CN113396005A - 使用增材制造生产的过滤介质包 - Google Patents

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Abstract

一种过滤器，其包含：壳体，所述壳体限定包括X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系；以及过滤介质(800)，其包括多个固化材料层；其中所述多个固化材料层中的至少一个(802)包括固化材料的波形条带(804)，波形条带在与X轴形成第一角度(808)的第一预定方向(806)上延伸。

Description

使用增材制造生产的过滤介质包
技术领域
本发明涉及用于去除各种流体的污染物的过滤器和通风器，所述各种流体诸如为用于为土方、建筑和采矿设备等(例如汽车、农业、HVAC(加热、通风和空调))、机车、船舶、废气处理或其中使用过滤器和通风器的任何其它工业)的机构和发动机提供动力的液压流体、空气过滤、油和燃料等。具体地，本发明涉及使用3D打印技术制造的过滤器，允许在过滤器中使用更复杂的几何形状。
背景技术
土方、建筑和采矿设备等经常使用过滤器和/或通风器，用于去除各种流体的污染物，各种流体例如用于为设备的机构和发动机提供动力的液压流体、油和燃料等。随着时间的推移，污染物聚集在流体中，这可能对各种机构(例如液压缸)和发动机的部件有害，需要修理。过滤器和/或通风器的目的是去除各种流体中的污染物以延长这些部件的使用寿命。使用过滤器和/或通风器的任何工业也可能需要从液压流体、空气、油和燃料等去除污染物。这些其他行业的示例包括但不限于汽车、农业、暖通空调(HVAC)、机车、船舶、尾气处理等。
这种过滤器所采用的特征和几何形状受到可用于制造过滤器及其相关过滤介质的制造技术的限制。通常使用的技术包括折叠多孔织物或其它去除污染物的材料。典型的增材制造围绕创建的实心部件而不是多孔的部件来构造。结果，产生可集成到打印部件中或用于介质包的可用等级的过滤介质不在当前增材技术等的标准能力内，诸如FDM(熔融沉积成型)、FFF(熔融长丝制造)、SLA(立体光刻)等。
例如，Thiyagarajan等人的美国专利申请公开No.2016/0287048A1公开了一种用于洗碗机器具的过滤器，过滤器包括过滤介质、沿着过滤器的轴向方向延伸的主体、以及沿着过滤器的轴向方向定位在主体的第一端部处的盖。过滤介质被配置成用于从来自洗碗机器具的洗涤室的洗涤流体中过滤碎屑和其他颗粒，并且被附接到过滤器的主体上或与主体一体形成。另外，盖配置成允许洗涤液从洗碗机器具的洗涤室流动到过滤介质，并且可以使用增材制造工艺与过滤器的主体一体地形成。Thiyagarajan等人的图15和16以及段落59表示过滤器开口是肉眼可见的(.08英寸)。这不适合去除土方、建筑和采矿业等中使用的过滤器和/或通风器遇到的一些污染物(有关使用过滤器和/或通风器的更广泛的行业列表，请参见上文)。
类似地，Miller等人的美国专利申请公开No.2016/0287605A1公开了一种洗碗机器具，其包括具有整体式过滤器的贮槽组件，该整体式过滤器用于过滤供应给洗碗机器具的洗涤室的洗涤流体。整体式过滤器限定了中心轴线。整体式过滤器还具有过滤介质，过滤介质具有限定过滤介质的内室的内表面。内腔在垂直于中心轴线的平面中的横截面积沿中心轴线的长度变化。还提供了一种用于形成用于洗碗机器具的整体式过滤器的相关方法。在Miller等人的第33段中，过滤介质的孔径据说在.003英寸至.025英寸的范围内。然而，没有详细描述产生这种小孔径的确切方法。
此外，这些现有技术参考文献没有详细描述如何使通过使用增材制造的过滤介质过滤的流体的通量最大化。
发明内容
提供了根据本发明的实施方案的过滤器。该过滤器可以包含壳体，所述壳体限定包括X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系；以及过滤介质，其包括多个固化材料层；多个固化材料层中的至少一个包括固化材料的波形条带，波形条带在与X轴形成第一角度的第一预定方向上延伸。
提供了一种根据本发明的实施方案的过滤介质。过滤介质可以限定包括X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系，并且可以包括第一区段，其包括第一多个层，其中第一多个层中的至少一层包括固化材料的波形条带，波形条带在与X轴形成第一角度的第一预定方向上延伸；以及第二区段，其包括第二多个层，其中所述第二多个层中的至少一层包括固化材料的波形条带，波形条带在与第一预定方向不同的预定方向上延伸，与X轴形成与第一角度不同的第二角度。
提供一种用于制造根据本发明的实施方案的过滤介质的方法。该方法可以包括提供过滤介质的计算机可读三维模型，计算机可读三维模型包括多个区段，三维模型的每个区段被配置为转换成多个切片，每个切片限定过滤介质的横截面层，每个区段包括沿着与另一个区段的波形层的预定方向不同的预定方向延伸的波形层；通过增材制造相继形成各层过滤介质。
附图说明
并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的若干实施方案，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。附图中：
图1是根据本发明的第一实施方案的具有使用3D打印或其他增材制造技术制造的过滤介质的过滤器的透视图。过滤器的顶部部分被移除以示出过滤器的内部工作方式。更具体地，过滤器显示为通过增材制造。
图2是根据本发明的第二实施方案的具有使用3D打印或其他增材制造技术制造的过滤介质的过滤器的透视图，类似于图1的实施方案。除了提供具有不同尺寸的孔的多个过滤介质之外，与图1相同。
图3是图1的过滤介质的放大透视图，说明了过滤介质通过形成由波形的材料条带的层形成，条带在在交替方向沿Z方向从一个层(X方向)到相邻层(Y方向)上的波形。
图4是图2的过滤器的后视透视图。
图5是根据本发明的实施方案的过滤介质的截面图。
图6是根据本发明的第三实施方案的过滤组件。
图7是图6的过滤组件的透视截面图，示出了根据本发明的又另一个实施方案的过滤介质，描绘了穿过过滤器的流体流动。
图8示出了当使用增材制造工艺构建时处于干燥状态的图7的过滤组件，更清楚地示出了过滤介质的孔隙率。
图9是图8的过滤组件的前截面图；
图10是图8的过滤组件的一部分的放大详细视图，展示了壳体和过滤介质都可以使用增材制造。
图11是图8的过滤介质的透视截面图，更清楚地示出过滤介质具有大致圆柱形的环形构造。
图12是图11的过滤介质的前视图。
图13是图8的过滤组件的俯视截面图。
图14是图8的过滤组件的俯视截面图。
图15是描绘根据本发明的任何实施方案的用于产生过滤器和/或过滤介质的三维模型的方法并且表示该系统的示意图。
图16是说明了根据本发明的实施方案的创建过滤器和/或过滤介质的方法的流程图。
图17是过滤介质的照片，说明了层的下垂或其他变形以减小孔的尺寸。
图18说明使用CAD包创建STL文件(使用单个实体模型文件创建)接着使用3D打印软件将STL文件转换为多个层的过程。
图19是根据本发明的一个实施方案的使过滤介质的多个层以单一角度成角度的过滤介质的俯视图。
图20是图19的过滤介质的放大细节图，示出了过滤介质层以单一角度的取向。
图21是具有环形构造的过滤介质的透视图，环形构造具有全部取向为相同的单一角度的多个层。
图22是图21的过滤介质的放大详细视图，说明了过滤介质的内部部分如何具有有限数量的开口，因为多个层以相同的角度定向，所以开口进入过滤介质的内部孔中。
图23是图21的过滤介质的放大详细视图，说明了过滤介质的有小面的外部如何具有有限数目的开口，开口从过滤介质的有小面的外部延伸，或者由于多个层以相同的角度取向，所以流动路径受限，导致流动路径不垂直于过滤介质的有小面的外部。
图24说明了如何创建多个固态文件(例如，十个单独的区段)，将其转换成STL文件，然后将其导入3D打印软件以创建具有不同角度的过滤介质的多个区段，每个区段的多个层沿着角度延伸。
图25示出了以不同的填充角度和打印设置导入3D打印软件中的所有十个区段。
图26是通过增材制造的过滤器的俯视图，过滤器具有带有单一填充角的过滤介质。
图27是通过增材制造的过滤器的俯视图，过滤器具有分成十个不同区段的过滤介质，每个区段具有不同的填充角。
图28是从过滤器移除的图27的过滤介质的透视图。
图29是图27的过滤器的透视图；
图30是在过滤介质的外部和内部上形成圆柱形环形构造的过滤介质的实施方案的透视图。
图31是图30的过滤介质的俯视图；
图32是图30的过滤组件的放大详细图。
图33是示出根据本发明的又一实施方案的制造过滤器和/或过滤介质的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施方案，其示例在附图中示出。只要可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。在一些情况下，将在本说明书中指示参考数字，并且附图将示出后面是字母的参考数字，例如100a、100b，或后面是撇号的参考数字，例如100′、100″等。应当理解，后面是字母或撇号的参考数字表示这些特征是类似形状的并且具有与当几何结构关于对称平面成镜像时的通常情况类似的功能。为了在本说明书中容易解释，字母和撇号通常不包括在本文中，而是可以在附图中示出，以指示在本书面说明书中讨论的具有类似或相同功能或几何形状的特征的重复。
本文将讨论过滤器和/或过滤介质的各种实施方案，这些实施方案利用现有的增材制造技术来实施产生可用效率等级的多孔过滤介质的可重复过程的方法。该工艺的示例包括FFF、FDM、SLA等3D打印硬件，以及对打印头的移动图案的特定控制，使得当材料被添加到部件时，产生小间隙以构建多孔结构。该方法利用基于由用户给予过滤结构的输入来生成过滤结构的开源软件。该方法可以改变打印头的速度和路径，沉积的塑料的流速、冷却方法等。放置的结构可能下垂或以其他方式变形，从而产生小尺寸的孔。
例如，材料可以从一层滴到下一层，与下一层形成密封。因此在介质中产生两个(或更多个)孔和更细的孔隙率。变形(例如，滴落、下垂等)可能由于热喷嘴在最新产生的层中保留的热量和重力而发生。结果，先前铺设的层可以附着到新层。与分开适当距离的两个平行层垂直/不平行的滴落层可以变形直到其接触相邻层，从而在每一侧上产生两个(或更多个)更小的孔。实际上，这可以产生更精细的孔径以用于更精细的过滤。期望的变形可以包括调节温度控制、层高度的控制、挤出宽度、填充模式等。图17说明了如何以这种方式形成最小化的尺寸134。
单层过滤介质的碎屑保持能力通常受到通过介质的流动通道数量的限制。当流体通过介质时，大于通道的碎屑将不能流过介质并最终阻塞流动通道或容纳在介质中。为了增加过滤器的容量，还可以将介质分层和/或交错，使得较大的碎屑可以在与较小的碎屑不同的深度处停止。这导致介质碎屑容纳能力的增加。原型介质具有均一的孔隙结构。这限制了介质的容量，因为被过滤器阻挡的大部分碎屑将发生在污染流体最初流过的表面附近。
在本文所公开的过滤介质的各种实施方案中，可以提供介质级和/或通过增材制造技术制造的几个分级介质包内的梯度。介质包可以由从增材制造工艺中的输入设置的独特组合开发和合成的离散介质包组成。这些设置选择性地控制介质包中的每一级的几何形状。分级制造离散且独特的介质包允许整个介质包充当一个连续的过滤元件，尽管允许如使用过滤器构造中的过滤器或在系统中具有串联的多个过滤器所完成的多个过滤阶段。与传统过滤器设计中的过滤器不同，增加附加级不必导致部件复杂度和成本的显著增加。
结果，污染流将通过每一级经历不同形式的过滤以实现一定的效率水平。在一些实施方案中，层的高度相对于该层保持恒定并且被限定在距刚刚添加到部件的层的固定距离处(在打印部件的不同高度以不同层高度打印是为了减少打印时间而进行的)。
在一些实施方案中，一种方法在打印时改变层的高度以产生在一个区域中更厚而在另一个区域中更薄的单层。层高度相对于介质包深度的变化可导致锥形，这在流体向下游前进时产生较小的孔尺寸。这可以增加深度方面的效率并防止较大的颗粒比特定于该颗粒尺寸的适当深度通过得更远。这可以允许更好地利用由介质包所占据的体积并且可以增加碎屑保持能力。锥形也可以嵌套，以进一步增加介质包体积的利用率。嵌套的锥形可以具有相同的尺寸，使得它可以用作过滤器，或者这些锥形可以具有逐渐锥化的规格，这些规格可以相对于介质包内的级提高效率。
本文所讨论的过滤器和/或过滤介质可以用于去除任何类型的流体(包括液压流体、油、燃料等)中的污染物，并且可以用于任何工业(包括土方、建筑和采矿等)。如本文所用，术语″过滤器″应解释为包括″通风器″或用于从流体去除污染物的任何装置，如本文任何地方所述。此外，如前所述的使用过滤器和/或通风器的任何合适的工业可以使用这里讨论的任何实施方案。
聚焦图1至图4，将描述根据本发明的实施方案的过滤器。应当注意的是，图1至图4中的过滤器的顶部已经被去除以示出过滤器的内部工作方式。应当理解的是，即使顶部被去除，过滤器也将包括这样的顶部并且实际上将形成封闭体。未具体示出但理解为存在的过滤器的其它部件包括端盖、中心管、顶板等。在一些实施方案中可以省略中心管，这是因为，由于过滤器可以用过滤介质制造，所以过滤器可以具有更多的结构完整性。
过滤器100可以包括主体102，主体包括限定中空内部106的外壁104。如图所示，外壁104具有矩形形状(或其他多边形形状)。在其它实施方案中可能不是这种情况。例如，参见图6。外壁104可以具有其他构造，诸如圆柱形。再次参考图1至4，入口108与中空内部106流体连通。另外，出口110与中空内部106流体连通。第一过滤介质112布置在包括多个层114、114′等的中空内部106中。如在图3中最佳示出的，每个层114、114′等包括固化材料的波形条带116，在多个层114、114′的每个层之间形成多个孔117、117′等。
参见图1、图2和图4，中空内部106包括与入口108和出口110流体连通的矩形立方体腔室118。第一过滤介质112布置在入口108与出口110之间的矩形立方体腔室118中。因此，待过滤的流体通过入口108进入，穿过第一过滤介质112，并且流出出口110。应当注意，入口108和出口110可以如图1中的对比流体流动箭头120和图2中的流体流动箭头120′所示进行切换。中空内部106可以具有除矩形立方体之外的其他形状，例如图7所示。
参考图2，主体102可以包括底壁122和侧壁124。入口108可以延伸穿过底壁122并且出口110可以延伸穿过侧壁124。在图1、图2和图4中，主体102限定了多个平行支撑肋126，这些平行支撑肋被布置在延伸穿过侧壁124的出口110或入口108中。这些支撑肋126的功能是在主体102经由增材制造时支撑主体的结构，同时能够允许流体几乎没有阻力地流过侧壁124中的孔口(例如，入口108或出口110)。也就是说，肋126沿期望的流动方向120、120′定向。
类似地，主体102进一步限定不与矩形立方体腔室118流体连通的多个辅助空隙128。该主体102包括布置在多个辅助空隙128中的支撑结构130。辅助空隙128的目的是当经由增材制造工艺构建时加速制造工艺，而可以采用互连肋的网格形式的支撑结构130提供结构刚度和强度。
主体102可以是无缝的并且第一过滤介质112可以是主体102的一体部分或可以是与主体102分开的部件，之后插入主体102中。如在图5中最佳看到的，第一过滤介质112可以限定多个孔117，这些孔限定了在50μm至200μm之间的最小尺寸134。在特定实施方案中，多个孔117的最小尺寸134可以在70μm至170μm的范围内。这些各种构造，空间关系和尺寸可以根据需要或期望而变化，以不同于在其它实施方案中具体示出和描述的。例如，孔径可以如所期望的那样大或者可以如所期望的那样小(例如，4微米，在图5中，ha＞＞hb)。
参看图2和图4，过滤器100进一步可包括紧邻第一过滤介质112和出口110布置的第二过滤介质132。也就是说，待过滤的流体流动通过入口108，通过第一过滤介质112，然后通过第二过滤介质132，并且然后通过出口110流出。在一些实施方案中，如参考图5最佳理解的，第一过滤介质112限定具有第一最小尺寸134的多个孔117、117′，并且第二过滤介质132限定具有第二最小尺寸134′的多个孔117、117′。第一最小尺寸134可以大于第二最小尺寸134′。
结果，可以提供多个过滤级，使得较大尺寸的污染物在第一级中被第一过滤介质112过滤出，较细的污染物在第二级中被第二过滤介质132过滤出，等等。在各种实施方案中(直至并包括第n级)可以提供所需或期望的尽可能多的过滤状态。在其他实施方案中，第一过滤介质112可以被配置成用于去除水，第二过滤介质134可以被配置成用于去除碎屑等。在一些实施方案中，第一过滤介质112和第二过滤介质132是可以插入主体102中的分开的部件。在这种情况下，过滤器100的主体102与第一过滤介质112和第二过滤介质132分离。在其他实施方案中，第一过滤介质112和第二过滤介质132与主体102是一体的并且彼此是一体的，与主体102同时通过增材制造而成。
现在关注图6至图14，将描述根据本发明的另一实施方案的过滤器200(例如，罐式过滤器)。过滤器200可以包括壳体202，壳体包括外壁204和内壁206。外壁204和内壁206限定了相同的纵向轴208。内壁206可以具有圆柱形构造并且可以限定穿过纵向轴208并且垂直于纵向轴的径向方向210，以及与径向方向210相切并且垂直于纵向轴208的圆周方向212。内壁206与外壁204径向间隔开，壳体202进一步限定了沿着纵向轴208布置的第一端214和第二端216以及中空内部218。这些各种构造和空间关系在其它实施方案中可以不同。
如在图7至10中最佳看到的，入口220与中空内部218流体连通并且出口222与中空内部218流体连通。过滤介质224布置在包括多个层226、226′等的中空内部218中，每个层226可以包括固化材料的波形条带228、228′等。过滤介质224包括限定外部环形区域230和内部环形区域232的环形形状。
中空内部218包括与过滤介质224的入口220和外部环形区域230流体连通的外部环形腔室234以及与纵向轴208同心的中心圆柱形空隙237，该中心圆柱形空隙与过滤介质224的出口222和内部环形区域232流体连通。这建立了待过滤流体的流动，如图6和7中的箭头236所示。在其他实施方案中，该流动方向可以相反。
内壁206可以限定出口222并且可以包括内螺纹238或其他类型的配合接口。壳体202限定顶表面240，并且入口220是从顶表面240延伸到外部环形腔室234的第一圆柱形孔242，并且出口222从顶表面240延伸到中央圆柱形空隙237。如图7至图9所示，可以提供多个相同构造的入口220，这些入口围绕纵向轴208布置成圆形阵列。类似地，在各种实施方案中可以提供多个出口。在各种实施方案中，入口和出口的数量和布置可以根据需要或期望而变化。
在一些实施方案中，壳体202是无缝的并且过滤介质224与壳体202是一体的。例如，过滤介质224可以经由增材制造工艺与壳体202同时构建。在其他实施方案中，过滤介质224可以是插入壳体中的单独部件。如果需要，可以以如本文前面所述的同心方式提供多种不同的过滤介质以提供多级过滤。过滤介质224限定了限定小于200μm的最小尺寸134的多个孔117(在图7至14中未示出，但是应理解为具有图3或5中所示的相同结构)。如前所述，孔的尺寸可以是任何合适的尺寸。
聚焦图8至图12，过滤介质224包括盖部和底部。盖部246包括包括固化材料的第一多个层250、250′等的，第一多个层包括：第一层250，其具有在第一预定方向254上延伸的固化材料的第一波形带252；和第二层250′，其具有在第二预定方向256上延伸的固化材料的第二波形带252′。第一层250与第二层250′接触，第一预定方向254与第二预定方向256不平行。
类似地，底部248包括：固化材料的第二多个层258、258′，固化材料的第二多个层258、258′包括：第三层258，其具有在第三预定方向262上延伸的固化材料的第三波形条带260；和第四层258′，其具有在第四预定方向264上延伸的固化材料的第四波形条带260′。第三层258与第四层258′接触，第三预定方向262与第四预定方向264不平行。
最佳地如图10所示，盖部246的波形和底部248的波形彼此异相。盖部246和底部248可以表示打印的前3-5层。底部和顶部的固体层的数量由打印设置控制。它们可以为打印提供额外的结构支撑并且将″填充物″与暴露的塑料层密封隔离。在一些实施方案中，多种介质可以竖直堆叠以产生″异相″波动，″异相″波动可以操纵和改变流经异相介质包外的每个区段的流体的流动路径。例如，可以在顶部或底部提供更限制性的通道，而中间部分可以具有更开放的通道，这取决于具体过滤应用的偏好。
图14示出了过滤器200可以包括其中布置有支撑结构268的辅助空隙266，以在使用增材制造工艺时加速制造工艺，同时保持过滤器200的结构完整性。
根据本发明的又一实施方案的过滤器300可大体上描述如下，参看图1到图14。过滤器300可以包括壳体302和包括多个固化材料层306、306′等的过滤介质304。固化材料的多个层306、306′中的至少一个包括在第一预定方向310上延伸的固化材料的波形条带308。参见图3，材料的波形条带308可以安排成梯形图案。也就是说，当流体通过孔314时，带308的两个腿部312可以相对于彼此成角度以形成具有减小的尺寸的孔314。在图3中，这种尺寸的减小发生在X-Y平面中。在图5中，这种减小也发生在Y-Z平面中。换言之，梯形图案至少部分地限定多个孔314、314′，多个孔314、314′中的每一个包括沿第二预定方向316尺寸减小的孔尺寸318。
关注图3，固化材料的多个层306、306′等包括：第一层306，其具有在第一预定方向310上延伸的固化材料的第一波形条带308；和第二层308′，其具有在第二预定方向316上延伸的固化材料的第二波形条带308′。对于在此描述的任何实施方案的任何固体材料条带的波动可以具有任何合适的形状，包括Z字形、方形、梯形、正弦形、多项式形等。
第一层306与第二层306′接触，第一预定方向310与第二预定方向316不平行。这种布置有助于形成孔314、314′。第一预定方向310可以垂直于第二预定方向316。如图3所示，固化材料的第一波形条带308布置成梯形图案，固化材料的第二波形条带308′布置成方形图案(腿部312′彼此平行)。另一种形状，诸如梯形，也可用于条带308′。在其他实施方案中，这些形状中的任一个可以根据需要或期望而变化。
现在将参照可用作替换部件的图3和图5描述根据本发明的实施方案的过滤介质400。还应该注意的是，如在此描述的过滤介质的不同实施方案可以通过从过滤介质中反洗所捕获的碎屑或其他污染物来重复使用。过滤介质400可以包括多个固化材料层402、402′等，固化材料层包括：第一层402，其具有在第一预定方向406上延伸的固化材料的第一波形条带404；以及第二层402′，其具有在第二预定方向408上延伸的固化材料的第二波形条带404′。第一层402与第二层402′接触，并且第一预定方向406不与第二预定方向408平行，在它们之间形成多个孔410、410′。
在特定实施方案中，第一预定方向406垂直于第二预定方向408，但并非必须如此。固化材料的第一波形条带404具有梯形图案并且固化材料的第二波形条带404′具有方形图案。其他形状也是可能的。
如本文前面提到的，梯形图案至少部分地限定多个孔410、410′，每个孔包括沿第二预定方向408尺寸减小的孔尺寸412。
在图3中，过滤介质400包括矩形立方体构造。其它形状，诸如环形，也是可能的。
在图5中，过滤介质400限定第三预定方向414，并且孔尺寸412沿第三预定方向414减小尺寸。例如，第一预定方向可以是X方向，第二方向可以是Y方向，第三方向可以是Z方向。
参见图7至图12，可以被提供作为替代部件的过滤介质500的另一个实施方案可以被描述如下。过滤介质500可以包括多个层502、502′等，每个层包括固化材料的波形条带504、504′等。过滤介质500可以包括限定外环形区域506和内环形区域508的环形形状。多个层502、502′等彼此接触，在其间限定多个孔510。
过滤介质500可以进一步包括具有在此之前描述的属性和选项的盖部512和底部514。盖部512可以包括固化材料的第一多个层516、516′等，第一多个层包括：第一层516，其具有在第一预定方向520上延伸的固化材料的第一波形状条带518；和第二层516′，其具有在第二预定方向522上延伸的固化材料的第二波形状条带518′。第一层516与第二层516′接触，第一预定方向520与第二预定方向522不平行。
底部514包括固化材料的第二多个层524、524′等，第二多个层包括：第三层524，其具有在第三预定方向528上延伸的固化材料的第三波形带526；和第四层524′，其具有在第四预定方向530上延伸的固化材料的第四波形带526′。第三层524与第四层524′接触，第三预定方向528与第四预定方向530不平行。
同样，如前所述，盖部512的波形和底部514的波形彼此异相。如本文前面提到的，″异相″波形可以提供在介质的不同方向和截面上具有不同孔隙率和过滤的机会。
同样如前所述，流道和孔的构造或制造方式可影响通过过滤器或过滤介质过滤的任何流体的有效通量。因此，现在将参照图18至32描述公开可如何改变被过滤的任何流体的有效流量的各种实施方案和方法。应当理解，图18至32的实施方案的任何特征可以与图1至17的实施方案的那些特征互换，或者反之亦然，以产生本发明的另外的实施方案。
经由3D打印机打印过滤介质包需要特定的设置以实现期望的孔隙率。当尝试使用带有一组打印设置指令的单个导入STL文件打印过滤时，可能出现问题。例如，设定′填充角′控制打印头相对于打印机的XY坐标系移动的方向，同时挤出用于部件的填充的塑料(″填充″在本文别处也称为″支撑结构″)。当打印一个完整的几何形状时，单个填充角会产生问题，现在将参照图18至23进行说明。
参看图18，CAD模型700(例如，在CREO中创建的STL文件)通常被导入到3D打印软件(例如，Slic3r软件中)。然后，由3D打印软件根据用户输入的设置来处理CAD模型(参见箭头702)以创建几何结构704，该几何结构被″切片″成3D打印机的打印头可以放置以创建期望的几何结构704的多个层。这些设置可以包括填充角、填充密度、无壳等。
现在转向图19和20，示出了过滤介质800的实施方案，其中3D打印机的打印头可以在其沿竖直方向(Z轴)向上行进时遵循45度填充角设置(可以变化)来打印整个介质包。换言之，过滤介质800或3D打印机可以定义笛卡尔坐标系，笛卡尔坐标系包括X轴、Y轴和Z轴，因为过滤介质800是通过3D打印机或其他增材制造的。过滤介质800可以包括多个固化材料层。多个固化材料层中的至少一个802可以包括固化材料的波形条带804，波形条带在与X轴形成第一角度808的第一预定方向806上延伸。该第一角度808可以是填充角或者可以以其他方式创建。在不同的实施方案中，第一角度808可以在从10度至80度的范围内，或者在某些实施方案中可以是45度，诸如图19至图23所示。
现在参见图21至23，过滤介质800可以包括圆柱形内部孔810和有小面的外部812。如图22所示，使用单个角度可以完全密封介质的圆柱形内部孔810或限制流入或流出圆柱形内部孔810。同样如图23所示，如果角度不对应于与介质包的带小面的外部812的面正交/法向的角度，则介质的带小面的外部812的面可以变得完全密封或部分密封。这可以引起不期望的限制，减少穿过介质包的流动，或完全密封该面。在其它实施方案中，内部孔可以是有小面的，外部可以是圆柱形的等。
如图24至32所示，过滤介质800的几何形状可以被分割成具有由3D打印机用于制造每个区段的唯一设置的离散区段814。根据介质包被分成多少区段，可以选择适当的填充角。如在图27中最佳看到的，过滤介质800可以包括环形构造并且可以被分割成包括第一区段814′的多个区段814，第一区段包括与X轴限定第一角度808的多个固化材料层中的至少一个固化材料层802。过滤介质800可以进一步包括第二区段814″，第二区段包括多个固化材料层中的另一个固化材料层816，另一个固化材料层包括固化材料的波形条带818，该波形带在与第一预定方向806不同的预定方向820上延伸，与X轴形成与第一角度808不同的第二角度822。第一和第二角度808、822可以垂直于带小面的外部812，从而最大化由介质包过滤的流体的通过量。
在本发明的不同实施方案中，可能期望或可能不期望以与这些面正交/法向的填充角进行打印。在一些实施方案中，具有与这些面正交的填充角可以帮助控制该流动，使得该流动全部指向介质包的中心，而穿过介质包的约束最小。
介质包的每个区段可以具有变化的填充密度、层高、挤出和其他打印设置。这可以允许介质包内的更多变化。在一些实施方案中，可以采用10个区段的介质包，其中5个区段使用0.07mm层高度和50％填充密度，而其他5个区段可以使用0.15mm层高度和60％填充密度。
在包括具有其它打印设置和具有除环形之外的其它形状的实施方案中，许多构造是可能的。当过滤介质800包括环形形状时，过滤介质800可以限定周向方向C并且包括圆柱形内部824。外部812可以是有小面的(参见图19至29)或可以是圆柱形812′(参见图30至32)。
关注图24，不是将一个模型导入3D打印软件，而是导入大小相等或不同尺寸的多个单独区段814(例如，十个不同区段)。在图24中指出的几何形状826帮助确保几何形状正确地居中在打印床上。在没有几何形状826的情况下，介质包区段可以全部聚集在打印床的精确中心并且可以不被精确地间隔开。它还可以允许在介质的内部上有更多的间隔，使得当填充图案被构建时，壁不被密封。
现在转向图27，过滤器900可以包括壳体902，壳体限定包括X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系；在某些实施方案中，例如在采用十个区段的实施方案中，第一角度808可以是18度并且第二角度822可以是54度。更具体地，过滤介质800可包括多个相同构造的区段814，区段被安排成环圆周地彼此相邻，每个区段限定了固化材料的波形条带，波形条带沿着预定方向延伸，预定方向与X轴形成角度，角度被360度除以相同构造的区段数目的商整除。因此，填充角可以在18度开始，前进到54度，然后前进到90度等。
如在图32中最佳地看到的，第一多个层的波形条带804可以包括梯形构造，并且第二多个层的波形条带818可以包括梯形构造。如本文已经提到的，过滤介质800可以使用3D打印软件的填充设置来制造。在包括图32所示的实施方案的各种实施方案中，所有区段的所有波形层可以具有梯形构造。
在此针对过滤介质或过滤器或相关特征的任何实施方案讨论的任何尺寸或构造可以根据需要或期望而变化。另外，过滤介质或过滤器可由具有期望结构强度并与待过滤流体化学相容的任何合适材料制成。例如，可以使用各种塑料，包括但不限于PLA、共聚酯、ABS、PE、尼龙、PU等。
工业实用性
实际上，根据在此描述的任何实施方案的过滤介质或过滤器可以在OEM或售后市场环境中出售、购买、制造或以其他方式获得。
参见图15和图16，所公开的过滤介质和过滤器可以使用诸如例如浇铸或模制的常规技术来制造。可替代地，所公开的过滤介质和过滤器可以使用通常被称为增材制造或增材制作的其他技术来制造。
已知的增材制造/制作工艺包括例如3D打印的技术。3D打印是一种工艺，其中可以在计算机的控制下以连续层沉积材料。计算机控制增材制造设备以根据三维模型(例如，诸如AMF或STL文件的数字文件)来沉积这些相继的层，三维模型被配置成被转换成多个切片，例如基本上二维的切片，切片各自限定过滤器或过滤介质的截面层以便制造或制作过滤器或过滤介质。在一种情况下，所公开的过滤器或过滤介质将是原始部件，并且将利用3D打印过程来制造过滤器或过滤介质。在其它情况下，3D工艺可用于复制现有的过滤器或过滤介质，并且复制的过滤器或过滤介质可作为售后零件出售。这些复制的售后过滤器或过滤介质可以是原始过滤器或过滤介质的精确副本或者仅仅在非关键性方面不同的伪副本。
参考图15，用于表示根据在此公开的任何实施方案的过滤器100、200、300或过滤介质400、500的三维模型1001可以在计算机可读存储介质1002上，例如包括软盘、硬盘或磁带的磁性存储器；半导体存储器，例如固态盘(SSD)或闪存；光盘存储；磁-光盘存储；或任何其它类型的物理存储器或非暂时性介质，其上可存储可由至少一个处理器读取的信息或数据。存储介质可与市售3D打印机1006结合使用以制造或制作过滤器100、200、300或过滤介质400、500。可替换地，三维模型可以以流的方式电子地传输到3D打印机1006，而不永久地存储在3D打印机1006的位置。在任一种情况下，三维模型构成适用于制造过滤器100、200、300或过滤介质400、500的过滤器100、200、300或过滤介质400、500的数字表示。
三维模型可以以多种已知方式形成。通常，通过将表示过滤器100、200、300、900或过滤介质400、500、800的数据1003输入到计算机或处理器1004(诸如基于云的软件操作系统)来创建三维模型。然后可以将数据用作表示物理过滤器100、200、300、900或过滤介质400、500、800的三维模型。三维模型旨在适用于制造过滤器100、200、300或过滤介质400、500的目的。在示范性实施方案中，三维模型适合于通过增材制造技术来制造过滤器100、200、300或过滤介质400、500的目的。
在图15所示的一个实施方案中，数据的输入可以用3D扫描仪1005来实现。该方法可以涉及经由接触和数据接收装置接触过滤器100、200、300、900或过滤介质400、500、800并且从该接触接收数据以便产生三维模型。例如，3D扫描仪1005可以是接触式扫描仪。扫描数据可以导入3D建模软件程序以准备数字数据集。在一个实施方案中，接触可以通过使用坐标测量机的直接物理接触来发生，该坐标测量机通过使探头与过滤器100、200、300、900或过滤介质400、500、800的表面接触来测量过滤器100、200、300、900或过滤介质400、500、800的物理结构，以便产生三维模型。
在其他实施方案中，3D扫描仪1005可以是非接触型扫描仪，并且该方法可以包括将所投影的能量(例如光或超声)引导到将被复制的过滤器100、200、300或过滤介质400、500上并且接收所反射的能量。从该反射能量，计算机将产生用于制造过滤器100、200、300、900或过滤介质400、500、800的计算机可读三维模型。在各种实施方案中，可以使用多个2D图像来创建三维模型。例如，可以组合3D对象的2D切片以创建三维模型。代替3D扫描仪，可以使用计算机辅助设计(CAD)软件来完成数据的输入。在这种情况下，可以通过使用CAD软件生成所公开的过滤器100、200、300、900或过滤介质400、500、800的虚拟3D模型来形成三维模型。从CAD虚拟3D模型产生三维模型，以便制造过滤器100、200、300、900或过滤介质400、500、800。
用于产生所公开的过滤器100、200、300、900或过滤介质400、500、800的增材制造工艺可以涉及例如在此先前描述的材料。在一些实施方案中，可执行额外工艺以产生成品。诸如当使用金属材料时，这些额外的工艺可以包括例如清洁、硬化、亲水涂覆、热处理、材料去除和抛光中的一种或多种。除了这些确定的工艺之外或代替这些确定的工艺，可以执行完成成品所必需的其它工艺。
关注图16，用于制造根据在此公开的任何实施方案的过滤器或过滤介质的方法600可以包括提供过滤器或过滤介质的计算机可读三维模型，三维模型被配置成被转换成各自限定过滤器或过滤介质的截面层的多个切片(框602)；以及通过增材制造连续地形成过滤器或过滤介质的各层(框604)。通过增材制造来连续地形成过滤器或过滤介质的每一层可以包括构建多个层，其中多个层中的至少一个包括在第一预定方向上延伸的第一波形材料条带(框606)。
此外，方法可以包括形成多个层中的第二层，第二层包括在不同于第一预定方向的第二预定方向上延伸的第二波形材料带(框608)。此外，该方法可以包括改变以下变量中的至少一个以产生所希望的孔最小尺寸：打印头的速度和/或路径，塑料的流速，塑料的类型，塑料的冷却速率，以及用于产生层变形的波形材料的图案或构造(框610)。过滤器或过滤介质可以从底部朝向顶部构建。
图33包含用于制造过滤介质的方法1100，方法1100包括以下步骤：提供包括多个区段的过滤介质的计算机可读三维模型，三维模型的每个区段被配置成被转换成多个切片，每个切片限定过滤介质的横截面层，每个区段包括沿着预定方向延伸的波形层，预定方向不同于另一区段的波形层的预定方向(步骤1102)；以及通过增材制造相继形成过滤介质的各层(步骤1104)。
通过增材制造来连续地形成过滤介质的各层可以包括使用3D打印软件的填充设置(步骤1106)。使用3D打印软件的填充设置可以包括为每个区段设置不同的填充角(步骤1108)。在其他实施方案中，使用3D打印软件的填充设置可以包括对于每个区段使用不同的填充密度(步骤1110)。
对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本文所讨论的装置和组装方法的实施方案进行各种修改和变化。通过考虑在此公开的系统的说明书和各种实施方案的实践，本发明的其他实施方案对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，一些设备的构造和功能可以与本文所述的不同，并且任何方法的某些步骤可以省略，以与具体提及的不同的顺序执行，或者在一些情况下同时执行或者在子步骤中执行。此外，可以对各种实施方案的某些方面或特征进行变化或修改，以创建进一步的实施方案，并且可以将各种实施方案的特征和方面添加到其他实施方案的其他特征或方面，或者替换其他实施方案的其他特征或方面，以便提供更进一步的实施方案。
因此，本说明书和实施例旨在仅被视为示例性的，本发明的真实范围和精神由以下权利要求及其等同物指示。

Claims (10)

1.一种过滤器(300，900)，其包含：
壳体，其限定包括X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系；以及
过滤介质(800)，其包括多个固化材料层；
其中所述多个固化材料层中的至少一个(802)包括固化材料的波形条带(804)，所述波形条带在与所述X轴形成第一角度(808)的第一预定方向(806)上延伸。
2.根据权利要求1所述的过滤器(300，900)，其中所述第一角度(808)的范围是从10度至80度。
3.根据权利要求1所述的过滤器(300，900)，其中所述多个固化材料层(306，306′)包括：第一层(306)，其具有在所述第一预定方向(310)上延伸的固化材料的第一波形条带(308)；以及第二层(306′)，其具有在第二预定方向(316)上延伸固化材料的第二波形条带(308′)，并且所述第一层(306)与所述第二层(306′)接触，并且所述第一预定方向(310)不与所述第二预定方向(316)平行。
4.根据权利要求1所述的过滤器(300，900)，其中所述第一角度(808)是45度。
5.根据权利要求1所述的过滤器(300，900)，其中所述过滤介质(800)包括环形构造并且被分割成多个区段(814)，所述区段包括：第一区段(814′)，其包括所述多个固化材料层中的所述至少一个(802)，所述多个固化材料层中的所述至少一个与所述X轴限定了所述第一角度(808)；以及第二区段(814″)，其包括所述多个固化材料层中的另一个(816)，所述多个固化材料层中的所述另一个(816)包括固化材料的波形条带(818)，所述波形条带(818)在与所述第一预定方向(806)不同的预定方向(820)上延伸，与所述X轴形成不同于所述第一角度(808)的第二角度(822)。
6.根据权利要求5所述的过滤器(300，900)，其中每个区段(814)限定圆柱形内部孔口(810)和有小面的外部(812)。
7.一种限定笛卡尔坐标系的过滤介质(800)，所述笛卡尔坐标系包括X轴、Y轴和Z轴，所述过滤介质包含：
第一区段(814′)，其包括第一多个层，其中所述第一多个层中的至少一层(802)包括固化材料的波形条带(804)，所述波形条带(804)在与所述X轴形成第一角度(808)的第一预定方向(806)上延伸；以及
第二区段(814″)，其包括第二多个层，其中所述第二多个层中的至少一层(816)包括固化材料的波形条带(818)，所述波形条带(818)在与所述第一预定方向(806)不同的预定方向(820)上延伸，与所述X轴形成与第一角度(808)不同的第二角度(822)。
8.根据权利要求7所述的过滤介质(800)，其中所述过滤介质(800)包括环形形状，所述环形形状限定圆周方向(C)并且包括圆柱形内部(824)和圆柱形外部(812′)。
9.根据权利要求7所述的过滤介质(800)，其中所述第一角度(808)是18度并且所述第二角度(822)是54度。
10.根据权利要求8所述的过滤介质，其中所述过滤介质(800)包括多个相同构造的区段(814)，所述区段被安排成环圆周地彼此相邻，每个区段限定了固化材料的波形条带(804，818)，所述波形条带沿着预定方向(806，820)延伸，所述预定方向与X轴(814)形成角度(808，822)，所述角度被360度除以相同构造的区段(814)数目的商整除。
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