多通道管道产品的制作方法

本申请是申请号为201580058954.0的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2015年9月10日，发明名称为“多通道管道产品”。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年9月10日提交的名为“multi-channelplumbingfixtureandfabricationmethod(多通道管道设备和制造方法)”的美国临时专利申请no.62/048,678的权益，其公开内容通过引用完全结合在本文中。

本发明总体上涉及龙头和相似的管道产品，具体涉及具有复杂的几何结构的新型管道产品，其包括会聚和发散的通道，该管道产品可以使用3d打印技术制造。

背景技术：

龙头是普遍存在的管道产品，该管道产品具有将热、冷或混合水从水源输送到用户的基本用途。龙头的重要性能因素包括温度和流量的控制、寿命以及没有渗漏，但是在生活空间的装饰方面，尤其是在盥洗室的应用中，龙头也已经成为美学展示品。常常仅基于美学设计对盥洗室龙头做出购买决策，并且对盥洗室龙头的选择通常是对浴室的设计进行的第一决策。对其它设备、设施、家具和配件(例如淋浴器和浴盆设施等)的购买决策通常由对龙头的选择决定。因此，在商业上生产新的、吸引人的、以前不可行的复杂几何结构的能力在市场上提供了显著的竞争优势。

传统的龙头制造技术在构造可能性上非常受限。几何结构必须经得起铸造工艺检验。即，几何结构受限于可以被容易地从模子模制和脱模的几何结构。经由传统工艺不可能构成具有多个底切部、内部开口或空间、多个小直径通道等的几何结构。

因此，在该领域需要利用前沿的制造工艺来发展并优选地大大发展能够制造的龙头几何结构的技术。

在该领域还需要新型龙头的调色和具有结构方面突出的几何结构的龙头部件构造，该几何结构包括呈多种独特组合形式的多个底切部、内部开口或空间、多个小直径通道。

技术实现要素：

一般而言，例如使用金属3d或其它3d打印技术来制造新型管道产品，包括龙头，以使其具有复杂的几何结构，例如可以在喷嘴附近发散和再会聚的多个通道。各通道的几何结构可以像交织的网状图案，该图案在通道之间定义了各种形状，例如定义了平行四边形、圆形或卵形的网格型龙头，或者随着通道发散和然后再会聚而定义了椭圆形或半椭圆形的多个通道。其它实施例可以具有较少的通道，其中，在以确定的凸曲率定义了各种弯曲的路径之后，所述通道在龙头的基部发散并且在上方一定距离处再次会聚。

例如，通道的几何结构可以像交织的网状图案。在另一实施例中，一个示例性龙头的把手也可以包括与喷嘴相同或相似的构型，从而提供有利地、在美学上令人愉快的龙头系统。

管道设备可以由不锈钢、inconel(因科镍合金)、黄铜、青铜、聚碳酸酯、pvc、丙烯酸、刚性聚烯烃、pet、碳纤维、aes或其它适合于管道配件的耐蚀材料中的一种或多种构成。在一些实施例中，一个示例性龙头的把手可以包括与喷嘴相同或相似的多通道构型，从而提供有利地、在美学上令人愉快的龙头系统。在示例性实施例中，龙头喷嘴及其把手构成为联接到标准的龙头底座、标准的阀平台(valveplatform)或标准的螺纹管/水路连接件。

本发明的其它目标和优点将从公开内容中部分地显而易见。

因此，如在本文阐述的结构中所例示的那样，本发明涵盖了构造的特征、元件的组合、零件的布置和各种步骤及这些步骤中的一个或多个步骤关于另外每一个步骤的关系，并且本发明的范围将在权利要求中表明。

附图说明

为了对本发明的实施例更加全面理解，需要参考下文结合附图进行的描述，图中：

图1a-1c分别描述了根据本发明的一个实施例的示例性龙头把手的侧视图、正视图和透视图；

图2a-2c分别描述了根据本发明的一个实施例的示例性龙头喷嘴的侧视图、正视图和透视图；

图3是根据本发明的一个实施例的用于图2a-2c的龙头喷嘴的示例性龙头喷嘴安装件的剖视图；

图4是根据本发明的一个实施例的用于图1的示例性把手的把手安装件的剖视图；

图5a是图2b的示例性喷嘴的底视图，示出水室和水路的细节；

图5b是图2b的示例性喷嘴的剖视侧视图，示出通向喷嘴端部的水路的细节；

图6是根据本发明的一个示例性实施例的包括台下连接件的替代龙头系统(喷嘴和把手)的正视图，以及一部分水路的局部剖视图；

图7是沿着图6的截面b-b的图6的喷嘴的局部侧视图；

图8a是根据本发明的一个示例性实施例的包括台下连接件的替代龙头组成部件的正视图；

图8b是图8a的龙头系统的侧视图；

图9a描述了用于图1a-1c和2a-2c的示例性龙头系统(喷嘴和把手)的台下连接件的细节；

图9b是图9a的龙头系统的侧视图；

图10a-10c描述了根据本发明的一个实施例的与图8a和8b所示的实施例相似的替代龙头系统的底视图、正视图和顶视图；图10d示出了图10a-10c的龙头系统的右视图，并且图10e示出了图10a-10c的龙头系统的左视图；

图11a-11c描述了根据本发明的一个实施例的另一示例性多通道龙头系统的底视图、正视图和顶视图；图11d示出了图11a-11c的龙头系统的右视图，并且图11e示出了图11a-11c的龙头系统的左视图；

图12a是图9a和9b的龙头系统的一个变型的分解图，其中，把手效仿喷嘴的网格结构；

图12b是图12a的龙头系统的正视图，包括喷嘴和把手的局部剖视图；

图12c是图12b的喷嘴的剖视侧视图；和

图13a-13c分别描述了图12a-12c的示例性龙头系统的底视图、正视图和顶视图；图13d示出了图13a-13c的龙头系统的右视图，并且图13e示出了图13a-13c的龙头系统的左视图。

具体实施方式

本发明的示例性实施例利用了3维(“3d”)打印技术的发展。应当注意，金属和多媒体3d打印是较为近期的前沿工艺，当前在多种工业应用中使用该工艺，包括制造喷气式发动机零件和外科植入物。本发明人已经发现，可以利用对管道设备部件特别是龙头部件的3d打印来生产通过传统的管道设备铸造或其它制造工艺、锻造、冲压、压铸等不能实现的复杂的几何结构。还能够充分利用3d打印作为对低容量管道设备模型(例如专用或定制结构)的经济制造策略。还能够通过3d打印来生产可以通过传统方法生产的部件几何结构，3d打印减少了工具作业和生产准备成本，使得有限数量的生产循环更加经济。

可以通过3d打印生产复杂且在美学上有趣的管道设备，特别是龙头喷嘴和把手。龙头部件(把手和喷嘴)可以构造为联接到标准的龙头底座、标准的阀平台和标准的螺纹管(或其它管)/水路连接件。即，由于不需要真正地改变龙头的其它部件，因此新的设备可以与已有的阀装置和安装固定件一起使用。

一些喷嘴实施例包含多个通道，水可以从龙头的基部处的共同入口通过该通道发散，并且在任选的透气口之前在龙头的出口附近会聚。具有这种发散和会聚水通道的龙头可以提供复杂的几何结构，例如经由传统工艺将不可能产生的交织网状图案。由于混合水可以被供应通过多个通道，因此各部段的横截面积可以较小，并且仍提供了可接受的通过龙头的流量。

在根据本发明的示例性实施例中，可以使用各种3d打印技术。例如，对于全金属管道产品，可以使用例如在http://www.atlanticprecision.com/dmls/中所述的直接金属激光烧结，或者例如在http://www.sciaky.com/additivemanufacturing/electron-beam-additive-manufacturing-technology中所述的电子束增材制造(ebam)技术。如果期望或有用的话，可以使用其它技术和工艺。另外，如下文所述，可以替代地使用非金属材料以及混合金属材料和原料。在一些实施例中，在这些材料的情况下，可以使用立体平版印刷或光固化成型(sla)工艺。

在一个使用直接金属激光烧结的实施例中，可以在3d打印期间通过对外壁的选择性烧结来产生通道。该制造工艺可以包括例如对烧结过程提供适当的控制和/或参数，以针对设计需求进行调节，例如温度、各种几何结构的角度等。例如，在一些实施例中，对于由本发明人使用直接金属激光烧结工艺制造的图2的示例性龙头喷嘴，构成网格的多个通道应当向上倾斜，与水平面构成至少45度的角度。如果使用更平的角度，则龙头喷嘴在制造时可能自身倒塌。应当注意，这种参数通常依赖于工艺。所使用的角度由此受实际的3d打印机或3d打印工艺的约束，而不是受管道产品自身的支承需求的约束。然而，还应当注意，即使在使用直接金属激光烧结(本发明人使用直接金属激光烧结来生产图2和12的龙头)的一个示例性3d打印工艺中，通过改变管道产品在机器中的取向，可以产生具有关于水平面呈小于45度的角度的结构。

因此，在其它3d制造工艺中，例如可以施加不同的约束，并且用于3d打印的不同参数是可能的。例如，在上述ebam或sla技术中，这些角度最小值可能不具有操作性。

在使用直接金属激光烧结工艺的本发明的示例性实施例中，从3d打印过程剩余的未烧结金属粉末可以利用增压流体的流被移走作为后处理。内部通道例如可以使用酸蚀和/或磨粉浆被进一步处理和/或清洁。3d打印的优选材料是不锈钢、inconel(因科镍合金)、黄铜、青铜或其它适合于应用的耐蚀材料。

在本发明的示例性实施例中，在给定的管道产品中，对于给定的通道的横截面积(或直径)以及全部所述多个通道的总横截面积将存在限制。这些限制随着设定的工作压力和通道总数而变化。例如，在具有多个通道的管道产品中，例如图2和6-13所示，(i)任一通道的横截面区域应当具有至少平均1mm的直径(应当注意，水通道的横截面区域不需要并且通常不是正圆形)，和(ii)全部单个通道的总横截面积不应当小于约7或8mm²。在一些实施例中，为了允许压力变化和在水通道内侧的可能的污泥长期积累，全部单个通道的总横截面积可以被设置成不小于约12mm²，以保证误差容限。

所使用的3d打印工艺可能施加其它参数。因此，在使用烧结工艺的情况下，通道内直径必须使得能够移走过多的粉末。因此，在一些实施例中，可以设定约3-4mm的最小平均直径。如上所述，在诸如sla工艺那样在制造之后不移走粉末(仅有易于融掉的蜡)的其它工艺中，不需要这种最小值，只需要考虑针对水流量的最小平均直径。

如上所述，管道设备不必受限于金属，或事实上受限于任何一种材料。应当理解，可以用作3d打印机的原料的任何适当的能够硬化的材料或材料的组合都可以被使用。在需要或希望非金属管道产品的情况下，这些材料可以包括例如聚碳酸酯、pvc、丙烯酸、刚性聚烯烃、pet、碳纤维、aes等。

另外，多媒体3d打印现在成为一种可行的技术。因此，在一些实施例中，通过使用金属和透明塑料的各种组合，可以使用所公开的技术制造混合的金属-塑料物体。例如，在一些实施例中，可以使用塑料水通道，出于美学原因，该塑料水通道在外部镀有金属，诸如铬或镍。或者，例如，水接触的内通道可以是金属的，该金属通道由塑料的或透明的套管包围。

在本发明的示例性实施例中，可以使用多种与传统的龙头生产中使用的用于对铸造黄铜部件进行精加工的技术相同的技术对喷嘴和把手进行后处理。水源连接件和水路可以通过螺纹加工或其它连接配件(例如直接锡焊铜管)被附装。表面可以被打磨、抛光、镀铬、镀pvd、粉末涂覆，等等。在由金属制成的产品中，通过例如为不锈钢和inconel的高度耐蚀合金的使用，允许通过对所打印表面的简单的打磨和抛光而得到吸引人的、在美学上令人愉快的成品。由于当前的3d打印技术能够生产理论密度大于99％的金属零件，因此这种经抛光的部件将相对地没有表面不均匀性，并且具有与使用镀铬完成的传统加工的龙头的外观相似的美学外观。对龙头喷嘴和把手上的某些结构的选择性抛光和打磨可以用于制造双色效应，这在一些构造中可能是希望的。

因此，可以利用3d打印工艺来制造龙头，特别是龙头组成部件，从而实现了新型的复杂的几何结构，该几何结构可以包括经由传统方法不可能构成的多个水通道(例如会聚和/或发散的)。可以规定不同的通道角度和尺寸，以制造各种新型的结构合理的构造。

应当理解，多通道龙头的几何结构可以由喷嘴自身定义——例如，不需要或希望具有包围在套管中的管子或类似物，或甚至中心管。

应当意识到，除了制造龙头之外，还可以利用3d打印来制造其它金属配件，从而实现在传统上不可能实现的复杂的几何结构，例如用于马桶的冲水把手、橱柜的把手、浴室配件、淋浴头等。

如上所述，为了使用金属3d打印技术成功地制造用于龙头的功能性水通道，水通道应当足够通畅以允许水流过。因此，在本发明的示例性实施例中，应当遵守下列最小几何参数：

1、水通道应当合理地没有任何支承结构和材料，包括任何来自于执行的3d打印工艺的剩余材料；

2、为了结构完整性，应当优化水通道的无支承连接角度——例如，以减少打印所需的支承件的数量；

3、水通道的总横截面积应当至少约为7mm²；和

4、在直径方面，各单独的水通道应当具有约至少1mm的平均直径。

如果管道产品将与增压器一起使用，或者在内部水压被增大的建造物或装置中使用，并且不需要假定仅市政用水压力可用，则考虑到龙头的实际驱动压力，参数3和4可以酌情进一步放宽。

下面描述各附图及其表示和实现的示例性结构和特征。

图1a-1c描绘根据本发明的一个实施例的龙头把手100；图2a-2c描绘匹配的龙头喷嘴200。这是一个示例性的网格型结构，其中，多个通道发散和会聚以定义钻石状形状。在其它实施例中，该形状的角部可以是倒圆的，或者该形状自身是圆形、椭圆形或类似形状。匹配的把手可以包括自身使用多个通道的、形状定义为网格的比例缩小的结构方案，或者它可以以不太相同的方式效仿由网格定义的形状。

图3描绘用于图2a-2c的龙头喷嘴的示例性龙头喷嘴安装件250。

图4是用于图1的示例性把手的把手安装件275的剖视图。

图5a是图2b的喷嘴200的底视图，示出水室和水路的细节；图5b示出喷嘴200的侧视图，示出通向喷嘴端部的水路的细节。如果希望的话，在变型实施例中，所述多个通道可以在水的实际出口点附近的端部处会聚。如参考图2a-2c和5a-5b所述，由于多个通道定义了喷嘴的管状形状，所述多个通道必然彼此进一步靠近，因此由网格定义的形状可以向着喷嘴的远端变得越来越小。这是为了保持实际通道的横截面积以保持通畅的流动。

图6示出根据本发明的一个示例性实施例的替代龙头600，其包括设置在龙头台面下方的龙头连接件。在这里，通道以“弓”的形状发散一次，然后在上方再次会聚。因此，两个通道在直径上比例如图1-2的实施例的多个通道更大得多。图7是图6的龙头600的喷嘴的局部侧视图。

图8a示出根据本发明的一个示例性实施例的另一替代龙头800，其包括台下连接件；图8b描绘了龙头800的侧视图。在这里，存在四个通道，这些通道在龙头底部发散，然后各自沿着限定的曲率半径向上伸出，并且在顶部再次会聚。可以通过多种方式改变该结构，例如通过改变曲率半径、臂部或通道的数量、以及龙头的多通道部分的最终高度。

现在跳转到图10a-10c，这些图关于龙头把手描绘了图8a和8b所示的龙头的一个变型(龙头1000)。

现在转向图9a，其提供了用于包括图1和2的喷嘴200和把手100的示例性龙头900的台下连接件的细节；图9b是图9a的龙头900的侧视图。

图11a-11c示出又一多通道龙头1100——在这里，该多个通道基本上平行地延伸以产生“束状”的外观，随着瀑布型龙头的基部喷水，水竖直上升，然后以抛物线的轨迹下降。

图12a-12c描绘了龙头1200的各种视图，该龙头1200是龙头900的一个变型。在这里，把手效仿喷嘴的网格。

最后，图13a-13c描绘了龙头1200的附加视图。

因此将看到，有效地实现了从上文显而易见的各方面、特征和优点，并且由于在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行某些改变，因此本文所包含的全部内容意在被理解成示例性而非限制性的。

还应当理解，下文的权利要求意在覆盖本文描述的发明的全部的一般和特殊特征，并且，对本发明的范围的全部阐述就语言方面可以说落入该范围以内。