CN105682783A - 界面表面发生器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本文揭示一种内表面发生器(300),其包括:进口子元件(302),所述进口子元件包括多个进口孔口(302A到302D);出口子元件(306),所述出口子元件包括数目与所述进口孔口相等的出口孔口(306A到306D);以及中间子元件(304),所述中间子元件包括数目与所述进口孔口或所述出口孔口相等的非线性通路(304A到304D);其中所述中间子元件接触所述进口子元件和所述出口子元件,并且用于将流体从所述进口孔口传送到所述出口孔口。

Description

界面表面发生器及其制造方法
技术领域
本发明涉及界面表面发生器、其制造方法以及使用界面表面发生器的物品。
背景技术
界面表面发生器是用以增加多层流体结构中的层数的装置。通过将多层流体流划分成多个子流、将子流重新组合成主流以及后续划分和重新组合直到获得所希望的层数,在这些装置中获得有效的层倍增。
使用界面发生器制造的产品包括若干多层膜,其中所希望的是特定层厚度的各种材料的层的有序布置。(使用界面表面发生器制造的)示例性产品是其中由于具有不同特性和层厚度的材料的相邻层的相互作用而希望光学效应、机械效应或渗透性效应的那些产品。
图1描绘传统的商用界面表面发生器100,其包括适用于接收沿方向200B行进的流体的进口端106、适用于沿方向200A排放流体的出口端102、以及将进口端106连接到出口端102的多个独立通道104A、104B和104C。界面表面发生器100包括彼此接触的多个子元件202、204、206和208。子元件208沿方向200B接收传入的流体流。传入的流体流接触子元件208并在进入三个进口孔口106A、106B和106C后被分成三个流。进口孔口106B、106A和106C被布置成在水平面上彼此邻近。在子元件206和204中,进口孔口106A通向通路104A、进口孔口106B通向通路104B、并且进口孔口106C通向通路104C。流体流因此通过三个进口孔口106A、106B和106C分离,并分别在三个通路104A、104B和104C中行进通过子元件206和204,随后到达出口端102,在出口端102处所述流体流分别从出口孔口102A、102B和102C流入元件202中的任选的梯形腔101中。出口孔口102A对应于进口孔口106A(即,进入进口孔口106A的流经由出口孔口102A离开界面发生器),而出口孔口102B对应于进口孔口106B,出口孔口102C对应于进口孔口106C。出口孔口102A、102C和102B在出口端102处的垂直面上并排布置。图1的界面表面发生器由此在进口端106处划分传入的流200B,并当流200B沿方向200A离开时在出口端102处以不同配置重新组合流200B。界面表面发生器将传入的材料流划分成若干分层的分支流并且接着以另一配置重新布置及重新堆叠分支流的此能力能在流体行进通过界面发生器时在流体中形成新的表面。
传统的界面表面发生器100存在许多缺点,在于通路104A、104B和104C始终是线性通路并且总是由平面区段组成。换句话说,通路104A、104B和104C始终是线性的并且由始终是平面的壁包围。粘性流体,尤其呈熔融态的聚合物,在它们流动通过的流道的几何结构中不存在突变时呈现更为均匀的流动。这就是为何要尽可能避免含有急转弯的90度转角的原因。这种避免突然的流动方向改变在行业中通常称为“流线型化”,并且非常类似于使汽车或飞机周围的空气流动成流线型的概念。聚合物流体流过如图1中所示的界面表面发生器的线性通路将由于固有的几何结构而包括几次突然的方向改变并且会在装置中产生不均匀的流动。这种不均匀的流动可能导致层的不均匀性并且还可能造成制成品中存在缺陷。
因此在界面表面发生器中仅使用线性通路是一个缺点。此缺点(即,线性通路的存在)是归因于制造技术中的限制,所述限制通常包括为了形成通路而从固体块材料移除材料。因此,需要具有这样的界面表面发生器:其进口孔口、出口孔口和通路设计为符合例如聚合物等熔融的粘性和粘弹性流体在制造过程期间更倾向遵循的方向。
发明内容
本文揭示一种界面表面发生器,其包括:进口子元件,所述进口子元件包括多个进口孔口;出口子元件;以及中间子元件;其中所述中间子元件接触进口子元件和出口子元件,并且用于将流体从进口孔口传送到出口孔口。
本文还揭示一种制造界面表面发生器的中间子元件的方法,所述方法包括:设计用于界面表面发生器的中间子元件的模型;其中所述中间子元件包括接触界面表面发生器的进口孔口和出口孔口的非线性通路;将所述模型传送到增材制造机;以及将多个层安置为彼此接触以产生中间子元件。
本文还揭示一种制造界面表面发生器的中间子元件的方法,所述方法包括:制造具有中间子元件的外表面形状的蜡模;其中所述蜡模在底部钻有孔;将蜡***件安置到蜡模中;其中所述蜡***件具有包含于中间子元件中的非线性通路的形状;将陶瓷浆料安置到蜡模中以及蜡模的外表面上;固化并燃烧浆料以形成陶瓷壳;移除蜡模以形成陶瓷模具;以及将金属倒入陶瓷模具中以产生中间子元件。
附图说明
图1是界面表面发生器的现有技术描绘;
图2是含有设置在进口子元件与出口子元件之间的非线性通路的界面表面发生器的描绘;以及
图3是一种使用熔模铸造法制造界面表面发生器的方法的描绘。
具体实施方式
本文揭示界面表面发生器,其包括进口孔口、出口孔口和通路(所述通路接触进口孔口和出口孔口),所述进口孔口、出口孔口和通路的形状及横截面几何结构由传送通过所述进口孔口、出口孔口和通路的流体的流型界定。通路并非完全线性,并且由非线性的部分界定。另外,通路的壁并非总是平面。通路、进口孔口和出口孔口的横截面几何结构可以是圆形、椭圆形或由流动通过所述通路、进口孔口和出口孔口的流体的性质界定的其它锥形截面。传送通过界面表面发生器的流体通常是粘弹性流体或粘弹性流体与非粘弹性流体的组合。
本文还揭示一种制造界面表面发生器的方法,所述方法包括添加材料(即,添加物方法)以建置界面表面发生器。所述方法包括制造包括非线性通路的子元件并将此元件与含有进口孔口和或出口孔口的一个或多个子元件组合。非线性通路由传送通过所述通路的流体的流型界定。这些通路包括并非线性且具有包围至少一个曲面的横截面几何结构的部分。通常通过包括增材制造法和/或熔模铸造法的方法来制造包括非线性通路的子元件。
现参考图2,本发明的界面表面发生器300包括进口子元件302,所述进口子元件含有多个进口孔口302A、302B、302C和302D,流体通过所述多个进口孔口进入发生器300。进口子元件302接触中间子元件304,所述中间子元件含有分别与进口孔口302A、302B、302C和302D流体连通的非线性通路304A、304B、304C和304D。中间子元件接触含有多个出口孔口306A、306B、306C和306D的出口子元件306。在图2中,进口孔口302A接触非线性通路304A,所述非线性的通路接触出口孔口306A。在图2中,分别进入标记为A、B、C或D的孔口的流体分别行进通过标记为A、B、C或D的通路并且分别在标记为A、B、C或D的出口孔口处离开。简而言之,进入进口孔口302A的流体流行进通过通路304A并在孔口306A处离开,而进入进口孔口302D的流体流行进通过通路304D并在孔口306D处离开。应注意,进口子元件、中间子元件和出口子元件可以呈单个、一体式、整体式不可分物件的形式。
如在图2中可见,进口孔口302A、302B、302C和302D被布置成(沿轴A-A′)水平地放置,而出口孔口306A、306B、306C和306D被布置成(沿轴B-B′)与进口孔口成90度放置,但是与进口孔口不呈相同的顺序。在图2中,出口孔口以306C、306A、306D和306B从上到下垂直地布置。
图2中示出的进口孔口302A、302B、302C和302D具有方形或矩形的横截面,但是,必要时还可以具有圆形的横截面。虽然这些进口孔口在平面上彼此并排地水平布置,但是它们还可以被布置成一个在另一个顶上垂直地放置。它们还可以被布置成在不是水平或垂直的平面中放置。
非线性通路304A、304B、304C和304D在分别与进口孔口302A、302B、302C和302D接触或分别与出口孔口306A、306B、306C和306D接触的点处可以具有方形或矩形的横截面。然而,通路的横截面的形状可以从方形转变为包含至少一个曲面的形状。曲面可以是圆形、半圆形、锥形截面或锥形截面的一部分(例如,椭圆形、椭圆的一部分、抛物线、抛物线的一部分等)。在示例性实施例中,非线性通路具有圆形横截面。
圆形通道使所谓的“二次流动”减到最少。二次流动是归因于聚合物的弹性而发生的垂直于主要流动方向的少量流动。这导致层的不均匀性(弹性层重新布置)。为了使二次流动减到最少,需要具有圆形横截面的非线性通路。
在一个实施例中,通路304A、304B、304C和304D的非线性由流体的流动特征界定。在实施例中,个别通路304A、304B、304C或304D的轨线可以由从接触进口子元件302的一端到接触出口子元件306的相对端通过通路的横截面的中心的纵向轴线308界定。所述纵向轴线的路径可以通过由从进口子元件传送到出口子元件的流体界定的样条函数来界定。在示例性实施例中,流体是熔融聚合物。
在一个实施例中,样条函数可以用来确定非线性通路的形状。样条曲线是在有限数目的点处具有指定值并由在这些点处平稳加入的几段多顶式函数构成的函数,使得其能够用于函数近似和插值。
二次参数样条曲线可以写成
P=a2t2+a1t+a0
其中P是曲线上的点,a0、a1和a2是界定曲线的三个矢量并且t是参数。曲线通过标记为P0、P1和P2的三个点。按照惯例,曲线从具有参数值t=0的点P0开始,经过t=t1的点P1(0<t1<1)并在t=1的点P2处结束。使用这些惯例,可以如下求解三个a矢量:
t=0P0=a0
t=1P2=a2+a1+a0
t=t1
矢量的求解为非线性通路的形状提供求解。非线性通路304A、304B、304C和304D在与接触进口孔口的端相反的一端处接触出口孔口306A、306B、306C和306D。如在图2中可见,出口孔口通常被布置成沿与包含进口孔口的平面(例如,轴A-A′)不同的平面成直线(例如,轴B-B′)。如上所述,出口孔口的顺序与进口孔口不同。
中间子元件304在进口子元件302与出口子元件306之间通过定位螺钉310锁紧到位。在例如挤压机等装置中可以设置进口子元件、中间子元件和出口子元件的多个组合。另外,虽然图1和2分别描绘了三个和四个通路,但是有可能所述子元件含有多于或等于10个通路,优选地,多于20个通路,且更优选地,必要时多于50个通路。
在一个实施例中,在一种制造界面表面发生器的方法中,可以使用模制和/或替代地机械加工金属块、陶瓷块或塑料块来制造进口子元件和出口子元件。出口子元件和进口子元件中使用的材料需要具有比用来传送的流体的熔点更高的熔点。金属可以是不锈钢(例如,SS304、SS316)、钛、钛铝合金等。合适的陶瓷是二氧化硅、石英、氧化铝等,或包括以上陶瓷中的至少一种陶瓷的组合。合适的聚合物是高玻璃化转变温度聚合物,例如聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚酮酮、聚砜、聚醚酰亚胺等,或包括以上高温聚合物中的至少一种的组合。
在一个实施例中,可以针对进口子元件、出口子元件和中间子元件使用类似的方法实现界面表面发生器的制造。在这种模式的制造中,可以使用增材制造法和/或熔模铸造法来产生进口子元件、出口子元件和中间子元件。
在另一实施例中,可以针对产生进口子元件和出口子元件使用第一方法以及针对中间子元件使用第二方法来实现界面表面发生器的制造。在这种模式的制造中,可以通过包括例如钻孔、铣削、开槽、放电加工、车削等材料移除技术的方法来制造进口子元件和出口子元件,而包括非线性通路的中间子元件则通过增材制造法和/或熔模铸造法来制造。增材制造法和/或熔模铸造法能够制造难以通过例如钻孔、铣削、激光切割、开槽、放电加工、车削等材料移除技术制造的非线性通路。在示例性实施例中,期望通过包括材料移除技术的方法来制造进口子元件和出口子元件,并使用增材制造法和/或熔模铸造法来制造中间子元件。
此后的制造描述将主要描述通过增材制造法和/或熔模铸造法产生中间子元件。
在一个实施例中,通过增材制造法制造包括非线性通路的中间子元件。当使用传统的利用材料移除来赋予组件所希望的结构的制造方法时,难以实现或有时甚至不可能实现弯曲内部通路的制造。为了避开这些困难,使用增材制造法来产生中间子元件。
增材制造法或3D打印是根据数字模型制作几乎任何形状的三维实体的工艺。使用加成工艺实现3D打印,其中以不同形状铺设连续的材料层。3D打印还视为不同于主要依赖于通过例如切割或钻孔等方法(减成工艺)移除材料的传统机械加工技术。使用增材制造工艺来制造具有相对复杂的三维几何结构的组件,包含具有界定内部通路(包含内部空心区域、内部通道、内部开口等)的内表面的组件。
在增材制造工艺中,首先界定中间子元件的模型,例如设计模型。例如,可以使用计算机辅助设计(CAD)软件来设计模型。界定非线性通路的形状的样条函数和/或幂律方程可以作为代码包含于或并入计算机辅助设计中。所述模型可以包含中间子元件的整体配置(包含外表面和内表面两者)的3D数字坐标。所述模型可以包含若干一同形成3D组件的连续2D横截面切片。在示例性实施例中,可以通过使用包含若干一同形成3D中间子元件的连续2D横截面切片的模型来制造中间子元件。
在实施例中,由增材制造工艺制成的中间子元件可能具有表面粗糙性、表面气孔、内部气孔和裂缝。这些缺陷还可包含在连续的横截面沉积层之间的界面处的粘着力破损和裂缝。归因于增材制造工艺和/或建筑材料冶金术固有的应力,在这些界面处可能出现裂缝或穿透或穿过沉积层出现裂缝。
可以使用热等静压(HIP)表面处理工艺来消除内部缺陷和其它露于表面的缺陷。对于(由于存在内部缺陷而)使用热等静压的组件,可以使用封装工艺来跨越和覆盖露于表面的缺陷,从而使露于表面的缺陷有效地转变成内部缺陷,为后续热等静压(HIP)工艺作准备。还可以使用传统的抛光或铣削技术来减少内部通路的表面粗糙性。在热等静压工艺之后,可以使用包括涂刷、磨削、研磨、抛光等表面处理方法来产生成品中间子元件。
如上所述,还可以通过熔模铸造法来制造中间子元件。在一个实施例中,在一种制造中间子组合件的方法中,分开制造蜡核心(用于具体充当中间子元件的空心部分)和陶瓷壳。首先制造具有中间子元件的外表面形状的中心404为空心的蜡外形(见图3中的(b))。将具有非线性通路的形状的空心蜡***件402(见图3中的(a))放入外蜡模404中并以端部位于外蜡模404上而固定在适当的位置。所得的蜡形状是层倍增工具的所希望的最终几何结构。使孔406位于蜡模404中进口孔口将接触非线性通路的位置处。接着安置陶瓷浆料409(见图3中的(c))以覆盖蜡模402和404的所有外部表面。将陶瓷浆料408倒入空心***件的内部。接着固化并燃烧陶瓷浆料408/409以形成陶瓷壳408A/409A(见图3中的(d))。接着通过熔融或化学蚀刻移除蜡模404(见图3中的(d))以形成具有空间410(蜡模404曾经是所述空间)的陶瓷模具。接着将熔融金属416倒入陶瓷模具中的空间410中,并使其固化以形成中间子组合件(见图3中的(e))。接着移除陶瓷模具,从而留下所希望的金属部分(见图3中的(f))。
在一个实施例中,在一种制造中间子元件的方法中,可以通过熔模铸造法制造中间子元件的一部分,而其它部分可以通过增材制造法来制造。可以通过熔模铸造法来制造中间子元件的第一部分。接着将第一部分放入增材制造装置中并通过增材制造法来制造所述子元件的其余部分。
制造中间子元件的上述方法是有利的,因为它们便于制造非线性的且具有复杂形状的通路。这些方法还允许对中间子元件进行追溯性修改。

Claims (12)

1.一种界面表面发生器,其包括:
进口子元件,所述进口子元件包括多个进口孔口;
出口子元件,所述出口子元件包括出口孔口;以及
中间子元件,所述中间子元件包括用于将流体从所述进口孔口传送到所述出口孔口的一个或多个非线性通路。
2.根据权利要求1所述的界面表面发生器,其中所述进口子元件、所述出口子元件和所述中间子元件是单个、一体式、整体式不可分物件。
3.根据权利要求1所述的界面表面发生器,其中所述非线性通路的横截面的周界的一部分是非线性的。
4.根据权利要求3所述的界面表面发生器,其中所述非线性通路的所述横截面的所述周界的所述部分是圆形部分或锥形截面部分。
5.根据权利要求3所述的界面表面发生器,其中所述非线性通路中的一个的横截面形状是圆形。
6.根据权利要求1所述的界面表面发生器,其中所述非线性通路的形状由样条函数界定。
7.一种制造界面表面发生器的中间子元件的方法,其包括:
设计用于界面表面发生器的中间子元件的模型;其中所述中间子元件包括接触所述界面表面发生器的进口孔口和出口孔口的非线性通路;
将所述模型传送到增材制造机;以及
将多个层安置为彼此接触以产生所述中间子元件。
8.根据权利要求7所述的方法,其进一步包括使所述中间子元件与进口子元件和出口子元件接触以形成所述界面表面发生器。
9.根据权利要求8所述的方法,其进一步包括通过增材制造法制造所述进口子元件和所述出口子元件,并且其中所述进口子元件、所述中间子元件和所述出口子元件是单个、一体式、整体式不可分物件。
10.一种制造界面表面发生器的中间子元件的方法,其包括:
制造具有所述中间子元件的外表面形状的蜡模;其中所述蜡模在底部钻有孔;
将蜡***件安置到所述蜡模中;其中所述蜡***件具有包含于所述中间子元件中的非线性通路的形状;
将陶瓷浆料安置到所述蜡模中以及所述蜡模的外表面上;
固化并燃烧所述浆料以形成陶瓷壳;
移除所述蜡模以形成陶瓷模具;以及
将金属倒入所述陶瓷模具中以产生所述中间子元件。
11.根据权利要求10所述的方法,其进一步包括使所述中间子元件与进口子元件和出口子元件接触以形成所述界面表面发生器。
12.根据权利要求10所述的方法,其进一步包括制造进口子元件和出口子元件,并且其中所述进口子元件、所述中间子元件和所述出口子元件是单个、一体式、整体式不可分物件。
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