CN107206622B - 复合模具的添加制造 - Google Patents

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Abstract

一种形成用于制造井下工具的模具的方法，包括使用根据计算机辅助图案的自动层叠装置沉积材料混合物和粘合剂的连续层，材料混合物包括第一成分和第二成分，第一成分至少具有与第二成分不同的形状、尺寸或化学成分，将第一成分或第二成分中的至少一种造粒。

Description

复合模具的添加制造
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年11月25日提交的美国申请14/952,187的优先权，其要求2014年12月29日提交的美国临时申请62/097,381的权益和优先权，两者的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
各种部件被用于钻探地层，并且为了提高钻探效率，部件通常被设计和定制以用于将遇到的特定类型的地层。例如，在设计基体主体钻头之后，模具通常被形成为以在部件的制造期间用作模板。
发明内容
提供本发明内容是为了介绍一些下面在详细描述中进一步描述的构思的选择。本发明内容并非旨在认定所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
本公开的一些实施例涉及形成用于制造井下工具的模具的方法。该方法包括使用根据计算机辅助图案的自动层叠装置沉积材料混合物和粘合剂的连续层。材料混合物包括第一成分和第二成分，第一成分至少具有与第二成分不同的形状、尺寸或化学成分，并且将第一成分或第二成分中的至少一种造粒。
本文公开的一些实施例涉及使用模具形成井下工具中使用的部件的方法。该方法包括基于计算机辅助设计使用自动层叠装置沉积包括粒状粉末的材料成分的连续层，将材料成分的连续层的一部分结合在一起以形成模具，以及使用模具形成部件。
本文公开的一些实施例涉及用于制造井下工具的模具。该模具包括使用根据计算机辅助图案的自动层叠装置形成的材料混合物和粘合剂。材料混合物包括第一成分和第二成分，第一成分具有至少不同于第二成分的形状、尺寸或化学成分，并且第一成分或第二成分中的至少一种被造粒。
所要求保护的主题的其它方面和优点将从以下描述和所附权利要求变得显而易见。
附图说明
图1是根据本公开实施例的形成部件或模具的方法的流程图；
图2是根据本公开的实施例的用于形成部件的方法的示意图；
图3是使用层叠装置形成模具的实施例；
图4示出了根据本公开的实施例的模具组件的横截面图。
具体实施方式
在本文公开的一些实施例中，一般涉及使用诸如3D打印、机器人铸造或同时铸造的添加制造(additive manufacturing)所制造的模具，其然后用于制造在钻探操作中使用的部件。一些实施例涉及使用这种类型的添加制造的用作或用于井下工具的部件的制造。在一些实施例中，可以分析要钻探的地层以确定特定部件的最佳(或改进)设计。基于此分析，使用计算机辅助设计(CAD)系统在三维空间中设计几何形状。三维设计通常被称为实体模型。为了产生设计，设计者可以生成新的设计，或者设计者可以对现有设计的角度、曲率和尺寸进行修改，以适应钻孔特定地层的设计。基于CAD设计产生模具的设计，例如，CAD系统可以生成模具的几何形状设计，用于生产部件。在一些实施例中，模具或部件直接设计在CAD系统内。在一些实施例中，将模具设计成互连以形成模具的分立部分。
根据本公开的实施例，添加制造可以用于形成用于制造用于钻探操作的部件的模具，或者形成部件本身。这种添加制造技术允许通过在指定区域中沉积选定材料的顺序层或连续层来形成部分(无论是模具或部件)。在一些实施例中，制造这种模具的方法包括在衬底上沉积第一层，并且至少部分地邻近第一层沉积多个顺序层。在一个或多个实施例中，多个顺序层中的每一个的至少一部分由与相邻层的相邻部分相同的材料混合物或成分制成，但是本公开不限于此，并且可以包括具有不同材料混合物的相邻层和/或成分。
可以使用结合剂(binder)或粘合剂(adhesive)将第一层和多个顺序层结合在一起以形成模具或部件的部件。结合剂或粘合剂可以简单地用作粘合剂，或者它可以与第一层的材料发生化学反应以将它们结合在一起。在一些实施例中，结合剂或粘合剂可以在通过层叠装置沉积之前在材料成分内混合，结合剂或粘合剂可以通过层叠装置的单独的喷嘴施加并同时施加材料成分，或结合剂或粘合剂的层可以沉积在材料成分的层之间。在一些实施例中，当与材料成分分开施加时，结合剂或粘合剂可以通过层叠装置选择性地放置在沉积材料成分的某些区域。结合剂或粘合剂的选择性放置可用于限定所形成的部件/模具的最终形态，因为在一些情况下，只有与结合剂或粘合剂充分紧密接触的材料成分的区域才能结合在一起以形成部件。
如图1所示，在一个或多个实施例中，用于模具或部件的添加制造工艺可以从模具或部件的CAD模型开始，并且确定其在“构造箱(build box)”内的位置，“构造箱”也称为衬底或区域，其中材料使用计算机辅助接口40进行添加制造仪器的沉积。在一些实施例中，模具或部件的多个CAD模型可以排列在构造箱内，以通过在相同沉淀期间完成多个模具或部件来最大化添加制造过程的效率。可以分析CAD模型以绘制将要沉积的每个层的详细信息，从而允许将添加制造机器编程为形成每个层。
然后，添加制造工艺可以通过在添加制造仪器的构造箱的材料化合物层的沉淀进行52。然后将结合剂或粘合剂施加到构造箱的特定区域，其中部件或模具将根据构造箱中CAD模型的放置54位于造箱的该特定区域。例如，基于在构造箱中的模型的放置的计算机辅助图案指示施加结合剂或粘合剂的位置。在一些实施例中，可以通过喷涂结合剂或粘合剂来实现将结合剂或粘合剂施加于构造箱的特定区域。例如，使用类似于喷墨印刷的技术，将结合剂材料喷涂在构造盒的要形成物体的位置，并在该位置将颗粒接合。在将结合剂或粘合剂施加到一层颗粒之后，另一层材料成分可以散布在添加制造仪器的构造箱上52，然后可以在新材料成分层的指定区域上施加另一道结合剂或粘合剂，以形成模具或部件的第二层54。使用已知方法将颗粒层散布在构造箱上，例如，料斗可以将粉末供给到臂，其可以在盒子行进时散布粉末。将材料成分层叠到整个构造箱，然后将结合剂或粘合剂施加到指定区域，重复该过程直到形成模具或部件所需的所有层都被沉积为止。然后可以从构造箱中收获或移除模具或部件用于进一步加工，或者作为成品模具或部件。只要存在松散粉末逸出的孔或通道，从粉末床(即，粉末不包含结合剂或粘合剂的区域)获得的支撑允许产生悬垂(overhang)、底切(undercut)和内部体积。
进一步的处理可以包括清洁模具或部件以去除松散地连接或以其他方式不结合到模具或部件的任何材料成分56。在一些实施例中，进一步的加工可以包括加热以帮助固化和固结的模具或组部件变成结实并且适当地结合在一起的能够具有其预期功能的块。在一些实施例中，通过添加制造方法形成的模具或部件可以被渗透以进一步加强材料成分的粘合。例如，当形成部件时，可以用铜基合金渗透钨粉，以加强部件。
本文的添加制造组件可以是能够使用CAD或其他模型作为模板或引导件来制造部件或模具的任何合适的装置。能够组装如图1所描述的零件或模具的合适的商业可得的添加制造组件包括从位于宾夕法尼亚州北亨廷顿的The ExOne公司可得的S-MAX，S-PRINT，M-PRINT，M-FLEX和/或XI-LAB。
图2示出了根据一个或多个实施例的使用添加制造来制造零件100的方法的示意图。如参考图2且在整个申请中所使用的一样，术语“零件”广泛地用于包括通过添加制造所制造的工件或零件。如上，添加制造方法可以被用于制造模具(其中制造工具或工具部件)或工具部件，并且术语零件包括模具或工具或工具部件。如上，添加制造允许通过在计算机控制下将少量材料串行地添加到不断变化的几何形状来创建零件100。该方法包括使用CAD系统110来设计零件100。当零件100是其中制造工具或工具部件的模具时，该设计可以涉及模具的设计或在该模具中制造的工具或工具部件的设计。CAD系统110可以是或包括计算机辅助设计的任何软件，其能够在三维中为零件100提供几何形状或数字设计105。数字设计105可以由层叠装置120用作模板或引导件，以制造零件100。如图所示，用于形成零件100的材料130的可流动形式被传过层叠装置120的至少一个喷嘴140，并按照CAD系统110的设计逐层沉积以形成零件100。然而，如上，其它层叠装置也可被使用，包括其中材料层和粘合剂或结合剂层重复添加在彼此之上的层叠装置。
CAD系统110可以包括一个或多个计算机112，其可以包括一个或多个中央处理单元114，一个或多个输入和/或输出装置或键盘116以及可以在其上执行软件应用的一个或多个监视器118。计算机112还可以包括存储器111。除了其它目的之外，输入和/或输出装置可以用于通用接入和语音识别或命令。监视器118可以是触摸敏感的，以用作输入装置以及显示装置。
计算机112可以经由网络接口117与支持计算机或处理器115、其他数据库和/或其他处理器或因特网进行接口。应当理解，术语“接口”是指任何可能的外部接口，有线或无线。还应当理解，数据库113、处理器115和/或其他数据库和/或其他处理器，其他处理器不限于使用网络接口117与计算机112进行接口，并且可以以任何足够以在计算机112和数据库113、处理器115和/或其他数据库和/或其他处理器之间创建通信路径的方式与计算机112接口。例如，数据库113可以经由USB接口与计算机112接口，而处理器115可以经由一些其他高速数据总线而不使用网络接口117进行接口。计算机112、处理器115和其他处理器可以被集成到多处理器散布式系统中。
虽然计算机112被示出为可以在其上执行本文讨论和描述的方法的平台，但是本文讨论和描述的方法可以在任何平台上执行，例如在具有计算能力的任何装置上。例如，计算能力可以包括访问通信总线协议的能力，使得用户可以与可以分散或集中的许多各种的计算机112、处理器115和/或其他数据库和处理器进行交互。这些装置可以包括但不限于超级计算机、阵列服务器网络、阵列存储器网络、阵列计算机网络、分布式服务器网络、分布式存储器网络、分布式计算机网络、台式个人计算机(PC)、平板PC、手持PC、笔记本电脑、蜂窝电话、手持音乐播放器或具有计算能力的任何其他装置或系统。
程序或软件可以存储在存储器111中，并且中央处理单元114可以与存储器111、输入装置116和输出装置118协同工作，以为用户执行任务。存储器111可以包括但不限于当前可用或可能在本领域可用的任何数量和组合的存储器件。例如，存储器装置可以包括但不限于数据库113、其他数据库和/或处理器、硬盘驱动器、磁盘驱动器、随机存取存储器、读取存储器、电可擦除可编程读取存储器、闪速存储器、拇指驱动器内存和任何其他内存装置。本领域技术人员熟悉可以使用存储装置的许多变型，并且本文的实施例不应限制于存储器装置配置和/或算法检测技术。存储器111可以存储能够提供数字设计105的计算机辅助装置的操作系统和/或任何软件。操作系统可以使用中央处理单元114来加速、控制和执行软件。任何可用的操作系统可以以这种方式使用。中央处理单元114可以根据用户请求或自动地执行软件。
仍然参考图2所示，层叠装置120可以是或包括能够使用数字设计105作为模板或引导件来制造零件100的任何装置。层叠装置120可以在一个或多个过程中从CAD系统110的数字设计105制造零件100，例如通过制造部件的分开的部分，然后将分开的部分组装在一起形成部件。可以使用任何合适的层叠装置120。除了上述那些之外，其它合适的市售层叠装置120包括但不限于PROJET 1000、PRO JET 1500、PROJET SD 3500、PROJET HD 3500、PROJET HD 3500PLUS、PROJET 3500HDMAX、PROJET CP 3500、PROJET CPX 3500、PROJET CPX3500PLUS、PROJET 3500CPXMAX、PROJET 7000、PROJET 6000、PROJET 5000、PROJET DP3500、PROJET MP 3500、ZPRINTER 150、ZPRI TER250、ZPRINTER 350、ZPRINTER 450、ZPRINTER 650和/或ZPRINTER 850，它们可从位于南卡罗来纳州哥伦比亚的3D SystemsCorporation获得。然而，还有许多这家和其它制造商的可商购的装置也可用于添加制造。
如上，用于形成零件100的材料130可以流过在顺序层的层叠装置120的喷嘴140，以构建数字设计105的几何形状。然而，可以使用各种类型的层叠装置沉积不同形式的材料来构建数字设计105的几何形状。例如，层叠装置的材料沉积可以包括喷涂凝胶、液体或浆料；印刷凝胶、浆液或固体；铺展固体或凝胶；熔化液体或固体；熔化固体；并使用广泛的技术固化液体。层叠装置120可以沉积具有与相邻和预先沉积的层的尺寸对应的尺寸的一个或多个第二层或后续层，使得最终部分的横截面形状沿着部件的高度是均匀的。在其他实施例中，层叠装置可以沉积具有与相邻和预先沉积的层的尺寸不同的尺寸的一个或多个第二或后续层，使得最终部件的尺寸和/或横截面形状可以沿着它的高度变化。
根据本公开实施例的由添加制造方法制成的模具(或部件)可以通过沉积多个层来构建模具(或部件)几何形状，每个层制造于或包括一种或多种陶瓷复合材料、石墨、隔热材料和/或低电阻金属，以形成模具(或部件)的一个或多个不同区域。层的最小厚度受到正被层叠的材料的颗粒尺寸的限制，最小层厚度等于或大于被层叠的特定材料的直径。例如，在一些实施例中，每层可以具有0.0003至0.02英寸(例如，0.003至0.020英寸)的厚度。不同层的数量可以例如从小于约100、200、500或1,000的下限变化到100、200、500、大于500、大于1,000、大于2,000、大于5,000、大于10,000或大于100,000的上限，其中任何下限可以与任何上层组合使用，这取决于沉积的颗粒的尺寸和所制造的模具的尺寸。然而，可以使用任何层厚度和任何合适数量的层。
在一些实施例中，可以用层叠装置的多次通过将多种类型的材料(例如，具有形状、尺寸或化学成分的差异的材料)施加在单层。例如，第一成分(具有第一形状、大小和/或化学成分)可以通过层叠装置沉积在层的第一区域中，并且第二成分(具有第二形状、尺寸和/或化学成分)可以通过层叠装置的单独通过在该层的第二区域中进行沉积，使得沉积层具有由第一成分和第二成分形成的至少两个不同区域。在其它实施例中，第一成分和第二成分的材料混合物(至少具有与第二成分不同的形状、尺寸或化学成分的第一成分)可以在层叠装置的单次通过中沉积，或者可以是在层叠装置的两次通过中按顺序沉积。例如，层叠装置可以具有两个或更多个喷嘴，其中每个喷嘴可以在单次通过期间将不同的材料同时沉积在层的不同区域中。在另一示例中，层叠装置可以具有两个或更多个喷嘴，其中每个喷嘴可以在通过期间同时沉积不同的材料以形成复合材料层，例如陶瓷材料和粘合剂或有机结合剂的组合。在其它实施例中，第一成分和第二成分的材料混合物可以均匀地沉积在整个构造箱中，并且粘合剂或结合剂可以被施加在用于形成模具或部件的沉积层的区域中。
根据本公开的实施例，制造用于井下工具的部件或用于形成井下工具(例如，模具)的部件的方法包括将材料混合物的第一层沉积在衬底上，材料混合物包括第一成分和第二成分，第一成分具有至少不同于第二成分的形状、尺寸或化学成分，并且至少部分地邻近第一层沉积多个连续层。连续层可以包括与在沉积第一层中使用的材料混合物相同的材料混合物，或者连续层中的至少一个可以包括基本上不同的材料混合物。如本文所使用的，衬底可以指在制造时与模具分离但支撑模具的平台或衬底，或者衬底可以指具有沉积在其上的第二或随后的层的任何模具层，这取决于制造阶段。例如，制造模具可以包括在与部件分离的衬底或底部上沉积第一层，然后第一层可以是沉积在其上的第二或随后的层的衬底。
第一和第二材料可以是用于期望的最终用途的任何合适的材料。例如，在制造模具时，可以选择第一和第二材料，使得模具在渗透中不与基质材料(例如，碳化钨)和渗透剂或结合剂(例如铜、镍、铁或钴基体合金)反应。在一些实施例中，可以选择第一和第二材料，使得它们在加热或冷却期间不具有在使用模具或工具时可预期的相变，并且不会随着温度的变化而发生热膨胀的突然变化。在一些实施例中，第一和第二材料可具有低热导率以帮助散热并具有高熔点(例如，大于约800℃，大于约1000℃，大于约1500℃或大于约℃)。在一些实施例中，第一和第二材料可被选择为具有高公差和表面光洁度，例如在0.01英寸内，0.005英寸内或0.002英寸内。在一些实施例中，第一成分和第二成分中的至少一种可以包括粉末状材料。本公开实施例中的粉末材料可以包括碳质材料，包括无定形碳、活性炭或片状石墨，结晶度为约0-100％，或约0-75％，或约0-50％，或约0-25％。此外，在一些实施例中，粉末状材料可以包括金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属氮化物或金属硅酸盐(其中金属包括金属和半金属(semi-metal)，例如硅)。在一些实施例中，粉末材料可以包括诸如硅、钛、钽、钼或钨的金属。在一些实施例中，粉末材料可以包括二氧化硅(二氧化硅)、硅酸锆(锆石)、碳化硅、氮化铝、无定形碳或石墨。然而，可以使用任何合适的材料。
通常，粉末材料的颗粒尺寸可以为约10nm至约400μm(例如，该颗粒可以在该范围内具有直径或最长尺寸)。在一些实施例中，粉末材料的颗粒尺寸可以为约1μm至约200μm。在一些实施例中，粉末材料的颗粒尺寸可以为至少约50μm，例如约50μm至约200μm。在一些实施例中，粉末材料的颗粒尺寸可以为约50μm至约100μm。在一些实施例中，第一成分和第二成分可各自独立地选自碳化硅、氮化铝、二氧化硅、锆石、无定形碳或片状石墨。在一个或多个实施例中，第二成分可以涂覆在第一成分上以形成材料混合物。如本文所用，术语涂层可以包括一种材料在另一材料上的连续涂层，固定到另一材料上并围绕其的多个颗粒，或与另一材料的表面反应并围绕其的多个颗粒。在一个或多个实施例中，粉末材料中的至少一种可以具有高于约2000℃的熔融或升华温度。在更具体的实施例中，粉末材料中的至少一种可以具有约2000℃至5000℃或约3000℃至5000℃的熔融或升华温度。
在一些实施例中，第一成分和第二成分中的至少一种可以包括在其沉积之前造粒的粉末材料，并且第一成分可以在沉积之前与第二成分被造粒。粒状粉末可以是基本上球形的并且具有如上的直径(例如约10nm至约400μm，约1μm至约200μm，约50μm至约100μm等等)。例如，在一些实施例中，可以通过造粒单一材料形成粒状粉末，而在其它实施例中，粒状粉末可以通过造粒至少两种不同材料形成(形状、大小或化学成分中至少有一种不同)。本文所用的术语“材料混合物”可以是通过造粒至少两种不同材料形成的混合物。在至少两种不同材料的造粒期间，材料可以形成基本均匀的颗粒。在其它实施例中，一种材料可以基本上限制在颗粒的内部，而另一种材料可以基本上在颗粒的外部形成具有芯-壳的颗粒(例如，壳粒子可以在芯粒子上聚集形成壳粒子的涂层)。可以通过首先将一种粉末材料造粒以产生第一颗粒，然后将第一颗粒与另一种粉末材料造粒以产生最终的芯-壳颗粒。然而，在一些实施例中，芯-壳颗粒可以由至少两种具有不同颗粒尺寸的粉末材料的直接造粒产生。在一些实施例中，颗粒的芯可以基本上包括具有较大颗粒尺寸的粉末材料，并且颗粒的外部可以包括具有较小颗粒尺寸的粉末材料，而在一些实施例中也可能相反。在使用粒状粉末的实施例中，构成颗粒的粉末的颗粒尺寸可以小至约10纳米，并且可以小于10μm。例如，可以将无定形碳和石墨(各自具有小于10μm的粒径)造粒，以形成直径为约50μm的球形复合颗粒。在这样的实施例中，球形复合颗粒可以包括芯-壳结构，其中无定形碳或石墨是核心，另一个是无定形碳或石墨是壳。在其它实施例中，石墨和/或无定形碳可以用二氧化硅、锆石和/或其它氧化物造粒，以形成直径约为50μm的粒状球形颗粒。在这样的实施例中，球形复合颗粒可以包括芯-壳结构，其中氧化物材料是芯并且碳材料是壳体(并且在一些实施例中，氧化物材料可以是壳体，碳材料可以是核心)。此外，通过造粒一种或多种成分，可以实现期望的颗粒尺寸和形状。
在一些实施例中，沉积的材料混合物可以具有约1-200W/mK的热导率。并且在一些实施例中，沉积的材料混合物可以具有约1-100W/mK，约1-50W/mK，约1-25W/mK，约1-20W/mK，或约1-10W/mK的范围的热导率。由具有较高热导率值的成分形成的部件可能能够以比具有相对较低热导率值的成分形成的部件更快地散发热量。当部件是通过上述沉积工艺制造的模具时，当使用模具生产工具或部件时，更快的散热可以允许更短的处理时间和增加的生产量。在一些实施例中，所使用的粉末材料中的至少一种可以具有约1-8W/mK的范围的热导率。在一些实施例中，所使用的粉末材料中的至少一种可具约10至150W/mK的范围的热导率。
如上，可以在制造期间提供至少一种粘合剂或结合剂以将第一层和连续的层粘合在一起以形成部件的几何形状。例如，结合剂可以是在其沉积之前被沉积的材料中的一种，也可以涂覆在或混合在之前被沉积的材料上，使得结合剂与被层叠装置沉积的材料同时沉积，或者结合剂可以与分别其余材料分开沉积。如上，在一些实施例中，可以在沉积形成部件的材料层之后沉积单独的粘合剂或结合剂层。在构建部件或模具的几何形状之后，可以例如通过加热或通过化学分解从部件中除去至少一种结合剂中的一种或多种。
合适的有机粘合剂可以是或包括一种或多种不溶于水或至少基本上不溶于水的蜡或树脂。蜡可以包括例如动物蜡、植物蜡、矿物蜡、合成蜡或其任何组合。说明性动物蜡可以包括但不限于蜂蜡、鲸蜡、羊毛脂、虫胶蜡或其任何组合。说明性的植物蜡可以包括但不限于巴西棕榈、小烛树或其任何组合。说明性矿物蜡可以包括但不限于地蜡和石油蜡(例如石蜡)。说明性合成蜡可以包括但不限于聚烯烃(例如聚乙烯)、多元醇醚酯、氯化萘、烃蜡或其任何组合。有机粘合剂还可以包括不溶于有机溶剂的蜡。不溶于有机溶剂的说明性蜡可包括但不限于聚二醇、聚乙二醇、羟乙基纤维素、木薯淀粉、羧甲基纤维素或其任何组合。说明性的有机粘合剂还可以包括但不限于淀粉和纤维素，或其任何组合。有机结合剂还可以包括但不限于微蜡或微晶蜡。微蜡可以包括通过脱油凡士林产生的蜡，其与石蜡相比可含有较高百分比的异链烷烃和环烷烃。其它合适的结合剂可包括例如硅酸钠、丙烯酸共聚物、阿拉伯树胶、波特兰水泥等。结合剂可以以固体或液体形式沉积。
所选的材料混合物可以沉积以形成部件的不同区域，这取决于例如所制备的部件的类型和部件的期望性质。例如，根据一些实施例，沉积以形成部件的一个或多个层可以包括第一材料混合物和第二材料混合物，其中第一材料混合物和第二材料混合物是不同的并且形成一个或更多的不同的区域。不同的区域可以为部件的不同部分提供期望的性质。例如，当部件是根据本文呈现的实施例制造的模具时，其可以形成为包括具有相对较高的绝热性能的区域，具有相对较高摩擦系数的区域和/或导电区域。而具有不同材料特性的区域的模具将另外通过将单独的部件组装在一起或通过执行随后的材料处理来制造，根据本公开的实施例的模具的不同区域可以使用本文公开的单一附件制造方法形成，从而允许模具形成为具有至少一个与该部件的其余区域的材料特性不同的材料区域的单一结构。在另一个实例中，用于其中期望其具有受控表面光洁度的部件的模具，例如随后钎焊切割元件的凹穴或孔。例如，在一些实施例中，模具(或部件)在一些实施例中可具有约20至约400微米的表面粗糙度，或者在一些实施例中小于200、100或50微米。在一些实施例中，模具或部件的特定区域(例如，对应于凹穴的那些部分)可具有高表面光洁度(例如，表面粗糙度为20至400微米)，并且模具或部件的其它区域可具有较低的表面光洁度(例如，表面粗糙度大于第一区域中的表面粗糙度)。
在一个或多个实施例中，可以在部件中形成不同类型材料的梯度，例如通过沉积不同比例成分的材料混合物，或通过沉积具有相似组成但具有不同粒径的材料混合物，逐层以构建部件的几何形状。在一些实施例中，层叠装置可以具有多个喷嘴，其中每个喷嘴以不同的速率沉积材料混合物的不同成分或不同颗粒尺寸的材料，以形成部件几何形状的一个或多个层。例如，在一些实施例中，材料混合物的成分可以以逐渐变化的量通过层叠装置的喷嘴沉积在整个层中，而层叠装置的一个或多个其它喷嘴可以将材料混合物的其它成分以变化的量沉积，以从而产生具有逐渐变化的成分比的材料混合物层。沉积的第一成分相对于材料混合物的剩余成分的量可以从沉积100％的第一成分和0％的剩余成分形成层的一部分，到沉积0％的第一成分和100％其余成分形成形成层的一部分，包括它们之间的任何比例。在一些实施例中，整个部件可以具有梯度成分，而在其它实施例中，部件的一部分可以具有梯度成分。在其他实施例中，具有多于一个喷嘴的层叠装置可以用于在整个单层中沉积具有不同粒径的单层，其中一个喷嘴可以沉积具有一个颗粒尺寸范围的材料，另一个喷嘴可以沉积具有不同颗粒尺寸范围的材料。通过层叠装置沉积的材料的颗粒尺寸范围可以取决于，例如待沉积的材料的类型，所形成的部件的区域，使用的层叠装置的类型以及部件设计中期望的孔隙的量，但是如上，其范围可以是纳米尺寸、微尺寸和较大尺寸。
如图3所示，用CAD系统12产生的部件设计10被传送到层叠装置14，层叠装置14然后可以开始通过使用水平面16将实体模型划分为薄横截面、二维、显示出所需部件形状的横截面外模线18的层。基于开始的横截面层，层叠装置14然后可以在平台或衬底上沉积模具材料20的薄层。模具材料可以是之前描述的材料混合物或材料的组合中的任何一种。然后可以使用喷头来将粘合剂喷射到要形成模具的材料层的那些区域中，形成具有跟踪的内模线22的模具。然后可以将另一层模具材料铺设在基于下一个横截面层形成的模具层上，并且可以重复该过程，直到构建模具24。如图所示，模具24可以形成有开口25，其允许沉积将成为设计10的材料或由CAD系统12产生的部件。在一些实施例中，CAD系统可以用于直接生成根据部件设计的模具设计，且该模具设计可以根据先前讨论的任何方法逐层沉积。在一些实施例中，使用CAD系统生成的部件的设计可以通过根据先前描述的任何方法逐层沉积材料混合物而直接形成部件。
在一些实施例中，用于形成部件的主体的材料混合物可以用粘合剂或结合剂涂覆。在这些实施例中，可以使用热源(例如，激光器)通过将材料混合物加热到涂层或结合剂的熔融温度来熔化来融化涂层或结合剂，该熔化温度可低于用于形成部件的材料混合物的熔融温度，从而使涂层或结合剂熔合。热源可以被配置为加热将形成模具或部件的材料混合物的部分。这可能导致用于形成部件的主体的材料混合物的结合，以及导致“未成熟(green)”状态部件的相邻层的结合。
生状态部件可更容易加工，这可以提高尺寸敏感区域的精确公差。可以通过改变涂层或结合剂、渗透剂或所使用的材料混合物或通过控制涂层或结合剂暴露的温度来控制生状态部件的稠度。在完成任何期望的机加工或其它处理后，生状态部件可以通过本领域已知的任何方式完全固化以产生最终部件。
在其他实施例中，层叠装置14精确地铺设限定模具横截面形状的材料层，其具有与要由模具形成的部件的相应CAD实体模型层的外部部件线18相当的内部模具线22。层叠装置14精确地铺设模具材料混合物20，构建与部件的相应CAD实体模型层的厚度相等的层，其中该层具有与对应的CAD层外部部件线18相当的内部模具线22。在这些实施例中，模具材料混合物可以是先前讨论的任何材料或其组合，涂覆有树脂或结合剂。随着每层被铺设，该层经受涂层或结合剂的熔融温度，熔化涂层或结合剂，并将模具材料混合物层以及其它层粘合在一起以形成生模具。与前述实施例一样，模具材料层也可以被烧结以在其最终固化状态下构造模具。
当使用上述方法制造模具时，可以制造整个模具(用于所需部件)，或者可以制造模具的一部分并且模块地连接到其他模具部分。例如，在制造拖曳钻头时，通常，保持切割器的刀片的部分是钻头的更可变部分。因此，对应于钻头的该部分的模具的底部部分将针对每个钻头设计专门地形成。然而，许多钻头包括与其他钻头相似的中间部分和顶部部分。例如，给定尺寸的六个刀片钻头可以具有与不携带切割器的刀片的部分(例如，量规)的相同尺寸的其它六个刀片钻头相似的几何形状。此外，对于类似尺寸的钻头，钻头的顶部可能非常相似。因此，中间部分和上部部分可以用于多个钻头设计。因此，模具的这些部分可以重复使用。
图4示出了根据本公开的实施例的模具组件的横截面图。模具部件包括具有井下切削工具主体的一般负形状的底模部分430。底部模具部分可以包括通常对应于工具主体的负形状的内模部分432，和形成为与内模部分432的外表面匹配的外部部分434或套筒。内模部分可以为每个特定钻头设计形成432，而外部部分434可以重复用于多个模具。内模可以具有在约0.25英寸至约12英寸，约0.5英寸至约2英寸，或约0.5英寸至约1英寸范围内的厚度。在一些实施例中，内模可以具有约0.25英寸，约0.5英寸的最小厚度。如图所示，内模部分432可以具有角底，但是可以使用任何合适的形状，例如内模部分432可以具有圆形形状。外部模具部分434可以由任何合适的材料制成，例如可以是加工成对应于内部模具部分的外表面的石墨块。外部模具部分434可以重复使用。虽然本实施例示出了分开的底部模具部分，但是也可以使用单个底部模具部分。此外，也可以使用多个内部和/或外部部分。漏斗环402装配在底部模具部分430上。
在一些实施例中，内容物410包括装载在钢坯420和渗透剂416周围的起始粉末412。起始粉末412可以是任何合适的材料，例如碳化物，例如碳化钨。渗透剂416(例如，金属结合剂如铜基结合剂)可以在起始粉末412上装载(例如，作为粉末或预切割块)，并且焊剂材料可以倾倒在渗透剂上和/或涂覆在渗透剂。然后可以将模具内的内容物加热到渗透剂416的流动或渗透温度，使得熔融的渗透材料渗入模具430内的起始材料412，并将起始材料的颗粒彼此和任何其它部件(例如钢坯420)粘合以形成实心切割工具主体。
根据本公开中提出的实施例可以通过使用模具形成的部件包括任何井下工具或用于井下工具的部件，例如，诸如PDC牵引钻头的钻孔钻头、钻石渗透钻头、滚子锥钻头或震动钻头；磨粉机；铰刀；铰刀块；电机；平衡器；或任何井下工具或其他井下工具的部件。例如，在一个或多个实施例中，通过本公开的方法制造的模具可以包括用于PDC钻头或PDC钻头的一部分的模具。这种模具可以包括对应于从钻头体延伸的多个叶片的模具特征以及多个叶片上的多个切割器凹穴。在钻头形成之后，或者使用具有高表面光洁度的位移形成切割器凹穴时，通常将切割器凹穴铣削成刀片，由本公开形成的模具可以在钻头形成期间形成切割器凹穴。因此，当钻头材料被倒入模具并被加热时，可以在该过程期间而不是随后形成切割器凹穴，或要求使用位移。虽然本申请的各方面已经描述本公开在井下工具中的使用，但是也可以为任何合适的目的形成模具和部件。
文章“一”和“一个”旨在表示在前述描述中存在一个或多个元素。术语“包含”，“包括”和“具有”旨在是包容性的，并且意味着除了所列出的元素之外可以存在其它元素。另外，应当理解，对本公开的“一个实施例”或“实施例”的引用不意图解释为排除还包括特征的其它实施例的存在。例如，关于本文实施例描述的任何元件可以与本文的任何其它实施例的任何元件组合。本文的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值以及“约”或“大约”值的其他值，如本公开的实施例所包括的本领域普通技术人员将理解到的。因此，所声明的值应被足够广泛地解释为包含至少足够接近值以执行所需功能或达到期望结果的值。值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化，并且可包括在值的5％、1％、0.1％或0.01％之内的值。
此外，应当理解，在前述描述中的任何方向或参考框架仅仅是相对方向或移动。例如，对“上”和“下”或“上”或“下”的任何引用仅仅是相关元素的相对位置或移动的描述。
鉴于本公开内容，本领域普通技术人员应当认识到，等同的结构不脱离本公开的精神和范围，且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对所公开的实施例进行各种改变、替换和变更。等效结构，包括功能性“机构加功能”项目旨在覆盖本文描述为执行该功能的结构，包括以相同方式操作的结构等同物，以及提供相同功能的等效结构。申请人的明确意图是，除“用于……的机构”的词句与相关功能一起出现之外，不调用对任何权利要求的机构加功能或其他功能性保护要求。落入权利要求的含义和范围内的实施例的每个添加、删除和修改将被权利要求所包含。

Claims (17)

1.一种形成用于制造井下工具的模具的方法，包括：
根据计算机辅助图案使用自动层叠装置沉积材料混合物和粘合剂的连续层，所述材料混合物包括第一成分和第二成分，所述第一成分至少具有与第二成分不同的形状、尺寸或化学成分，第一成分包括第一粒子尺寸，第二成分包括第二粒子尺寸，第一粒子尺寸不同于第二粒子尺寸，将所述第一成分或所述第二成分中的至少一种造粒，所造粒的第一成分或第二成分具有构成颗粒的多个粒子，所述多个粒子中的每个小于所述颗粒，多个粒子中的每个的粒子尺寸在10纳米和10微米之间，连续层的层包括第一区域和第二区域，第一区域比第二区域包括更多的第一成分。
2.如权利要求1所述的方法，其中将所述第一成分和所述第二成分一起造粒成均匀颗粒。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述颗粒具有从50μm至100μm的颗粒直径。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述材料混合物具有1-200W/mK的范围的热导率。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一成分和所述第二成分独立地包括无定形碳、活性炭或片状石墨。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一成分和所述第二成分独立地选自以下材料构成的组：硅酸锆、碳化硅、氮化铝、无定形碳及其组合。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一成分和所述第二成分中的至少一种具有范围为1-8W/mK的热导率。
8.如权利要求1所述的方法，还包括用所述粘合剂将所述材料混合物的连续层的一部分结合在一起。
9.如权利要求1所述的方法，其中在所述连续层的至少一部分的沉积期间，所述材料混合物变化，以产生部件，其中所述部件的至少一部分具有梯度成分，以使得所得到的模具具有带有第一表面光洁度的内表面的第一外部区域和带有第二表面光洁度的内表面的第二外部区域，第一表面光洁度不同于第二表面光洁度。
10.如权利要求9的方法，所述梯度成分包括从第一粒子尺寸到第二粒子尺寸的粒子尺寸梯度。
11.一种使用模具形成井下工具中所使用的部件的方法，包括：
基于计算机辅助设计使用自动层叠装置沉积包括粒状粉末的材料成分的连续层，粒状粉末具有第一粒子尺寸和第二粒子尺寸，第一粒子尺寸和第二粒子尺寸不同，连续层的层包括第一区域和第二区域，第一区域比第二区域包括更多的第一粒子尺寸，第一区域包括一个或多个切割器凹穴；
将所述材料成分的连续层的一部分结合在一起，以形成所述模具，以使得所得到的模具限定具有第一表面光洁度的一个或多个切割器凹穴和具有第二表面光洁度的内表面的外部区域，第一表面光洁度高于第二表面光洁度；以及
使用所述模具形成所述部件。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述粒状粉末具有从1μm至200μm的直径。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述粒状粉末具有1-200W/mK的范围的热导率。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述粒状粉末包括至少两种粉末状材料的混合物。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述至少两种粉末状材料包括第一成分和第二成分，所述第一成分和所述第二成分独立地选自由以下材料构成的组：无定形碳、金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属氮化物及其组合。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述至少两种粉末状材料包括第一成分和第二成分，所述第一成分和所述第二成分独立地选自由以下材料构成的组：硅酸锆、碳化硅、氮化铝、无定形碳及其组合。
17.如权利要求11所述的方法，还包括在沉积之前用结合剂材料涂覆所述粒状粉末。
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