BR112021004103A2 - filtro sinterizado a laser, método para produzir o filtro e método para garantir o fluxo de fluido - Google Patents

Abstract

A invenção se refere a um filtro (1) para limpeza de fluidos, tendo uma parte principal (2) consistindo em partículas de polietileno (3) que foram ligadas umas às outras por meio de um processo de fabricação generativo, de modo a obter uma macro e microestrutura predefinidas, a parte principal (2) tendo regiões nas quais a porosidade é deliberadamente ajustada a valores variáveis. A invenção também se refere a um método para produzir um filtro (1), o filtro sendo generativamente fabricado por sinterização seletiva a laser de partículas de polietileno (3). A invenção finalmente se refere a um método para garantir o fluxo de fluido.

Description

“FILTRO SINTERIZADO A LASER, MÉTODO PARA PRODUZIR O FILTRO E MÉTODO PARA GARANTIR O FLUXO DE FLUIDO” Descrição

[0001] A invenção se refere a um filtro para a limpeza de fluidos, isto é, líquidos e/ou gases. A invenção também se refere a um método para a fabricação de tal filtro. A invenção também se refere a um método para o transporte de fluidos, por exemplo, por meio de tal filtro.

[0002] O estado da técnica já mostra filtros para filtrar meios líquidos. Por exemplo, DE 10 2007 049 658 A1 divulga um filtro para filtrar um meio líquido com uma câmara de filtro dentro da qual pelo menos um elemento de filtro que pode ser retrolavado e pode ser inserido na forma de um corpo de filtro cilíndrico oco, a parede circunferencial da qual pode ser escoada através pelo meio a ser filtrado, formando um lado de fluxo de entrada e um lado de fluxo de saída, e a câmara de filtro possui pelo menos uma saída de filtrado, uma entrada de não filtrado e uma saída de retrolavagem, em que o filtrado pode ser injetado para retrolavagem através de uma saída de filtrado para escoar para o lado do fluxo de saída, em que o corpo de filtro do elemento de filtro é um corpo moldado poroso estável feito de um polietileno granulado fundido por sinterização, e para a retrolavagem em dois estágios a câmara de filtro adicionalmente possui uma entrada de ar comprimido para aplicar ar comprimido para o lado do fluxo de saída do elemento de filtro.

[0003] Tais filtros geralmente são construídos a partir de polietileno (PE), já que o polietileno, em particular polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) ou polietileno de alta densidade (HDPE), mas também polipropileno (PP), possuem compatibilidade e resistência química particularmente boas. Tecnologias de filtro são usadas em uma grande variedade de aplicações, por exemplo, em tecnologia médica, engenharia automotiva, tecnologia doméstica, tecnologia industrial ou na indústria de papelaria. Requisitos máximos são colocados em áreas microscopicamente pequenas. As menores partículas, tais como sangue, água, ar ou óleo, podem ser filtradas de substâncias contaminadas pelos filtros.

[0004] Até agora, tais filtros geralmente são fabricados por sinterização, em particular por moldagem por compressão. Neste processo, as partículas de PE são pressionadas na forma em pó ou como grãos em pó em um molde, isto é, elas são solidificadas sob pressão, e então sinterizadas. No entanto, uma desvantagem disto é que a geometria do filtro é, desta maneira, ligada à forma e, portanto, é limitada. Por exemplo, não é possível fabricar filtros sinterizados com recessos/filetes ou com uma geometria complicada com uma quantidade proporcional de esforço. Ainda, de maneira a fabricar os filtros sinterizados, um molde correspondente primeiramente precisa ser feito, o qual possui um impacto negativo na flexibilidade de fabricação, nos custos, bem como no tempo de fabricação. Em adição, em um processo de fabricação com base em molde tal como a sinterização, uma desmoldabilidade da peça de trabalho, isto é, do filtro, deve ser levada em consideração, o que leva a limitações adicionais no projeto geométrico do filtro.

[0005] Assim, é o objetivo da invenção evitar ou pelo menos reduzir as desvantagens do estado da técnica. Em particular, um filtro feito de partículas de polietileno, bem como um método de fabricação devem ser providos, os quais eliminam as desvantagens mencionadas acima. Em particular, um filtro que é fácil de ser fabricado, pode ser fabricado com baixos custos e pode ser fabricado com geometrias complexas deve ser desenvolvido.

[0006] O objetivo da invenção é resolvido por um filtro para a limpeza de fluidos, isto é, líquidos e gases, tendo um corpo principal feito de partículas de polietileno que são ligadas entre si por meio de um processo de fabricação generativa de tal modo que uma microestrutura e macroestrutura predefinidas são produzidas. Neste contexto, uma microestrutura ou microporosidade é entendida como sendo uma estrutura do corpo principal que é produzida como um resultado do processo de fabricação do filtro a partir de um material quase em pó. Isto significa que a microporosidade é determinada pelos parâmetros de processo tal como o tamanho de partícula. Uma macroestrutura ou macroporosidade é entendida como sendo uma estrutura do corpo principal que surge como um resultado do projeto. Isto, em particular, significa que a macroporosidade pode ser especificamente ajustada, por exemplo, para determinar a geometria externa e/ou interna, a aparência, as propriedades de superfície e/ou a microsseção do corpo principal.

[0007] De acordo com a invenção, o corpo principal pode ter áreas em que a porosidade é seletivamente definida de maneira diferente. Em outras palavras, a porosidade do corpo principal não é a mesma em cada região do corpo principal, mas varia. Isto quer dizer que o corpo principal possui uma porosidade diferente nas primeiras regiões do que nas segundas regiões do corpo principal que são dispostas em uma distância a partir das primeiras regiões. As primeiras regiões e as segundas regiões podem ainda ser adjacentes entre si. Preferivelmente, o corpo principal do filtro possui uma porosidade total que está entre 1% e 60%. Isto garante que as propriedades de filtro sejam boas enquanto permite que fluido suficiente escoe através do filtro.

[0008] Isto tem a vantagem de que, em um filtro de acordo com a invenção, a microporosidade e a macroporosidade podem ser combinadas ou ajustadas quase de qualquer forma. Em adição, o filtro pode ser fabricado sem a necessidade de ser por moldes (ferramenta), o que faz a necessidade, por exemplo, de considerar a desmoldabilidade do filtro no projeto construtivo obsoleta. Assim, qualquer projeto construtivo do filtro pode ser selecionado, por exemplo, com recessos/filetes, com quaisquer porosidades que variam de seção por seção, em particular camada por camada. Ainda, o filtro pode ser fabricado diretamente a partir de um modelo de computador, tal como um projeto de CAD, sem ter que primeiramente criar um molde para a geometria associada, o que possui um efeito favorável dos custos de fabricação e do tempo de fabricação para o filtro.

[0009] Modalidades vantajosas são reivindicadas nas reivindicações dependentes e são explicadas em maiores detalhes a seguir.

[00010] Em particular, o filtro pode ter maior porosidade na superfície do que no interior. Devido à maior permeabilidade na superfície, o fluido a ser filtrado pode entrar facilmente em todo o corpo principal. Em contraste com um filtro convencional, onde a superfície é quase plana devido à deformação mecânica das partículas externas, uma alta rugosidade de superfície e, assim, uma grande razão de superfície para volume podem ser providas. Porosidade ajustável alvo, assim, também é entendida como significando que a superfície (e o interior) possui uma estrutura definida.

[00011] Também é vantajoso se o filtro possui uma estrutura de superfície de granulação grossa. Por exemplo, a estrutura de superfície é formada de uma maneira dispersa. Em particular, as partículas são indeformadas na superfície, isto é, não mecanicamente deformadas. Dessa forma, as partículas são arredondadas na superfície. Isto provê uma superfície particularmente desigual a qual possui propriedades de filtração favoráveis.

[00012] Em adição, é conveniente se o método de fabricação generativa incluir o uso de um laser. Isto permite que as partículas de polietileno sejam seletivamente fundidas, em particular localmente, e que sejam fundidas juntas para formar um corpo com uma nova geometria.

[00013] Também é vantajoso se o filtro for projetado como um componente sinterizado a laser. Deste modo, a ocorrência de distorção de material pode ser evitada até a maior extensão possível. Adicionalmente, no campo de sinterização a laser seletiva, uma grande quantidade de experiência já é conhecida a partir de outros campos técnicos, a qual pode ser adaptada para o campo técnico da tecnologia de filtro.

[00014] Por exemplo, o uso de polietileno é conhecido em particular a partir do campo da tecnologia médica devido às suas propriedades inertes e boa compatibilidade. Para este fim, DE 10 2016 110 500 A1 divulga um método para fabricar um implante, em que partículas do grupo que consiste em polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) e/ou polietileno de alta densidade (HDPE) e/ou polipropileno (PP) são fundidas ou sinterizadas em camadas por meio de um processo de sinterização a laser seletiva (processo SLS).

[00015] Também é vantajoso se as partículas do corpo principal forem distribuídas em camadas, em que as partículas de uma camada são fundidas ou sinterizadas juntas por meio de um laser e as partículas a partir de diferentes camadas são fundidas ou sinterizadas juntas por meio de um laser. Isto permite que diferentes propriedades sejam definidas no corpo principal do filtro de camada para camada, em particular com relação ao tamanho do grão e/ou forma do grão usado ou a porosidade definida. O filtro,

assim, também pode ser projetado para ser parcialmente sólido e parcialmente poroso, de forma que a força e/ou propriedades de filtro podem ser adaptadas às necessidades particulares.

[00016] Em adição, é conveniente se cada uma das camadas for uma camada porosa e/ou for composta quase inteiramente, isto é, mais do que 98%, de partículas de PE, em particular UHMWPE, HDPE, alternativamente também partículas de PP.

[00017] Preferivelmente, uma espessura de camada do corpo principal está entre 70 e 300 µm, preferivelmente cerca de 120 µm. Assim, a estrutura do corpo principal pode ser variada em faixas suficientemente pequenas para ser capaz de ajustar quase qualquer macroporosidade do corpo principal.

[00018] Em uma modalidade preferida, as partículas na forma em pó podem ter um diâmetro entre 20 e 400 µm. Portanto, isto significa que as partículas presentes como grãos em pó possuem, por exemplo, um diâmetro entre 40 e 200 µm, preferivelmente cerca de 130 a 155 µm. Particularmente, partículas de polietileno de grão fino, assim, são usadas, as quais são fundidas juntas, por exemplo, em um processo anterior, para formar partículas de granulação grossa, isto é, partículas com um diâmetro maior, dependendo do tamanho de partícula necessário para uma (micro)porosidade desejada para a particular aplicação. Preferivelmente, o tamanho de poro do filtro está entre 1 e 3500 µm.

[00019] É particularmente preferido se um tamanho de partícula das partículas for variado dentro de um corpo principal do filtro. Preferivelmente, portanto, partículas de diferentes tamanhos são usadas. Deste modo, uma microporosidade relacionada com o processo pode ser ajustada.

[00020] Além disso, é vantajoso se as partículas são fundidas ou sinterizadas juntas para formar um corpo sólido ou um corpo (poroso) compreendendo porosidades. Assim, uma estrutura de poro de interconexão do filtro é formada. Vantajosamente, uma geometria complexa, por exemplo, com espessura de parede variável e/ou com filetes pode, assim, ser formada a partir de partículas de PE. Como um resultado da produção livre de molde primária, dificilmente existem quaisquer restrições na geometria do filtro.

[00021] Também é preferido se o filtro possuir recessos/filetes e/ou cavidades. Dependendo do uso intencionado, isto também permite que geometria anteriormente não fabricáveis sejam formadas para o filtro. Isto também permite, por exemplo, que dispositivos de fixação sejam formados integralmente no filtro, de forma que o filtro pode ser particularmente facilmente anexado na sua posição final em um sistema de filtro.

[00022] De forma a ser capaz de remover quaisquer grânulos, partículas e/ou resíduos em pó do filtro, é vantajoso se um tratamento de superfície for realizado na maneira de um tratamento de plasma, um jato de neve, um bombardeio pressurizado com flocos de CO2 congelado ou um banho ultrassônico. Uma superfície do filtro sinterizado ou do sistema de filtro sinterizado também pode ter a rugosidade levemente aumentada, por exemplo, para que as propriedades de adesão sejam aprimoradas.

[00023] Alternativamente, o filtro também pode ser submetido à limpeza de superfície por meio de ar quente, rebarbação explosiva e/ou tratamento químico, de forma que vantajosamente quaisquer partículas residuais na superfície que podem, por exemplo, bloquear poros do filtro são removidas.

[00024] Em adição, é preferido que o filtro seja submetido a um tratamento térmico de maneira a aumentar a sua resistência. Preferivelmente, o filtro contém um aumento de resistência entre os fios de poro de interconexão. Assim, vantajosamente, a resistência e/ou rigidez do filtro podem ser ajustadas. Por exemplo, é possível alcançar uma capacidade de portar alta carga apesar da estrutura porosa do filtro, de forma que o filtro possa ser usado em muitos campos de aplicação.

[00025] É particularmente preferido se o tratamento térmico for realizado após um tratamento de superfície. Isto garante que os poros do filtro permaneçam abertos ou não fechados, o que possui um efeito favorável na estabilidade do filtro.

[00026] É particularmente vantajoso se as partículas de polietileno e/ou o corpo principal do filtro são providos com uma dopagem de metal ou uma dopagem cerâmica. Em um desenvolvimento adicional preferido, o corpo principal do filtro é provido com dopagem de partícula de forma que possui propriedades antimicrobianas. Isto significa que partículas são adicionadas às partículas de PE em quantidades pequenas, isto é < 1%, durante o processo de fabricação de maneira a influenciar as propriedades do filtro de forma que, por exemplo, o crescimento de germe, bactérias e vírus podem ser evitados. No entanto, outros dopantes de partícula também podem ser providos, tais como magnésio, potássio, sódio ou sais.

[00027] Em uma modalidade preferida, o filtro é antiestático. Isto separa vantajosamente poeiras explosivas, de forma que o risco de explosão é diminuído.

[00028] Também é útil se as partículas do corpo principal são arredondadas, em forma de batata, angulares, em forma de poliedro, cisalhadas com uma borda cortante, picadas, em lascas e/ou ovais. Assim, elas podem ser formadas com quase qualquer forma, já que a forma do grão é influenciada de maneira significativa no processo de fabricação e a estrutura desejada é alcançada. Preferivelmente, tamanhos do grão particularmente finos até um máximo de 130 µm são usados.

[00029] Adicionalmente, é vantajoso se a superfície do corpo principal for tratada com plasma, em particular tratada com plasma em baixa pressão. Isto tem a vantagem de que uma hidrofilicidade e/ou hidrofobicidade da superfície do filtro pode ser ajustada. No caso de um projeto hidrofílico, por exemplo, as propriedades de filtração do filtro são aprimoradas. É particularmente preferido se um lado do filtro é hidrofílico e/ou outro lado, em particular um lado oposto, é hidrofóbico.

[00030] O objetivo da invenção também é resolvido por um método para produzir um filtro, em que o filtro é produzido de maneira generativa por sinterização a laser seletiva de partículas de polietileno. Neste contexto, modalidades vantajosas descritas acima em conexão com o filtro se aplicam de maneira equivalente ao processo de acordo com a invenção.

[00031] Assim, é preferido se o filtro for produzido por sinterização a laser e for subsequentemente submetido a um tratamento térmico e/ou um tratamento de superfície e/ou um tratamento de plasma de baixa pressão e/ou limpeza de superfície.

[00032] De acordo com a invenção, também é proposto implementar as seguintes etapas para fabricar o filtro: prover (uma certa quantidade, por exemplo, medida em volume e/ou em peso) um pó de PE preferivelmente de escoamento livre; aquecer e comprimir o pó de PE enquanto forma pelo menos uma peça intermediária; esmagar mecanicamente a pelo menos uma peça intermediária em grânulos, por exemplo, tendo um tamanho de grão e/ou forma de grão predeterminados; e unir os grânulos para formar o corpo principal do filtro.

[00033] Por meio das etapas de processo mencionadas, os grânulos de PE e, assim, o corpo principal do filtro podem ser providos predominantemente ou completamente por etapas de processamento mecânico. Através do pressionamento do pó de PE para peças intermediárias e subsequente trituração mecânica, partículas definidas e uniformes podem ser usadas como grânulos, de forma que um processo de fabricação que é reproduzido como possível é provido. Isto significa que, por exemplo, a microporosidade do filtro pode ser especificamente ajustada.

[00034] A invenção também se refere a um método para o transporte de líquido, em que um componente sinterizado a laser a partir de partículas de polietileno é colocado em contato com um líquido em uma primeira região do componente de maneira a transferir o líquido para uma segunda região do componente. Devido à capacidade de ajuste específica da microestrutura e/ou da macroestrutura do componente sinterizado a laser, o efeito capilar pode ser usado de uma maneira particularmente adequada, de forma que o transporte de líquido pode ainda ser acelerado e/ou desacelerado em certas áreas, dependendo da aplicação.

[00035] A invenção é explicada na sequência com o auxílio das figuras. Os desenhos servem para o entendimento da invenção. Elementos idênticos são caracterizados pelos mesmos sinais de referência. Eles mostram:

[00036] A Fig. 1 mostra uma vista de superfície alargada em perspectiva de um filtro de acordo com a invenção, que é produzida por sinterização a laser seletiva.

[00037] A Fig. 2 mostra uma representação esquemática de uma seção transversal do filtro da Fig. 1 para ilustrar uma estrutura do filtro.

[00038] A Fig. 3 mostra uma vista de superfície alargada em perspectiva de um filtro convencional feito por sinterização.

[00039] A Fig. 4 mostra uma representação esquemática de uma seção transversal do filtro da Fig. 3 para ilustrar uma estrutura do filtro.

[00040] A Fig. 1 mostra um filtro 1 de acordo com a invenção para a limpeza de fluidos. O filtro 1 possui um corpo principal 2 composto de partículas de polietileno 3. As partículas 3 são unidas por meio de um processo de fabricação generativa, em particular por sinterização a laser seletiva. Neste processo, as partículas 3 são conectadas entre si de tal modo que uma microestrutura e macroestrutura predefinida são formadas. Uma macroestrutura ou uma macroporosidade é entendida como sendo uma estrutura do corpo principal que resulta do projeto. Portanto, isto significa que a macroporosidade em particular pode ser especificamente ajustada de maneira a definir, por exemplo, a geometria externa e/ou interna, a aparência, as propriedades de superfície e/ou a microsseção do corpo principal. Uma microestrutura ou microporosidade é entendida como sendo uma estrutura no interior do corpo principal que é criada pelo processo como um resultado da fabricação do filtro a partir de um material quase em pó. Portanto, isto significa que a microporosidade é determinada pelos parâmetros de processo tais como um tamanho de partícula.

[00041] Em uma comparação da Fig. 1 com a Fig. 3, uma diferença entre um filtro 1 produzido por sinterização a laser (Fig. 1) e um filtro 4 produzido por sinterização convencional (comparar com a Fig. 3) pode ser claramente observada. O filtro sinterizado a laser 1 possui uma superfície mais áspera, já que é aplicado em camadas, em contraste com o filtro moldado por compressão 4, de forma que uma estrutura definida na superfície não é danificada, por exemplo, não é deformada ou esmagada pelo molde. Assim, a macroestrutura do filtro 4 produzida pela sinterização convencional não pode ser especificamente ajustada. A estrutura de superfície ou textura de superfície do filtro 1 de acordo com a invenção é independente do molde usado para produzir a geometria externa.

[00042] A superfície do filtro 1 possui uma estrutura definida. A estrutura é formada pelas partículas 3 que são arredondadas para fora. A superfície do filtro 1 é formada de uma maneira dispersa. Isto significa que as partículas 3 são redondas e não planas na superfície. As partículas 3 são, portanto, mecanicamente não deformadas/indeformadas. Interstícios são formados entre as partículas 3, que são abertas para o exterior. Isto resulta em uma grande razão de superfície para volume. Preferivelmente, a razão é maior do que 10*1/mm.

[00043] De acordo com a invenção, o corpo principal 2 possui regiões em que a porosidade é definida especificamente de maneira diferente. A porosidade do corpo principal 2 não é a mesma em toda a região do corpo principal 2, mas varia. Portanto, isto significa que o corpo principal 2 possui uma porosidade diferente nas primeiras regiões do que nas segundas regiões do corpo principal 2, que são arranjadas em uma distância a partir das primeiras regiões. Em um filtro fabricado convencionalmente, a porosidade não pode ser influenciada,

mas resulta de maneira bastante aleatória. Em particular, na superfície de um filtro fabricado convencionalmente, a porosidade é reduzida pelo processo de fabricação.

[00044] Em particular, o corpo principal 2 pode ter maior porosidade na superfície do que no interior. Devido à maior permeabilidade na superfície, o fluido a ser filtrado pode entrar facilmente em todo o corpo principal 2.

[00045] O filtro 4 das Figs. 3 e 4 também possui partículas 5 arranjadas para formar uma estrutura de superfície. No entanto, as partículas 5 na superfície são mecanicamente deformadas por moldagem por compressão. Como um resultado, os espaços na superfície entre as partículas individuais 5 são fechados. Em contraste com o filtro 1, as partículas 5 na superfície possuem superfícies planas. Dessa forma, a razão entre a área de superfície e o volume das partículas 5 também é consideravelmente menor do que no filtro 1.

Claims (10)

REIVINDICAÇÕES

1. Filtro (1) para limpeza de fluidos, tendo um corpo principal (2) feito de partículas de polietileno (3) que são ligadas entre si por meio de um método de fabricação generativo, de modo que uma macroestrutura e microestrutura predefinidas sejam estabelecidas, caracterizado pelo fato de que o corpo principal (2) tem regiões nas quais a porosidade é ajustada de forma diferente em uma maneira direcionada.

2. Filtro (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que o filtro (1) apresenta uma maior porosidade na sua superfície do que no interior do filtro (1) e/ou apresenta uma estrutura superficial granulada.

3. Filtro (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o corpo principal (2) é designado como um componente sinterizado a laser.

4. Filtro (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as partículas (3) do corpo principal (2) são distribuídas em camadas, em que as partículas (3) de uma camada são fundidas/sinterizadas entre si por meio de um laser e as partículas (3) de diferentes camadas são fundidas/sinterizadas entre si por meio de um laser.

5. Filtro (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que as partículas de polietileno (3) e/ou o corpo principal (2) do filtro (1) são/é provido de uma dopagem de metal e/ou uma dopagem de cerâmica.

6. Filtro (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que as partículas (3) do corpo principal (2) são redondas, em forma de batata, angulares, em forma de poliedro, em forma de lascas e/ou ovais.

7. Filtro (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a superfície do corpo principal (2) é tratada com plasma.

8. Filtro (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o corpo principal (2) apresenta recortes e/ou cavidades.

9. Método para fabricar um filtro (1) caracterizado pelo fato de que o filtro (1) é generativamente fabricado por sinterização seletiva a laser de partículas de polietileno (3).

10. Método para transporte de fluido caracterizado pelo fato de que um componente sinterizado a laser a partir de partículas de polietileno é colocado em contato com um fluido em uma primeira região do componente, a fim de transferir o fluido para uma segunda região do componente.

A Requerente envia a seguir nova via das reivindicações.