陶瓷过滤器及用于形成该过滤器的方法与流程

相关申请的引证

本申请是于2015年7月22日提交的美国临时专利申请62/195372的正式申请(non-provisional)，本申请要求美国临时专利申请62/195372的优先权。通过引证将该临时申请结合在此，就像完全在此引述一样。

公开的实施方式涉及用于制备过滤器介质的方法，尤其是由陶瓷材料制备，以及尤其是使用三维打印技术制备。这样的过滤器用于在铸造过程中从熔融金属中过滤熔渣(dross)、夹杂物(inclusion)等。该申请还涉及由该方法形成的过滤器。

背景技术：

当浇注熔融金属时，金属中的一些杂质将以固态保留。这些杂质中的一些可以是熔融金属暴露于大气氧所形成的金属氧化物。由于所处理的金属的温度以及因为基于氧化物的杂质所展示的与陶瓷材料粘附的亲和性，通常使用陶瓷过滤器去除它们。铝和铝合金的反应性质使得它们特别有可能形成不希望的氧化物，需要进行过滤。

陶瓷过滤器也用于过滤水。然而，将陶瓷粉末形成水过滤器的技术(例如，烧结陶瓷粉末)并未用于制造针对熔融金属的过滤器，因为水过滤器是旨在去除微米级的物质，而不是需要将熔融金属快速通过以使其保持熔融状态的更大流动面积的物质。

在这个领域中最近研究的一个实例是令人印象深刻的，尽管它看起来还存在显著的问题有待解决。在schlienger的us8,794,298中，描述了对于提供具有良好过滤所希望的复杂路径的陶瓷过滤器的需求。发明人指出在现有技术中，已知用陶瓷浆料渗透泡沫聚苯乙烯的球体。当烧制浆料时，聚苯乙烯将烧光，留下随机定向丝线(ligament)的网络，其支撑原先由球体占据的孔的弯曲的流动路径。这种技术的缺点在于一些球体的紧密邻近提供了使用时可能断裂的脆性丝线，实际上使得过滤器成为夹杂物的来源。

'298专利未充分描述的另一种技术是陶瓷或聚合物颗粒的填充床，其中间隙可以提供路径，虽然路径基本上没有孔。该方案留下了不希望的百分比的被颗粒占据的过滤器体积。'298专利中教导的方案是提供三维“工程化和电子限定的几何图形”，其中丝线的孔径、弯曲度和最小直径被预定，尽管并未提供这些细节。使用三维预定的几何图形作为模板，'298专利描述了通过选择性激光活化包含陶瓷材料并且是可光聚合的树脂，使用立体平板印刷技术形成网状网络。然后，通过已知技术(包括烧光)将聚合物-陶瓷复合材料网络还原为陶瓷。

用于制备具有拥有互连孔的三维网状骨架结构的陶瓷过滤器元件的一些早期技术是用陶瓷浆料浸渍没有空膜(cellmembrane)的网状合成树脂泡沫(如tanuma的us6,203,593中教导的)。在'593专利中的每种情况下，在用陶瓷浸渍之前，将网状树脂泡沫成形为圆柱形状，使得提供的所有的陶瓷过滤器元件具有无阻碍的轴向流动路径以及通过在圆柱形元件的径向方向上流动产生任何过滤活性。这表明在将陶瓷浆料渗入网状聚合物泡沫时存在大量的难题。

因此，现有技术的未满足的优点是提供用于去除熔融金属倾倒物中杂质的陶瓷过滤器元件，其中该过滤器元件具有弯曲度和结构稳定性的适当平衡。

技术实现要素：

通过以下更详细描述和显示的设备和方法提供了这种和其他为满足的益处。

通过用于过滤熔融金属的设备的前体满足了一些未满足的优点。该设备具有过滤器元件的至少两个层，过滤器元件的每个层包括以固定的彼此关系连接的多个三维几何笼。

在一些实施方式中，过滤器前体的每个层还包括围绕该层的外围构件。在这些实施方式中的一些实施方式中，存在多个间隔物构件，间隔物构件跨越一对邻近层的外围构件，以固定的间隔开的关系保持这些层。

在其他实施方式中，通过连接一个层中的多个三维几何笼和邻近层中的三维几何笼以间隔开的固定关系保持这些层。

在许多过滤器前体中，每个三维几何笼可以包括多个以几何实体形状彼此连接的材料的线性区段，从而使得每个线性区段代表几何实体的边。

具体而言，每个三维几何笼可以包括以部分截短的八面体的形状排列的材料的二十个线性区段。这种形状具有顶部和底部正方形面和八个梯形面，梯形面的最长边限定顶部和底部正方形面之间的赤道。该赤道具有四个边和四个顶点。

当使用部分截短的八面体形状时，还可以存在以跨越该层并且将该层细分为多个行的平行关系排列的多个线性支撑构件。在每对邻近的线性支撑构件之间，即在每行中，具有部分截短的八面体形状的多个笼在赤道处连接至限定该行的每个线性支撑构件。

在这种排列中，可以沿着每行以与每个邻近的笼间隔开的关系排列具有部分截短的八面体形状的笼。然而，在其他实施方式中，可以沿着每行排列这些笼，连接至彼此邻近的每个笼。

在另一个实施方式中，每个三维几何笼可以包括以具有六个正方形面和八个梯形面的完全截短的八面体形状排列的三十六个材料的线性区段。在这种情况下，每个完全截短的八面体笼能够以边-边方式连接至邻近的完全截短的八面体笼，或者可替代地，每个完全截短的八面体笼能够以面-面方式连接至邻近的完全截短的八面体笼(基于各自的正方形面)。

本发明构思的过滤器前体优选地由适合于通过3维打印机的打印头挤出的热塑性材料或适合于通过3维打印机的打印头挤出的浆料形式的陶瓷形成。在热塑性材料的情况下，优选的材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)聚合物。

在这些情况下，通过用陶瓷浆料涂覆前体并烧结将前体转变成过滤器。

实现该目的的一种方法是在计算机设备上生成根据权利要求1的过滤器前体的三维模型。可以根据三维打印机的指令系统完成该模型。然后该指令系统使用三维打印机根据指令系统以逐层过程沉积材料用于构建过滤器前体，并且尤其地如果使用的材料是聚合物，用陶瓷浆料涂覆构建的过滤器前体并且烧结涂覆的过滤器前体。

当使用的材料是陶瓷时，简单地烧结前体以提供耐火材料的过滤器可以是足够的，但是涂覆也可以用于增加过滤器的弯曲度。

附图说明

通过阅读下面的具体描述和附图可以更好地理解所公开的实施方式，其中相同的标号表示相同的部分，并且其中：

图1是过滤器元件模板的顶部立体视图；

图2是在用陶瓷浆料涂覆和煅烧之后，图1的模板的顶部立体视图；

图3a是具有截短的极地顶点的几何八面体的前立体视图；

图3b是具有全部截短的顶点的几何八面体的前立体视图；

图4是图1的模板的层的一部分的顶部平面视图；

图5是图1的模板的第一可替代层的一部分的顶部平面视图；以及

图6是图1的模板的第二可替代层的一部分的立体视图。

具体实施方式

三维打印技术的发展允许以层塑沉积(lpd)技术精确地构建模型。三维打印机的一个制造商为波兰的zortrax。在典型的zortrax打印设备中，将通过挤出机在自动控制臂末端以精确方式将聚合物树脂(例如，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)共聚物)的细丝进料到加热的平台上，根据预定模型以逐层方式构建结构。

可以使用其他已知技术完成三维打印，条件是存在待“打印的”物体的计算机模型。应当理解的是，自从2010年以来，美国测试和材料协会(astm)已经开发了将所谓“增材制造技术”分为7类的一组标准。它们是：1)立体光聚合(立体光固化，vatphotopolymerization)；2)材料喷射；3)粘合剂喷射；4)材料挤出；5)粉末床融合(powderbedfusion)；6)片材层压(sheetlamination)；和7)定向能量沉积(directedenergydeposition)。

在立体光聚合中，通过光源(通常为激光)选择性地将容器的液体光聚合物树脂硬化或固化。这种类型的最常用的技术在称为立体平板印刷或sla的过程中使用紫外光源。在该类别中的其他技术是连续液体界面生产或clip、膜转移成像和掩膜固化(solidgroundcuring)。

材料喷射以类似于喷墨打印的方式通过小直径喷嘴施用材料滴，但是以逐层方式施用，并且通过uv光硬化。这种技术的提供者为stratasys。

粘合剂注射使用两种材料。在构建室中在相同的层中分布粉末基础材料。通过喷嘴施用的液体粘合剂将基础材料“粘合”成想要的物体的形状。完成后，从打印的物体(通常通过光固化)清除过量的基础粉末。典型的基础粉末可以是金属粉末。这种技术的提供者是exone。

材料挤出的最常用的方法是熔融沉积建模或fdm。将塑料细丝或金属丝通过挤出喷嘴，挤出喷嘴可以将流动开启和关闭。通过计算机模型在构建物体的工作台上在三维方向上移动喷嘴。使用的主要塑料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)或聚乳酸(pla)。术语fdm是stratasys的注册商标，因此通常替代地使用术语“熔融细丝制造”或fff。

通过其最常用的技术(其为选择性激光烧结或sls)举例说明粉末床融合。在本文中，高功率激光逐层地将选择材料的小颗粒融合成三维形状。明显地，通过待打印的物体的计算机模型指导激光。示例性的颗粒可以是塑料、金属、陶瓷或玻璃。

在片材层压中，使用外力将片材材料结合在一起。片材可以是金属、纸或聚合物。可以通过超声焊接结合金属片材，然后进行cnc研磨。通常用粘合剂粘结纸片材。该技术的领先公司是mcortechnologies。

最后一个类别是定向能量沉积。在本文中，多轴机械臂定向喷嘴，该喷嘴在表面上沉积金属粉末或金属丝，其中能源将它们融化。示例性能源可以包括激光、电子束、或等离子体弧。该技术的一个公司是sciaky。

图1描绘了用于实现结合了本发明构思的陶瓷过滤器的实施方式的组装的模板10的顶部立体试图。该组装的模板的典型实施方式包括三维几何笼22的两个或更多个层20，三维几何笼22以彼此固定的预设的关系布置。如在下文更详细解释说明的，每个层20会具有通过连接邻近的单独的笼22保持就位的单独的笼22、支撑部件24、外周部件26或这些的一些组合。通常，每个三维几何笼22包括聚合物(或者在一些情况中，陶瓷材料)的多个线性区段。当使用时，陶瓷材料会是能够由打印头(尤其是三维打印机的打印头)挤出的材料。在三维打印方法中，可以构建模板10使得邻近的层20直接彼此连接，但是这并不视为本发明构思的关键方面，因此可以构建单独的层，然后通过单独的过程或方法连接邻近的层。在所述实施方式中，模板10具有通过圆形外周部件26结合的层20。通过间隔部件28以间隔的关系连接单独的外周部件26。在描述的实施方式中，所有的结构元件(即笼22、支撑部件24、外周部件26和间隔部件28)包含相同的材料(无论是聚合物或陶瓷)。

虽然图1公开了模板10中使用的层20的一个特定实施方式，显而易见地还存在已知用于本发明构思的层20的可替代的实施方式。为此，在下面更详细地描述这些实施方式中的一些实施方式的更详细的描述。

现在参考图2，该图描绘了在图1的相同的前立体视图中的完整的过滤器110，该过滤器110是由图1的模板生产的。当模板由聚合物构成并且是希望的时，过滤器110的完整性是必要的，但是当模板由陶瓷材料构成时，则不是必要的。为了将模板转化成完整的过滤器110，用陶瓷浆料涂覆模板，然后煅烧，生成整体随机但通常连续的适用于暴露于熔融金属的陶瓷材料的表面112(作为过滤器)。通过陶瓷浆料涂覆提供的优点在于由浆料施加的陶瓷增加过滤器的封闭体积并且还为其他规则结构提供显著量的无规性，这为产品提供了较高的弯曲度。在一些实例中，陶瓷浆料会有效地封闭在三维几何笼中存在的六边形和正方形“窗”。

为此，提到使用“三维几何笼”作为体现本发明构思的过滤器中的结构元件。通常，起作用的三维几何笼倾向于是具有规则多面体形状的框架或笼。特别有用的这类规则多面体是八面体或由八面体衍生的结构。众所周知的，八面体是柏拉图立体之一，其具有12个边，以三个相对的对设置的6个顶点，这些对与其他对为正交关系。存在8个面，其中每一个为等边三角形。如果截短一对相对的顶点，获得如图3a中立体视图中所示的实体。该结构40(它还称为“部分截短的八面体”)具有顶部和底部正方形面42(在图3a中其中仅一个是可见的)和八个梯形面44(在图3a中其中四个是可见的)。它还具有由四个边48限定的“赤道”46，这四个边48并不与任何一个正方形面42交叉。在截短之后保留的四个顶点50位于赤道46上。

如果将部分截短的八面体40的四个剩余的顶点50截短，获得如图3b中立体视图中所示的结构60。该结构60还称为“完全截短的八面体”。它具有十四个面，六个为正方形面62(在图3b中其中的三个是可见的)以及八个是六边形表面64(在图3b中其中的四个是可见的)。存在相同长度的总计36个边68，这些边相交于总计24个顶点。以三对相对的正方形面布置六个正方形面62。基于这些对中的每一对，通过四个边68限定“赤道”66，这四个边68平行于由该对正方形面限定的平面。完全截短的八面体是“空间填充的”实体，其可以生成(嵌合为，tessellate)三维空间。

应当理解的是可以使用由线性区段构建的其他几何笼，该线性区段限定几何实体的边，通常地至多达并且包括具有20个等边三角面的二十面体。当可以构建和使用具有更多的边和顶点的更复杂的结构时，则显著减小由过滤能力增加所致的增加的益处。

此外，尽管认为在给定层中优选使用相同的三维几何笼，但在一些情况下还可能并且可以有利地在给定层中使用不同尺寸或形状的三维几何笼，或改变邻近层之间的尺寸或形状。

使用所有这些定义，现在参考图4，其中以放大视图说明了图1中描述的层20的截面的顶平面视图，这可以更好地理解细节。在这种情况下，作为处于图3a的部分截短的八面体的边的位置的线性区段的开放框架形成每个笼22。清楚地看到了正方形面142，以及四个梯形面144。每个笼22的两个顶点150连接至支撑构件24并且剩余的两个顶点连接至邻近笼的顶点。在该设计的变体中，可以沿着支撑构件24将笼22进一步间隔开从而使得邻近的笼22并不彼此接触。这在孔隙率和/或弯曲度方面提供了灵活性。除间隔之外，支撑构件24可以将邻近行的笼22以正方形或三角形间距排列。

图5以顶部平面视图显示不同排列以提供如图1所示的设备10的层220。在这种情况下，层220包括笼260，笼260为以完全截短的八面体形式成形的线性元件，邻近的笼260沿着邻近的边连接，所述邻近的边相对于顶部正方形面262限定笼的赤道。此外，该图仅是该层的截面，但是说明了该层如何能够完整地构建成基本上平面的片材，所述基本上平面的片材可以被外周构件容纳。通过连接正方形面262该层220可以直接地附连至其上或其下的邻近层220，或者可以通过间隔物构件将这些层间隔开，如图1所示。

参考图6，以立体视图显示布置的笼260的另外的方式。与“边-边”连接不同，使用一对面对的正方形面262将这些笼260“面-面”匹配。这提供了层的另一种实施方式320，为了便于理解，仅以小截面显示。

在一些情况下，可以有利地改变用于构建笼的聚合物或陶瓷的线性区段的直径，以改变所组装的过滤器的孔隙率。

一旦确定过滤器的基本结构，则可以写出计算机模型，以允许使用三维打印技术和设备构建模板。

尽管已经显示和描述了本发明的优选实施方式，本领域技术人员应当理解的是可以进行多种改变或变更以改变所述的发明但是仍然在本发明要求保护的范围内。因此，可以用提供相同结果并且落在本发明要求保护的精神实质范围内的不同的元素改变或替换上述许多元素。因此，本发明旨在仅由权利要求的范围限定。