ES2331476T3 - Metodos para fabricar formas tridimensionales estratificadas. - Google Patents

Metodos para fabricar formas tridimensionales estratificadas. Download PDF

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ES2331476T3 ES04744075T ES04744075T ES2331476T3 ES 2331476 T3 ES2331476 T3 ES 2331476T3 ES 04744075 T ES04744075 T ES 04744075T ES 04744075 T ES04744075 T ES 04744075T ES 2331476 T3 ES2331476 T3 ES 2331476T3
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Abstract

Método para fabricar un molde tridimensional, que comprende las siguientes etapas sucesivas: a) proporcionar una pluralidad de materiales en partículas que comprenden arena por lo menos parcialmente en contacto con un agente de activación en un mezclador antes de ser aplicados; b) hacer entrar en contacto una parte preseleccionada de los materiales en partículas que tienen el agente de activación con un material aglutinante que es activable por el agente de activación; c) endurecer por lo menos parcialmente el aglutinante para formar una capa del molde tridimensional; y d) repetir las etapas (a) a (c) para formar el resto de la forma tridimensional, con lo que se usa menos del 2% en peso, en total, de un aglutinante en el molde.

Description

Métodos para fabricar formas tridimensionales estratificadas.
Campo técnico
La presente invención se refiere a la fabricación de una forma o modelo tridimensional mediante la acumulación sucesiva, capa a capa, de un compuesto que incluye partículas en un material aglutinante endurecido.
Antecedentes de la invención
La presente invención se fundamenta en el descubrimiento de mejoras para materiales y técnicas útiles para un proceso que ha ganado reconocimiento en la técnica como "impresión tridimensional". Hasta la fecha se han realizado varios esfuerzos en este campo, incluyendo, a título de ejemplo, los dados a conocer en las patentes U.S. n^{os} 6.147.138, 6.193.922, 6.423.255, 6.416.850, 6.375.874, 6.007.318, 5.204.055, 5.340.656, 5.387.380, 5.490.962, 5.518.680, 5.902.441 y en las solicitudes PCT n^{os} WO 02/26420 (PCT/DE01103661), WO 02/26478 (PCT/DE01/
03662), WO 02/28568 (PCT/DE01/03834), WO 02/26419 (PCT/DE00/03324), y WO 02/083323 (PCT/DE02/01103), incorporándose todas ellas expresamente, por la presente, a título de referencia.
A título ilustrativo, la patente U.S. n.º 5.204.055 trata sobre un método que incluye la deposición, basada en capas, de material en partículas no tratado. Un material aglutinante se dosifica de forma líquida para aglutinar selectivamente las partículas. El aglutinante se endurece y la pieza no queda compactada. La patente está limitada en sus aspectos dados a conocer en relación con la secuenciación para hacer entrar en contacto partículas con agentes con el fin de aglutinar las partículas.
En el documento WO96/05038, se da a conocer un método para la producción de implantes óseos, que incluye mezclar un polvo con un aglutinante, realizar una deposición basada en capas, y sinterizar por láser selectivamente o pulverizar selectivamente un agente por encima de cada capa para aglutinar las partículas. El documento, de forma similar, está limitado en sus aspectos dados a conocer en relación con la secuenciación para hacer entrar en contacto partículas con agentes con el fin de aglutinar las partículas.
En la patente U.S. n.º 6.416.850, se describe un método por el que ciertos supuestos materiales no tóxicos caracterizados como adhesivos (por ejemplo, polímeros solubles en agua y carbohidratos) se mezclan con partículas y otros ingredientes y se agregan selectivamente depositando un disolvente en el que el adhesivo es altamente soluble. La patente está limitada en cuanto a sus aspectos dados a conocer en relación con la secuenciación para hacer entrar en contacto partículas con agentes con el fin de aglutinar las partículas. Adicionalmente, se cree que no posibilita un proceso en el que se reticulen agentes para ayudar en la formación de enlaces, particularmente para realizar una forma suficientemente fuerte y termo-resistente de modo que sirva como molde. El documento EP-A-968776 da a conocer características de fabricación de un molde tridimensional que comprende materiales en partículas de arena y el endurecimiento de un aglutinante en capas sucesivas.
De este modo, es un objetivo de la presente invención proporcionar alternativas mejoradas y eficaces para preparar una forma tridimensional con una técnica de acumulación capa a capa, particularmente a través del uso de un sistema de material aglutinante que es por lo menos dos componentes.
Sumario de la invención
Por consiguiente, la presente invención se fundamenta en el descubrimiento de un método nuevo para fabricar una forma tridimensional según se define en la reivindicación 1.
El material aglutinante se suministra selectivamente a los materiales en partículas (por ejemplo, usando una técnica de impresión por chorros de tinta, u otra técnica adecuada para la dispensación precisa de fluido), preferentemente según un modelo por ordenador de la pieza tridimensional que se esté formando, tal como a partir del uso de un archivo de Diseño Asistido por Ordenador (CAD) (por ejemplo, datos de archivos CAD que resultan de un análisis por elementos finitos). De esta manera, se pueden hacer variar subáreas predefinidas de cada capa con respecto a capas contiguas. El agente está adaptado para crear eficazmente un aglutinante con el fin de acoplar firmemente partículas contiguas, ya sea por fuerzas de Van der Waals, reticulación, otros enlaces covalentes, enlaces iónicos, enlaces metálicos, combinaciones de los mismos o por otro mecanismo.
Según la presente invención, cada capa de la forma que se está fabricando se dispone inicialmente como una capa que incluye una pluralidad de materiales en partículas en ausencia de un material aglutinante. Preferentemente, el material aglutinante se dosifica mediante un dispensador de fluido adecuado hacia las subáreas respectivas de una capa, tras lo cual entra en contacto con un agente de activación y es activado para endurecerse con el fin de formar una matriz que tiene las partículas retenidas firmemente dentro de ella.
De este modo, se observa que, usando los métodos de la presente invención, son posibles varias ventajas. A título de ejemplo, es posible gestionar mejor el uso del material y reducir los costes globales mejorando el control sobre la cantidad total de aglutinante que se usa (que, en muchos casos, es, de forma deseable, una resina termoestable o reticulable que puede requerir una manipulación o eliminación especial de residuos). Además, la ausencia de un aglutinante posibilita una recuperación y reutilización más eficaz de partículas en fabricaciones subsiguientes. Es decir, las partículas quedarán sustancialmente exentas de material aglutinante que podría impedir el uso posterior de las partículas.
De este modo, el método para realizar una forma tridimensional podría comprender la etapa de recuperar materiales en partículas no unidos, estando exentos de material aglutinante dichos materiales en partículas no unidos.
Adicionalmente, es posible reducir el potencial de obturación de los inyectores. Se ha observado también que es posible un buen control sobre la extensión del material aglutinante sin reaccionar para ayudar a minimizar una fuente potencial de formación de gases, que, en algunas aplicaciones, es potencialmente problemática (por ejemplo, cuando la forma tridimensional se usa como molde para colada de un material con un elevado punto de fusión y el molde es altamente complejo, tal como con un molde de una culata de cilindros para automoción u otra forma intrincada). La presente invención logra un buen control sobre la deposición del aglutinante y permite grados elevados de variaciones dentro de una capa y dentro de secciones transversales de la forma.
La presente invención logra además otras ventajas. Por ejemplo, en un aspecto particularmente preferido de la presente invención, grupos funcionales o componentes reactivos del material aglutinante son susceptibles de experimentar evaporación, especialmente a temperaturas superiores. La capacidad de controlar mejor, e incluso retardar, el momento en el que el material aglutinante va a entrar en contacto con partículas ayuda a garantizar que, con el tiempo, habrá presente una mayor cantidad eficaz de los grupos funcionales o componentes reactivos. De este modo, se puede reducir adicionalmente el consumo de cantidades globales del material aglutinante, en comparación con un proceso en el que el material aglutinante entra en contacto inicialmente con partículas, antes que el agente de activación. Para ilustrarlo, si se utiliza resina de furano como aglutinante para una arena, es más probable que, a temperaturas superiores, el alcohol furfurílico de la resina se evapore a temperaturas superiores. Eso significa que la arena se debe usar muy rápidamente (por ejemplo, en minutos) después de la mezcla con la resina de furano, o, si no, la arena debe sellarse para preservar la eficacia del material aglutinante. Por otro lado, si la arena entra en contacto en primer lugar con el agente de activación, el agente de activación (por ejemplo, un ácido tal como ácido sulfúrico, que es relativamente estable en condiciones de trabajo normales) en muchas ocasiones no será susceptible de experimentar efectos sustanciales de temperatura o atmósfera. De este modo, una estabilidad mejorada de las partículas permite retardos mayores entre etapas, así como la introducción de etapas de procesado intermedias adicionales. Son posibles además retardos entre etapas de 2 horas o mayores, o de hasta 12 horas, sin comprometer la reactividad o estabilidad de las partículas. En una realización preferida, partículas con las que ha entrado en contacto un agente de activación según se da a conocer en el presente documento pueden esperar 24 horas o más y permanecer exentas de un deterioro de la función de aglutinación, en ausencia de contacto con un material aglutinante.
Es también probable que haya menos efectos secundarios adversos provocados por la evaporación de grupos funcionales o componentes reactivos. Por ejemplo, se reduce la susceptibilidad de los materiales evaporados a volverse a depositar en algún otro lugar dentro del sistema (por ejemplo, en el cabezal de impresión). Esto conduce a ciclos más largos de limpieza de componentes del sistema, lo cual nuevamente incrementa la productividad.
Descripción detallada de la realización preferida
La presente invención se fundamenta en el descubrimiento de un método nuevo según se define en la reivindica-
ción 1.
La pluralidad de materiales en partículas de la presente invención comprende arena y puede ser cualquier material finamente dividido que tenga la capacidad de unirse para formar un agregado con un aglutinante activado. Las partículas pueden ser orgánicas, inorgánicas, o una mezcla de las mismas. Pueden ser cerámicas, metálicas, plásticas, carbohidratos, de molécula orgánica pequeña, molécula orgánica grande, combinaciones de las mismas o similares.
Preferentemente, las partículas son en general monodispersas. De este modo, las partículas tienen preferentemente por lo menos un 80 por ciento en volumen de un tamaño medio de partícula comprendido entre aproximadamente 30 \mum y aproximadamente 450 \mum, más preferentemente entre aproximadamente 90 \mum y aproximadamente
210 \mu, y todavía más preferentemente del orden de 140 \mum. Son también posibles conjuntos polidispersos de partículas. Son también posibles tamaños de partículas mayores y menores, y los intervalos anteriores no pretenden limitar la invención.
El material para ser usado como partículas de la presente invención, particularmente para ser usado en la fabricación de moldes, comprende arena, y más particularmente arena de fundición. Entre los ejemplos de arenas adecuadas se incluye sílice. En un aspecto más preferido, la arena se selecciona del grupo consistente en cuarzo, circón, olivina, magnetita, o combinaciones de los mismos. Las arenas pueden ser arena virgen, arena recuperada, o una combinación de las mismas. Las arenas también pueden incluir ingredientes comunes para la arena de fundición, tales como un aglutinante (por ejemplo, arcilla, harina de madera, aditivos químicos, etcétera), aditivos carbonosos, u otros ingredientes.
El aglutinante de la presente invención puede ser cualquier material adecuado que tenga la capacidad de acoplar firmemente entre sí materiales en partículas contiguos. En un aspecto altamente preferido, el material aglutinante es un compuesto orgánico, y más particularmente un compuesto orgánico que incluye moléculas que se reticulan o, alternativamente, se enlazan entre sí de forma covalente.
En una realización altamente preferida, el material preferido para el aglutinante incluye por lo menos un material seleccionado del grupo consistente en resina fenólica, poliisocianato, poliuretano, resina epoxi, resina de furano, polímero de poliuretano, poliuretano fenólico, fenol-formaldehído-alcohol furfurílico, urea-formaldehído-alcohol furfurílico, formaldehído-alcohol furfurílico, peróxido, resina polifenólica, resol éster o mezclas de los mismos.
Aunque son posibles otras viscosidades, durante la dispensación a través de un cabezal de impresión, preferentemente, la viscosidad del material aglutinante a 20ºC está comprendida preferentemente entre 5 y aproximadamente
60 cps, y más preferentemente entre 10 y 50 cps, y todavía más preferentemente entre aproximadamente 14 y aproximadamente 20 cps.
También puede resultar posible la utilización de uno o más aglutinantes inorgánicos tales como, entre otros, un silicato (por ejemplo, silicato de sodio), una sal, yeso, bentonita o mezclas de los mismos.
También se pueden utilizar otros ingredientes dados a conocer en la técnica para formar un aglutinante en la presente invención, tales como los dados a conocer en la patente U.S. n.º 6.416.850, que incluye, por ejemplo, polímeros solubles en agua, carbohidratos, azúcares, alcoholes de azúcar, o proteínas. Entre los polímeros adecuados solubles en agua se incluyen polietilenglicol, poliacrilato sódico, alcohol polivinílico, polivinilpirrolidona, copolímero de poliacrilato sódico con ácido maleico, y copolímero de polivinilpirrolidona con acetato de vinilo; entre los carbohidratos se incluyen goma arábiga, goma de algarrobilla, almidón pregelatinizado, almidón modificado con ácido, almidón hidrolizado, carboximetilcelulosa sódica, alginato sódico e hidroxipropilcelulosa. Entre los azúcares y alcoholes de azúcar adecuados se incluyen sacarosa, dextrosa, fructosa, lactosa, polidextrosa, sorbitol y xilitol. También se pueden usar compuestos orgánicos que incluyen ácidos orgánicos y proteínas, incluyendo ácido cítrico, ácido succínico, ácido poliacrílico, gelatina, cola de piel de conejo, proteína de soja, y urea. De este modo, se contempla que el aglutinante pueda incluir un componente de aglutinación que esté exento de una resina termoestable.
El agente de activación de la presente invención es preferentemente un ingrediente que, en presencia del material aglutinante (y opcionalmente en presencia de otra condición atmosférica controlable, por ejemplo, calor, humedad, u otra), provocará que el material aglutinante se una a sí mismo y a partículas contiguas. El agente de activación se proporciona preferentemente en forma de un sólido, líquido, gel, o combinaciones de los mismos. Puede incluir un agente de curado, un iniciador, o ambos, dados a conocer en la técnica, para los materiales aglutinantes antes mencionados.
Por ejemplo, en una realización particularmente preferida (por ejemplo, cuando se utiliza una resina de furano, epoxi o ambas), el agente de activación es un agente seleccionado de entre un ácido, una amina, un éster o una combinación de los mismos. Ácidos preferidos, por ejemplo, son los que presentan un pH de entre 1 y 6, y más preferentemente menor que 4. Entre los ejemplos de ácidos adecuados se incluyen ácidos orgánicos, ácidos inorgánicos, o combinaciones de los mismos, tales como uno o más ácidos seleccionados del grupo consistente en ácido sulfúrico, ácido sulfónico (por ejemplo, ácido metanosulfónico, ácido toluensulfónico o similares), ácido clorhídrico, ácido fosfórico, y ácido nítrico. El agente de activación puede ser un material de viscosidad relativamente baja o un material de viscosidad relativamente alta. De este modo, se contempla también que se pueda utilizar un ácido dímero o trímero, un ácido graso, o combinaciones de los mismos. Se contemplan también otros ácidos, incluyendo, entre otros, ácidos (poli)carboxílicos.
El agente de activación puede consistir en un único ingrediente o una pluralidad de ingredientes. Por ejemplo, como se da a conocer en la patente U.S. n.º 6.423.255, el agente de curado puede comprender ácido toluensulfónico en una proporción de entre el 45 y el 55 por ciento, dietilenglicol en una proporción de entre el 5 y el 15 por ciento, y ácido sulfúrico en una proporción de como mucho el 1 por ciento.
Se seleccionan aminas adecuadas de entre aminas primarias, aminas secundarias, aminas terciarias, o combinaciones de las mismas. Por ejemplo, entre otras, la amina se puede seleccionar del grupo consistente en aminas alifáticas, aminas aromáticas, polioxialquilenaminas, fenalcaminas, alquilaminas, alquilenaminas, combinaciones de las mismas, o similares.
En la amplitud no mencionada todavía, también se pueden utilizar otros agentes de curado dados a conocer en la técnica, tales como agentes de curado catalíticos (por ejemplo, complejos o compuestos que contengan boro), amidas, poliamidas.
También es posible que el agente de activación pueda ser tal que se haga activo al producirse la liberación de un gas (por ejemplo, un dióxido, tal como dióxido de carbono, dióxido de azufre) desde dentro del mismo. De este modo, un agente de activación preferido de este tipo es preferentemente uno que tenga la capacidad de liberar dicho gas en presencia del material aglutinante.
Evidentemente, también son posibles otros agentes de activación. Por ejemplo, según se describe en la patente U.S. n.º 6.416.850, se puede utilizar un fluido activador, tal como un disolvente seleccionado de entre agua, alcohol metílico, alcohol etílico, alcohol isopropílico, acetona, cloruro de metileno, ácido acético y acetoacetato de etilo.
Los profesionales expertos apreciarán que, en ciertas realizaciones, también puede ser deseable incluir uno o más componentes adicionales, por ejemplo, para colaborar en el tratamiento de los materiales, para mejorar una propiedad de un material, u otras opciones. De este modo, se contempla adicionalmente que, además de las partículas, el aglutinante y el agente de activación, se puedan utilizar una sustancia de carga, un refuerzo, un acelerador del curado, un agente tensioactivo, un espesante, promotores de adherencia, colorantes, indicadores térmicos, humectantes, combinaciones de los mismos o similares. Entre los ejemplos de sustancias de carga se incluyen, entre otras, sustancias de carga minerales, almidones (por ejemplo, maltodextrina), combinaciones de los mismos o similares. Los refuerzos podrían incluir metal, plástico (por ejemplo, aramida, poliéster, celulosa, derivados de los mismos o similares), cerámica, grafito, carbono o combinaciones de los mismos, y pueden presentarse en forma de filamentos, fibras, combinaciones de los mismos o similares.
Otros ingredientes dados a conocer en la técnica pueden incluir, por ejemplo, lecitina, un poliol (por ejemplo, polietilenglicol o polipropilenglicol), citronelol, un acetato (por ejemplo, diacetato de etilenglicol), un sulfato (por ejemplo, sulfato de potasio y aluminio), un sulfonato, un alcohol, un éter, un (met)acrilato, un ácido (met)acrílico, una polivinilpirrolidona, o combinaciones de los mismos.
Debe apreciarse que cualquiera de los ingredientes líquidos del presente documento puede contener además ingredientes adicionales, tales como diluyentes (por ejemplo, agua, una cetona, u otro disolvente orgánico (por ejemplo, tolueno o similares)).
Según la presente invención, se prepara una forma tridimensional usando un planteamiento de acumulación capa a capa tal como se define en la reivindicación 1.
Las partículas se mezclan en contacto íntimo con el agente de activación, se esparcen sobre una superficie y a continuación se hacen entrar en contacto selectivamente en subáreas (que pueden ir desde una pequeña parte a la totalidad de la masa de material) con el material aglutinante.
En este último planteamiento, la mezcla se realiza en un mezclador de cualquier manera adecuada, y se puede realizar por medio de un mezclador por lotes, un mezclador continuo o una combinación de los mismos. Preferentemente, las partículas se mezclan durante un tiempo suficiente de manera que se desarrolle un recubrimiento sobre por lo menos una parte de la superficie expuesta de la partícula (que los profesionales expertos deben apreciar que puede ser totalmente densa o porosa). A título de ejemplo, sin limitaciones, un lote de aproximadamente entre 1 y 25 kg (más preferentemente de forma aproximada 10 kg) se carga en un mezclador rotatorio junto con un agente de activación y se hace girar durante una cantidad de tiempo deseada (por ejemplo, suficiente para desarrollar una capa en torno a la partícula con el fin de ampliarla hasta un diámetro de entre aproximadamente 0,25 y aproximadamente 2,5 veces el diámetro de la partícula no recubierta, y más preferentemente de forma aproximada 1,5 veces el diámetro de la partícula no recubierta).
A continuación, las partículas premezcladas se transportan adecuadamente hacia un lugar de trabajo, por ejemplo, mediante un transportador adecuado (por ejemplo, un transportador de tornillo). Entonces, las mismas se cargan sobre una superficie de trabajo (por ejemplo, a través de un mecanismo esparcidor, tal como en el documento WO 02/083323 (PCT/DE02/01103)) o más preferentemente en un contenedor de retención temporal.
La superficie de trabajo es preferentemente una plataforma para piezas de trabajo de un sistema adecuado para formar formas tridimensionales. En el documento WO 02/26478 (solicitud PCT n.º PCT/DE01/03662) se da a conocer un ejemplo de un contenedor profesional adecuado para transportar una superficie de trabajo. Véase también la patente U.S. n.º 6.423.255.
Un sistema preferido incluye un dispensador de fluido aglutinante en el que se suministra aglutinante en un estado fluido, una superficie de trabajo en la que se puede cargar una pluralidad de partículas, en contacto con un agente de activación para el aglutinante, un mecanismo para esparcir material en partículas (por ejemplo, un mecanismo esparcidor incluye una cuchilla oscilante, una espátula, un rodillo contra-rotativo, o una combinación de los mismos); y un procesador para ordenar al dispensador de fluido aglutinante que dosifique el fluido aglutinante según datos de un modelo obtenido por ordenador. Preferentemente, el dispensador de fluido aglutinante y la superficie de trabajo están adaptados para su traslación con respecto a por lo menos tres ejes. Por ejemplo, el dispensador de fluido aglutinante (preferentemente, un dispensador de goteo bajo demanda, tal como un dispensador del tipo por chorros de tinta) podría tener uno o una pluralidad de inyectores trasladables en el plano cartesiano x-y, siendo trasladable la superficie de trabajo en el eje z. Cualquiera, o ambos, de los inyectores dispensadores de fluido aglutinante o la superficie de trabajo (por ejemplo, como parte de una estructura de tipo pórtico) pueden ser giratorios de forma adicional o alternativa con respecto a un eje.
Se describen ejemplos de un mecanismo esparcidor, entre otros, en el documento WO 02/083323 (PCT/DE02/
01103), o el documento WO 02/26420 (solicitud PCT n.º DE01/03661). Por consiguiente, un mecanismo esparcidor preferido incluye una tolva movible (por ejemplo, oscilable), en la que se cargan partículas. La tolva tiene una abertura, tal como una rendija en la parte inferior, a través de la cual se pueden dispensar partículas cuando la tolva se mueve. Un dispositivo alisador (por ejemplo, una cuchilla, un contra-rodillo o similares) está preferentemente fijado adyacente a la abertura de la tolva. A medida que las partículas son liberadas a través de la abertura, las mismas son alisadas de esta manera mediante el dispositivo alisador. De este modo, es posible una acumulación relativamente plana y lisa de una capa de partículas sobre la superficie de trabajo. Los grosores de las capas se pueden controlar según se desee. Por ejemplo, las capas pueden tener un grosor comprendido entre aproximadamente 0,05 mm y aproximadamente 1 mm, y más preferentemente entre aproximadamente 0,1 mm y aproximadamente 0,4 y todavía más preferentemente entre aproximadamente 0,15 y aproximadamente 0,3 mm. Son también posibles grosores menores o mayores.
Es posible que el sistema pueda tener también una cavidad de desbordamiento definida en el mismo para recibir material sobrante, y posiblemente un elemento limpiador movible para transferir material sobrante hacia la cavidad de desbordamiento. En combinación con un área de trabajo, también se puede utilizar un área limpia independiente parcialmente sellada. De este modo, también se puede utilizar un sistema del tipo dado a conocer en la patente
U.S. n.º 6.375.874.
Después de que se hayan esparcido las partículas, las mismas se hacen entrar en contacto selectivamente con el material aglutinante. Preferentemente, el material aglutinante se suministra a través de por lo menos un dispensador de fluido aglutinante, y preferentemente uno caracterizado porque utiliza inyectores piezoeléctricos (por ejemplo, según se describe en la patente U.S. n.º 6.460.979), una pulverización a chorro continuo, una pulverización por chorro intermitente, dispensa a través de una máscara, incluye un único inyector dispensador, incluye una pluralidad de inyectores dispensadores que están agrupados conjuntamente, incluye un inyector calentado, incluye una pluralidad de inyectores dispensadores que están separados entre sí, o combinaciones de por lo menos dos de las características anteriores.
Aunque se puede utilizar una variedad de otros cabezales de impresión, en una realización particularmente preferida, se utiliza un cabezal de impresión de goteo bajo demanda con transductores piezoeléctricos de flexión. Uno o una pluralidad de transductores están sometidos a un impulso de activación para lograr un movimiento de descarga por goteo. También es posible que, en un cabezal de múltiples transductores, cada transductor piezoeléctrico de flexión próximo al transductor piezoeléctrico de flexión activado por el impulso de activación esté sometido a un impulso de compensación que lo desvíe. Véase también la patente U.S. n.º 6.460.979.
Una densidad preferida de las gotitas para dispensar fluidos a través de un cabezal de impresión está comprendida entre aproximadamente 50 dpi y aproximadamente 1.000 dpi. Se prefiere particularmente una densidad de líneas de gotitas comprendida entre 100 y 600 dpi. Son también posibles densidades mayores o menores. Por ejemplo, un inyector dispensador típico puede estar comprendido entre aproximadamente 20 y aproximadamente 100 micras, más preferentemente entre aproximadamente 30 y aproximadamente 80 micras, y todavía más preferentemente entre aproximadamente 50 y aproximadamente 60 micras. Por consiguiente, son posibles diámetros de gotitas menores que aproximadamente 100 micras, más preferentemente menores que 60 micras (reconociéndose que un diámetro de 60 micras se corresponde en general con un volumen de gotita de aproximadamente 80 pl), y también son posibles diámetros de hasta aproximadamente 10 micras o menores. La frecuencia de expulsión de las gotitas se puede hacer variar según se desee, aunque preferentemente será por lo menos 1 Hz, más preferentemente por lo menos 5 Hz. En una realización, es posible una frecuencia de 15 Hz ó mayor.
Las cantidades relativas de materiales del aglutinante con respecto al agente de activación se pueden seleccionar y variar según se desee. En una realización, la cantidad relativa (en partes en peso) de aglutinante con respecto a agente de activación está entre aproximadamente 1:10 y aproximadamente 10:1, y más preferentemente está entre aproximadamente 1:4 y aproximadamente 4:1. Todavía más preferentemente, la cantidad de aglutinante con respecto a agente de activación es aproximadamente 2:1. Por ejemplo, en una realización preferida que utilice una resina de furano y arena, una mezcla incluirá preferentemente de forma aproximada 0,3 por ciento en peso del agente de activación y aproximadamente 0,6 por ciento en peso del aglutinante.
En general, se usa menos de 2 por ciento en peso, en total, de un aglutinante en un molde que incluye partículas, aglutinante y agente de activación.
Para colaborar en el curado o, alternativamente, endurecimiento del material aglutinante, se pueden utilizar uno o más estímulos adicionales, incluyendo, entre otros, calor, radiación infrarroja, radiación ultravioleta, humedad, aire, un vacío, un entorno inerte, un entorno de gases reactivos, catálisis, combinaciones de los mismos, o similares.
En relación con esto, el endurecimiento se puede realizar en una cámara cerrada independiente para garantizar un entorno en particular. El mismo también se puede potenciar, por ejemplo, calentando la superficie de trabajo del sistema, calentando el material aglutinante antes de su dispensación (por ejemplo, mientras está en un contenedor), durante la dispensación (por ejemplo, disponiendo un cabezal dispensador o un inyector calentados, o ambos), o tras la dispensación. Un intervalo preferido de temperaturas para facilitar el curado del material aglutinante está entre aproximadamente 15ºC y aproximadamente 40ºC, y más preferentemente entre aproximadamente 20ºC y aproximadamente 30ºC (por ejemplo, para una resina de furano, la misma se cura preferentemente a temperatura ambiente). No obstante, es posible usar otras resinas con un punto de curado a niveles de temperatura mayores, y por lo tanto también se pueden utilizar temperaturas mayores (o posiblemente temperaturas menores).
Ejemplos de técnicas adicionales que se pueden utilizar adecuadamente en la presente invención incluyen las dadas a conocer, entre otras, en las patentes U.S. n.º 6.147.138 (endurecimiento usando uno o una combinación de entre calor o una atmósfera de gas reactivo), 6.423.255; WO 02/26419 (que trata sobre el endurecimiento de aglutinante dosificado selectivamente en una atmósfera de gas reactivo).
Además, en algunas aplicaciones, puede resultar deseable también separar la forma tridimensional del material circundante de partículas unidas. Se puede utilizar cualquier procedimiento adecuado, tal como el del documento
WO 02/28568 (solicitud PCT n.º PCT/DE01/03834).
También son posibles variaciones adicionales. Por ejemplo, composiciones de partículas, material aglutinante, agente de activación, o cualquier combinación de los mismos pueden ser constantes a través de toda una forma, o las mismas pueden variar entre dos o más capas diferentes.
Adicionalmente, puede resultar posible utilizar una etapa de serigrafiado en la entrega del material aglutinante a una capa de partículas, tal como usando técnicas descritas en la patente U.S. n.º 6.193.922.
Para una realización, como material aglutinante se usa preferentemente una resina de furano particularmente preferida del sistema de materiales, la cual contiene preferentemente alcohol furfurílico en una proporción de por lo menos 50 por ciento y etanodiol en una proporción de aproximadamente 4 por ciento, así como agua. El agente de curado preferido contiene ácido toluensulfónico en una proporción de entre 45 y 55 por ciento, dietilenglicol en una proporción de entre 5 y 15 por ciento y ácido sulfúrico en una proporción de como mucho 1 por ciento. Para esta realización, el material aglutinante preferido y el agente de curado preferido se usan preferentemente en una relación de
peso de 2:1.
La presente invención es útil para y se contempla su uso en un método para realizar cualquiera de una variedad de diferentes moldes tridimensionales tales como los seleccionados del grupo consistente en un molde para colada (por ejemplo, para coladas de metales, coladas a espuma perdida, colada que presente partes internas huecas que requieran una pieza de núcleo interno del molde, coladas de cerámicas, coladas de compuestos con matrices metálicas, o cualesquiera otras coladas).
La invención encuentra una utilidad particularmente atractiva en la fabricación de moldes para la colada de metales. Ejemplos del uso de los métodos de la presente invención incluyen, entre otros, la formación, mediante colada de metales con un molde preparado por los métodos del presente documento, de un componente para vehículos automóviles (por ejemplo, una culata de cilindros, una rueda, un componente de un tren de potencia, un componente de la suspensión, un receptáculo, u otros).
Se ha de entender que la descripción anterior está destinada a ser ilustrativa y no limitativa. Para aquellos con conocimientos en la técnica resultarán evidentes muchas realizaciones, así como muchas aplicaciones, además de los ejemplos proporcionados, al leer la descripción anterior. Por lo tanto, el alcance de la invención se debe determinar, no en referencia a la descripción anterior, sino que se debe determinar, en cambio, en referencia a las reivindicaciones adjuntas.

Claims (9)

1. Método para fabricar un molde tridimensional, que comprende las siguientes etapas sucesivas:
a)
proporcionar una pluralidad de materiales en partículas que comprenden arena por lo menos parcialmente en contacto con un agente de activación en un mezclador antes de ser aplicados;
b)
hacer entrar en contacto una parte preseleccionada de los materiales en partículas que tienen el agente de activación con un material aglutinante que es activable por el agente de activación;
c)
endurecer por lo menos parcialmente el aglutinante para formar una capa del molde tridimensional; y
d)
repetir las etapas (a) a (c) para formar el resto de la forma tridimensional,
con lo que se usa menos del 2% en peso, en total, de un aglutinante en el molde.
2. Método de la reivindicación 1, en el que los materiales en partículas se seleccionan del grupo consistente en una cerámica, un metal, un plástico, un carbohidrato, una molécula orgánica pequeña, una molécula orgánica grande, combinaciones de los mismos o similares.
3. Método de la reivindicación 1 ó 2, en el que el agente de activación se selecciona del grupo consistente en ácidos, aminas, alcoholes, cetonas, sales, o mezclas de los mismos.
4. Método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el material aglutinante es por lo menos un material seleccionado del grupo consistente en resina fenólica, poliisocianato, poliuretano, resina epoxi, resina de furano, polímero de poliuretano, poliuretano fenólico, fenol-formaldehído-alcohol furfurílico, urea-formaldehído-alcohol furfurílico, formaldehído-alcohol furfurílico, peróxido, resina polifenólica, resol éster, un silicato (por ejemplo, silicato sódico), una sal, yeso, bentonita, polímeros solubles en agua, ácido orgánico, carbohidratos, azúcares, alcoholes de azúcar, o proteínas.
5. Método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la forma tridimensional es un molde sin usar un patrón.
6. Método de la reivindicación 5, que comprende además verter un material, seleccionado de un metal o un plástico, en un estado fundido, en el molde para formar una pieza usando el molde.
7. Método de la reivindicación 5, que comprende además verter un material cerámico en el molde.
8. Método de cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que las partículas tienen un tamaño medio de partícula del orden de 140 \mum.
9. Método para realizar una forma tridimensional, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende recuperar materiales en partículas no unidos, estando exentos de material aglutinante dichos materiales en partículas no unidos.
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