CN109414633B - 过滤器元件和制造过滤器元件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于过滤流体的过滤器元件(102)可以使用激光制造工艺(201)由粉末金属(220)制造。将粉末金属(220)沉积在制造平台(210)上的层中并且朝向材料层(230)引导激光束(242)使得粉末金属颗粒熔合在一起以形成过滤器元件(102)的第一部件(232)。粉末金属(220)的连续层(250)可以沉积在第一部件(232)上并且也用激光束熔合以形成另外的部件(252)。在制造工艺(201)期间，激光束(242)的功率或扫描速率可以被改变，使得过滤器元件(102)的形成层可以具有不同的孔隙率特性，例如，某些部分是流体可渗透的并且其它部分是流体不可渗透的。
Description
技术领域
该专利公开总体上涉及用于过滤流体的过滤器元件，并且更特别地涉及制造具有可渗透流体流的多孔部件和不可渗透流体的固体部件的过滤器的方法。
背景技术
过滤器广泛用于多种应用中以从液体和流体去除污染物。用于过滤流体的过滤器应用的示例包括食品和饮料加工、医疗保健应用、以及汽车和动力机械工业，其中内燃机燃烧燃料以产生机械动力。例如，过滤器通常用作内燃机的燃料系统的一部分以过滤从燃料箱引导到燃烧室的燃料以去除否则会堵塞喷射器和/或不利地影响燃烧过程的污染物。除了各种应用之外，过滤器以许多不同的构造、尺寸和形状可获得，其可能取决于特定应用。
然而，在汽车或燃烧式发动机领域，一种常用的过滤器构造将包括对于工艺流体的过滤是流体可渗透的过滤介质和过滤介质布置在其中的刚性的、不可渗透的壳体。壳体可以互连或限定各种通道以引导进入的流体通过过滤介质并离开过滤器。过滤介质的示例可以包括配合纸、金属网筛、多孔材料或颗粒筛，而壳体的材料可以是固体金属、玻璃或陶瓷。为了便于过滤介质在壳体内的组装和定位，过滤介质通常被构造为过滤器滤芯或元件，其可以包括与壳体接口的一些非渗透性或固体部件。本公开涉及具有流体可渗透和不可渗透部件的过滤器元件，并且涉及用于这样的示例性应用的制造该过滤器元件的方法。
发明内容
在一个方面，本公开描述了一种通过激光制造工艺由粉末金属材料制造的过滤器元件。所述过滤器元件包括第一部件，所述第一部件对应于过滤介质并且具有可渗透流体流的第一孔隙率。所述过滤器元件也包括第二部件，所述第二部件对应于所述过滤器元件的固体部件并且具有第二孔隙率，所述第二孔隙率小于所述第一孔隙率并且不可渗透流体。所述第一部件和所述第二部件由熔融粉末金属制成，并且通过激光束彼此相邻地一体形成。
在另一方面，本公开描述了一种通过首先在激光制造机器的制造平台上沉积粉末金属的第一层来制造过滤器元件的方法。朝向所述第一层引导激光束以通过将金属颗粒熔合在一起形成所述过滤器元件的第一部件。所述第一部件可以具有第一孔隙率。降低其上布置有所述第一部件的所述制造平台，并且在所述制造平台和所述第一部件上沉积粉末金属的第二层。再次朝向所述第二层引导激光束以通过将金属颗粒熔合在一起形成所述过滤器元件的第二部件。所述第二部件具有不同于所述第一孔隙率的第二孔隙率。
在又一方面，本公开描述了一种通过激光制造工艺制造的过滤器元件，所述过滤器元件具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有流体可渗透的第一孔隙率，所述第二区域具有流体可渗透的第二孔隙率。所述第一区域和所述第二区域通过激光束由粉末金属一体地形成，并且所述第一孔隙率与所述第二孔隙率不同。
附图说明
图1是过滤器组件的透视组装图，所述过滤器组件包括由激光制造工艺制造的过滤器元件，所述过滤器元件可布置在罐形过滤器壳体的内部。
图2是取自图1中的区域2-2的多孔金属材料的详细视图，所述多孔金属材料包括过滤器元件的流体可渗透过滤介质。
图3是取自图1中的区域3-3的过滤器元件的流体不可渗透的固体部件的整体金属颗粒的详细视图。
图4是类似于图3的详细视图，示出了在过滤器元件的固体部件内的不同尺寸或性质的整体金属颗粒。
图5是激光制造机器的示意图，所述激光器制造机器构造成制造具有不同空隙孔隙率和/或更多材料密度的整体部件或区域的过滤器元件。
图6是用于制造具有不同孔隙率的过滤器元件的激光制造工艺的示例性流程图。
图7是具有过滤介质的过滤器元件的另一个实施例的横截面图，其中不同孔隙率或材料密度的整体区域附接到壳体部件。
图8是取自图7中的区域8-8的过滤介质和壳体部件之间的界面的详细视图，示出了将部件连接在一起的钎焊工艺。
图9是具有过滤介质的过滤器元件的另一实施例，其具有通过激光制造工艺制造的不同孔隙率的部件或区域。
具体实施方式
本公开涉及过滤器和制造过滤器的方法以执行流体等的过滤。尽管本文描述的过滤器特别用于汽车和机械发电行业中的内燃机，但是根据本公开的过滤器和工艺也可以应用于其它合适的领域。参考图1，其中相同的附图标记表示相同的元件，示出了过滤器组件100的示例，所述过滤器组件可以包括可以布置在外部过滤器壳体104内部的过滤器元件102。为了封闭过滤器元件102，在所示实施例中，过滤器壳体104可以形成为刚性的中空结构，例如冲压金属板，类似于罐，并且可以包括过滤器元件插入其中的开口端106。过滤器组件100可以用于过滤任何合适的工艺流体，例如燃料或油。因此，在实施例中，过滤器组件100可以被构造为单独的物品，其布置在燃料或油系统中并且远离内燃机的发动机缸体定位。因此，过滤器组件100的尺寸和尺度可以设定成具有与内燃机的额定燃料消耗相对应的流量。在其它实施例中，过滤器元件102可以构造成包含在燃料喷射器等内部，并且因此可以尺寸小得多。
过滤器元件102可以包括便于其用作过滤器的多个部件或部分。例如，为了过滤流体，过滤器元件102可以包括流体被引导通过的可渗透过滤介质110。参考图2，过滤介质110可以由多孔金属材料112制成，所述多孔金属材料具有多个互连的小孔或空隙114，其是复合金属材料116内的未占据的空间或凹部。更特别地，多孔金属材料112可以构造为开室结构，其允许流体通过过滤介质110通过互连的空隙114，同时在空隙中俘获或捕获颗粒和污染物。因此复合金属材料116用作限定空隙114的晶格结构。复合金属材料116可以构造为作为隔离物的基本上隔离的材料聚集体，或者如下所述可以是通过在其表面的点对点接触连接的颗粒形成的球状体。
过滤介质110的特征可以在于具有允许或准许流体流过介质的值的第一孔隙率。为了表示或量化过滤介质110的第一孔隙率，第一孔隙率可以参考过滤介质的空隙率或空隙密度，其可以通过将空隙的体积除以复合金属材料116的总体积来确定，例如，根据以下等式：
[等式1]空隙密度(ε)＝V空隙/(V总–V空隙)
因此，空隙密度表示过滤介质110的空的空间与复合金属材料116的比率，并且可以表示部件的总体积与部件中包含的实际金属的密度之间的差异。用于评估材料孔隙率的另一种表达是其微米等级。各个空隙114的尺寸大小将通常对应于过滤器元件102可以捕获或允许通过的颗粒的尺寸，并且可以以微米表示为过滤器的微米等级。举例来说，多孔金属材料112的空隙114可以在约5微米至约200微米之间的范围内。在许多实施例中，空隙114将具有不规则的形状和尺寸，并且微米等级可以基于空隙的平均或均值尺寸。
空隙密度或互连空隙的体积对应于所讨论材料的流体可渗透性或不可渗透性。渗透性较强的材料对流体流动的阻力较小，而渗透性较差的材料具有较大的阻力。另外，与渗透性较差的材料相比，渗透性较强的材料将会重量或质量更小，渗透性较差的材料会包括更多的实际材料和更少的空隙。
参考图1，过滤介质110可以是三维构造的薄壁材料结构。例如，过滤介质110可以形成为杯形或圆顶形结构，其具有圆形封闭顶部120和环形开口边缘122，使得过滤器元件102具有中空内部。当过滤器元件102封闭在壳体104中时，过滤器组件100可以构造成使得流体流从过滤介质110的内部引出或者从过滤器元件102的外部向内引导。为了与刚性壳体104可操作地相互作用，过滤器元件102可以包括相对固体部件130，其相邻地布置在多孔过滤介质110的开口边缘122周围。根据下面描述的本公开的实施例，固体部件130可以与过滤介质110一体制造，或者可以单独制造并通过单独的工艺附接到其上。固体部件130的特征可以在于第二孔隙率，其不同于过滤介质的第一孔隙率并且不可渗透流体，例如液体或气体。如图3中所示，固体部件130可以具有比较无空隙的微结构，并且可以形成为多个相邻连接的金属晶粒132，其中没有足够的空间以允许流体流动。金属颗粒132可以具有任何合适的形状或尺寸以提供固体部件130的流体不可渗透的、刚性的特性。
返回参考图1，在实施例中，固体部件130可以构造为壳体套环，所述壳体套环尺寸设计成对应于壳体104的开口端106并接收在其中，使得封闭过滤介质110。由于过滤介质110和固体部件130的第一和第二孔隙率之间的差异，进入过滤器组件100的流体将由不可渗透固体部件130和固体壳体104引导通过可渗透介质。在各种实施例中，固体部件130可通过螺纹、焊接或任何合适的金属成形连接而连接到壳体104。
参考图4，固体部件130可以具有不同尺寸的晶粒的区域，例如，如图所示的较大颗粒140。较大颗粒140可以使固体部件130的不同区域具有不同的强度或密度特性，包括不同程度的孔隙率。不同尺寸的颗粒可以位于固体部件的连续或相邻平面中，并且如下所述，可以通过调节激光制造工艺来制造。不同平面中的晶粒可以相对于彼此偏移或错位。
为了制造在不同部件或区域中具有不同孔隙率的过滤器元件，可以使用增材制造工艺，特别是激光制造工艺。在激光制造工艺，例如烧结激光制造(“SLM”)、选择性激光烧结(“SLS”)或直接金属激光烧结(“DMLS”)中，激光束被引导到加热金属颗粒的金属粉末床，使得它们熔合或结合在一起。而且，可以选择性地调节激光制造工艺以产生所得过滤器元件的变化的孔隙率特性。参见图5和6，示出了用于进行激光制造工艺201的激光制造机器200的示例，但是应当注意，图5和6仅是示例性的，并且可以预期对设备和步骤的修改。
激光制造工艺201可以通过使用与激光制造机器200可操作地关联的通用或专用计算机202在期望过滤器元件的三维数字空间中生成数字3D模型204而开始。可以使用在计算机202上可执行的任何合适的计算机辅助设计(CAD)或计算机辅助制造(CAM)软件来生成3D模型204。将3D模型204电子地传送到布置在激光制造机器200的制造平台210上的扫描仪208，在该处它可以临时存储在存储器中。制造平台210可以包括竖直可移动制造活塞212，其可滑动地布置在扫描仪208正下方的圆筒中。为了提供粉末金属，粉末金属供给系统214邻近制造活塞212布置并且可以包括类似地布置在供应圆筒218中的竖直可移动供应活塞216。
供应活塞216和供应圆筒218可以包含粗或细颗粒的形式的一定量的粉末金属供给220。合适的粉末金属的示例包括但不限于不锈钢、铁、铜、铝、钛、钴、铬及其合金。粉末金属供给220的颗粒也可以具有任何合适的粒度，并且可以部分地取决于过滤器元件的期望孔隙率。为了将粉末金属供给220转移到制造活塞212，在激光制造工艺201的第一沉积步骤221中，制造平台210可以包括辊222或类似装置，其将粉末金属供给的选定部分推动到制造活塞。第一沉积步骤221导致在制造活塞212上沉积粉末金属的第一层230(由粗虚线可视地指示)，其可以通过辊222的运动而平滑。相对于供应圆筒218竖直地调节供应活塞216可以确定转移的粉末金属供给220的量，并且因此确定第一层230的最终厚度。
为了固化第一层230内的第一部件232，激光制造机器200可以包括产生激光束242的激光源240，所述激光束在激光制造工艺201的第一激光引导步骤241中被引导到第一层。激光源240可以是任何合适类型的光源，其能够产生用于形成第一部件232的所需功率、频率、相干性、脉冲宽度和波长的激光束242。合适的激光源240的示例可以包括光纤激光器，其中介质是光纤或类似装置，固态激光器，钇铝石榴石(“YAG”)激光器和二氧化碳激光器。为了对准和引导激光束242，布置在制造平台210上方的扫描仪208可以包括各种光学器件和透镜，并且可以与多轴头可操作地关联，所述多轴头相对于制造平台在两个坐标中可移动。扫描仪208利用3D模型204以描绘出所需过滤器元件的横截面的方式相对于第一层230操纵和移动激光束242。
来自激光束242的能量可以加热第一层230的粉末金属材料中的粉末颗粒，使得它们在激光制造工艺201的第一熔合步骤243中结合在一起。在第一熔合步骤243中，激光束242的能量可以使得仅颗粒表面熔化或加热到恰好高于或低于材料熔点的温度，使得颗粒通过点对点接触熔合或烧结在一起而不熔化芯。可以领会，对于足够粗或大尺寸的颗粒，点对点接触将为第一部件232提供显著高的第一孔隙率或空隙密度，使得第一部件将是流体可渗透的。换句话说，存在足够数量的互连空隙，使得流体可以被引导通过第一部件232。
为了制造过滤器元件的附加部件，可以在制造活塞212上添加额外的连续粉末材料层。为了实现这一点，制造活塞212可以相对于制造平台210竖直向下移动，而供应活塞216竖直向上移动以在制造平台上方呈现粉末金属供给220的另一部分。辊222在制造活塞212和第一部件232上移动粉末金属供给以在第二沉积步骤251中提供第二层250(通过粗虚线在视觉上区别于第一层230)。在该时间期间，在扫描仪208重引导激光束以描绘出过滤器元件的连续横截面之前，可以在调节步骤253中调节激光束242的能量；例如，通过调节扫描仪运动的周期时间或通过调节激光束的功率、强度或脉冲宽度。
在第二激光引导步骤255中，扫描仪208可控制地将经调节的激光束242从激光源240朝向第二层250重引导。经调节的激光束242可以在第二熔合步骤257中将第二层250中的颗粒加热到足够高的温度，在所述温度下它们基本上或完全熔化并且固化或熔合在一起以产生固体第二部件252。在实施例中，完全熔化的第二层250可以重新形成具有整体相邻和连续的晶粒的固化晶体微结构，其形成可以通过调节激光束242来选择性地确定。因此，第二部件252的特征可以在于明显小于第一孔隙率并且是流体不可渗透的第二孔隙率。应当领会，第二熔合步骤257也将第二部件252熔合到位于其下方的第一部件232以形成整体式过滤器元件。
可以以前述方式添加具有不同孔隙率的部件的许多连续层。在另一实施例中，在同时调节步骤259中在第二部件252的形成期间可以同时调节激光束242的功率或扫描仪208将激光束朝向第二层250重引导的速度。同时调节步骤259可以导致在形成的相同平面内具有不同孔隙率的第二部件在第二层250中熔合粉末材料。调节激光束的参数和/或扫描仪速度或扫描时间以改变正在形成的部件的孔隙率可以通过激光制造装置200的软件控制实现。应当领会，同时调节步骤259可以在过滤器元件中的任何层的形成期间发生。而且，激光制造工艺201可以包括附加步骤以促进不同孔隙率的形成，例如通过使用多个粉末金属供给、环境加热源、空气喷射器等。此外，虽然前述工艺被描述为首先产生具有较高孔隙率/较低材料密度的整体部件，但应当领会，可以通过首先产生较低孔隙率/较高材料密度的部件来逆转该工艺。激光制造工艺201可以包括附加的精加工步骤以改善过滤器元件，例如，类似于如图5中所示的后续漂洗步骤261，其中制造的过滤器元件在液体浆料中被清洁或漂洗以去除可能粘附到过滤器元件的任何松散的粉末金属。浆料可以包括磨料颗粒以帮助去除松散的粉末材料。
工业适用性
参考图7和8，示出了根据本公开的通过激光制造工艺由粉末金属制造的具有不同孔隙率或材料密度的区域的过滤器元件300的实施例。过滤器元件300包括第一部件，所述第一部件可以构造为特征在于可渗透流体流的第一孔隙率的过滤介质302，并且附接到壳体部件304，所述壳体部件是不可渗透流体流的刚性固体材料。与先前的实施例类似，过滤介质302可以为杯形并且包括圆形封闭端306和环形开口边缘308。在所示实施例中，过滤介质302和壳体部件304可以分开制造并通过钎焊工艺附接。为了便于钎焊，过滤介质302的开口边缘308可以制造成具有带有不同孔隙率的多个部件或整体区域。
例如，开口边缘308可以包括具有与过滤介质302的其余部分类似的第一孔隙率的环形内部310，并且因此是流体可渗透的。第二部件312可以通过激光制造工艺与环形内部310相邻地一体制造以具有显著低于第一孔隙率并且因此是流体不可渗透的第二孔隙率。在所示的实施例中，第二部件312可以成形为具有悬伸腿314的L形环，其环绕环形内部环状布置，类似于环形套环，其中悬伸腿径向向外定向。在其它实施例中，第二部件312可以具有其它形状，例如弯曲的(S形或C形)，或者可以相对于过滤器元件300的轴向延伸部成一定角度布置。开口边缘308可以制造有环形外部316形式的第三部件，其环形地布置为围绕环形内部310和第二部件312的类似环形套环。因此，第二部件312中间夹在环形内部310和环形外部316之间，突出腿314径向延伸并且隔离环形外部316。环形外部316可以具有不同于第二孔隙率并且可以与第一孔隙率相同或不同的流体可渗透孔隙率。第一、第二和第三部件的不同孔隙率可以通过调节激光束的功率或通过调节粉末金属暴露于激光束的时间量来产生，这将改变粉末金属的温度升高以及粉末金属如何熔合到过滤器元件的部件中的特性。
第二部件312可以用作钎焊屏障。参考图8，过滤介质302的开口边缘308可以可滑动地插入壳体部件304中，使得两个部分的表面相邻地布置。固体钎焊材料320可以布置在过滤介质302和壳体部件304之间的界面处，并且通过钎焊炬或电弧加热以熔化或液化。液体钎焊材料可以通过高孔隙率和相应的空隙密度而便于流入环形外部316中。然而，液化钎焊材料320进入过滤介质302的进一步流动被对应于第二部件312的流体不可渗透的钎焊屏障阻挡。因此，环形外部316接收并隔离液体钎焊材料而不引入钎焊材料并且填充过滤介质302的任何多孔材料，否则会降低过滤器元件300的容量并导致过滤介质和壳体部件之间的孔附接连接。
参考图9，示出了通过激光制造工艺由粉末金属制造以具有不同孔隙率的整体部件或区域并且因此具有不同的渗透性或对流体流的阻力的过滤器元件400的另一实施例。过滤器元件400可以为帽形并且可以包括形成为管状袜状结构的流体可渗透过滤介质402，其连接到刚性固体部分404以便于将过滤器元件组装到过滤器组件的壳体中。过滤介质402的纵向延伸部可以分成具有不同流体渗透性的部件或区域。例如，靠近圆形封闭端406的下端410可以具有第一孔隙率，而靠近开口边缘408的上端412可以具有大于第一孔隙率的第二孔隙率，如阴影所示。而且，下端410和上端412之间的中间区域414可以具有在第一和第二孔隙率之间的第三中间孔隙率。过滤器元件400能够为了各种目的从工艺流体捕获变化或不同尺寸的污染物。例如，具有较高孔隙率的上端412将对流体流动的阻力较小，而具有较低孔隙率的下端410将具有更大阻力并因此在工艺流体中捕获更多数量的颗粒。具有中间孔隙率的中间区域414可以提供下端410和上端412之间的过渡区域。此外，不同孔隙率的区域可以明显不同或者可以在过滤介质402的纵向延伸部上逐渐变化。
应当理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的实例。然而，可以设想，本公开的其它实施方式可以在细节上与前述实例不同。对本公开或其实例的所有引用旨在引用当时所讨论的特定实例，而并非旨在更一般地暗示对本公开的范围的任何限制。关于某些特征的所有区别和不利言辞旨在表明这些特征不是优选的，但除非另外指明，否则并不是将这些特征从本发明的范围中完全排除。
除非本文另外指明，否则本文所述的数值的范围仅仅用作分别指代落在该范围内的每个独立的值的简化方法，并且每个独立的值与它在本文被单独引述一样结合到说明书中。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另外指明或者与上下文明显矛盾。
在描述本发明的上下文中(尤其是在以下权利要求的上下文中)使用术语“一”和“一个”和“所述”和“至少一个”以及类似的指代物应当被解释为涵盖单数和复数两者，除非上下文另有说明或明确与上下文相矛盾。使用术语“至少一个”后跟一个或多个项目的列表(例如，“A和B中的至少一个”)应当被解释为表示从列出项目选择的一个项目(A或B)或列出项目中的两个或更多个的任何组合(A和B)，除非上下文另有说明或明确与上下文相矛盾。
因此，如适用法律所允许的，本公开包括所附权利要求中叙述的主题的所有修改和等效内容。另外，除非在本文中另有指示或者与上下文明显矛盾，本公开涵盖上述元件以所有可能变型的任何组合。
Claims (9)
1.一种通过激光制造工艺(201)制造的过滤器元件(102)，所述过滤器元件(102)包括：
第一部件(232)，所述第一部件对应于过滤介质(110)并且具有可渗透流体的第一孔隙率；以及
第二部件(252)，所述第二部件对应于所述过滤器元件(102)的固体部件(130)并且具有第二孔隙率，所述第二孔隙率小于所述第一孔隙率并且不可渗透流体；
其中所述第一部件(232)和所述第二部件(252)由粉末金属(220)制成，并且通过激光束(242)彼此相邻地一体形成，所述第二部件(252)是钎焊屏障，所述钎焊屏障阻挡液体钎焊材料流入所述第一部件。
2.根据权利要求1所述的过滤器元件(102)，其还包括第三部件(316)，所述第三部件具有不同于所述第二孔隙率的第三孔隙率，所述第三孔隙率构造成接收钎焊材料(320)的流动。
3.根据权利要求2所述的过滤器元件(102)，其还包括通过钎焊连接到所述第三部件(316)的固体壳体部件(304)。
4.根据权利要求3所述的过滤器元件(102)，其中所述过滤介质具有杯状形状，其具有封闭顶部(306)和开口边缘(308)；所述第二部件形成为围绕所述开口边缘(308)相邻布置的第一环形套环；并且所述第三部件(316)形成为围绕所述第二部件相邻布置的第二环形套环。
5.根据权利要求4所述的过滤器元件(102)，其中所述第二部件包括悬伸腿(314)，所述悬伸腿在所述第三部件(316)上径向延伸并且将所述第三部件(316)与所述过滤介质(302)隔离。
6.根据权利要求1所述的过滤器元件(102)，其中所述过滤介质(110)的所述第一孔隙率由多个互连的空隙(114)提供。
7.根据权利要求6所述的过滤器元件(102)，其中所述第一孔隙率具有5微米至200微米的范围。
8.根据权利要求1所述的过滤器元件(102)，其中粉末金属(220)的材料选自不锈钢、铁、铜、铝、钛、钴铬及其合金。
9.一种制造过滤器元件(102)的方法，其包括：
在激光制造机器(200)的制造平台(210)上沉积粉末金属(220)的第一层(230)；
朝向所述第一层(230)引导激光束(242)以通过将金属颗粒熔合在一起形成所述过滤器元件(102)的第一部件(232)，所述第一部件(232)具有第一孔隙率；
降低其上布置有所述第一部件(232)的所述制造平台(210)的一部分；
在所述制造平台(210)和所述第一部件(232)上沉积粉末金属(220)的第二层(250)；以及
朝向所述第二层(250)引导激光束(242)以通过将金属颗粒熔合在一起形成所述过滤器元件(102)的第二部件(252)，所述第二部件(252)具有不同于所述第一孔隙率的第二孔隙率，所述第二部件(252)是钎焊屏障，所述钎焊屏障阻挡液体钎焊材料流入所述第一部件。
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