Устройство для экструзии керамической суспензии

Группа изобретений относится к аддитивному производству, а в частности, относится к экструдеру для экструзии неоднородной керамической суспензии. Способ экструзии неоднородного суспензионного материала из экструдера включает перемешивание неоднородной суспензии во внутреннем пространстве резервуара экструдера, повышение давления неоднородной суспензии, расположенной во внутреннем пространстве резервуара экструдера и удаление неоднородной суспензии, содержащейся во внутреннем пространстве резервуара, через сопло, прикрепленное к резервуару и сообщающееся по текучей среде с неоднородной суспензией во внутреннем пространстве резервуара. Причем сопло образует первое отверстие, расположенное во внутреннем пространстве резервуара, образует второе отверстие, расположенное снаружи резервуара, и образует канал, который проходит от первого отверстия через сопло ко второму отверстию с заданием пути движения потока, который проходит через сопло от первого отверстия через канал ко второму отверстию. Сопло проходит через стенку резервуара во внутреннее пространство резервуара таким образом, что первое отверстие расположено на расстоянии от стенки. Техническим результатом является повышение эффективности экструзии керамической суспензии, содержащей суспензионный материал высокой плотности, снижение забивания сопла суспензионным материалом, содержащимся в суспензии, обеспечение равномерного потока неоднородного суспензионного материала. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Настоящее изобретение относится к аддитивному производству, а в частности, относится к экструдеру для экструзии неоднородной керамической суспензии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[002] В процессе аддитивного производства сложно выполнить экструзию неоднородной суспензии, такой как керамическая суспензия, содержащая частицы или волокна более высокой плотности, чем жидкая часть используемой смеси. Материал более высокой плотности с течением времени стремится осесть из суспензионной смеси. При осаждении материала более высокой плотности экструдируемый суспензионный материал, как правило, приводит к изменению плотности наносимого материала. Когда диаметр экструзионного сопла имеет тот же порядок величины, что и длина волокон или частиц, волокна или частицы имеют тенденцию забивать сопло и препятствовать упорядоченной экструзии суспензии или вовсе не допускают экструзии.

[003] Предыдущие попытки решить проблемы, связанные с экструзией неоднородной суспензии керамического материала, включали приложение повышенного давления к суспензии, с тем чтобы протолкнуть ее через сопло. Однако этот подход может привести к неупорядоченным нанесению и разбрызгиванию, поскольку при этом вытесняется больше жидкости, в внутри сопла остаются твердые волокна с высокой концентрацией.

[004] Существует потребность в экструдере, который будет выполнять экструзию неоднородной смеси керамической суспензии, содержащей суспензионный материал более высокой плотности. Экструдер должен препятствовать забиванию сопла суспензионным материалом, содержащимся в суспензионной смеси, и должен обеспечивать равномерный поток хорошо перемешанного неоднородного суспензионного материала.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[005] Один пример содержит экструдер, который содержит резервуар для размещения материала, подлежащего экструзии. Экструдер также содержит лопасть для диспергирования, расположенную в резервуаре, и сопло, прикрепленное к резервуару, при этом сопло образует первое отверстие, расположенное во внутреннем пространстве резервуара, образует второе отверстие, расположенное снаружи резервуара, и образует канал, который проходит от первого отверстия через сопло ко второму отверстию с заданием пути движения потока, проходящего от первого отверстия, через канал ко второму отверстию. Сопло проходит через стенку резервуара во внутреннее пространство резервуара таким образом, что первое отверстие расположено на расстоянии от стенки.

[006] Один пример содержит способ экструзии неоднородного суспензионного материала из экструдера, который включает этапы перемешивания неоднородной суспензии во внутреннем пространстве резервуара экструдера и повышения давления неоднородной суспензии, расположенной во внутреннем пространстве резервуара экструдера. Способ также включает этап удаления неоднородной суспензии, содержащейся во внутреннем пространстве резервуара, через сопло, прикрепленное к резервуару и сообщающееся по текучей среде с неоднородной суспензией во внутреннем пространстве резервуара. Сопло образует первое отверстие, расположенное во внутреннем пространстве резервуара, образует второе отверстие, расположенное снаружи резервуара, и образует канал, который проходит от первого отверстия через сопло ко второму отверстию с заданием пути движения потока, который проходит через сопло от первого отверстия, через канал ко второму отверстию. Сопло проходит через стенку резервуара во внутреннее пространство резервуара таким образом, что первое отверстие расположено на расстоянии от стенки.

[007] Раскрытые признаки, функции и преимущества могут быть обеспечены независимо в различных вариантах реализации изобретения или могут быть объединены в других вариантах реализации изобретения, дополнительная информация о которых может стать понятной со ссылкой на последующее описание и чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[008] На ФИГ. 1 показан вид в перспективе экструдера для экструзии неоднородной керамической суспензии согласно раскрытия настоящего изобретения;

[009] на ФИГ. 2 показан разрез экструдера по ФИГ. 1;

[0010] на ФИГ. 3 показан увеличенный вид экструдера по ФИГ. 2, обозначенный окружностью 3 на ФИГ. 2;

[0011] на ФИГ. 4 показан увеличенный вид экструдера по ФИГ. 2, обозначенный окружностью 4 на ФИГ. 2; и

[0012] на ФИГ. 5 показана блок-схема способа экструзии неоднородного суспензионного материала из экструдера.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Как упоминалось ранее, экструзия неоднородного материала, такого как керамическая суспензия, при аддитивном производстве может быть проблематичной в связи с различной плотностью экструдируемого материала, который необходимо нанести. Сложности могут иметь место, например, при аддитивном производстве керамических деталей низкой плотности и высокой пористости. Когда для получения деталей низкой плотности и высокой пористости из керамической суспензии используется аддитивная технология, то в процессе печати необходимо выполнить экструзию материала из экструдера однородным, упорядоченным и предсказуемым образом. Материал на основе керамической суспензии часто представляет собой неоднородные суспензии, при этом суспензионные материалы включают в себя волокна или частицы, которые имеют более высокую плотность, чем жидкость в суспензии. В результате возникают осложнения, заключающиеся в осаждении в экструдере материала более высокой плотности, который блокирует поток керамической суспензии, выходящий через сопло из экструдера, таким образом, что, например, из экструдера вытекает непропорциональное количество жидкости по сравнению с количеством суспензионных материалов, таких как волокна или частицы. Это может привести к неупорядоченному нанесению материала в процессе изготовления посредством печати. В некоторых случаях суспензионный материал в керамической суспензии может полностью блокировать поток керамической суспензии, выходящий из сопла, что требует от изготовителя остановить процесс и выполнить очистку сопла.

[0014] Как показано на ФИГ. 1, экструдер 10 содержит резервуар 12 для размещения материала, подлежащего экструзии из резервуара экструдера 10, такого как, в этом примере, керамическая суспензия. Керамическая суспензия является неоднородным материалом, один пример которого содержит водную суспензию керамических волокон, с основой из керамических волокон, содержащей примерно от пятидесяти (50) мас. % до примерно восьмидесяти (80) мас. % кварцевых волокон и примерно от двадцати (20) мас. % до примерно пятидесяти (50) мас. % алюмоксидных волокон. Также имеется ксантановая смола, масса которой составляет от примерно 0,25% до примерно 2,5% от веса связующего и основы из керамических волокон перед нагревом водной суспензии керамических волокон для получения суспензии, вязкость которой подходит для экструзии через сопло для изготовления керамической детали низкой плотности и высокой пористости.

[0015] Резервуар 12 может представлять собой цельную конструкцию или сборку компонентов. Как показано на ФИГ. 2, в этом примере, резервуар 12 выполнен из нескольких собранных компонентов которые включают в себя камеру 14, верхний компонент 16 и нижнюю стенку 18. Как показано на ФИГ. 3, верхний компонент 16 прикреплен к камере 14 первым зажимом 20. Полка 22 верхнего компонента 16 и первая полка 24 камеры 14 скреплены друг с другом первым зажимом 20 с первым уплотнением 26, расположенным между полкой 22 и первой полкой 24. Раскрепление первого зажима 20 позволяет пользователю удалить верхний компонент 16 из камеры 14 с обеспечением, таким образом, возможности заполнения камеры 14 керамической суспензией и возможности повторного герметичного присоединения верхнего компонента 16 к камере 14 для работы. Стенка 18 резервуара 12, как показано на ФИГ. 2 и 4, схожим образом прикреплена к камере 14 вторым зажимом 28, причем полка 30 стенки 18 и вторая полка 32 камеры 14 скреплены друг с другом вторым зажимом 28 со вторым уплотнением 34, расположенным между полкой 30 и второй полкой 32. Раскрепление второго зажима 28 позволяет пользователю удалить нижнюю стенку 18 из камеры 14 с обеспечением, таким образом, возможности замены сопла 36, прикрепленного в этом примере к нижней стенке 18 резервуара 12 экструдера 10, когда это необходимо.

[0016] Резервуар 12 содержит лопасть 38 для диспергирования, как показано на ФИГ. 2 и 4, расположенную в резервуаре 12, которая, как будет описано более подробно в настоящем документе, вращается в резервуаре 12 с перемешиванием керамической суспензии и препятствует осаждению в резервуаре 12 суспензионного материала, такого как волокна. Двигатель 40 для перемешивания, как показано на ФИГ. 1 и 2, содержит вращательный приводной вал 42, который проходит в резервуар 12 и который соединен с валом 44 для перемешивания зажимом 46 вала во внутреннем пространстве 50 камеры 14. Лопасть 38 для диспергирования, как показано на ФИГ. 2 и 4, прикреплена к валу 44 для перемешивания таким образом, что приведением в действие двигателя 40 для перемешивания лопасти 38 для диспергирования начинают вращаться, в этом примере, со скоростью в диапазоне от ста до пятисот оборотов в минуту включительно. Лопасть 38 для диспергирования вращается и перемешивает материал суспензии более высокой плотности, такой как волокна в керамическом материале, без измельчения материала суспензии. Перемешивание поддерживает материал суспензии более высокой плотности в равномерно диспергированном состоянии в керамической суспензии и препятствует осаждению суспензионного материала из керамической суспензии.

[0017] Как показано на ФИГ. 2 и 3, экструдер 10 также содержит уплотнительное устройство 48, расположенное вокруг вращательного приводного вала 42 и расположенное между двигателем 40 для перемешивания и частью внутреннего пространства 50 камеры 14 резервуара 12. В этом примере уплотнительное устройство 48 является магнитожидкостным подшипником. Такое уплотнительное решение обеспечивает удержание керамической суспензии в резервуаре 12 и обеспечивает для вращательного приводного вала 42 возможность вращения лопасти 38 для диспергирования во внутреннем пространстве 50 резервуара 12, не допуская перемещения керамической суспензии вдоль вращательного вала 42 из камеры 14 и верхнего компонента 16 резервуара 12, в этом примере.

[0018] В этом примере давление материала на основе керамической суспензии в резервуаре 12 повышают, чтобы способствовать экструзии и управлению экструзией керамической суспензии через сопло 36 для выкладки материала на основе керамической суспензии. В одном примере использования керамической суспензии в процессе аддитивного производства, в время которого керамический материал наносят на холодную медную поверхность, охлаждаемую жидким азотом, необходимо управлять скоростью нанесения суспензии на эту охлажденную поверхность таким образом, чтобы нанесение материала проходило с достаточно медленной скоростью для застывания и без создания лужиц на медной поверхности. Резервуар 12 содержит впускное отверстие 52, как показано на ФИГ. 3, сообщающееся по текучей среде с внутренним пространством 50 резервуара 12, для подачи газа под давлением, такого как воздух, во внутреннее пространство 50 резервуара 12. К газу может быть приложено одно из разных значений давления по мере необходимости, включая давление от одного фунта на квадратный дюйм до двадцати фунтов на квадратный дюйм (68,95 - 1378,95 гПа).

[0019] Экструдер 10 также содержит устройство 54 создания механических вибраций, которое прикреплено к резервуару 12 или иным образом контактирует с ним. Устройство 54 создания механических вибраций приводят в действие для сообщения вибраций резервуару 12 и керамической суспензии, содержащейся в резервуаре 12. Устройство 54 создания механических вибраций, в этом примере, содержит пневматический вибратор, который сообщает вибрации резервуару 12 и содержимому, например неоднородной суспензии, такой как керамическая суспензия. Вибрации, сообщаемые резервуару 12, в этом примере, находятся в диапазоне от пяти тысяч до тридцати четырех тысяч вибраций в минуту включительно. В этом примере применяется приблизительно десять тысяч вибраций в минуту. Вибрации способствуют поддерживанию суспензионного материала в керамической суспензии в движении и недопущению его сбора или комкования.

[0020] Сопло 36, как упомянуто выше, прикреплено к резервуару 12 и, в этом примере, к нижней стенке 18 резервуара 12, как показано на ФИГ. 2 и 4. Сопло 36 образует первое отверстие 56, расположенное во внутреннем пространстве 50 резервуара 12, образует второе отверстие 60, расположенное снаружи резервуара 12, и образует канал 58, который проходит от первого отверстия 56 через сопло 36 ко второму отверстию 60 с заданием пути 62 движения потока, проходящего от первого отверстия 56, через канал 58 ко второму отверстию 60. Сопло 36 проходит через стенку 18 резервуара 12 и во внутреннее пространство 50 резервуара 12 таким образом, что первое отверстие 56 расположено на расстоянии от стенки 18. В этом примере сопло 36 содержит трубку 66, которая проходит от стенки 18 резервуара 16 и проходит во внутреннем пространстве 50 резервуара 12.

[0021] Как упомянуто выше, первое отверстие 56 расположено на расстоянии от нижней стенки 18, как показано на ФИГ. 4, с экструдером 10 в рабочем положении Р, как видно, например, из ФИГ. 1. При работе с неоднородным материалом, таким как, в этом примере, керамическая суспензия, имеющая взвешенный материал, такой как волокна, плотность которого больше плотности жидкости, сила тяжести способствует осаждению суспензий более высокой плотности в суспензии и направляет суспензию к нижней стенке 18 для накопления, например экструдером 10 в рабочем положении Р, например, как показано на ФИГ. 1. При перемешивании керамической суспензии во время работы лопасти 38 для диспергирования и возмущении керамической суспензии посредством устройства 54 создания механических вибраций, эти операции способствуют поддерживанию волокон более высокой плотности во взвешенном состоянии и их более равномерному распределению в керамической суспензии. Такая методика позволяет уменьшить количество волокон, осаждаемых из суспензии во время процесса экструзии. Однако взвешенный материал более высокой плотности, такой как волокна в этом примере, который подвергается осаждению вследствие воздействия силы тяжести во время процесса экструзии, перемещается в направлении нижней стенки 18 и накапливается на нижней стенки 18 или возле нее.

[0022] Благодаря тому, что первое отверстие 56 сопла 36 расположено на расстоянии от нижней стенки 18 во внутреннем пространстве 50 резервуара 12, первое отверстие 56 предпочтительно расположено на расстоянии от нижней стенки 18 и осаждаемого материала, такого как волокна, осажденные из суспензии и накапливающиеся на нижней стенке 18.

[0023] В результате первое отверстие 56 предпочтительно расположено на расстоянии от нижней стенки 18, не допуская затягивания в сопло 36 во время процесса экструзии осажденных накопленных волокон и нежелательного блокирования равномерного потока керамической суспензии через сопло 36 или иного блокирования сопла 36. Расположение первого отверстия 56 на расстоянии от стенки 18 уменьшает вероятность возникновения неравномерного нанесения керамической суспензии и блокирования сопла 36. В результате получают продукт более высокого качества, и исключаются временные и производственные затраты, связанные с очисткой или заменой сопла 36 во время процесса аддитивного производства.

[0024] Как показано на ФИГ. 5, способ 100 экструзии неоднородного суспензионного материала из экструдера 10 включает этап 102 перемешивания неоднородного суспензионного материала, расположенного во внутреннем пространстве 50 резервуара 12 экструдера 10. Способ 100 также включает этап 104 повышения давления неоднородной суспензии, расположенной во внутреннем пространстве 50 резервуара 12 экструдера 10.

[0025] Способ 100 также включает этап 106 удаления неоднородной суспензии, содержащейся во внутреннем пространстве 50 резервуара 12 через сопло 36, прикрепленное к резервуару 12 и сообщающееся по текучей среде с неоднородной суспензией во внутреннем пространстве 50 резервуара 12. Сопло 36 образует первое отверстие 56, расположенное во внутреннем пространстве 50 резервуара 12, образует второе отверстие 60, расположенное снаружи резервуара 12, и образует канал 58, который проходит от первого отверстия 56 через сопло 36 ко второму отверстию 60 с заданием пути 62 движения потока, который проходит через сопло 36 от первого отверстия 56, через канал 58 ко второму отверстию 60. Сопло 36 проходит через стенку 18 резервуара 12 и во внутреннее пространство 50 резервуара 12 таким образом, что первое отверстие 56 расположено на расстоянии от стенки 18.

[0026] Этап 104 повышения давления неоднородной суспензии также включает этап подачи газа под давлением через впускное отверстие 52 резервуара 12 во внутреннее пространство 50 резервуара 12, содержащего неоднородную суспензию. Этап 104 повышения давления неоднородной суспензии также включает этап повышения давления газа под давлением в диапазоне давления от одного фунта на квадратный дюйм до двадцати фунтов на квадратный дюйм (68,95 - 1378,95 гПа) включительно.

[0027] Этап 102 перемешивания также включает этап приведения в действие двигателя 40, включая вращательный приводной вал 42, который проходит от двигателя 40 в резервуар 12. Этап 102 перемешивания также включает соединение вращательного приводного вала 42 с валом 44 для перемешивания, при этом вал 44 для перемешивания прикреплен к лопасти 38 для диспергирования таким образом, что приведение в действие двигателя 40 вызывает вращение лопасти 38 для диспергирования во внутреннем пространстве 50 резервуара 12.

[0028] Этап 104 повышения давления неоднородной суспензии также включает размещение неоднородной суспензии под давлением в резервуаре 12 вдоль вращательного приводного вала 42 с уплотнительным устройством или магнитожидкостным подшипником 48, расположенным вокруг вращательного приводного вала 42, как показано на ФИГ. 3. Этап 102 перемешивания также включает вращение вращательного приводного вала 42 в диапазоне от ста до пятисот оборотов в минуту включительно.

[0029] Способ 100 экструзии неоднородного суспензионного материала из экструдера 10 также включает этап приведения в действие устройства 54 создания механических вибраций, связанного с камерой 14 резервуара 12, с сообщением вибраций камере 14 и неоднородной суспензии, расположенной во внутреннем пространстве 50 камеры 14 резервуара 12.

[0030] Способ 100 экструзии неоднородного суспензионного материала из экструдера 10 также включает этап размещения в камере 14 резервуара 12 неоднородной суспензии, которая содержит керамическую суспензию, содержащую множество волокон.

[0031] Этап 106 удаления неоднородного материала проводят с выбранным расходом, включая расход от двух до пятидесяти грамм в секунду включительно.

[0032] Хотя выше в настоящем документе были описаны различные варианты реализации, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается ими. Могут быть выполнены различные модификации в отношении раскрытых вариантов реализации, которые все равно будут находиться в пределах объема формулы настоящего изобретения.

1. Экструдер для экструзии неоднородного суспензионного материала, содержащий:

резервуар для размещения материала, подлежащего экструзии;

лопасть для диспергирования, расположенную в резервуаре; и

сопло, прикрепленное к резервуару, при этом:

сопло образует первое отверстие, расположенное во внутреннем пространстве резервуара, образует второе отверстие, расположенное снаружи резервуара, и образует канал, который проходит от первого отверстия через сопло ко второму отверстию с заданием пути движения потока, проходящего от первого отверстия через канал ко второму отверстию; причем

сопло проходит через стенку резервуара во внутреннее пространство резервуара таким образом, что первое отверстие расположено на расстоянии от стенки.

2. Экструдер по п. 1, также содержащий двигатель для перемешивания, который содержит вращательный приводной вал, который проходит в резервуар.

3. Экструдер по п. 2, также содержащий зажим вала, соединяющий вращательный приводной вал с валом для перемешивания.

4. Экструдер по п. 3, в котором лопасть для диспергирования прикреплена к валу для перемешивания.

5. Экструдер по п. 2, также содержащий уплотнительное устройство, расположенное вокруг вращательного приводного вала.

6. Экструдер по п. 5, в котором уплотнительное устройство расположено между двигателем для перемешивания и внутренним пространством резервуара.

7. Экструдер по п. 5, в котором уплотнительное устройство содержит магнитожидкостный подшипник.

8. Экструдер по п. 1, в котором резервуар также содержит впускное отверстие, сообщающееся по текучей среде с внутренним пространством резервуара, для подачи газа под давлением во внутреннее пространство резервуара.

9. Экструдер по п. 1, также содержащий устройство создания механических вибраций, связанное с резервуаром.

10. Экструдер по п. 1, в котором сопло содержит трубку, которая проходит от стенки резервуара во внутреннее пространство резервуара.

11. Способ экструзии неоднородного суспензионного материала из экструдера, включающий следующие этапы:

перемешивание неоднородной суспензии во внутреннем пространстве резервуара экструдера;

повышение давления неоднородной суспензии, расположенной во внутреннем пространстве резервуара экструдера; и

удаление неоднородной суспензии, содержащейся во внутреннем пространстве резервуара, через сопло, прикрепленное к резервуару и сообщающееся по текучей среде с неоднородной суспензией во внутреннем пространстве резервуара, причем

сопло образует первое отверстие, расположенное во внутреннем пространстве резервуара, образует второе отверстие, расположенное снаружи резервуара, и образует канал, который проходит от первого отверстия через сопло ко второму отверстию с заданием пути движения потока, который проходит через сопло от первого отверстия через канал ко второму отверстию; и

сопло проходит через стенку резервуара во внутреннее пространство резервуара таким образом, что первое отверстие расположено на расстоянии от стенки.

12. Способ по п. 11, согласно которому этап повышения давления неоднородной суспензии также включает подачу газа под давлением через впускное отверстие резервуара во внутреннее пространство резервуара, содержащего неоднородную суспензию.

13. Способ по п. 12, согласно которому этап повышения давления неоднородной суспензии включает этап повышения давления газа под давлением в диапазоне давления от 68,95 гПа до 1378,95 гПа включительно.

14. Способ по п. 11, согласно которому этап перемешивания также включает этап приведения в действие двигателя, содержащего вращательный приводной вал, который проходит от двигателя в резервуар.

15. Способ по п. 14, согласно которому этап перемешивания также включает соединение вращательного приводного вала с валом для перемешивания, при этом вал для перемешивания прикреплен к лопасти для диспергирования таким образом, что приведение в действие указанного двигателя вызывает вращение лопасти для диспергирования во внутреннем пространстве резервуара.

16. Способ по п. 14, согласно которому этап повышения давления неоднородной суспензии также включает размещение неоднородной суспензии под давлением в резервуаре вдоль вращательного приводного вала с магнитожидкостным подшипником, расположенным вокруг вращательного приводного вала.

17. Способ по п. 15, согласно которому этап перемешивания также включает вращение вращательного приводного вала в диапазоне от ста до пятисот оборотов в минуту включительно.

18. Способ по п. 11, также включающий приведение в действие устройства создания механических вибраций, связанного с камерой резервуара, с сообщением вибраций камере резервуара и неоднородной суспензии, расположенной во внутреннем пространстве камеры резервуара.

19. Способ по п. 11, также включающий этап размещения в камере резервуара неоднородной суспензии, которая содержит керамическую суспензию, содержащую множество волокон.

20. Способ по п. 11, согласно которому этап удаления включает удаление неоднородного материала с расходом в диапазоне от двух до пятидесяти грамм в секунду включительно.