CN108940769B - 浸渍方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种浸渍方法，该浸渍方法包括以下步骤：提供待浸渍的工件，将工件放置在容器内的浸渍剂浴相中，以及在浸渍周期期间在容器内进行振动体的振荡运动。振动体通过作用在浴相上而在浴相内产生振荡压力变化。该方法还包括在浸渍周期之后从浴相中移除工件。

Description

浸渍方法
技术领域
本公开涉及将材料浸渍到最终部件中的方法。
背景技术
本部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
目前，存在各种方法，通过上述各种方法可以基于设计数据生成如粉末或液体的无定形或形状中性材料的三维模型。这些增材制造方法(additive manufacturingmethod)也被称为通用术语“快速成型”。通常情况下发生转化步骤，在此期间，初始材料从一开始就以液态存在或在此期间液化并在预定位置硬化。对此的一种已知方法是所谓的熔体涂覆或熔融沉积建模(Fused Deposition Modeling，FDM)，其中工件由热塑性材料一层一层地构建。塑料例如以粉末或线料形式供应、熔化，并且通过压力头以熔融状态施加，压力头单独地一个接一个地沉积制造物体的通常水平的层。另外，已知的方法是将诸如塑料的粉末状材料逐层沉积并通过局部沉积或压印的粘合剂选择性硬化。在其他方法(例如选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS))中，例如借助刮片将粉末逐层施加到基板上。借助适当的聚焦辐射(诸如激光束)选择性地加热粉末，并由此烧结。在建造一层之后，基板略微下降并沉积新的层。可用于此的粉末是塑料、陶瓷或金属。在类似的方法(选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM))中，由辐射引入的能量的量是如此之大以至于一部分粉末熔化并凝结形成粘性固体。
增材制造方法的特别优点是它们的很大灵活性，即具有几乎任何期望的三维几何形状的部件可以在相对短的时间内制造，这也可以是有利的例如用于原型(prototype)或小批量的制造。但是，由于该过程，增材制造部件通常具有多孔结构，因此它不是气密的或者甚至液密的。如果需要这种特性，例如对于测试原型，则为了产生相应的密封性，可以在之后浸渍该部件。
在已知的浸渍方法的情况下，首先通常通过产生(部分)真空从工件内部的孔中除去空气，以促进浸渍剂的渗透。在所谓的干式真空方法中，抽真空发生在部件浸入浸渍剂之前，并且在湿式真空方法中，抽真空发生在浸渍完成之后。可选地，浸入工件的浸渍剂可以承受过压以加速浸渍过程。这些不同的方法基本上有效，但与高能量输入有关联并且只能用大量技术费用进行。特别是，从真空到过压的变化使已知的方法成本高昂。此外，在某些情况下，成功浸渍所需的时间可以达数小时。
文章“多孔烧结部件的超声波浸渍(Ultrasonic impregnation of poroussintered components)”(“苏联粉末冶金和金属陶瓷(Soviet Powder Metallurgy andMetal Ceramics)”，1964年9月，第1卷，第5期，第375-378页)公开了通过超声作用辅助浸渍过程。在这个过程中，除了其他部件之外，多孔部件被机油或熔融金属浸渍。
美国专利号5,288,521A公开了一种用于多孔材料工件的浸渍方法。将工件放入高压釜中，然后密封并抽空。此后，将浸渍剂引入高压釜中，以使工件被浸渍剂覆盖。在浸渍期间，高压釜通过振动器进行振动，这意味着实现浸渍周期的减少。
美国专利申请号2005/0065260 A1公开了一种用于制造用于装饰或建筑用途的物体的方法。将多孔石的基体置于容器中并用浸渍剂覆盖。然后使浸渍剂硬化并对浸渍的物体进行机械加工。在浸渍过程中，可以通过将容器置于真空室中将基体抽真空。可选地，容器也可以放在轻微振动中，这在许多情况下是有利的。
美国专利号3,842,796公开了一种用于处理木材、纺织品和其他物质的装置，在该装置中，处理腔被分成上部和用以接收处理剂的下部。待处理材料的载体可以通过提升装置在处理腔的上部和下部之间移动，以便将待处理材料浸入位于下部的处理剂中，并且然后将其返回到处理腔的上部。处理腔中的压力可以相对于周围的压力而改变，并且尤其可以提供，在浸入处理剂之前产生部分真空。根据一个实施例，该部分真空可以具有振荡作用。
美国专利申请公开号2005/0244586 A1公开了一种用于木制工件的浸渍方法，其中首先用薄的浸渍剂涂层被覆盖工件的表面。在此之后，将声波发生器定位成使其浸入涂层中，但不接触工件，声音的传播方向和木纹方向之间的特定角度是优选的。在比较实验中，将工件完全浸入浸渍剂中并且进行超声波处理。
EP 0 172 304 A2公开了一种用液体浸渍剂浸渍多孔部件或铸造或烧结金属部件的装置。被浸渍的部件被包含在具有可渗透壁的篮子中，该篮子被放置在旋转支撑的离心机中的紧密密封容器的上部中。在容器的下部设置有用于浸渍剂的盆，该盆可以向上移动以使篮子浸入浸渍剂中。
美国专利号4,196,231 A公开了一种例如用于电子部件或多孔铸件的浸渍装置。它具有用于浸渍剂的可抽真空容器，在其顶端设置有用于旋转篮的支架。该支架包括一个单独的调心轴承，该调心轴承由一个托架固定，该托架可以通过扩散装置夹紧到容器的上边缘。
美国专利号7,503,976 B2公开了用于浸渍部件的系统，该系统具有浸渍装置以及设置在下方的离心站。浸渍装置具有在侧壁上具有入口的可封闭的容器。在容器内部设置升降装置，在该升降装置上放置部件保持件，部件保持件的部件由升降装置下降到容器下部的浸渍液中之前被浸渍。离心站具有用于保持浸渍部件的离心机托架，所述浸渍部件通过第一顶部轴承和第二底部轴承安装并且能够旋转。
鉴于所引用的现有技术，部件(特别是增材制造的部件)的有效浸渍仍然有改进的余地。
发明内容
本公开提供了用于有效浸渍部件的方法。
应该指出的是以下描述中单独列出的特征和措施可以以任何给定的、技术上有意义的方式彼此组合并且指示本公开的进一步的形式。说明书还特别结合附图来表征和指定本公开。
本公开提供了一种浸渍方法。在第一步中，提供待浸渍的工件。特别地，待浸渍的工件可以是至少部分通过增材制造方法制造的工件。可以使用不同的制造方法，例如FDM或SLS。制造方法可以基于颗粒状材料(例如粉末或颗粒)，该颗粒状材料可以包括例如塑料、陶瓷或金属。可选地，浸渍的开始还可以在实际增材制造方法之后进行加工，例如切割加工表面。在任何情况下，对于工件的至少一部分具有多孔结构，使得对于某些目的(例如当期望对液体或气体的紧密性时)浸渍成为可能并且期望的。工件可以是原型，但根据本公开的浸渍方法也明确地适用于批量生产。
在下一步中，将工件放入容器内的浸渍剂的浴相中。可以想到各种形式，其中例如当只需要部分工件被浸渍时，工件仅部分地放置在浴相中。通常，工件完全被放置或浸没。根据本公开的一种形式，放置至少部分地自动完成。当然，工件可以由保持装置(例如抓爪、钩子、篮子等)保持。可选地，这种保持装置也可以同时保持几个工件。为了将工件放置在浸渍剂的浴相中，可以将保持装置移入容器中或者将容器向上移动至保持装置。浸渍剂用于渗入工件的多孔结构并且至少部分地封闭空腔。浸渍剂最初是液态的，但在浸渍工件后通常会硬化。例如通过与空气、湿气、辐射或其他因素接触，可以启动或加速这种硬化。
在将工件放入浴相中之后，在浸渍周期期间在容器内发生振动体的振荡运动，其中振动体通过作用于浴相上而在浴相内产生振荡压力变化。这明确地包括在引入工件之前和/或引入工件期间振动体已经发生振荡运动的可能性。另一方面，振荡运动可以不是在整个浸渍期间发生，而是例如间歇性地中断。
振动体的运动是振荡的，即发生方向的反复变化。该运动可以是线性的，但也可以考虑例如可以被看作是由两个振荡线性运动组成的运动的圆形或椭圆形运动。运动随时间的变化可以至少对应于基本(正弦)振荡的间隔，但是这样的基本振荡也可以具有叠加在其上的谐波。特别是，基本振荡频率也可以随时间变化。这对振动体的运动幅值也是适用的。术语“振动体”意味着其运动也可以称为振动。工件在浴相中的放置和振荡运动的开始之间可以出现一定的时间间隔，但为了快速执行该方法，可以不需要很长的延迟。振动体作用在浴相上，即振动体在其表面的至少一部分与浴相接触。作用在浴相上的力或压力主要发生在接触区域中。但是振动体也可以是一种活塞，该活塞在容器的圆柱形部段中移动，活塞的一个端面与浴相接触。当然，驱动器(例如电驱动器)可以用于振动体的运动。
在浸渍周期之后，将工件从浴相中移出。这可以会通过将带有工件的保持装置从容器移出或者通过相对于保持装置向下移动容器再次发生。任选地，可以进行进一步的步骤以除去过量的浸渍剂(例如使其脱离)。此外，工件的孔内的浸渍剂的硬化步骤也可以随后进行。例如，根据哪些条件促进浸渍剂的硬化，工件可以暴露于辐射或加热。
由于振动体的振荡运动又导致浴相内的振荡压力变化，所以靠近表面的工件的区域也暴露于振荡压力。因此，在部分真空和过压之间存在切换，于是仍然存在的气体在部分真空阶段从孔中被拉出，而过压阶段浸渍剂被迫进入孔中。部分真空阶段和过压阶段以振荡方式交替，而每个阶段本身可以很短。可以说，根据本公开的方法中的动作是基于部分真空阶段的总和以及过压阶段的总和。已经发现，这实现了有效的浸渍，质量不劣于使用更持久的真空和/或更持久的过压的传统方法。此外，已经发现与传统方法相比，本公开的方法需要较短的浸渍周期，即根据本公开的方法是非常具有时效的。此外，与传统方法相比，能量输入减少。这一方面由于持续时间较短，另一方面由于这样的事实，即可以用比永久的部分真空或过压更少的能量输入产生振荡和可能的轻微压力变化。此外，设备费用可以降低，因为不需要高功率泵来产生真空和/或过压，并且也不需要特别耐压的容器。
如已经提到的那样，根据本公开的方法没有真空或过压的永久效应。在引入工件之前、在引入工件过程中和/或在引入工件之后，在浴相上存在气压，浴相上的气压与大气压相差至多10％并且根据一种形式等于大气压。大气压在这里意味着环境中的气压，通常在0.9巴(bar)和1巴之间。取决于浸渍剂的要求，浴相上方的区域(即在浴相表面处)可以包含空气或另一种气体(例如惰性气体)。工件可以放置在浴相中，而不必事先通过抽真空从工件的孔中除去空气或气体-类似于现有技术的湿法真空方法。因此，在引入工件之前和在引入工件的过程中，大气压或与大气压略有不同的压力可以存在。同样在将工件引入浴相中之后，在浴相外部或上方大气压(或与其略微不同的压力)可以存在。这与例如湿法真空法以及在浸渍浴相上方产生过量压力以迫使浸渍剂进入工件的孔中的方法相反。关于浴相上方的气压的陈述是指时间平均值，不考虑空间和时间上有限的任何压力波动，例如由于声波引起的压力波动。
为了更好地判断浸渍过程的有效性，确定浴相中的压力幅值是有利的。尽管测量点处的压力幅值可能与工件表面的压力幅值不同，但至少可以获得关于那里的压力关系的定性推论。通常，当前存在的压力由与浴相接触的压力传感器测量，并且幅值可以随着时间的推移从其振荡行为确定。通常测量最小值和最大值并将其保存在存储器中，并且将这两个值的一半差值定义为幅值。
浸渍周期取决于所确定的压力幅值来确定。也就是说，浸渍周期的长度或其结束取决于哪个压力幅值已经确定。通常，这意味着更大的压力幅值导致浸渍周期缩短。但是，这里可以想到不同形式的方法。典型地，浸渍周期的长度小于30分钟。
出于能量效率的原因，可以期望在浸渍周期结束之后停止振动体。这可以发生在工件从浴相中取出之前，甚至发生在工件从浴相中取出之后。或者，可以想象的是例如在批量生产期间连续操作振动体。
可以将振动体视为振荡系统的激励器，该振荡系统包含浴相、工件以及可能还有容器。该系统具有最大振荡幅值发生的共振频率，表现为相对于浴相的最大压力幅值。总体上，可以假定浸渍过程增强了，因为激发大致随共振频率发生。为了利用这一点，在一种形式中，控制单元可以改变振动体的运动频率以便增加压力幅值。控制单元例如可以包含微处理器，微处理器接收压力传感器的信号并且就其本身而言致动振动体的驱动。控制单元可以例如以一定的初始频率致动振动体并且确定压力幅值。然后可以增加或减少频率并且再次确定压力幅值。如果压力幅值由于频率变化而下降，则控制单元在相反的方向上改变频率。如果这导致压力幅值的增加，则频率可以再次在相同方向上改变。否则，频率改变可以以较小的增量完成。当然，这只是一种可能的程序，并且其他策略对于找到共振频率也是可以想象的。在某些情况下，甚至不需要达到共振频率，而是可以足以在共振频率方向上改变频率。
如上所述，浸渍周期的长度可以取决于压力幅值。根据一种形式，控制单元在压力幅值达到预定阈值时结束浸渍周期。该阈值可以取决于工件的尺寸和材料或可能在前的增材制造方法的类型。也可以考虑对浸渍剂类型的依赖性。在任何情况下，阈值被认为是已经发生初始存在于工件中的孔的令人满意的排空并且已经充分用浸渍剂填充排空的孔的指标。当达到阈值时，控制单元直接或以一定的延迟建立浸渍周期的结束。如果阈值长时间被超过和/或以显著的方式被超过，则可能导致工件或浸渍装置的损坏。
如上已经解释的，在根据本公开的方法中不需要产生持久的真空或过压。由于这个原因，容器一般都不需要压力密闭。然而可选地，可以提供在引入工件之后容器被关闭。关闭可以例如通过关闭工件被引入容器中的开口的出入舱口盖来完成。该容器可以是液密的或甚至是气密的关闭。
根据该方法的一种形式，工件被引入到容器的第一室中，该第一室经由连接通道与第二室连通，振动体设置在第二室中。如上所述，第二室可以形成用于活塞形振动体的一种缸体。连接通道构成横截面比第一室和第二室的横截面窄的区域。
在本公开的一种形式中，相对于第一室确定压力幅值。这应该被理解为是指在第一室中执行压力幅值的确定所基于的压力测量，并且确定第一室中存在的压力幅值。这是有利的，因为第一室中的压力幅值的测量值与工件表面处的压力幅值之间的关系比第二室中的压力幅值与工件表面处的压力幅值之间的关系更接近。特别地，可以设想的是由于阻尼效应，靠近振动体的第二室中的幅值远大于离振动体的较大距离处的幅值。在这种情况下，第二室中的测量可以会导致结果失真。
根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，而不意图限制本公开的范围。
附图说明
为了可以很好地理解本公开，现在将描述其各种形式，其作为示例给出参考附图，其中：
图1是执行根据本公开的方法的装置的示意图；以及
图2是示出根据本公开的教导的测量压力相对于时间绘制的曲线图；
这里描述的附图仅用于说明目的，并不意图以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本公开、应用或用途。应该理解的是在整个附图中相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
图1以示意图的形式示出了浸渍系统1，利用该浸渍系统1可以实施根据本公开的方法。浸渍系统1包括可以通过活动盖3关闭的容器2。容器2内部形成较大的第一室4和较小的第二室6，第二室6通过连接通道5连接到第一室4。两个室4、6以及连接通道5都填充有浸渍剂的浴相7。浸渍剂可以是例如树脂。邻近第一室4设置有压力传感器8和共振传感器9，该压力传感器8和共振传感器9连接到控制单元10(之后也称为CPU 10)。CPU 10接收传感器8、9的测量值。依次地，CPU 10驱动电驱动器11，电驱动器11驱动第二室6中的活塞12。共振传感器9在此是可选的并且也可以省略。
例如，系统1被设计用于增材制造工件20的浸渍，该增材制造工件20可以是原型。例如，在通过FDM或SLS制造工件20之后，其仍然具有许多微小孔隙，结果是工件20既不是气密的也不是液密的。对于需要这种密封性的应用，工件20被浸渍如下：
首先，工件20被保持装置13放置或接收，这里示意性地示出。
然后通过将保持装置13降低到容器2中而将工件20引入到浴相7中。没有对工件20进行排空，而是在引入之前和在引入期间在浴相7上方存在大气压。
在工件20已经设置在容器2中的预定位置并且盖3已经关闭之后，CPU 10致动驱动器11，从而使得驱动器11移动活塞12以预定的起始频率振荡。该运动可以是正弦曲线。活塞12以振荡压力作用在浴相7上，总体上在浴相内产生振荡压力变化。该振荡压力变化通过第二室6和连接通道5传播到第一室4中。这导致工件20的表面区域中的振荡压力变化(即在真空之间发生变化)，导致工件20内部的孔的排气，以及过压导致浸渍剂渗透到孔中。
此外，这些压力变化由压力传感器8记录。可选的共振传感器9可以检测压力变化的频率。CPU 10因此获得关于由活塞12的运动引起的压力变化的反馈。具体地，通过比较最小值和最大值，可以确定压力幅值。该压力幅值一方面取决于活塞12的运动幅值，但也主要取决于活塞12的运动频率。从初始频率开始，CPU 10开始改变运动频率以增加压力幅值。当运动频率接近系统的共振频率时，所确定的压力幅值大大增加，如在图2中以简化形式再现的那样，其将浴相7内测量的压力p绘制为时间t的函数。当活塞12的运动频率达到共振频率或达到足够接近该共振频率时，压力幅值与由CPU评估的预定阈值相交叉作为已经通过真空和过压的交替实现工件20的充分浸渍的标志。一旦发生这种情况，CPU就停止驱动器11，并且浸渍的工件20可以通过保持装置13从容器2中取出。驱动器11的停止抑制了工件20和/或浸渍系统1的可能损坏。
然后可能发生可选地使过量浸渍剂从工件20的表面脱离。取决于浸渍剂的种类，可以采用不同的方法(辐射、加热等)来启动或加速浸渍剂的硬化。
本公开还包含使用所描述的浸渍系统1来浸渍增材制造工件20。
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且因此不偏离本公开的实质的变化旨在包含在本公开的范围内。这样的变化不被认为是偏离本公开的精神和范围。

Claims (18)

1.一种浸渍方法，包含：
提供待浸渍的工件；
将所述工件的至少部分放置在含有浸渍剂的浴相的容器中；
在浸渍周期期间在所述容器内进行振动体的振荡运动，其中所述振动体通过作用在所述浴相上而在所述浴相内产生振荡压力变化，其中控制单元改变所述振动体的运动频率以增加压力幅值；
用压力传感器测量所述压力变化；
利用共振传感器测量所述压力变化的频率；以及
在所述浸渍周期后将所述工件从所述浴相中移出；
其中所述控制单元基于从所述压力传感器和所述共振传感器接收到的测量值来确定压力幅值。
2.根据权利要求1所述的浸渍方法，其中在引入所述工件之前、在引入所述工件期间和在引入所述工件之后中的至少一个中，在所述浴相上方存在与大气压相差至多10％的气压。
3.根据权利要求1所述的浸渍方法，其中在引入所述工件之前、在引入所述工件期间和在引入所述工件之后中的至少一个中，在所述浴相上方存在等于大气压的气压。
4.根据权利要求1所述的浸渍方法，其中确定所述浴相中的压力幅值。
5.根据权利要求1所述的浸渍方法，其中所述浸渍周期基于确定的压力幅值来确定。
6.根据权利要求1所述的浸渍方法，其中在所述浸渍周期结束之后，所述振动体停止。
7.根据权利要求1所述的浸渍方法，其中当所述压力幅值达到预定阈值时，所述控制单元结束所述浸渍周期。
8.根据权利要求1所述的浸渍方法，其中在将所述工件放置在所述容器中之后，所述容器被关闭。
9.根据权利要求1所述的浸渍方法，其中所述工件被放置在所述容器的第一室中，所述第一室经由连接通道与第二室连通，其中所述振动体设置在所述第二室中。
10.根据权利要求9所述的浸渍方法，其中确定所述第一室中的压力幅值。
11.一种浸渍方法，包含：
将工件放置在含有浸渍剂的容器中；
致动驱动器，所述驱动器构造成在浸渍周期期间以振荡的方式移动振动体以在浴相内产生振荡压力变化；
用压力传感器测量所述压力变化；
利用共振传感器测量所述压力变化的频率；以及
在所述浸渍周期后将工件从所述容器中取出，
其中控制单元CPU基于从所述压力传感器和所述共振传感器接收到的测量值来确定压力幅值，并且所述控制单元CPU基于所述确定的压力幅值来控制所述驱动器，所述控制单元CPU改变所述振动体的运动频率以增加所述压力幅值。
12.根据权利要求11所述的浸渍方法，其中在引入所述工件之前、在引入所述工件期间和在引入所述工件之后中的至少一个中，在所述浴相上方存在与大气压相差至多10％的气压。
13.根据权利要求11所述的浸渍方法，其中在引入所述工件之前、在引入所述工件期间和在引入所述工件之后中的至少一个中，在所述浴相上方存在等于大气压的气压。
14.根据权利要求11所述的浸渍方法，其中所述浸渍周期基于所述确定的压力幅值来确定。
15.根据权利要求11所述的浸渍方法，其中当所述压力幅值达到预定阈值时，所述控制单元CPU结束所述浸渍周期。
16.根据权利要求11所述的浸渍方法，其中在所述浸渍周期结束后，所述振动体停止。
17.根据权利要求11所述的浸渍方法，其中所述工件被放置在所述容器的第一室中，所述第一室与第二室流体连通，其中所述振动体被设置在所述第二室中。
18.根据权利要求11所述的浸渍方法，其中在将所述工件放置在所述容器中之后，所述容器被关闭。
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