共烧结的制作方法

本发明涉及薄壁烧结部件及其制造方法。更具体地，本发明涉及共烧结的模块化结构及其制造方法。

背景技术：

1、通过粉末工艺生产的部件必须进行烧结，以使成形粉末预成型件能够固结成块状材料。通过烧结粉末材料制备部件是众所周知的，这包括用粉末材料形成部件，通常使用粘合剂使其保持形状。这被称为生坯。接下来在称为脱胶的工艺中部分去除粘结剂，以提高粉末材料在最终部件中的百分比。一旦去除，该部件就被称为棕坯；棕坯是准备进行烧结的坯体。替代地，可以使用如ep3661673a1中所述的非消耗性功能粘结剂产品来生产粉末压块，从而省去生坯阶段。

2、通过加热烧结棕坯导致粉末材料颗粒聚结以形成均质部件。部件的最终密度取决于加热时间和温度下棕坯的烧结程度，并用纯粉末材料的密度百分比表示。即如果最终部件的密度为粉末材料的密度的一半，则称为50％密度，而密度与粉末材料的密度相同的部件则称为100％或完全烧结。

3、创建生坯的一种方法是使用粉末床加工工艺，例如粘结剂喷射增材制造(binder-jet additive manufacturing)。粘结剂喷射增材制造的工作原理是分层构建组件。将一层粉末材料铺展在构建平台的整个区域上，并在部件的横截面上将粘结剂添加至粉末，以将粉末在该横截面上粘合在一起。添加另一层粉末，并再次在部件的横截面上将粘结剂添加到粉末中。粘结剂将部件所需的后续层的粉末以及后续层粘合至前一层。重复该过程直到部件达到其全部高度，从而使部件包含在未使用的粉末材料体内。未添加粘结剂的多余粉末仍然可以自由移动，必须在烧结部件之前将其除去，以防止其在烧结过程中包含在最终部件中。在烧结过程中，部件被加热，粉末颗粒聚结形成最终部件。由于在烧结过程中减少或去除了粉末颗粒之间的空隙，最终的烧结部件小于生坯或棕坯。

4、烧结、特别是烧结通过粘结剂喷射增材制造(也称为粘结剂喷射)创建的棕坯在尺寸和/或复杂性方面受到限制。部件越复杂，能够使用上述烧结工艺生产的尺寸就越受限。特别是粘结剂喷射，其所能制造的部件的物理尺寸在任何一个方向上都限制在60毫米左右。较大的部件在烧结过程中会发生断裂，其中特征长度上的收缩会生成导致断裂的应力。因此，不可能使用传统的粘结剂喷射制造方法来制造较大的物品。

5、这里所说的高分辨率增材制造是指最小壁厚小于0.2毫米，需要使用粉末床制造工艺，如粘结剂喷射，在这种工艺中，粉末被结合在一起，形成异质散装材料。当使用粉末床制造工艺来制造生坯时，如果设计中存在内部空隙，则制造过程需要在初始粉末结合过程结束时用粉末填充这些空隙。要清除这些空隙可能很困难，甚至不可能。在本发明的方法中，这些内部空隙可以移到生坯的表面，然后可以将该生坯结合到互补的生坯以形成均质部件。这减小了可以实现的最小通道直径，允许相对较大的空腔具有小孔口和内部空腔表面上的复杂细节(它们否则将容纳粉末)，因为可以毫无困难地从开放区域去除粉末。

6、粉末床粘结剂喷射技术(尤其是喷射金属粉末材料)可以生产出整体部件尺寸相对较小的高分辨率部件。目前的技术可以生产较大的部件，但如果没有高成本、复杂的减材加工或去除多余材料的化学处理，就无法实现高分辨率特征。

7、如果存在错综复杂的内部空腔、特别是如果这些空腔的开口很小、包括内部表面细节或者形成穿过部件的非线性通道，那么在粘结剂喷射增材制造工艺之后也难以或者不可能清除多余的粉末。

8、因此，本发明解决了用增材制造技术制造高精细大型部件的两大主要挑战：

9、1.允许实施粘结剂喷射工艺，以生产尺寸大于烧结工艺限制条件的部件。

10、2.减少清除粉末的挑战，允许使用薄截面管和薄壁特征。

11、3.将高分辨率特征与大整体尺寸相结合。

12、粘结剂喷射部件的薄壁可被看作小于2毫米，然而，壁也可能是0.45毫米，0.1毫米的非流体保持结构(如散热用翅片)也是可能的。

13、本发明方法特别有益的应用包括：

14、在液体和气体之间、两种液体之间或两种气体之间传递热能的高效换热器。为了达到高效换热器所需的热能传递规模，对于大多数应用而言，热交换器的最大尺寸将大大超过目前使用粘结剂喷射所能达到的尺寸。一个例子是用于超高旁通比涡轮风扇齿轮箱的润滑油冷却剂。第二个例子是冷凝器或蒸发器等两相流热交换器的设计。封闭体积的大表面积可促进高效相变。

15、该方法还适用于生产高度复杂的散热器结构。此例子包括电力电子设备散热器、核聚变散热器和电池冷却散热器。

16、热交换器的效率取决于在一定体积内，热交换器能将多少热能从一种气体或液体(在此统称为流体)转移到另一种流体。影响这一效率的因素包括暴露在流体中的换热表面的表面积、流经芯体的速度和类型以及换热器的热质量。

17、传统的热交换器，特别是换热器的芯体包括铝管或其他具有高热导率的金属管(流体流经这些管)，还包括外表面上的翅片以增加这些管外部的传热表面积。这些翅片必须与管连接，翅片和连接处不可避免地会增加热质量，降低流体之间的热传递速度。传统换热器的形状也受到其制造技术的限制。管本质上是直的，制作翅片的片材本质上是平的，因此很难如非均匀结构一样实现复杂的形状、特别是具有复合曲率的形状。此外，这些排列方式也很难实现流量控制，尤其是管内的流量控制。

18、本发明允许制备出具有新型结构的换热器，其具有较低的热质量、增大的表面积与体积比并且可以控制每种流体行经芯体的流动类型和路径。本发明的另一个优点是，换热器可以制成任何形状。

技术实现思路

1、本发明的各个方面和/或实施例旨在提供一种由粉末工艺制作部件的改进方法。特别是采用粘结剂喷射增材制造技术的部件。

2、根据第一方面，提供了一种制造薄壁烧结部件的方法，包括：采用粘结剂喷射增材制造技术制造多个子部件，在第一加热步骤中加热多个子部件，以至少部分烧结所述子部件；组装所述子部件以形成子部件组件，所述子部件组件具有一个或多个结合界面，相邻子部件的结合面在所述结合界面处交界，在第二加热步骤中加热子部件组件以将子部件结合在一起形成部件。

3、所述子部件包括成形粉末预型件，所述成形粉末预型件包括粉末材料和粘结剂。所述子部件具有外表面，所述外表面包括具有一个或多个结合面的一个或多个突出部分，所述结合面被构造为与相邻子部件的一个或多个结合面中的至少一个连接。所述子部件还可包括用于在烧结的部件中、在子部件之间限定出空腔的凹陷部分。

4、在一个实施例中，在第二加热步骤中结合的烧结的子部件能够提供比采用现有技术工艺可得尺寸更大且更加复杂的烧结部件。特别是包括复杂内部细节或通道的形状。

5、选择性地，第一加热步骤部分烧结所述子部件，第二加热阶段进一步烧结所述部件。

6、在一些实施例中，在第一加热步骤中部分烧结子部件有利地允许在保持烧结部件密度较低的同时实现上文列出的优势。

7、选择性地，第一加热步骤包括完全烧结子部件。

8、在一些实施例中，在第一加热步骤完全烧结子部件可以提供在结合界面处的改进精度，并增强紧密接触以改进在第二加热步骤中子部件之间的结合。

9、选择性地，子部件进一步包括内表面，所述内表面限定出第一通道、第一端和第二端；第一通道从所述第一端至所述第二端延伸穿过所述子部件，并且具有从所述第一端延伸到所述第二端的中心轴线a。

10、选择性地，所述子部件包括在所述第一端处或附近径向延伸的各子部件的第一突出部分，还包括在所述第二端处或附近径向延伸的各子部件的第二突出部分，所述突出部分在烧结的部件中它们各自的结合面处相嵌合，使得空腔形成垂直于中心轴线a的第二通道。

11、选择性地，所述第二加热步骤包括密封所述子部件之间的结合界面，使得所述第一通道和/或所述第二通道是单独流体密封的。

12、在某些实施例中，密封子部件之间的结合界面使得界面流体密封可以使第一通道和/或第二通道单独流体密封，从而分别提供流体密封的第一和第二流体流动路径。例如，在烧结部件是流体对流体换热器的情况下。

13、选择性地，创建突出部分，所述突出部分具有横截面限定成多边形的外部平面，所述外部面为结合面，有利地，在子部件组件的相邻子部件的结合面之间提供闭合界面。

14、选择性地，该方法包括在所述第二加热步骤之前使所述子部件部分脱胶的步骤。

15、在一些实施例中，在第二加热步骤之前对子部件进行脱胶，其中包括在第一加热步骤之前对部件进行脱胶，这样做的好处是提供了一种具有更高比例粉末材料的烧结部件，其可改善烧结部件的性能。

16、选择性地，其中子部件组件还包括在所述第二加热步骤之前在所述子部件之间的结合界面处增设结合材料的步骤。进一步地，所述结合材料可选择性地包括附加的粉末材料或附加的粉末材料与附加的粘结剂的混合物。

17、在一些实施例中，添加附加的粉末材料或粉末材料和粘结剂可提升结合界面处的结合强度。

18、选择性地，其中在组装子部件以形成子部件组件之前向子部件添加非粉末加工结构。所述非粉末结构为箔结构。

19、在一些实施例中，加入非粉末加工结构可以改进烧结部件的结构，或带来功能上的好处，如改善或增加用于传热的表面积，或改变烧结部件周围或通过烧结部件的流体流动特性。

20、选择性地，其中添加所述非粉末结构包括用于将所述非粉末结构结合至所述子部件的补充加热步骤。

21、选择性地，在所述第二加热步骤中对所述子部件之间的结合界面施加压缩力。进一步选择性地，所述子部件的结合面被布置成重力提供所述压缩力。

22、进一步选择性地，所述子部件组件被布置在工装中以进行第二加热步骤从而提供压缩力。所述工装的热膨胀系数小于所述部件的材料，以在结合界面处提供压缩力。所述工装可选择性地包括防扩散涂层，以防止部件粘附至工装。

23、在某些实施方案中，在第二加热步骤期间在结合界面处提供压缩力可有利地提高烧结部件中子部件之间的结合强度。

24、选择性地，所述子部件在第一加热步骤期间被烧结至全密度的80-100％。

25、选择性地，所述子部件在第一加热步骤期间被烧结至全密度的98-100％。

26、选择性地，其中所述子部件在第一加热步骤期间被烧结至全密度的80-95％。

27、选择性地，所述子部件在第一加热步骤期间被烧结至全密度的95-99％。

28、在其他方面，本发明试图提供具有更详细且更加复杂的内部结构的整体薄壁烧结部件。

29、根据本发明的第二方面，提供了包括烧结材料的整体、薄壁的换热芯，其具有：

30、多个第一通道，每个第一通道均具有第一端、第二端、内表面和外表面；

31、所述内表面连接所述第一端和所述第二端；在所述外表面与所述内表面之间延伸的壁；

32、每个第一通道均限定出从第一端延伸到所述第二端的中心轴线a；

33、所述外表面包括位于或靠近所述第一端的第一突出部分和位于或靠近第二端的第二突出部分，

34、所述第一突出部分沿径向延伸，所述第二突出部分沿径向延伸，二者分别在结合界面处与一个或多个相邻子部件连接，以及

35、外表面进一步包括在多个第一通道之间限定出空腔的凹陷部分；其中

36、空腔是垂直于所述中心轴线a的第二通道。

37、选择性地，所述第一突出部分和所述第二突出部分在它们对应的结合界面处镶嵌成棋盘状，所述结合界面是连续的，使得所述第一通道和/或所述第二通道分开且流体密封。

38、选择性地，所述第一通道提供了第一流体流动路径，所述第二通道提供了第二流体流动路径，所述第二流体流动路径与所述第一流体流动路径分开并且与之垂直。

39、选择性地，每个第一通道均具有沿着轴线a延伸的多边形横截面。

40、选择性地，一个或多个所述第一通道的内表面和/或外表面包括用于增加表面积或调解流体流动特性的其他突起，该其他突起比如为翅片、复杂翅片、突起或三周期极小表面格栅结构。

41、选择性地包括在所述第一通道和/或所述第二通道内分别结合所述内表面或外表面以改进热传递或引导流体流动的非粉末加工结构。

42、选择性地，所述非粉末加工结构包括布置在所述第一通道或所述第二通道内的多个箔片。

43、选择性地，所述换热芯为蜂窝结构，并且每个第一通道形成单元，所述蜂窝结构包括多个不均匀的单元，其布置成通过操纵第二通道中的流体流动来增强传热。

44、选择性地，所述第一突出部分径向延伸并连接到相邻第一通道的第一突出部分，所述第二突出部分径向延伸并在结合界面处连接到相邻第一通道的第二突出部分。选择性地，所述第一突出部分和第二突出部分分别连接至相邻第一通道的一个或多个第一和第二突出部分。

45、选择性地，每个第一通道均包括在内表面和外表面之间延伸的多边形壁。进一步选择性地包括通过所述第一通道连接的第一孔口和第二孔口，所述第一孔口在第一端处具有第一周缘，所述第二孔口在第二端处具有第二周缘，还包括延伸自所述第一周缘的第一突出部分和从所述第二周缘延伸至结合界面的第二突出部分，其中所述结合界面具有多边形横截面。

46、选择性地，所述烧结材料为可烧结的纯金属、合金、陶瓷或复合材料

47、根据另一方面，提供了整体的薄壁烧结部件，其根据本发明的方法加工而成，由多个结合在一起的子部件形成。每个子部件均具有第一端、第二端和内表面以及外表面。每个子部件还可具有由连接第一端和第二端的内表面限定出的第一通道，所述第一通道限定出从第一端延伸至第二端(14)的中心轴线a。

48、所述外表面包括位于或靠近所述第一端的第一突出部分和位于或靠近第二端的第二突出部分，第一和第二突出部分沿径向延伸，二者分别在结合界面处与一个或多个相邻子部件连接。外表面进一步包括在子部件之间限定出空腔的凹陷部分。凹陷部分可位于第一突出部分和第二突出部分之间。

49、在一个实施方案中，包括突出部分和凹陷部分的多个结合子部件使烧结部件有利地具有更复杂的内部细节，包括更窄且非线性的内部通道。

50、选择性地，突出部分在它们对应的结合界面处镶嵌成棋盘状花纹，使空腔形成垂直于中心轴线a的第二通道。

51、选择性地，结合界面密封且连续，从而使第一通道和/或第二通道分开且流体密封。进一步可选地，烧结部件是换热器的芯体，其中第一通道被构造为提供第一流体流动路径，第二通道被构造为提供独立且垂直于第一流体流动路径的第二流体流动路径。

52、选择性地，每个子部件均具有沿轴线a延伸的多边形横截面，有利地在结合界面处为结合面提供了好位置，提高了结合界面的强度。

53、选择性地，一个或多个子部件的内表面和/或外表面包括进一步的突起(也称为功能结构)，以增加表面积或调整流体流动特性，该其他突起比如为翅片、复杂翅片、突起或三周期极小表面格栅结构。

54、选择性地，所述烧结部件还包括在所述第一通道和/或所述第二通道内分别结合所述内表面或外表面以改进热传递或引导流体流动的非粉末加工结构。进一步选择性地，所述非粉末加工结构包括布置在所述第一通道和/或所述第二通道内的多个箔片。

55、在一些实施例中，非粉末加工结构可提高强度，或为向烧结部件传热提供改进的表面积。

56、选择性地，所述烧结部件为蜂窝结构，每个子部件形成单元，所述蜂窝结构包括多个不均匀的单元，其布置成优化第二通道内的流体流动。

57、选择性地，每个子部件均包括在内表面与外表面之间延伸的多边形壁，还包括通过所述第一通道连接的第一孔口和第二孔口，第一孔口在第一端处具有第一周缘，第二孔口在第二端处具有第二周缘，还包括延伸自所述第一周缘的第一突出部分和从所述第二周缘延伸至结合界面的第二突出部分，其中所述结合界面具有多边形横截面。

58、选择性地，其中粉末材料为可烧结的纯金属、合金、陶瓷或复合材料