ES2296659T3 - Procedimiento para la fabricacion de un elemento con la tecnica de deposicion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la fabricación de un elemento con la técnica de deposición mediante la construcción de un ensamblaje de capas que contiene el elemento, a partir de un material particulado que contiene partículas de un tamaño de partículas predeterminado, depositando el material particulado en amontonamiento poroso en capas formando capas superpuestas y aplicando dosificadamente sobre un sector predeterminado de cada capa, que puede variar de capa a capa, un agente de tratamiento en estado fluido antes de la deposición de la capa siguiente, el cual prepara un proceso de fraguado en el que las partículas se unen firmemente entre sí por medio de un aglutinante, que se halla contenido en el material particulado o que se aplica sobre dicho material particulado, en presencia de un iniciador, caracterizado porque la construcción del ensamblaje de capas se realiza en ausencia del iniciador y el proceso de fraguado se provoca mediante el aporte del iniciador sólo después de la construcción del ensamblaje de capas.
Description
Procedimiento para la fabricación de un elemento
con la técnica de deposición.
La invención se refiere a un procedimiento para
la fabricación de un elemento con la técnica de deposición en
capas, mediante la construcción de un ensamblaje de capas que
contiene el elemento bruto a partir de un material particulado. En
particular, el elemento fabricado es un molde o un macho. Sin
embargo, el procedimiento es adecuado también para la fabricación
de un elemento metálico a partir de un material metálico granular,
como por ejemplo, un polvo metálico o un material de plástico
granular o en forma de granulado.
En un procedimiento de fabricación convencional
de moldes o machos para la fundición de metal se rellenan cajas con
una mezcla de una arena y un aglutinante endurecible. Un modelo
positivo de la pieza moldeada que ha de producirse en fundición de
metal se empotra en la mezcla de arena y aglutinante y se retira de
nuevo antes de su endurecimiento. De este modo se genera una huella
en la mezcla de arena y aglutinante, que representa un molde
negativo de la pieza moldeada. La mezcla de arena y aglutinante
moldeada se endurece, generándose un molde de resistencia
suficiente, con la forma del molde negativo.
En otra variante para la fabricación de moldes
puede usarse también, como alternativa a una mezcla de arena y
aglutinante, la denominada arena Croning, un material pulverulento
compuesto por una arena de fundición, como por ejemplo arena de
cuarzo o de circonio, prerrevestida con una resina artificial.
La aglutinación del material en polvo tiene
lugar por la fusión del aglutinante seco mediante calentamiento. A
este respecto, el coste energético de la fabricación de machos y
moldes no es irrelevante. Además, para la realización del
procedimiento se necesitan máquinas relativamente complejas.
En cuanto al ahorro de energía en la fabricación
de moldes, son ventajosos los denominados procedimientos de
endurecimiento en frío (caja fría). En este caso el aglutinante se
endurece químicamente. Esto tiene lugar bien mezclando un
aglutinante de dos componentes de endurecimiento en frío en la arena
de moldeo que, a continuación, todavía puede procesarse durante un
período de tiempo limitado antes de endurecerse, o se hace fluir un
gas para el endurecimiento del aglutinante a través de la mezcla
moldeada de arena y aglutinante. Este último procedimiento se
denomina procedimiento de endurecimiento por gas.
En el procedimiento descrito anteriormente, el
modelo positivo se produce según los procedimientos convencionales
de construcción de modelos como fresado de CN y torneado de CN, lo
que requiere mucho tiempo y es costoso, en particular a medida que
aumenta la complejidad de la pieza metálica deseada.
Por medio de la técnica de deposición,
denominada también procedimiento de prototipado rápido, en la que el
material que forma el molde se aplica en capas, pueden fabricarse
moldes, modelos u otros elementos más rápida y económicamente.
Un procedimiento conocido en el que un elemento
se construye en capas se da a conocer en el documento US 5.182.170
(Marcus y col.). En este procedimiento se aplica una capa de un
polvo mezclado con un aglutinante sobre una base. La capa se somete
a la atmósfera de un gas reactivo, por medio de la cual se activa el
aglutinante. En esta atmósfera de activación se aporta calor
localmente sobre un sector predeterminado de la capa. De este modo,
el gas reactivo y el calor local aportado actúan conjuntamente sobre
el aglutinante, por lo que se produce una reacción química local de
dicho aglutinante y la capa se solidifica en el sector
predeterminado. Como fuente de calor sirve, por ejemplo, un láser.
La aplicación del polvo y la activación y solidificación siguientes
se realizan capa por capa, hasta que se completa el elemento.
Otro procedimiento de la técnica de deposición
se conoce de los documentos US 5.204.055 y
EP-0431924 B1 (Sachs y col.). En este procedimiento
se deposita una capa de un material de construcción pulverulento
(por ejemplo, cerámica o metal). Mediante la incorporación
selectiva de un aglutinante autoendurecible en un sector
predeterminado de cada capa, la capa de material de construcción se
aglutina en una zona seleccionada y se ensambla con la capa
completada previamente, antes de la deposición de la capa siguiente.
Este proceso se repite en capas, de modo que se construye un
ensamblaje de capas, en el que el elemento que ha de producirse se
halla contenido en un entorno de material particulado que no está
humedecido con aglutinante y, como consecuencia, no está
aglutinado. El aglutinante puede aplicarse gota a gota y
controladamente según un programa determinado, por medio de un
cabezal dosificador de gotas según demanda, conocido de la técnica
de impresión (como por ejemplo un cabezal de impresión por chorro
de tinta). La sección predeterminada de cada capa se solidifica al
menos en parte antes de la deposición de la siguiente capa, bien
térmicamente, por ejemplo por radiación de calor, o por reacción
química del aglutinante. Para la solidificación completa de los
sectores que forman el elemento puede llevarse a cabo un
tratamiento posterior después de la construcción del ensamblaje de
capas mediante un aporte de energía calorífica.
Un problema en el procedimiento según el
documento EP-0431924 B1 (Sachs) se basa en el
autoendurecimiento del aglutinante. Debido a ello, puede peligrar
la cohesión de las capas sucesivas entre sí. Además, al usar un
cabezal de impresión de gotas según demanda, el aglutinante tiende a
endurecerse también en el cabezal de impresión y así obturarlo, por
lo que es necesaria una limpieza frecuente de dicho cabezal de
impresión.
El documento DE 19853834.0 (Höchsmann y col.)
presenta un procedimiento de prototipado rápido en el que se
deposita una capa de un material particulado y sobre toda la
superficie de dicha capa se aplica un aglutinante. A continuación,
y todavía antes de la deposición de la capa siguiente, se aplica un
endurecedor sobre sectores seleccionados de la capa tratada con
aglutinante, mediante lo cual el aglutinante se endurece en los
sectores seleccionados. El endurecedor se aplica, por ejemplo, por
medio de un cabezal de impresión de gotas según demanda. El
endurecedor no se endurece sin la presencia del aglutinante, de modo
que las boquillas del cabezal de impresión no se obturan por
material que se endurece. Capa a capa se construye un ensamblaje de
varias capas.
Del documento DE 19723892.0 (Höchsmann y col.)
se conoce otro procedimiento de prototipado rápido en el que
primeramente se deposita una capa de un material de construcción
particulado suelto de partículas prerrevestidas con un aglutinante
endurecible. El material puede ser, por ejemplo, una arena Croning.
Sobre un sector seleccionado de cada capa se aplica un agente de
tratamiento que modifica el aglutinante del revestimiento de
aglutinante en cuanto a su capacidad de reacción de endurecimiento.
A continuación se aporta energía a la capa, con un valor
determinado de una energía específica, antes de la deposición de la
capa siguiente. El valor se selecciona ajustado de tal manera a la
capacidad de reacción de endurecimiento del aglutinante modificada
por el agente de tratamiento, que el aglutinante solamente se
endurece en las zonas tratadas con el agente de tratamiento. Así se
construye capa a capa un ensamblaje de varias capas. En ello, cada
capa se endurece antes de la deposición de la capa siguiente.
Mediante la invención se consigue el objetivo de
lograr un procedimiento de prototipado rápido para la fabricación
de elementos, en particular de moldes o machos, que puede realizarse
económicamente y que aúna una alta velocidad de producción con una
buena precisión de la producción.
Por el procedimiento según la invención para la
fabricación de un elemento con la técnica de deposición mediante la
construcción de un ensamblaje de capas que contiene el elemento, a
partir de un material particulado con un tamaño de partículas
predeterminado, el material particulado se deposita en
amontonamiento poroso en capas con la formando capas superpuestas
y, sobre al menos un sector de forma predeterminada en cada capa,
que puede variar de capa a capa, se aplica dosificadamente un
agente de tratamiento en estado fluido antes de la deposición de la
capa siguiente. El agente de tratamiento prepara un proceso de
fraguado en el que las partículas en el sector predeterminado se
unen firmemente entre sí por medio de un aglutinante, que se halla
contenido en el material particulado o que se aplica sobre dicho
material particulado, en presencia de un iniciador.
Sin embargo, según la invención la construcción
del ensamblaje de capas se realiza en ausencia del iniciador. Según
la invención, el iniciador no se añade hasta después de la
construcción del ensamblaje de capas, de modo que el proceso de
fraguado tampoco se realiza hasta después de la construcción del
ensamblaje de capas.
En los procedimientos conocidos descritos
anteriormente se toman siempre medidas para provocar al menos una
solidificación parcial de cada sector predeterminado en cada capa
mediante un fraguado del aglutinante inmediatamente después de la
deposición de la capa y antes de la deposición de la capa siguiente.
Sorprendentemente, mediante la invención se ha encontrado, sin
embargo, que incluso una solidificación parcial del sector
predeterminado antes de la deposición de cada capa siguiente puede
ser innecesaria, cuando se tiene cuidado de que el agente de
tratamiento fluido no se extienda sustancialmente más allá del
límite lateral del sector predeterminado en el material particulado
sin tratar que circunda el sector. En particular, esto puede
alcanzarse mediante una limitación correspondiente de la
dosificación del agente de tratamiento, adecuada al volumen del
sector predeterminado a partir de su contenido superficial y la
densidad de la capa, así como al tamaño de partículas y, con ello,
a la porosidad del material particulado y a su capacidad de
humectación, dependiendo de la fluidez del agente de
tratamiento.
Según la invención, la aglutinación de las
partículas del material particulado en el sector predeterminado
también se obtiene por medio de un aglutinante. En una primera
variante del procedimiento puede ser el aglutinante el que se
aplique dosificadamente sobre el sector predeterminado en forma de
un polvo fluido o como líquido y represente, por tanto, el agente
de tratamiento.
En otra variante del procedimiento, el
aglutinante puede aplicarse sobre toda la superficie de la capa
depositada antes o después del agente de tratamiento, o el
aglutinante se mezcla en el material particulado antes de su
deposición o el material particulado contiene al menos partículas
prerrevestidas con el aglutinante en su mayoría. En esta variante
del procedimiento, el agente de tratamiento se selecciona de modo
que modifique una propiedad del aglutinante determinante para el
fraguado de dicho aglutinante desde un valor inicial o intervalo de
valores iniciales específicos, presentes antes de la aplicación del
agente de tratamiento, a otro valor o intervalo de valores
claramente diferentes. Esta propiedad específica del aglutinante,
determinante para el fraguado se denomina en lo sucesivo como su
capacidad de reacción. En esta segunda variante del procedimiento,
el iniciador se ajusta adaptado en su efectividad de reacción de tal
manera a la modificación de la capacidad de reacción del
aglutinante que, o bien el aglutinante sin modificar fuera del
sector predeterminado tratado con el agente de tratamiento o el
aglutinante que ha entrado en contacto con el agente de tratamiento
y que por tanto está modificado en el sector predeterminado,
reaccionan selectivamente y de este modo fraguan. Por tanto, el
agente de tratamiento puede ser, por ejemplo, un líquido como ácido
clorhídrico o similar, que reblandece el aglutinante seco o lo
modifica en su composición, haciéndolo así más receptivo para el
fraguado por aporte de energía o reacción química que el
aglutinante sin tratar. Por ejemplo, el punto de fusión o el
intervalo de fusión pueden reducirse en una cantidad discreta por
medio de un agente de tratamiento seleccionado adecuadamente, de
modo que, mediante el ajuste de la temperatura del iniciador
aportado finalmente a un valor entre el punto de fusión sin
modificar y el punto de fusión modificado, pueda provocarse una
fusión selectiva del aglutinante modificado. Según otro ejemplo, el
agente de tratamiento puede ser un catalizador químico o un
inhibidor químico, por medio del cual aumenta o se reduce
discretamente la capacidad de reacción química del aglutinante
modificado para una reacción de fraguado o endurecimiento químico
con un gas químico o un líquido químico, según su concentración y,
dado el caso, su temperatura.
Para esta segunda variante del procedimiento se
prefiere usar un material particulado que ya se encuentra
prerrevestido con el aglutinante, como por ejemplo, arena Croning.
En este caso, el aglutinante se encuentra ya en dosis mínima y como
envoltura continua de cada partícula, de modo que para la
dosificación del agente de tratamiento, fundamentalmente sólo se
trata de conseguir una humidificación suficiente de las envolturas
en los puntos de contacto mutuo de las partículas.
El iniciador puede ser un agente inmaterial como
energía, en forma de calor o radiación. El iniciador puede ser
también un agente material, como por ejemplo un portador térmico o
un reactivo químico líquidos o en particular gaseosos.
Preferentemente, el aglutinante se endurece químicamente, de modo
que como iniciador se usa un agente calorífico o un endurecedor
químico, que causan una reticulación del aglutinante. El iniciador
puede hallarse también simultáneamente como agente energético y
agente material fluido.
Preferentemente el agente de tratamiento se
aplica sobre el material particulado, que se deposita en
amontonamiento poroso con una porosidad determinada por el tamaño
de las partículas, de tal manera que en el sector predeterminado
queda una porosidad mínima predeterminada, que puede aprovecharse
para hacer fluir finalmente un iniciador líquido o gaseoso a través
del ensamblaje de capas. Un flujo tal a través del ensamblaje de
capas puede prepararse y facilitarse, dado el caso, practicando el
vacío al ensamblaje de capas en un recipiente cerrado antes del
flujo.
El procedimiento según la invención tiene
múltiples ventajas:
En el fraguado y, en particular, en el
endurecimiento del aglutinante puede producirse un encogimiento. Si
el fraguado térmico o el endurecimiento se realizan individualmente
para cada capa, se producen tensiones en el ensamblaje de capas que
pueden tener como consecuencia que el elemento se doble o quede
dañado. Dado que en el procedimiento según la invención el fraguado
tiene lugar al final y no individualmente para cada capa, el
encogimiento se produce volumétricamente, es decir, la totalidad del
ensamblaje de capas se contrae, de modo que se reduce en sus
dimensiones exteriores sin que en ello se produzcan tensiones. Por
tanto, mediante la adición de una medida de encogimiento adecuada
en la predeterminación del tamaño del sector correspondiente sobre
el que se aplica dosificado el agente de tratamiento, puede
compensarse dicho encogimiento.
Dado que la aglutinación y, dado el caso, el
endurecimiento se realizan sólo después de la preparación de la
totalidad del ensamblaje de capas y no después de la deposición de
cada capa individual, se suprime la etapa de fraguado por capa, de
modo que se reduce la duración de la producción por capa. Para el
fraguado del ensamblaje de capas sólo
es necesaria una única etapa de fraguado al final del procedimiento. Con ello se aumenta la velocidad de producción.
es necesaria una única etapa de fraguado al final del procedimiento. Con ello se aumenta la velocidad de producción.
Otro ahorro de tiempo supone la supresión de los
tiempos de espera para cada capa individual hasta que dicha capa ha
fraguado, en particular, se ha endurecido.
Además, el fraguado final del ensamblaje de
capas puede realizarse en un lugar diferente al de la construcción
de dicho ensamblaje de capas, de modo que para la construcción de un
segundo ensamblaje de capas no es necesario esperar al
endurecimiento del primer ensamblaje de capas. Para ello, el
ensamblaje de capas se construye preferentemente en un recipiente
que mantiene dicho ensamblaje de capas unido y sin desintegrarse
durante y después de la construcción, y en el que el ensamblaje de
capas puede transportarse al lugar de fraguado. El ensamblaje de
capas puede permanecer también durante el fraguado en el mismo
recipiente en el que dicho ensamblaje de capas fue construido.
Otra ventaja del procedimiento reside en que los
dispositivos de aplicación que se usan para la aplicación de los
aglutinantes y agentes de tratamiento no se obturan por material que
se endurece.
Otra ventaja del procedimiento según la
invención reside en que el material de construcción fuera de los
sectores predeterminados puede permanecer sin tratar, de modo que
después de su separación del elemento bruto solidificado, puede
reutilizarse fácilmente. En este caso además, si se usa un material
de construcción sin revestimiento, se facilita la limpieza del
dispositivo de aplicación usado para el procedimiento. Además, el
procedimiento es más económico, ya que el aglutinante solamente se
aplica en los puntos en los que después se halla el elemento.
Como material de construcción se usa
preferentemente una arena usual para procedimientos para la
fabricación de moldes y machos y para procedimientos de deposición,
como por ejemplo, arena de cuarzo, arena de silicatos, arena de
cromita, arena de olivino o arena de circonio. Sin embargo, puede
usarse también otro material particulado suelto adecuado. También
puede usarse una mezcla de distintas arenas.
Para la segunda variante del procedimiento
descrita anteriormente se usa preferentemente una arena pretratada,
por ejemplo una arena Croning, que se encuentra ya prerrevestida con
aglutinante.
Los materiales sin tratar tienen la ventaja de
que son más económicos que los materiales pretratados con
aglutinante.
El tamaño de partículas predeterminado, en el
caso de la arena éste es el tamaño de los granos de arena, se halla
preferentemente en el intervalo de tamaños de partículas de 90 a 200
\mum, en ello preferentemente en el intervalo de 110 a 160
\mum. También es posible usar partículas de menor o de mayor
tamaño. Sin embargo, las partículas demasiado pequeñas son muy
fácilmente influenciables, por ejemplo, por movimientos del aire,
de modo que se dificulta una deposición homogénea de las mismas.
Además, las partículas pequeñas reducen la porosidad y afectan así
al golpe de gas durante la fundición. Por el contrario, las
partículas demasiado grandes conducen a un granulado indeseado (de
la superficie) del elemento acabado. Típicamente, el diámetro medio
y/o el tamaño medio de las partículas es de aproximadamente 140
\mum. en ello, típicamente no todas las partículas son del mismo
tamaño, sino que presentan una cierta distribución de tamaños. Para
la arena de cuarzo que se emplea preferentemente, con una
granulometría media (tamaño de partículas) de 140 \mum, por
ejemplo, el 5% aproximadamente de los granos tiene un tamaño de 180
\mum a 200 \mum, el 59% de los granos un tamaño de 125 \mum a
180 \mum, el 30% de los granos un tamaño de 90 \mum a 125 \mum
y el 1% de los granos un tamaño inferior a 63 \mum. Una arena de
cuarzo semejante como material de construcción se almacena con una
densidad aparente a granel de 1,32 t/m^{3}.
El espesor de capa de las capas individuales de
material particulado puede variarse. Espesores de capa inferiores
permiten elaborar los detalles constructivos de la pieza que se
fabrica con mayor resolución. Sin embargo, para espesores de capa
muy reducidos, ya no es posible un aumento de la resolución mediante
la reducción del espesor de capa, ya que entonces dicha resolución
queda limitada por fluctuaciones del proceso. Por otro lado, los
espesores de capa demasiado reducidos conducen a bajas velocidades
de producción, ya que son necesarias muchas etapas de deposición de
capas. Los espesores de capa superiores aumentan la velocidad de
producción alcanzable, pero no son posibles espesores de capa de
tamaños discrecionales. Los espesores de capa demasiado elevados
dificultan la aplicación homogénea del agente de tratamiento sobre
la capa del material particulado, de modo que estas etapas de
trabajo requieren más tiempo y la velocidad de producción no aumenta
esencialmente al aumentar el espesor de capa o incluso disminuye de
nuevo. Además, al usar capas más gruesas solo puede obtenerse una
resolución inferior en cuanto a los detalles constructivos de la
pieza que ha de producirse. Preferentemente el espesor de capa se
halla en el intervalo de 0,15 a 0,3 mm, ya que así, por un lado,
puede alcanzarse una velocidad de producción relativamente alta y,
por otro lado, puede obtenerse un ensamblaje suficiente entre las
capas sucesivas y una resolución suficiente en cuanto a los detalles
en el elemento.
El espesor de capa puede variarse en el
transcurso de la producción de un elemento. Así, por ejemplo, en las
zonas del elemento con pocos detalles constructivos puede elegirse
un mayor espesor de capa para aumentar la velocidad de producción.
En las zonas del elemento que presentan detalles constructivos
complicados y pequeños puede elegirse un espesor de capa inferior,
de modo que se aumente aquí la resolución y la precisión de la
producción.
El agente de tratamiento se aplica dosificado
sobre la capa de material de construcción depositada previamente,
de modo que dicho material de construcción sólo se humedece y se
evita que se forme una distribución no homogénea del agente de
tratamiento con acumulaciones locales del mismo, a causa de las
cuales se reduciría la capacidad de rendimiento de un elemento
formado según el procedimiento.
El aglutinante o el agente de tratamiento se
aplican en una dosis tal que en la capa de partículas queda una
porosidad restante, de modo que en el endurecimiento posterior, el
endurecedor puede penetrar en el elemento a través de los poros
restantes.
La dosis predeterminada del aglutinante se elige
preferentemente de modo que la relación de pesos entre el
aglutinante y el material de construcción sea inferior al 6 por
ciento y, en ello, se halle preferentemente en el intervalo del 2
al 3 por ciento. La cantidad de aglutinante aplicada en relación con
la cantidad de material de construcción puede ser diferente de capa
a capa.
Para el agente de tratamiento se elige
preferentemente una relación de pesos comparable entre el agente de
tratamiento y el material de construcción.
Si el elemento es un molde o un macho, la
porosidad restante que queda después del endurecimiento en el
elemento solidificado ocasiona que los gases que se formen en un
proceso de fundición posterior puedan escapar. En este caso, la
dosis del aglutinante y/o el agente de tratamiento sigue eligiéndose
preferentemente de modo que al usar el molde o el macho para la
fabricación de una pieza moldeada a partir de una colada, por un
lado, el molde o el macho resistan la presión de la colada mientras
ésta todavía no tiene una forma estable y, por otro lado, en el
momento en el que la colada ha solidificado parcialmente hasta tal
punto que la pieza moldeada tiene esencialmente una forma estable,
el aglutinante o el aglutinante y el agente de tratamiento se hayan
evaporado al menos en su mayor parte. Entonces, después de que la
pieza moldeada ha solidificado, el molde puede simplemente
destruirse, de modo que la pieza moldeada puede retirarse del molde
sin gran esfuerzo (procedimiento de molde perdido).
El aglutinante o el agente de tratamiento pueden
aplicarse en forma líquida.
A este respecto, el aglutinante o el agente de
tratamiento líquidos pueden aplicarse en forma de un chorro sobre
la capa de partículas. Sin embargo, preferentemente el aglutinante o
el agente de tratamiento líquidos se aplican en forma de pequeñas
gotas líquidas de aglutinante con un diámetro de gota
predeterminado. Aquí, el diámetro de gota predeterminado de las
gotitas de aglutinante o el agente de tratamiento se halla
preferentemente en el intervalo de diámetros de gota de 50 a 100
\mum. Para gotitas cuyo diámetro es inferior a aproximadamente 5
\mum, las fuerzas de rozamiento en el aire frente a la gravedad
dejan de ser despreciables, por lo que es difícil depositar las
gotitas con fiabilidad sobre la capa de material de construcción.
Por el contrario, gotas grandes ocasionan una distribución no
homogénea del líquido en la capa de material de construcción.
En este caso, el aglutinante o el agente de
tratamiento deberían ser suficientemente fluidos para poderse
aplicar en una dosis predeterminada sobre el material de
construcción y distribuirse en la capa de partículas mediante las
fuerzas capilares que actúan en los espacios huecos entre las
partículas, de modo que dichas partículas se humedezcan. Por tanto,
al aplicarse, el aglutinante o el agente de tratamiento líquido
tienen preferentemente una viscosidad en el intervalo de viscosidad
de 1 a 25 mPa.s. Además, el aglutinante puede contener una
sustancia colorante, en particular un pigmento colorante, u
ocasionar de otra manera una coloración precisa del amontonamiento
de polvo, de modo que también puedan fabricarse modelos coloreados.
Al usar varios aglutinantes coloreados distintos, cada uno
dosificado por separado, pueden construirse mediante mezclas de
colores modelos a todo color, también con distintos patrones de
color, de manera similar a la técnica del chorro de tinta, lo que
es interesante para su aplicación en la fabricación de muestras, a
fin de obtener réplicas con la mayor fidelidad al natural
posible.
La temperatura a la que se realiza el
procedimiento queda predeterminada por las características del
material, como por ejemplo, la viscosidad y la temperatura de
fusión, de los materiales usados como material de construcción y
aglutinante y/o agente de tratamiento. Preferentemente, el
procedimiento se realiza a una temperatura en el intervalo de
temperaturas de 10 a 40ºC. Se prefiere además usar un aglutinante
y/o un agente de tratamiento que permitan la realización del
procedimiento a temperatura ambiente, de modo que el coste en
aparatos no se eleve innecesariamente. Por lo tanto, la viscosidad
del aglutinante y/o el agente de tratamiento se hallan
preferentemente en el intervalo mencionado de 1 a 25 mPa.s para una
temperatura de 20ºC.
El aglutinante o el agente de tratamiento pueden
estar a temperatura ambiente al aplicarlos o, alternativamente,
calentados ligeramente respecto a la temperatura ambiente, para que
se reduzca su viscosidad y se facilite la distribución de dichos
aglutinante y/o agente de tratamiento en la capa. Como temperatura
ambiente se entiende la temperatura en el entorno inmediato del
lugar donde se fabrica el elemento, por ejemplo, la temperatura de
la atmósfera en el entorno inmediato.
Alternativamente, para potenciar la distribución
del aglutinante y/o el agente de tratamiento en la capa, puede
calentarse dicha capa en cada caso antes de aplicar el aglutinante o
el agente de tratamiento.
Alternativamente a la forma líquida, el
aglutinante y/o el agente de tratamiento pueden aplicarse en forma
de un polvo fino con partículas de aglutinante o agente de
tratamiento de un tamaño de partículas predeterminado. A este
respecto, el tamaño de partículas de las partículas de aglutinante o
agente de tratamiento debe ser inferior al tamaño de partículas de
las partículas del material de construcción, para que las partículas
del material de construcción puedan ser humedecidas o envueltas por
las partículas del aglutinante y/o el agente de tratamiento. Por
ejemplo, una aplicación de materiales finamente pulverulentos se usa
satisfactoriamente en las copiadoras, en las que se aplica un tóner
en forma de polvo sobre papel, o en las impresoras de sublimación,
en las que se aplican colorantes pulverulentos sobre papel. En las
copiadoras, el tóner se fija por calor, pero el tóner solamente
aplicado y sin fijar ya se adhiere al papel.
El aglutinante o el agente de tratamiento
líquidos o pulverulentos pueden aplicarse, por ejemplo, por medio
de una técnica denominada sin aire, en la que el aglutinante o el
agente de tratamiento puros se presionan a alta presión a través de
una boquilla. Alternativamente, el aglutinante o el agente de
tratamiento pueden aplicarse por medio de una técnica de aerógrafo,
en la que el aglutinante y/o el agente de tratamiento se dirigen a
una aguja, de donde son arrastrados por una rápida corriente de aire
que se hace pasar por la aguja o, alternativamente, por medio de
una técnica de rotación. Alternativamente, el agente de tratamiento
puede aplicarse mediante un atomizador ultrasónico, de modo que el
agente de tratamiento forma gotitas por medio de una membrana
excitada piezoeléctricamente y puede depositarse precisamente sobre
el campo de construcción, es decir, el sector predeterminado, por
medio de una corriente de aire. Por medio de las técnicas
mencionadas, el aglutinante o el agente de tratamiento pueden
dosificarse muy precisamente. Alternativamente, el aglutinante o el
agente de tratamiento pueden aplicarse por medio de una técnica de
serigrafía o por medio de una técnica en la que el aglutinante o el
agente de tratamiento se pulverizan a través de una máscara.
Alternativamente, un aglutinante y/o un agente de tratamiento
pulverulentos pueden espolvorearse.
Preferentemente, para la aplicación del
aglutinante o el agente de tratamiento líquidos o pulverulentos se
usa un cabezal de impresión de gotas según demanda, por ejemplo con
la técnica de inyección por burbuja o la técnica piezoeléctrica,
por ejemplo un cabezal de impresión como se conoce, por ejemplo, de
las impresoras de chorro de tinta.
En caso de usar un aglutinante o un agente de
tratamiento líquidos, dichos aglutinante o agente de tratamiento se
aplican con el cabezal de impresión de gotas según demanda,
preferentemente con una densidad de líneas de gotitas en el
intervalo de 300 a 600 dpi (puntos por pulgada).
Como aglutinante o agente de tratamiento se usa
preferentemente al menos un material del grupo de materiales que
presenta silicato de sodio, resina fenólica, poliisocianato,
poliuretano, resina epoxídica, resina furánica, polímero de
poliuretano, peróxido, resina polifenólica y éster de resol.
Como endurecedor puede usarse un gas o un
líquido o el vapor de un líquido.
El endurecedor fluido se hace fluir a través del
elemento, después de haber depositado todas las capas del elemento
que se produce y haberlas tratado con el aglutinante o el agente de
tratamiento. A este respecto, el endurecedor penetra en el elemento
a través de los poros restantes que quedan después de la aplicación
del aglutinante o el agente de tratamiento. De este modo, el
aglutinante o el aglutinante tratado con el agente de tratamiento
se endurecen por el endurecedor.
A este respecto, el endurecimiento puede
acelerarse mediante calentamiento del fluido y/o de la totalidad
del elemento. Al usar un vapor para el endurecimiento, en caso de
usar un vapor caliente, el calor de dicho vapor puede potenciar y/o
acelerar el endurecimiento.
Preferentemente como endurecedor se usa al menos
un gas del grupo de gases que presenta dióxido de carbono,
dimetiletilamina, trietilamina, dióxido de azufre, formiato de
metilo, formaldehído-acetato de dimetilo e
isocianato.
A este respecto, el aglutinante y el endurecedor
se eligen de manera tan adecuada que forman una combinación de
materiales en la que el aglutinante es endurecible por el
endurecedor.
En la tabla siguiente se mencionan algunos
procedimientos de endurecimiento por gas en sí conocidos, con sus
combinaciones de aglutinante y endurecedor, que también pueden
aplicarse según la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
El procedimiento de caja fría plus se realiza
normalmente a una temperatura ligeramente elevada, de 65 a 70ºC.
Sin embargo, también son posibles otras
combinaciones de materiales. En caso de usar isocianato como
aglutinante puede usarse vapor de agua como endurecedor.
El procedimiento según la invención es adecuado
para la fabricación de distintos elementos, por ejemplo modelos de
diseño o de construcción. Se prefiere la aplicación del
procedimiento para la fabricación de un molde o un macho, a este
respecto, preferentemente un molde.
A continuación se describe una forma de
realización preferida de la invención mediante los dibujos. En los
dibujos muestran:
la figura 1a una representación esquemática de
un elemento fabricado siguiendo una forma de realización preferida
del procedimiento según la invención en sección, al aplicar el
aglutinante o el agente de tratamiento; y
la figura 1b el elemento de la figura 1a
acabado;
la figura 2 un dispositivo para realizar el
procedimiento según la invención, mientras funciona el cabezal
dosificador.
La figura 1a muestra una representación
esquemática de un elemento fabricado siguiendo una forma de
realización preferida del procedimiento según la invención, por
ejemplo, un molde o un modelo, en sección al aplicar el
aglutinante, a partir de la cual es evidente el principio del
procedimiento. Según el procedimiento, para la fabricación de un
elemento se fabrican sucesivamente n capas, s1 a sn. Para ello,
primeramente se aplica en una primera etapa una primera capa de
material de construcción s1 sobre toda la superficie. Después, en
una segunda etapa se aplican el aglutinante o el agente de
tratamiento sobre un sector seleccionado t1 (rayado) de la primera
capa s1. Estas dos etapas se realizan también sucesivamente para las
demás capas s2 a sn. En ello, los sectores ti, tj para las
distintas capas si, sj son generalmente diferentes, pero al menos se
superponen parcialmente, de modo que se ensamblan firmemente entre
sí.
Después de haber aplicado el aglutinante o el
agente de tratamiento sobre la última capa, se hace fluir el
endurecedor por la totalidad del elemento y así éste se endurece.
Como medida de apoyo, puede practicarse el vacío al ensamblaje de
capas antes de someterle al flujo de endurecedor. A continuación, se
retira el material sin solidificar fuera de los sectores t1 a tn,
de modo que queda el elemento acabado que se muestra en la figura
1b.
Para la fabricación de un molde siguiendo el
procedimiento según la invención, el material de construcción se
aplica como se ha descrito anteriormente. Por el contrario, el
aglutinante o el agente de tratamiento se aplican en cada caso en
la zona fuera del sector ti, i=1...n. De este modo, en el
endurecimiento posterior solidifican estas zonas fuera de ti.
Después del endurecimiento del elemento se retira el material
particulado sin solidificar en los sectores ti, i=1....n, de modo
que queda un elemento con un espacio hueco con la forma de la pieza
representada en la figura 1b.
En la figura 2 se muestra un dispositivo para la
fabricación de elementos según una forma de realización preferida
de la invención. Un dispositivo semejante presenta los siguientes
componentes:
una base de construcción 1 desplazable
verticalmente,
un cuadro de maniobra,
un dispositivo de aplicación 2 maniobrable por
medio del cuadro de maniobra, que puede trasladarse horizontalmente,
que puede depositar en capas un material de construcción suelto
sobre la base de construcción 1 o una capa precedente hasta obtener
una capa de un espesor de capa predeterminado, y
un aparato dosificador 3, maniobrable por medio
del cuadro de maniobra, dispuesto sobre un carro 42 y trasladable
horizontalmente, que puede aplicar un aglutinante o un agente de
tratamiento líquidos o pulverulentos sobre zonas seleccionadas de
la capa.
El dispositivo de aplicación 2 para el material
de construcción presenta un cajón alargado, abierto por arriba y
por abajo, que está diseñado para la recepción del material de
construcción y para la aplicación de dicho material de construcción
sobre la base de construcción 1 y/o la capa de material de
construcción aplicada en último lugar. En la proximidad del borde
abierto inferior del cajón 21, que está vuelto hacia la base de
construcción 1, está previsto un dispositivo de salida 22 con
cuchillas aplicadoras, ajustable en su grado de apertura hasta el
cierre. El dispositivo de aplicación 2 puede trasladarse
perpendicularmente al sentido longitudinal del cajón 21 desde un
extremo de la base de construcción y de vuelta, con velocidad
ajustable.
El carro 42 con el aparato dosificador 3 para la
aplicación del aglutinante puede trasladarse de la misma manera que
el dispositivo de aplicación 2 para el material de construcción. El
aparato dosificador 3 puede trasladarse perpendicularmente a la
dirección de traslado del carro 42, de modo que en total, el aparato
dosificador puede trasladarse en todo el plano sobre la base de
construcción.
El procedimiento se realiza por medio de los
dispositivos según la forma de realización preferida de la invención
de la manera siguiente.
\vskip1.000000\baselineskip
Al comienzo del procedimiento, el dispositivo de
aplicación 2 con el cajón 21 relleno con el material de construcción
se hallan posicionados en el primer borde de la base de
construcción 1, por ejemplo, como se muestra en la figura 2. El
dispositivo de salida 22 está cerrado. El dispositivo de salida 22
del cajón 21 se abre, de modo que se deposita una raya de material
de construcción sobre la base de construcción. Simultáneamente se
traslada el dispositivo de aplicación 2 con velocidad uniforme
hasta el borde opuesto de la base de construcción, de modo que la
totalidad de la base de construcción 1 se cubre con una capa
uniforme de material de construcción. Aquí, el cajón 21 se mueve de
tal modo sobre la base de construcción 1 que la capa de material de
construcción ya aplicada queda alisada por el borde inferior del
cajón 21. A este respecto, la posición vertical de la base de
construcción respecto al cajón 21 se ajusta de tal modo que, después
del alisado por medio de la cuchilla de aplicación en el borde
inferior del cajón 21, la capa de material de construcción presente
un espesor de capa predeterminado deseado. A este respecto, la
velocidad de traslado y/o el grado de apertura del dispositivo de
cierre 22 se eligen preferentemente y se ajustan por medio del
cuadro de maniobra de tal modo que al soporte de construcción 1
lleve exactamente la cantidad de material de construcción necesaria
para el espesor de capa predeterminado. En el momento que el
dispositivo de aplicación 2 ha alcanzado el borde opuesto de la base
de construcción, se interrumpe el aporte de material de
construcción.
El dispositivo dosificador 3, preferentemente un
cabezal de gotas según demanda, como se conoce de las impresoras de
chorro de tinta, se traslada sobre la base de construcción 1
mediante el movimiento del carro 42 respecto al soporte de
construcción 1 y mediante el movimiento del cabezal dosificador 3
respecto al carro 42, siguiendo un patrón predeterminado.
Simultáneamente el cabezal dosificador 3 expulsa aglutinante o
agente de tratamiento. De este modo se genera un patrón de
aglutinante o agente de tratamiento en la capa de material de
construcción que corresponde a la sección del elemento en el plano
de la capa.
Ahora se ha completado esta capa y se genera una
segunda capa. Para ello, primeramente la base de construcción 1 se
traslada hacia abajo a una distancia discreta del dispositivo de
aplicación 2. A continuación, se deposita la segunda capa de
material de construcción y se provee de un patrón de aglutinante o
agente de tratamiento.
Las demás capas se generan de la misma manera,
de modo que se forma el ensamblaje de capas.
Finalmente, el ensamblaje de capas se endurece.
Preferentemente, el endurecimiento se realiza de manera análoga a
un procedimiento convencional de endurecimiento por gas.
Por ejemplo, después de la deposición de la
última capa y de la aplicación del aglutinante sobre la última
capa, se retira el ensamblaje de capas del dispositivo de
aplicación. A este respecto, la base de construcción puede
retirarse junto con el ensamblaje de capas y servir de soporte a
dicho ensamblaje de capas. El ensamblaje de capas, dado el caso,
junto con la base de construcción, se coloca en una cámara de
proceso. Para el endurecimiento del ensamblaje de capas se hace
fluir un gas adecuado por la cámara de proceso.
Alternativamente, el dispositivo para la
construcción de un elemento se halla integrado en una cámara de
proceso, de modo que el ensamblaje de capas puede endurecerse
directamente en el dispositivo.
Las capas individuales del ensamblaje de capas
tienen ya una suficiente cohesión entre sí antes del endurecimiento,
de modo que un ensamblaje de capas sin endurecer puede retirarse
sin peligro del dispositivo de aplicación.
Sin embargo, el dispositivo puede presentar
también una caja de construcción, en la que se fabrican las capas
del ensamblaje de capas de tal modo que a continuación la caja queda
rellena por las capas. La caja de construcción sirve de soporte
para el ensamblaje de capas y reduce el peligro de que el ensamblaje
de capas sin endurecer sufra daños antes del endurecimiento, por
ejemplo en el traslado de dicho ensamblaje de capas a una cámara de
proceso para su endurecimiento.
Claims (13)
1. Procedimiento para la fabricación de un
elemento con la técnica de deposición mediante la construcción de
un ensamblaje de capas que contiene el elemento, a partir de un
material particulado que contiene partículas de un tamaño de
partículas predeterminado, depositando el material particulado en
amontonamiento poroso en capas formando capas superpuestas y
aplicando dosificadamente sobre un sector predeterminado de cada
capa, que puede variar de capa a capa, un agente de tratamiento en
estado fluido antes de la deposición de la capa siguiente, el cual
prepara un proceso de fraguado en el que las partículas se unen
firmemente entre sí por medio de un aglutinante, que se halla
contenido en el material particulado o que se aplica sobre dicho
material particulado, en presencia de un iniciador,
caracterizado porque la construcción del ensamblaje de capas
se realiza en ausencia del iniciador y el proceso de fraguado se
provoca mediante el aporte del iniciador sólo después de la
construcción del ensamblaje de capas.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que como agente de tratamiento se usa un aglutinante en forma de
un polvo fluido o un líquido.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se deposita un material particulado
cuyas partículas están prerrevestidas con el aglutinante y como
agente de tratamiento se usa un agente modificador en forma de un
polvo fluido o un líquido, que modifica la capacidad de reacción
para el fraguado del aglutinante en un intervalo de modificación
predeterminado, al que se ajusta selectivamente la efectividad del
iniciador, efectuándose la modificación mediante el aumento de la
capacidad de reacción, de modo que el fraguado del aglutinante
tiene lugar en el sector predeterminado, o efectuándose la
modificación mediante una reducción de la capacidad de reacción, de
modo que el fraguado del aglutinante tiene lugar fuera del sector
predeterminado.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que como iniciador se usa un reactivo
material en forma de un portador térmico o un endurecedor químico
fluidos que se hacen fluir o circular por el ensamblaje de capas
construido, o un agente de radiación.
5. Procedimiento según las reivindicaciones 2 ó
3, en el que el agente de tratamiento se aplica en forma de gotas
líquidas por el procedimiento de chorro de tinta o por el
procedimiento de gotas según demanda.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que cada capa se calienta antes de la
aplicación del agente de tratamiento para potenciar su distribución
en el material particulado del sector predeterminado.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que como aglutinante en el caso de las
reivindicaciones 1 y 3, o como agente de tratamiento en el caso de
la reivindicación 2, se usa al menos un material del grupo que
presenta silicato de sodio, resina fenólica, poliisocianato,
poliuretano, resina epoxídica, resina furánica, polímero de
poliuretano, peróxido, resina polifenólica y éster de resol.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 4 a 7, en el que como endurecedor se usa al menos
un gas del grupo que presenta dióxido de carbono, dimetiletilamina,
trietilamina, dióxido de azufre, formiato de metilo,
formaldehído-acetato de dimetilo e isocianato.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 4 a 7, en el que como endurecedor se usa un
líquido.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 4 a 7, en el que como endurecedor se usa el vapor
de un líquido.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 10, en el que para al menos una de las capas se
usa una sustancia colorante, en particular un agente de tratamiento
que contiene pigmentos colorantes.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 11, en el que, en el sector predeterminado de
al menos una de las capas, se aplican selectivamente sustancias
colorantes, en particular pigmentos colorantes de distinto
color.
13. Uso del procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 12 para la fabricación de un molde o un
macho.
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