CN109866367B - 通过爆燃的脉管通道制造 - Google Patents

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Abstract

在基底内形成通道的方法，包括：(a)将牺牲部件直接模制到基底中；(b)点燃牺牲部件以引起牺牲部件的爆燃，从而在基底中形成通道；以及(c)清理基底中的通道以去除牺牲部件的爆燃的副产物。牺牲部件包括具有保护壳的可燃材料，并且基底包括聚合物材料。

Description

通过爆燃的脉管通道制造
引言
本公开涉及通过爆燃的脉管通道制造。例如，当前公开的方法可以被 用于使用牺牲材料的爆燃在聚合物、金属或复合物内形成通道。
发明内容
复合材料中的脉管通道制造通常具有挑战性和缓慢性。以前所使用的 牺牲材料难以一致地去除。例如，熔化和/或汽化已经被用于去除牺牲材料。 然而，汽化(即，热解聚)和熔化去除方法可能很慢，并且倾向于在通道 中留下残余材料。残余材料又限制流体流动。爆燃是快速的过程，并且留 下的材料很容易被去除。并且，本文描述的爆燃过程不需要加热整个复合 物，不同于熔化和汽化。通过爆燃生成的热量快速地消散，以最小化对聚 合物复合物(或另一基底)的热效应。
本公开描述了在基底内形成通道的方法。在某些实施例中，该方法包 括：(a)将牺牲部件直接模制到基底中；(b)点燃牺牲部件以引起牺牲部 件的爆燃，从而在基底中形成通道；以及(c)清理基底中的通道以去除牺 牲部件的爆燃的副产物。牺牲部件包括可燃材料，并且基底包括合适的基 底材料，诸如聚合物材料、增强纤维(例如碳纤维)和/或金属化合物。可 燃材料可以包括黑火药或任何其它合适的材料。黑火药是硫磺、木炭和硝 酸钾的混合物。模制在加工温度下进行，并且加工温度小于牺牲部件的可 燃材料的燃点。牺牲部件包括保护壳。保护壳可以包括被注入为具有聚合 物的编织纤维材料。合适的聚合物包括但不限于聚酰亚胺、聚四氟乙烯 (PTFE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、 聚酰胺(PA)、聚丙烯、硝化纤维素、酚醛树脂、聚酯、环氧树脂、聚乳 酸、双马来酰亚胺、硅酮、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、弹 性体、聚氨酯、聚偏二氯乙烯(PVDC)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS) 及其组合。合适的弹性体包括但不限于天然聚异戊二烯、合成聚异戊二烯、 聚丁二烯(BR)、氯丁橡胶(CR)、丁基橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、丁腈 橡胶、乙烯丙烯橡胶、表氯醇橡胶(ECO)、聚丙烯酸橡胶、氟硅橡胶、 全氟弹性体、聚醚嵌段酰胺、氯磺化聚乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯等。保护壳 可以包括被注入为具有蜡、油、虫胶树脂、硝化纤维漆、环氧树脂、醇酸 树脂、聚氨酯和/或它们的组合的编织纤维材料。该方法可以包括使用增材 制造工艺形成牺牲部件。增材制造过程是3D打印工艺。牺牲部件被配置为网状物，并且网状物包括彼此交叉的细丝。将牺牲部件直接模制到基底 中包括：(a)将牺牲部件放置在模具中；(b)对聚合物树脂加压；(c)将 聚合物树脂喷射射入模具中；和(d)固化聚合物树脂。该方法还包括利 用涂层涂覆牺牲部件，其中该涂层包括涂覆材料。涂覆材料具有第一回弹 模量。可燃材料具有第二回弹模量，并且第一回弹模量大于第二回弹模量。 可以通过将牺牲部件浸入保持涂层的容器中来浸涂牺牲部件。该方法还包 括从容器中去除牺牲部件，并且之后固化涂层。
在一些实施例中，该方法包括：(a)3D打印牺牲部件，其中牺牲部件 包括可燃材料；(b)利用基底模制牺牲部件，使得牺牲部件至少部分地被 设置在基底内部；(c)点燃牺牲部件以引起牺牲部件的爆燃，从而在基底 中形成通道；以及(d)清理基底中的通道以去除牺牲部件的爆燃的副产 物。模制步骤可以包括：(a)将牺牲部件放置在模具中；(b)将金属材料 浇注模具中；以及(c)冷却金属材料以允许金属材料凝固。模制步骤可以 包括：(a)将牺牲部件放置在模具中；(b)将聚合树脂或金属化合物浇注 模具中；和(c)固化聚合物树脂或冷却并凝固金属。可以通过将液体引入 主体中的通道以去除牺牲部件的爆燃的副产物来清理主体中的通道。可替 换地或附加地，可以通过将气体(例如，空气)喷射到主体中的通道中以 去除牺牲部件的爆燃的副产物来清理主体中的通道。牺牲部件包括网状物，并且网状物包括彼此交叉的细丝。该方法还包括用涂层涂覆牺牲部件。涂 层包括涂覆材料。涂覆材料具有第一回弹模量。可燃材料具有第二回弹模 量，并且第一回弹模量大于第二回弹模量。涂层可以包括环氧树脂。模制 在加工温度下进行，并且加工温度小于牺牲部件的可燃材料的燃点。基底 包括聚合物树脂，并且加工温度是聚合物树脂的熔化温度。
从下面用于结合附图实行本公开的最佳模式的详细描述中，本公开的 以上特征和优点以及其他特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是被模制到牺牲部件的基底的示意性等距视图。
图2是沿图1的截面2-2截取的牺牲部件的示意性截面图。
图3是被点燃同时仍然被部分地设置在基底内部的牺牲部件的示意性 等距视图。
图4是描绘基底中牺牲部件的爆燃的示意性等距视图。
图5是描绘在牺牲部件的爆燃后被清理的基底的通道的示意性等距视 图。
图6是被模制到牺牲部件的基底的示意性截面图，其中该牺牲部件包 括相交的细丝。
图7是图6中所示的基底的示意性截面图，同时牺牲部件被点燃。
图8是图7中所示的基底的示意性截面图，描绘了在牺牲部部件已点 燃后的破裂的通道。
图9是创建牺牲部件的3D打印机的示意性等距视图。
图10是牺牲部件的示意性等距视图。
图11是模具内部的图10的牺牲部件的示意性前视图。
图12是模具内部的图10的牺牲部件的示意性前视图，其中树脂或金 属已经被浇注在模具中。
图13是在树脂已经固化或金属已经冷却之后的模具内部的图10的牺 牲部件的示意性前视图。
图14是在去除牺牲部件之后的基底的示意性正视图。
图15是使用3D打印形成的牺牲部件的示意性前视图。
图16是正在被浸涂的图15的牺牲部件的示意性前视图。
图17是在被浸涂之后的图15的牺牲部件的示意性前视图。
图18是图16的牺牲部件在涂层被固化的同时的示意性前视图。
图19是牺牲部件(在被浸涂和固化之后并放置在基底中)的示意性 前视图。
具体实施方式
参照图1，本公开描述了使用牺牲材料的爆燃在基底100内形成通道 的方法。基底100可以全部或部分由聚合物或聚合物复合物制成。在该方 法中，如图1中所示，牺牲部件102直接被模制到基底100中。例如，牺 牲部件102直接被模制到基底100，使得牺牲部件102至少部分地被设置 在基底100内部。例如，在模制之后，大部分牺牲部件102可以完全地被设置在基底100内部，以促进通孔的形成。然而，如下所讨论的那样，牺 牲部件102的至少一部分应被设置在基底100的外部，以允许其被点燃。
具体参照图2，牺牲部件102包括可燃芯104和围绕可燃芯104的保 护壳106。可燃芯104允许快速爆燃，但不允许爆炸。爆燃期间生成的热 量消散得足够快速，以防止对基底100的损坏。爆燃后，可燃芯104生成 易于去除的副产物，诸如细小粉末组分和大的气态组分。可预期的是可燃 芯104可以是自氧化的以沿着长通道在小直径中燃烧。可燃芯104也耐模 制压力。进一步，可燃芯104是贮存稳定的和在制造期间是稳定的(即燃 点大于制造温度或加工温度)。术语“燃点”是指当给定点火源时可燃材料的 蒸汽在其处将点燃的最低温度。牺牲部件102在小于可燃材料的燃点的加 工温度下被直接模制到基底100，以避免制造过程中的爆燃。术语“加工温 度”是指执行制造操作(例如模制或铸造)所需的温度。例如，加工温度可 以是形成基底100的材料的熔化温度(即，形成基底100的聚合物树脂的 熔化温度)。可燃芯104全部或部分地由可燃材料制成。为了实现以上提 到的期望的性能，可燃材料可以是黑火药(即硫磺、木炭和硝酸钾的混合 物)。为了实现以上提到的期望的性能，可燃材料可以可替代地或附加地 是季戊四醇四硝酸酯、可燃金属、可燃氧化物、铝热剂、硝化纤维素、热 解纤维素、闪光火药和/或无烟火药。不可燃材料可以被添加到可燃芯104中，以调节速度和热量生成。为了调节速度和热量生成，用于可燃芯104 的合适的不可燃材料包括但不限于玻璃珠、玻璃泡和/或聚合物颗粒。
保护壳106由保护材料制成，该保护材料可以是可燃树脂(例如，环 氧树脂、聚氨酯、聚酯以及其他)中的不溶材料，以便是贮存稳定和在制 造期间稳定。并且，这种保护材料对树脂和水分是不可渗透的。该保护材 料具有足够的结构稳定性以被集成到纤维纺织和预成型工艺中。该保护材 料具有足够的强度和柔性以经受住纤维预成型工艺。为了实现以上提到的 期望的性能，保护材料可以包括例如被注入具有注入材料(诸如聚合物或 蜡、油、它们的组合或类似材料)的编织纤维材料，诸如玻璃纤维、芳族 聚酰胺纤维、碳纤维和/或天然纤维。为了实现以上提到的期望的性能，被 注入的聚合物可以是例如聚酰亚胺、聚四氟乙烯(PTFE)、高密度聚乙烯 (HDPE)、聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚酰胺(PA)、聚 丙烯、硝化纤维素、酚醛树脂、聚酯、环氧树脂、聚乳酸、双马来酰亚胺、 硅酮、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、弹性体、聚氨酯、聚偏 二氯乙烯(PVD)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)及其组合，或者任 何其它合适的塑料。合适的弹性体包括但不限于天然聚异戊二烯、合成聚 异戊二烯、聚丁二烯(BR)、氯丁橡胶(CR)、丁基橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、丁腈橡胶、乙烯丙烯橡胶、表氯醇橡胶(ECO)、聚丙烯酸橡胶、 氟硅橡胶、全氟弹性体、聚醚嵌段酰胺、氯磺化聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、 虫胶树脂、硝化纤维素漆、环氧树脂、醇酸树脂、聚氨酯等。
参照图3，在将牺牲部件102直接模制到基底100之后，点燃牺牲部 件102。为此，可以将火焰放置为与牺牲部件102直接接触以引起点燃I。 打火机或能够产生火焰的任何设备可以被用于点燃牺牲部件102。
参照图4，点火I引起牺牲部件102的爆燃。爆燃将固体牺牲材料转 化为气态和细小粉末副产物。结果，在基底100中形成同通道108。牺牲 部件102可以是圆柱形的，以便形成具有圆柱形形状的通道108。牺牲部 件102可替代地具有其它形状，诸如三角形、椭圆形、正方形等。进一步， 在点火I之前，牺牲部件102可以延伸通过基底100的整个长度L(图1)，使得在爆燃之后，通道108延伸通过基底100的整个长度L(图1)。
参照图5，在爆燃之后，清理通道108以去除牺牲部件102的爆燃的 副产物。为此，可以将液体W(诸如水)引入基底100的通道108中，以 去除牺牲部件102的爆燃的副产物。软管H可以被用于将液体W引入通 道108中。可替换地或附加地，可以将诸如空气的气体喷射到通道108中， 以去除牺牲部件102的爆燃的副产物。
参照图6-8，上述方法可以被用于生产具有分支通道网状物108n(图 8)的基底100。因此，图6-8中示出的方法基本上类似于上面关于图1-5 描述的方法，除了下面描述的不同之处。在该方法中，牺牲部件102也直 接被模制到基底100，但是牺牲部件102被配置为包括彼此交叉的细丝112 的网状物110。在将牺牲部件102模制到基底100之后，如上所述点燃牺 牲部件102以引起牺牲部件102的爆燃，如图7中所示，从而产生如图8 中所示的具有分支通道网状物108n的基底100。
参照图9，本文描述的任何方法可进一步包括使用增材制造工艺形成 牺牲部件102，以允许形成具有复杂形状的牺牲部件102。在本公开中， 术语“增材制造工艺”是指其中通过添加逐层的材料来构建3D对象的工艺。 3D打印工艺是一种增材制造工艺。在本公开中，术语“3D打印工艺”表示 这样的过程，在该过程中计算机读取3D计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)模型，并且命令3D打印机114添加连续的材料层以创建 对应于3D CAD模型的3D对象。牺牲部件102可以使用3D打印工艺(通 过采用3D打印机114)来创建具有复杂形状的牺牲部件102。因此，可以 创建具有复杂形状的通道108的基底100。在该方法中，牺牲部件102可 以全部或部分由例如商业3D印刷糖和/或称为火箭糖果的火箭推进剂制成。
参照图10-14，本文描述的任何方法可能需要首先形成如上所述的牺 牲部件102。为了实现复杂的形状，牺牲部件102可以使用以上描述的3D 打印工艺来创建。然后，牺牲部件102被放置在模具116内，如图11中所 示。接下来，将树脂或液态金属材料120浇注在模具116中，如图12中所 示。然后，树脂被固化(例如通过在预定固化温度下加热预定量的时间)或者金属材料被冷却(预定量的时间)以形成基底100。金属材料120被 冷却，直到其凝固以形成基底100，如图13中所示。接下来，从模具116 去除牺牲部件102和基底100，然后去除牺牲部件102(通过如上所述的 爆燃)，如图14中所示。通过采用该工艺，可以利用低压铸造材料(诸如 低温金属和聚合物)创建具有复杂形状的分支通道网状物108n的基底100。
可以使用如下所述的3D印刷工艺来形成牺牲部件102（见图15）。然后，利用涂层126涂覆牺牲部件102（见图16）。例如，牺牲部件102可以被浸入保持涂层126的容器124中。换句话说，牺牲部件102被浸涂。涂层126全部或部分地由涂覆材料制成。涂覆材料的回弹模量（即第一回弹模量）大于牺牲部件102的可燃材料的回弹模量（即第二回弹模量），以便在制造期间增强牺牲材料102的耐久性。例如，涂覆材料可以是增韧环氧树脂。由于其回弹，涂层126允许牺牲部件102在更高压力的制造中使用，诸如用于连续纤维复合物。如图18中所示，在浸涂牺牲部件102之后，从容器124去除牺牲部件102。然后，如图19中所示，固化涂层124（例如，通过在固化温度下加热预定固化时间）。接下来，牺牲部件102（具有涂层126）可以被嵌入基底100中（通过如上所述的模制）。
上述方法可以被用于制造脉管冷却密封电子器件。例如，当前公开的 方法可以被用于制造仪器上的发动机控制单元或触摸屏。这种方法仅局部 加热聚合物，如与需要加热整个部件以去除牺牲材料的其它方法相反的那 样。因此，当前公开的方法允许热敏电子器件中的脉管制造。进一步，当 前公开的方法可以被用于制造生物医学植入物。例如，本文描述的方法可 以使用3D印刷糖，并且之后快速地去除糖。而且，当前公开的方法可以 被用于通过快速地增加制造速率以最具成本效益的方式制成电池外壳和 散热片。进一步，与其他制造方法相比，当前公开的方法可以更经济有效 的方式被用于制造脉管发动机和马达。
虽然已经详细描述了用于实行本公开的最佳模式，但是熟悉本公开相 关领域的技术人员将认识到用于在所附权利要求的范围内实践本公开的 各种可代替设计和实施例。

Claims (4)

1.一种在基底内形成通道的方法，包括：
将牺牲部件直接模制到所述基底中；
点燃所述牺牲部件以引起牺牲部件的爆燃，从而在所述基底中形成通道；和
清理所述基底中的所述通道以去除所述牺牲部件的所述爆燃的副产物，
其中所述牺牲部件包括保护壳，并且所述保护壳包括编织纤维材料，
其中将所述牺牲部件直接模制到所述基底中发生在加工温度下，所述牺牲部件包括可燃材料，所述可燃材料具有燃点，所述加工温度小于所述可燃材料的所述燃点，并且所述基底包括选自由聚合物材料、增强纤维和金属化合物组成的组的基底材料，并且
其中所述可燃材料选自由黑火药、季戊四醇四硝酸酯、可燃金属、可燃氧化物、铝热剂、硝化纤维素、热解纤维素、闪光火药和无烟火药组成的组。
2.如权利要求1所述的方法，其中利用选自由聚合物、蜡、油及其组合组成的组的注入材料注入所述编织纤维材料。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述聚合物选自由聚酰亚胺、聚四氟乙烯（PTFE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚苯硫醚（PPS）、聚邻苯二甲酰胺（PPA）、聚酰胺（PA）、聚丙烯、硝化纤维素、酚类、聚酯、环氧树脂、聚乳酸、双马来酰亚胺、硅酮、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、弹性体、聚氨酯、聚偏二氯乙烯（PVDC）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、虫胶树脂、硝化纤维素漆、环氧树脂、醇酸树脂、聚氨酯及其组合组成的组。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述牺牲部件被配置为网络，并且所述网络包括彼此交叉的细丝。
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