CN112135688B - 用于成型体的挤出成型的包含金属打印部件的模具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模具(10)，用于在可挤出物质的流动方向(32)上从模具的入口侧(12)到排出侧(14)挤出催化剂成型体、催化剂载体成型体或吸附剂成型体(60)，该模具包括外壳(56)和一个或多个通道形成器(18)，该通道形成器是可挤出物质的挤压器并且在可挤出物质的流动方向上延伸，其中通道形成器(18)是金属打印的。优选地，所述模具没有与可挤出物质的流动方向(32)成直角延伸的用于接收可挤出物质的空腔，也没有从通道形成器(18)到模具(10)的内侧壁(22)成直角延伸的连接部。本发明还涉及一种通过3D金属打印生产用于挤出成型催化剂成型体/载体成型体(60)的金属打印模具(10)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及用于催化剂成型体、载体成型体和吸附剂成型体的挤出成型的具有金属打印部件的模具，还涉及该模具的生产方法。
背景技术
通常在所谓的固定床中，多相催化剂可用于化学过程或废气处理系统。与流化床工艺、移动床工艺或悬浮工艺不同，这里使用的催化剂通常采用成形体的形式，而不是相对细的颗粒粉末。催化剂成型体于是可以被单独固定，如作为所谓蜂窝体的整体块，例如在汽车废气催化中，或者作为许多相对小的成型体的散积物布置在所谓的催化剂床中。
涉及催化剂床的反应器通常是盘式反应器、床式反应器、管式反应器或管束反应器。催化剂床的典型成型体包括例如圆柱体、空心圆柱体、星形挤出物和三叶形。
EP 987 058 B1通过示例描述了具有轮辐结构的催化剂成型体，即具有圆形形状和围绕中心轴线布置的多个扇形切口。然而，没有公开用于挤出过程的模具。
模制多相催化剂可以通过将催化活性组分或合适的前体成型，或者通过将催化活性物质或合适的前体施加到先前模制的载体上来生产。将催化活性物质或合适的前体施加到预先模制的载体上是通过例如使用涂覆工艺或浸渍工艺来实现的。催化活性物质或载体物质的成型方法是压片成型、挤出成型，或者特别是在球体的情况下，例如在旋转盘上团聚。
本发明提供模制多相催化剂或多相催化剂的模制载体或模制吸附剂的制造。特别地，本发明提供了这种催化剂、载体或吸附剂的挤出成型。
挤出成型的基本原理被广泛描述，例如Charles N.Satterfield，《工业实践中的多相催化》(Heterogeneous Catalysis in Industrial Practice)，第二版，McGraw-Hill出版社1991出版，或在J.F.LePage《Catalyse de contact》[接触催化]，Technip1978年版。通过挤出成型制造催化剂成型体或载体成型体类似于生产模制面条(意式面食)的典型工艺。一种可捏和的物质通过压力机或输送螺杆被压出(挤出)通过设有孔的板。挤出材料在垂直于挤出方向的横截面上的形状在这里由材料在挤出时所经过的板中的孔的形状来确定。这种带有孔的板被称为模具。
通过挤出成型而生产的成型体通常在挤出后进行热处理。这可以是简单的干燥，或者是在较高温度下的处理(煅烧)，在较高温度下，成型体的材料也会发生变化，例如成型体的某些分解产物(气体)的消除，或者某些晶相或物理性质的发展。这些热处理通常在合适的烘箱中进行，分批或优选连续进行。用于此目的的设备例如可以是盘式烘箱、带式干燥机、带式煅烧炉或旋转管。成型体的热处理之后还可以是筛分以去除小碎片(尺寸过小)或团聚成型体(尺寸过大)的工艺步骤，以及将成型体脱出到合适的容器(例如滚筒或“大包”)中的自动化步骤。
挤出设备的设计，或挤出成型体的尺寸和几何形状，可以允许一个或多个成型体同时并排地挤出；在这种情况下，其上输送有被挤出的物质的板具有一个或多个孔，用于成形合适的成型体。孔可以直接布置在板中。然而，通常使用具有适当孔的插入物，然后将这些插入到具有适当切口或保持元件的较大板中。在这种情况下，通常使用的术语是模具(嵌件)和模具板(用于接收和保持模具的板)。
对于高质量催化剂成型体或高质量载体成型体的成形，模具中的孔通常需要特定的最小深度；因此，模具需要特定的最小厚度，以便提供通道型或孔型的孔口。在通过这些通道型或孔型的模具孔期间，挤出物质此时具有合适的停留时间，以便以成型体的几何形状松弛。
如US 7,582,588 B2所述，模具可以例如由不锈钢或聚合物制成；出于制造技术的原因，聚合物在这里是优选的，并且可以在生产适当的制备材料之后通过例如注射成型工艺来生产。
所需模具的复杂性在很大程度上取决于所需的形状。实心几何形状——例如实心圆柱体或具有星形横截面的线束——可以相对容易地生产，因为模具的孔具有适当的圆形或星形形状。如US 8,835,516 B2所述，具有螺旋形状的催化剂成型体也可以通过挤出成型，通过使用具有适当形状的孔形通道的模具来生产。
中空圆柱体形式的成型体，或者实际上具有多个孔型孔口的成型体，需要具有相应复杂设计的模具。为了实现这一点，具有对应于挤出成型体的孔型孔口的形状的挤压器(置换器/排出器，)必须以允许挤出物质在模具孔中均匀地围绕挤压器扩散而受最小限制的方式定位在模孔中。然而，与此同时，挤压器也必须以足够稳定的方式固定，以避免其变形或位移，或者在暴露于作用在挤出机中的相当大的力时对其造成不可修复的损坏。挤压器的位置可以是这样的，它们大约在模具的排出孔的平面上终止；然而，它们也可以突出到所述平面之外。
WO 16/156042 A1描述了用于挤出具有四个孔型切口的三叶草叶片(kleeblattartigen)型催化剂成型体的模具。GB 2 073 089 A描述了用于挤出具有中空圆柱形形状的面食制品的模具。然而，具有厚度尺寸相对较小的部件的结构通常是为小规模生产新鲜意式面食和简单清洗而设计的。
用于挤出催化剂和载体的物质的流变性质通常会带来特殊的问题。食品部门的意式面食是由少量成分制成的，例如硬粒小麦粗面粉或面粉和水，而在工业中，意式面食通常是由为面食优化的植物生产的。相比之下，催化剂和催化剂载体通常以多用途部件的形式生产，在不同长度的运行中，在其他催化剂或载体的生产之间进行。它们使用各种各样的材料，通常是无机氧化物。这些材料的流动特性可以随温度或作用于其上的机械力的强度和持续时间而变化很大。因此，总的来说，在物质通过模具的传送过程中，使偏转和湍流最小化是有利的。挤出成型的质量也会受到模具中死体积或死区域的显著影响，在这些死体积或死区域中，流动发生逆转，因此待挤出的物质经历了多个停留时段。
US 7,582,588 B2以示例的方式公开了模具孔的入口侧可以以漏斗的方式扩大，以改善流动性能。模具的设计可以也应该包括流变因素。特别地，也可以使用理论模型或EDV辅助模拟方法，例如计算流体动力学(CFD)。
用于挤出复杂几何形状的催化剂成型体或复杂几何形状的载体成型体的模具的生产，即特别是装备有多个挤压器并且相对较薄并且具有小厚度尺寸的部件的模具的生产，面临与制造技术相关的问题。
举例来说，众所周知的是，模具可以通过注射成型由塑料制成，或者通过将通过注射成型产生的多个部件结合起来而制成。然而，通过注射成型的这种类型的制造方法的缺点是相对高的进入障碍，特别是如果意图是仅生产少量的模具，或者如果本发明是为了模具设计的实验优化而生产各种不同的模具。限制的另一个来源是在打开注射模具后必须能够移除模具。举例来说，这种要求使得使用注射成型来制造具有非常扭曲或切割形状的模具变得困难或不可能。
US 8,835,516 B2通过举例的方式描述了用于催化剂生产的具有扭曲螺旋形状的模具的生产。为此，注射模具配备有适当的螺旋销(嵌件)，为了允许取出成品模具，在模具成型后和打开注射模具时，必须拧出螺旋销。
现有技术的模具也可以通过对例如由金属或塑料制成的预成型件进行处理来制造。举例来说，可以在这种预成型件上钻孔或铣孔。然而，这里制造技术再次对模具的设计施加了狭窄的限制。
然而，根据现有技术，模具或用于模具的部件也可以由各种部件附加地组装，例如通过焊接或通过涉及螺纹的方法组装。举例来说，也可以生产具有多个挤压器的模具，用于生产具有四个孔的三叶草叶片型催化剂成型体，如WO 16/156042 A1所述。在这种情况下，如图1和2所示，模具由两个部件组成：一个空心体，其孔对应于挤出的催化剂成型体的外部形状。所述中空体的外部形状有利地设计成允许一个或多个所述成型体插入并固定到模具板中。然后，将包括挤压器的第二部件装配到所述中空体中，以获得完整的模具。中空体和插入物的设计优选地使得它们通过简单地插入到另一个中而被保持，使得插入物特别是不能相对于中空体围绕挤出方向的轴线旋转。根据现有技术，插入物可以例如在注射成型过程中被挤出，或者通过基板增材制造，基板设置有孔口和垂直附接在其上的杆状体(挤压器或通道形成器)。举例来说，金属盘可以设置有一个或多个孔。由于与钻孔技术相关的原因，所述孔通常是圆形和圆锥形的。也可以通过多个孔的重叠产生非圆形孔。然而，这是很费时间的，而且在这里生产流变优化的模具会遇到与制造技术相关的限制。然后，具有适当选择的直径的多个适当长度的金属杆可以垂直地连接到基板上。例如，这可以通过焊接来实现。适合圆形分配器的定尺切割的合适直径的杆通常可以在市场上买到。如果打算使用更具体的挤压器，例如星形，则需要额外的制造步骤。杆的精确定位和精确垂直于金属盘的定向是困难的，特别是在催化剂成型体或载体成型体的模具的情况下，它们分别具有小厚度尺寸的部件。流变优化的模具设计也受到与制造技术相关的严格限制。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供用于催化剂成型体、催化剂载体成型体和吸附剂成型体的挤出成型的模具，并且还提供生产这种模具的有效方法。模具特别是为了在流变学方面是有利的，并且允许生产具有许多通道和/或具有小厚度尺寸的部件的成型体。
本发明的另一个目的是找到一种优化催化剂成型体、催化剂载体成型体或吸附剂成型体的方法，以及通过挤出成型来生产这些所需的模具的方法，其中使用所述方法可以快速且花费不多地提供大量的替代模具，并且借助于所述方法可以对成型体的性能和利用模具获得的挤出物质的挤出性能进行实验研究和评估。由此获得的知识可以用在改进模具设计的中断过程中，然后可以快速和花费不多地提供给实验研究和评估。
该目的通过一种模具(10)来实现，该模具用于在可挤出物质的流动方向(32)上从模具的入口侧(12)向排出侧(14)挤出催化剂成型体、催化剂载体成型体或吸附剂成型体(60)，该模具包括外壳(56)，并且包括一个或多个通道形成器(18)，该通道形成器是可挤出物质的挤压器并且在可挤出物质的流动方向上延伸，其中通道形成器(18)是金属打印的。
特别地，在本发明中，通过3D金属粉末激光打印来生产用于挤出成型具有相对复杂几何形状的成型体的模具，即特别是具有平行于挤出方向的多个或特别小或扭曲的孔的成型体。在本发明中生产的模具的设计优选是这样的，即在模具内部，与挤出物质接触的模具或模具部件的那些表面的形状基本上是圆形的，并且基本上不呈现≤90°的角度。特别地，在本发明中生产的模具有利地也没有定向成与挤出方向成直角的部分或连接腹板。因此，特别地，本发明的模具也有利地没有类似于图1和图2中所示的多孔板的部分，并且作为例子，模具的内壁没有直角连接到用作挤压器的模具部分。在本发明的用于生产具有多个孔的成型体的模具的另一优选实施例中，也优选的是，不是所有用作挤压器的模具部件(通道形成器)都直接连接到模具的内壁，而是这些模具部件连接到模具部件，模具部件又连接到模具的内壁(连接腹板)。
因此，在一个优选实施例中，作为可挤出物质的挤压器的通道形成器(18)通过一个或多个连接腹板(36)固定在模具(56)的内侧壁(22)上，或者在通道形成器(18)和连接腹板(36)被金属打印的地方具有连接彼此的连接部(30)。
在进一步优选的实施例中，模具(10)不存在与可挤出物质的流动方向(32)成直角延伸的用于接收可挤出物质的空腔。
在进一步给出优选的实施例中，模具(10)不存在从通道形成器(18)到模具(10)的内侧壁(22)成直角延伸的连接部。
提到的优选实施例在流变学上是有利的。其中存在通道形成器和连接腹板的单元(34)或通过3D金属打印的整个模具(10)的制造仅受到与制造技术相关的轻微限制。
因此，有可能以低成本生产模具的设计变型，这些变型可能有利于基于流变考虑或模拟计算的设计实验测试。
催化剂成型体、载体成型体和吸附剂成型体的设计变型同样可以以低成本生产和实验测试，其中这些变型基于流变学或关于材料传输、压力损失或堆积密度的模拟或理论考虑是有利的。
借助于计算机辅助设计(CAD)设计的模具或模具部件可以通过适当的基于计算机文件和软件的制造过程控制而直接生产。
本发明还提供了一种通过3D金属打印生产金属打印模具(10)或金属打印嵌件(34)的方法，用于生产用于挤出成型催化剂成型体、催化剂载体成型体或吸附剂成型体(60)的模具(10)，该方法至少具有以下工艺步骤:
a)以连续层施加金属粉末，
b)在施加随后的金属粉末层之前，在规定区域用激光照射在先的粉末层，
c)通过步骤b)中引入的能量，在所述规定区域的金属粉末层的整个层厚度上熔化规定区域中的金属粉末，并形成致密金属层，该致密金属层结合到位于其下方的致密金属层，
d)通过交替地施加和熔化彼此层叠的多个粉末层，将金属打印模具(10)或金属打印嵌件(34)生产为由彼此层叠地施加的金属粉末层组成的熔化层的组合。
该方法优选包括以下附加步骤:
e)关于挤出物质在模具中的流动行为对模具(10)进行实验研究，
f)重复进行步骤a)至e)和可选的f)，其中改变模具(10)的结构。
在一个优选实施例中，也可以使用3D金属打印方法来同时实现不同设计的模具的生产(在粉末床中)。这允许快速和花费不高地生产大量模具，以便研究和评估它们对于通过挤出成型生产催化剂成型体、催化剂载体成型体或吸附剂成型体的适用性。这里首先可以研究成型体本身的物理和/或化学性质，例如压力损失，或包含成型体的散积物的活性。其次，可以研究和评估相关挤出物质的挤出行为对模具设计的依赖性。在这些实验结果的基础上，可选地借助于模型或算术方法，可以设计出改进的模具设计，进而可以相应地进行实验研究和评估。
本发明还提供了一种用于开发新的催化剂成型体、催化剂载体成型体或吸附剂成型体(60)的方法，所述成型体通过挤出成型产生，所述方法包括以下步骤:
(i)通过上述方法生产多个具有不同结构的不同模具(10)，其中所述模具(10)能够同时生产或依次生产，
(ii)利用所述不同模具(10)挤出成型不同的成型体(60)，
(iii)对所述不同的成型体(60)以散积物的形式在物理和/或化学性质方面进行实验研究，
(iv)可选地重复步骤(i)至(iii)，其中改变模具(10)的结构。
在模具(10)的优选实施例中，一些通道形成器(18)彼此连接。
模具(10)可以只有一个通道形成器(18)。模具(10)通常具有平行于可挤出物质的流动方向(32)的2个至20个通道形成器(18)。
在可挤出物质的流动方向(32)上延伸的通道形成器(18)可以都具有相同的直径或者可以具有不同的直径，例如彼此不同的第一和第二直径(26，28)。它们可以具有环形形状(52)或多边形形状(54)。
模具(10)可由金属打印嵌件(34)和外壳(56)组成，通道形成器(18)和连接腹板(36)存在于该金属嵌件中，外壳(56)单独制造。
在优选实施例中，外壳(56)由塑料材料制成，优选特氟隆。
本发明还提供了带有通道形成器(18)和连接腹板(36)的金属打印嵌件(34)，用于由单独生产的嵌件和单独生产的外壳(56)生产模具(10)。
包括外壳(56)并且包括通过连接腹板(36)连接到模具的内侧壁(22)的通道形成器(18)的模具(10)也可以由单一部件制造，其中整个模具是金属打印的。外壳(56)可以具有用于保持模具(10)的外部护套(58)。该外部护套(58)可以由塑料材料制成，优选特氟隆。
附图说明
附图绘示了本发明的示例和实施例，这些示例和实施例将在下面的描述中更详细地解释，其中:
图1示出了现有技术的模具的纵向截面；
图2示出了现有技术的模具的入口侧的平面图；
图3示出了本发明模具的第一实施例的纵向截面；
图4示出了图1所示实施例的第一变型的纵向截面；
图5示出了图1所示实施例的第二变型的纵向截面；
图6示出了图3所示的第二变型中的金属打印嵌件的纵向截面；
图7示出了本发明的模具的第二实施例在出口侧的平面图；
图8示出了图7所示的第二实施例的排出侧的平面图；
图9示出了图7所示的第二实施例的排出侧的3D图；
图10示出了图7所示的第二实施例的3D截面图；
图11示出了图7所示的第二实施例的入口侧的3D图；
图12示出了本发明的模具的第三实施例的纵向截面；
图13示出了图12所示的第三实施例的入口侧的平面图；
图14示出了图12所示的第三实施例的排出侧的平面图；
图15示出了图12所示的第三实施例的排出侧的3D图；
图16示出了图12所示的第三实施例的3D截面图；
图17示出了图12所示的第三实施例的入口侧的3D截面图；
图18示出了本发明的模具的第四实施例的纵向截面；，
图19示出了图18所示的第四实施例的入口侧的平面图；
图20示出了图18所示的第四实施例的排出侧的平面图；
图21示出了图18所示的第四实施例的排出侧的3D图；
图22示出了图18所示的第四实施例的3D截面图；
图23示出了图18所示的第四实施例的入口侧的3D图；
图24示出了用第二或第四实施例中的模具挤出的成型体的平面图；
图25示出了用第三实施例中的模具挤出的成型体的平面图；
图26示出了用第四实施例中的模具挤出的成型体的照片；
图27示出了用第三实施例中的模具挤出的成型体的照片。
具体实施方式
图1和2示出了现有技术中的模具。可挤出物质在此沿流动方向(32)从模具的入口侧(12)流向排出侧(14)。模具包括外壳(56)，其内侧(22)具有直径收缩部(38)，具有多个通道形成器(18)，通道形成器(18)是可挤出物质的挤压器，并且在可挤出物质的流动方向上延伸。挤压器(18)由插入到带有孔口(42)的金属板(20)中的金属销形成。金属板(20)以直角连接到外壳(56)的内侧(22)。因此，在金属板(20)下方具有用于接收可挤出物质的空腔(62)，该空腔相对于可挤出物质的流动方向(32)成直角地延伸。外壳(56)具有由塑料制成的护套(58)，该护套具有带直径台阶(44)的外侧(24)，用于保持模具(10)。
在图3所示的本发明模具的第一实施例中，可挤出物质沿流动方向(32)从模具的入口侧(12)流向出口侧(14)。模具包括外壳(56)，外壳的内侧(22)具有直径收缩部(38)，带有多个通道形成器(18)，通道形成器(18)是可挤出物质的挤压器，并且在可挤出物质的流动方向上延伸。在此具有较小的第一直径(26)的通道形成器(18)形成围绕具有较大的第二直径(28)的中央通道形成器(18)的环。在一些通道形成器(18)之间存在连接部(30)，并且通道形成器通过连接腹板(36)连接到外壳(56)的内侧壁(22)。在此，通道形成器(18)的端部(40)位于排出孔(50)的平面内。所述连接腹板(36)与内侧壁(22)成小于90°的角度延伸至通道形成器(18)。包括外壳(56)、连接腹板(36)和通道形成器(18)的模具由单个部件制成，并通过3D金属打印制造。外壳(56)具有由塑料制成的护套(58)，该护套具有带直径台阶(44)的外侧(24)，用于保持模具(10)。护套的尺寸使其可以安装到用于接收多个单独模具(10)的模具板中。
在如图4所示的图3所示实施例的第一变型中，省略了由塑料制成的护套(58)。整个模具的尺寸设计成使得其可以安装在模具板的切口中。
在如图5所示的图3所示实施例的第二变型中，只有包括连接腹板(36)和通道形成器(18)的嵌件(34)被金属打印。具有直径台阶(44)和模具(10)的内侧壁(22)的外壳(56)由塑料制成。嵌件(34)安装在外壳(56)中，并具有与外壳之间的摩擦和互锁连接。
在图6中，用于生产如图5所示的模具的包括连接腹板(36)和通道形成器(18)的嵌件(34)被单独示出。
图7至11示出了本发明模具的第二实施例的各种描述。在该实施例中，围绕具有六边形形状(54)的中央通道形成器(18，54)布置有圆形形状的通道形成器(18，52)，在外圆中的圆形形状的通道形成器(18，52)具有较小的第一直径(26)，在同心内圆中的圆形形状的通道形成器(18，52)具有较大的第二直径(28)。中央通道成形器(18，54)通过三个连接腹板(36)连接到模具(10)的外壳(56)的内侧壁(22)。外部和内部通道形成器(18，52)通过各自的连接腹板(36)连接到模具(10)的内侧壁(22)。模具由单一部件制成，并且具有由塑料制成的带有直径台阶(44)的护套(58)。
图12至17示出了本发明模具的第三实施例的不同示意图。与图7至11所示的第二实施例相比，该实施例具有四个呈正方形排列的具有相等尺寸的圆形通道形成器(18)，其端部(40)位于排出孔的平面内，从而与排出孔的形状(48)一起限定了三叶草叶片式排列。四个通道形成器中的每一个都连接到各自的连接腹板(36)，这些连接腹板一起形成肋板系统(16)。
图18至23示出了本发明模具的第四实施例的不同示意图。同样地，在该实施例中，围绕具有六边形形状(26)的中央通道形成器(18)布置有圆形形状的通道形成器(18)，在外圆中的圆形形状的通道形成器(18)具有较小的第一直径(28)，并且在同心内圆中的圆形形状的通道形成器(18)具有较大的第二直径(54)。在该实施例中，与图7至11所示的第二实施例相比，所有的通道形成器(18)都连接到具有六边形形状(26)的中央通道形成器，并且通过三个连接腹板(36)以肋板系统(16)的方式连接到模具(10)的内侧壁(22)。
图24示出了用第三实施例的模具挤出的成型体(60)，具有与模具孔的形状相对应的三叶草叶片形式的模制形状(64)，并且具有三叶草叶片布置的壁(66)和圆形通道(68)。
图25示出了用第二或第四实施例的模具挤出的成型体(60)，其模制形状(64)对应于模具孔的形状，并且具有壁(66)和分别为圆形和六边形的通道(68)。
在DE 19649865 C1中举例描述了通过3D金属粉末激光打印生产成型体。
挤出模具通过使用用于生产成型体的工艺来生产。在DE 19649865 C1中描述了通过3D金属粉末激光打印生产成型体。该过程的特征在于基于挤出模具模型的相应三维计算机辅助设计数据，由粉状金属材料通过逐层构造来构造成型体。借助于特定的计算机辅助设计软件，生成挤出模具的三维计算机辅助设计数据。
生产过程本身的特点在于由连续的粉末层来形成金属材料。在施加下一个粉末层之前，在规定的区域中用能量源照射粉末层。引入的能量熔化粉末，粉末结合而形成一个粘结层。辐射能量选择成使得材料在其整个层厚度上完全熔化。辐射以这样的方式在规定区域上的多个迹线中进行，使得每个连续的迹线在某种程度上与在先的迹线重叠；因此，各个迹线相互连接，避免产生孔隙或类似的缺陷。相应地选择轨线之间的距离。多个粉末层之间的彼此层叠，以及这些粉末层的照射，将由施加在彼此之上的粉末层产生的熔化层结合在一起。在该过程中，保护气体的气氛被保持并且在熔化金属区域内是有效的；举例来说，这防止了氧化。将粉末原材料加热到其熔点以上，并在整个层的厚度上熔化，产生具有高强度性能的致密成型体。
在实际生产过程之后，根据所用材料和精确设计的要求，也可能需要进行下游操作。在这种情况下例如为了增加强度或消除应力可以考虑热处理。还使用了改进成型体的表面性能的工艺，例如通过喷砂在下游进行表面抛光。
在下面的实施例中更详细地阐述了本发明。
示例
示例1 3D打印挤出模具的生产
生产工艺：粉末床熔化(ASTM、ISO)；以下其他名称也用作相同工艺的替代物(选择性激光束熔化(VDI))。设备制造商还特别使用以下名称：选择性激光烧结、选择性激光熔化SLMTM(Realizer，SLM Solutions)、直接金属激光烧结(EOS)、Laser/>(Concept Laser)等商标。
设备描述：Concept Laser-M2 cusing
CAD软件：Autodesk-Inventor 2017(用于3D建模)
切片器软件：Materialise-Magics 19(用于为打印准备3D模型)
使用的材料:
原材料:
-不锈钢金属粉末
供应商Concept Laser
-化学成分对应于X2 CrNiMo 17-13-2，316L，1.4404
-粒度分布:D10＝18.72微米，D50＝30.10微米，D90＝45.87微米。
-基本上圆形的颗粒形状
材料属性:
-硬度:190-220HV
-密度:99.5％-99.9％
-断裂伸长率:41％-52％
-最小抗拉强度Rm,min:>614MPa
-最小屈服强度Rp,0.2,min:>486MPa
替代材料:
-优选金属材料
-优选高耐磨性(工具钢)
-几乎所有金属和较硬的塑料都应该是可以接受的
-粒度优选低于100微米，优选在10微米和50微米之间
使用的工艺参数:
工艺参数
-保护气体:氮气
-层厚:25微米
-激光功率输出:150–380瓦
-激光光斑直径:100微米
-激光光斑速度:300–1100毫米/秒
替代工艺参数:
-保护气体:优选惰性气体，取决于所用金属的反应性
-层厚:优选低于60微米
-激光功率输出:优选在50-600瓦之间，取决于其他工艺参数
-激光光斑直径:优选小于500微米
-激光光斑速度:优选为100–8000毫米/秒
“Autodesk–Inventor 2017”在此用于生成挤出模具模型的三维CAD数据。在三维模型建模之后，这被转换成STL格式，其中模型的表面由三角面描述。STL格式用于在特定的数据处理软件中对模型进行相对简单的进一步处理。这里使用的程序是Materialise-Magics。该程序使用构建处理器来确定后续生产过程中使用的参数和策略。然后在3D打印机上直接读取输出的计算机文件。
在目前的情况下，实际生产过程之后是6小时的低应力退火，并且通过机加工来去除载体结构。
示例2催化剂物质的生产
将0.8991千克(基于硅藻土混合物的按重量计30％)欧洲矿物公司(EP Minerals)的MN型硅藻土、1.4985千克(基于硅藻土混合物的按重量计50％)(基于Diatomite SP CJSC的Masis型硅藻土)和0.5994千克(基于硅藻土混合物的按重量计20％)矿物资源有限公司(Mineral Resources Ltd.)的Diatomite 1型硅藻土在搅拌器(Engelsmann,容器容积32升)中以每分钟45转的速度混合30分钟。将硅藻土混合物装入Mix-Muller(Simpson，2007年建造，容器容积30升)中，以每分钟33转的速度混合2分钟。然后在2分钟的时间内加入由1.3706千克氢氧化钾水溶液(按重量计47.7％)和0.532千克多钒酸铵(Treibacher)组成的第一溶液，并继续混合1分钟。在2分钟的时间内加入2.1025千克48％的硫酸，并以每分钟33转的速度继续搅拌1分钟。接下来将0.3千克硫酸钾(K+S Kali GmbH)加入到1.587千克50％的Cs2SO4水溶液中，在2分钟的时间内将其加入到Mix-Muller中，并以每分钟33转的速度再混合1分钟，然后加入180克淀粉溶液(去离子水中的马铃薯淀粉重量的7.39％)，并继续混合。然后以每分钟33转的速度进一步混合所得物质，直到加入硅藻土后的总混合时间达到15分钟。
示例3和4催化剂成型体的生产
成型体的几何形状由模具决定，待挤出的物质通过模具在高压下输送。使用如图18至23(示例3)和12至17(示例4)中的模具。挤出的成型体和几何形状分别如图24和25所示。
这里使用具有单螺杆的螺杆挤出机。固体从上方被送入螺杆。挤出机是水冷的。挤出机中输送螺杆的转速为每分钟10转。进料期间的固体温度和挤出机的排出口处的成型体的温度约为50℃。通过挤出机的产量为6000千克/天。由于包括线束的非恒定输送速度在内的原因，导致的结果是长度的分布，而不是均匀的长度。此外，平均长度取决于模具的几何形状。然后将成型体在120℃干燥2小时，然后在475℃煅烧3小时。过大和过小的成型体通过筛分装置除去。
所得挤出物在图26(示例3)和27(示例4)中示出。
附图标记列表
10 模具
12 模具的入口侧
14 模具的排出侧
16 肋板系统
18 通道形成器(挤压器、销)
20 金属板
22 模具的内侧壁
24 护套的外壁
26 通道形成器的第一直径
28 通道形成器的第二直径
30 通道形成器的连接部
32 可挤出物质的流动方向
34 金属打印嵌件
36 连接腹板
38 内侧壁的直径收缩部
40 通道形成器的端部
42 金属板的孔口
44 护套的直径台阶
48 排出孔的形状
50 排出孔
52 通道形成器的圆形形状
54 通道形成器的多边形形状
56 外壳
58 护套
60 挤出的催化剂成型体、载体件或吸附剂成型体
62 空腔
64 挤出成型体的形状
66 挤出成型体的壁
68 挤出成型体的通道
Claims (16)
1.一种模具(10)，用于沿可挤出物质的流动方向(32)从模具的入口侧(12)向模具的排出侧(14)挤出成型催化剂成型体、催化剂载体成型体或吸附剂成型体(60)，该模具包括外壳(56)以及一个或多个通道形成器(18)，该通道形成器是可挤出物质的挤压器并且在可挤出物质的流动方向上延伸，其中，作为可挤出物质的挤压器的所述通道形成器(18)通过一个或多个连接腹板(36)固定在模具(10)的内侧壁(22)上，所述连接腹板与内侧壁成小于90°的角度延伸至通道形成器并且所述模具(10)不存在用于接收可挤出物质的、与可挤出物质的流动方向(32)成直角地延伸的空腔，其中，通道形成器(18)是金属打印的；所述外壳的内侧壁(22)具有直径收缩部。
2.根据权利要求1所述的模具(10)，其特征在于，所述通道形成器(18)具有用于连接彼此的连接部(30)。
3.根据权利要求1或2所述的模具(10)，其特征在于，一些通道形成器(18)彼此连接。
4.根据权利要求1或2所述的模具(10)，其特征在于，为了挤出成型所述催化剂成型体或载体成型体(60)，所述模具具有平行于可挤出物质的流动方向(32)的2个至20个通道形成器(18)。
5.根据权利要求1或2所述的模具(10)，其特征在于，在可挤出物质的流动方向(32)上延伸的通道形成器(18)具有彼此不同的第一直径(26)和第二直径(28)，并且具有圆形形状(52)或多边形形状(54)。
6.根据权利要求1或2所述的模具(10)，其特征在于，所述模具由金属打印嵌件(34)和外壳(56)组成，所述通道形成器(18)和连接腹板(36)存在于所述金属打印嵌件(34)中。
7.根据权利要求6所述的模具(10)，其中，所述外壳(56)由塑料材料制成。
8.根据权利要求1或2所述的模具(10)，其特征在于，通过连接腹板(36)连接到所述模具的内侧壁(22)的通道形成器(18)和外壳(56)由单个部件制成，并且是金属打印的。
9.根据权利要求8所述的模具(10)，其特征在于，所述外壳(56)具有用于保持所述模具(10)的外部护套(58)。
10.根据权利要求9所述的模具(10)，其特征在于，所述外部护套(58)由塑料材料制成。
11.根据权利要求7或10所述的模具(10)，其特征在于，所述塑料材料是特氟隆。
12.用于制造根据权利要求6或7所述的模具的金属打印嵌件(34)，所述金属打印嵌件具有通道形成器(18)和连接腹板(36)。
13.一种通过3D金属打印生产根据权利要求1所述的模具(10)或根据权利要求6所述的模具(10)的金属打印嵌件(34)的方法，该模具用于挤出成型催化剂成型体、催化剂载体成型体或吸附剂成型体(60)，所述方法至少具有以下工艺步骤:
a)以连续层施加金属粉末，
b)在施加随后的金属粉末层之前，在规定区域用激光照射在先的粉末层，
c)通过步骤b)中引入的能量在所述规定区域的金属粉末层的整个层厚度上熔化该规定区域中的金属粉末，并形成致密金属层，该致密金属层被结合到位于其下方的致密金属层，
d)通过交替地施加和熔化彼此层叠的多个粉末层，将模具(10)或金属打印嵌件(34)制造为由彼此层叠地施加的金属粉末层构成的熔化层的组合。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，具有附加步骤:
e)关于挤出物质在模具中的流动行为对模具(10)进行实验研究，
f)重复进行步骤a)至e)和可选的f)，其中改变模具(10)的结构。
15.一种用于开发通过挤出成型产生的新的催化剂成型体、催化剂载体成型体或吸附剂成型体(60)的方法，所述方法包括以下步骤:
(i)通过根据权利要求13所述的方法生产多个具有不同结构的不同模具(10)，其中所述模具(10)能够同时生产或依次生产，
(ii)利用所述不同模具(10)挤出成型不同的成型体(60)，
(iii)对所述不同的成型体(60)以散积物的形式在物理和化学性质方面进行实验研究，
(iv)可选地重复步骤(i)至(iii)，其中改变模具(10)的结构。
16.根据权利要求15的方法，其中对成型体(60)以散积物的形式在成型体的压力损失和/或成型体催化活性方面进行实验研究。
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