter Ausbildung des verfestigten, additiv gefertigten Kunstsandsteinformkörpers. 1 . A method for producing a solidified, additively manufactured artificial sandstone molding, characterized by the successive process steps: a) additive manufacturing of an artificial sandstone molding from sand and a binder; b) heat treatment of the artificial sandstone molding at a heat treatment temperature in the range from 50 °C to 150 °C for a holding time of at least 15 minutes; c) infiltration treatment of the artificial sandstone molding cooled after the heat treatment by application of a synthetic resin, wherein the synthetic resin is applied to the surface of the artificial sandstone molding with absorption in the artificial sandstone molding until the absorption capacity of the molding surface wetted with the synthetic resin is exhausted; d) air curing of the artificial sandstone molding infiltrated with synthetic resin to form the solidified, additively manufactured artificial sandstone molding. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte der Infiltrationsbehandlung und der nachfolgenden Lufthärtung mindestens einmal wiederholt werden. 2. Process according to claim 1, characterized in that the process steps of infiltration treatment and subsequent air curing are repeated at least once. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Wärmebehandlung und vor der Infiltrationsbehandlung eine Reinigung des Kunstsandsteinformkörpers durch Reinigungsstrahlen mit Druckluft durchgeführt wird. 3. A method according to claim 1 or 2, characterized in that after the heat treatment and before the infiltration treatment, the artificial sandstone molded body is cleaned by cleaning with compressed air. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der verfestigte Kunstsandsteinformkörper nach der abschließenden Lufthärtung zur Verringerung der Rauheit der Formkörperoberfläche durch Schleifen, Gleitschleifen, Strahlen oder Polieren oberflächenbearbeitetet wird. 4. A method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the solidified artificial sandstone molded body is surface-treated by grinding, vibratory grinding, blasting or polishing after the final air curing to reduce the roughness of the molded body surface. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der verfestigte Kunstsandsteinformkörper in einem abschließenden Verfahrensschritt mit einer Endlackierung überzogen wird, wobei die Endlackierung eine Grundierung aus pigmentiertem Alkydharz-Nitrocelluloselack und einen Decklack aus Polyisocyanat-Lack aufweist. 5. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the solidified artificial sandstone molded body is, in a final process step is coated with a final coat of paint, the final coat comprising a primer of pigmented alkyd resin nitrocellulose varnish and a top coat of polyisocyanate varnish. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der additiv gefertigte Kunstsandsteinformkörper aus Quarzsand gebildet ist, wobei die Korngröße der Quarzsandkörner im Bereich von 0,05 mm bis 0,30 mm liegt, und wobei das Bindemittel ein Furanharz, ein Phenolharz, ein Polyurthanharz oder Wasserglas ist. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the additively manufactured artificial sandstone molded body is formed from quartz sand, the grain size of the quartz sand grains being in the range from 0.05 mm to 0.30 mm, and the binder being a furan resin, a phenolic resin, a polyurethane resin or water glass. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz zur Infiltrationsbehandlung ein Epoxidharz ist, wobei das Epoxidharz einen auf Bisphenol-A basierenden Epoxidharzanteil von 80 bis 90 Masseprozent, einen auf Bisphenol-F basierenden Epoxidharzanteil von 5 bis 10 Masseprozent und einen auf aliphatischen Glycidyl basierenden Epoxidharzanteil von 5 bis 10 Masseprozent aufweist. 7. The method according to claim 6, characterized in that the synthetic resin for the infiltration treatment is an epoxy resin, the epoxy resin having a bisphenol A-based epoxy resin content of 80 to 90 mass percent, a bisphenol F-based epoxy resin content of 5 to 10 mass percent, and an aliphatic glycidyl-based epoxy resin content of 5 to 10 mass percent. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz zur Infiltrationsbehandlung ein Alkylsilikonharz ist. 8. The method according to claim 6, characterized in that the synthetic resin for the infiltration treatment is an alkyl silicone resin. 9. Verfestigter, additiv gefertigter Kunstsandsteinformkörper, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der verfestigte Kunstsandsteinformkörper in einer an die Formkörperoberfläche angrenzenden Infiltrationszone bis zu einer vorgegebenen Infiltrationstiefe mit ausgehärtetem Kunstharz durchdrungen ist. 9. A solidified, additively manufactured artificial sandstone molded body produced according to any one of claims 1 to 8, wherein the solidified artificial sandstone molded body is penetrated with cured synthetic resin to a predetermined infiltration depth in an infiltration zone adjacent to the molded body surface. 10. Verfestigter, additiv gefertigter Kunstsandsteinformkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltrationstiefe im Bereich von 2 mm bis 1 ,5 cm liegt. 10. Consolidated, additively manufactured artificial sandstone molded body according to claim 9, characterized in that the infiltration depth is in the range from 2 mm to 1.5 cm. 11 . Verfestigter, additiv gefertigter Kunstsandsteinformkörper nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der verfestigte Kunstsandsteinformkörper ein Urformmodell, ein Umformmodell, ein Kernkasten, eine Kokille, ein Kunstgegenstand oder ein Dekorgegenstand ist. 11. Solidified, additively manufactured artificial sandstone molded body according to claim 9 or 10, characterized in that the solidified artificial sandstone molded body is a master mold, a forming model, a core box, a mold, an art object, or a decorative object.
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