CN1263932C - 用于制造具有多个孔隙的材料的预制坯及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种带珠的预制坯包括用于在工程材料中形成多个孔隙的多个相邻定位的珠。带珠的预制坯可以由丝(一串珠)和席片(两维和三维阵列的珠)构成。丝和席片可被涂覆，分别形成绳和层制品，然后组装成复合材料。这种预制坯可以使用新颖的制造设备和方法生产，并在公知的制造方法中结合在任何材料中以生产多孔结构，包括应力控制结构，上述材料例如包括金属、塑料、陶瓷、纺织品、纸及生物材料。

Description

用于制造具有多个孔隙的材料 的预制坯及其制造方法
技术领域
本发明涉及材料的设计和制造，更具体来说，涉及用于在任何材料，特别是工程材料中产生孔隙、细孔或空腔的预制坯。
背景技术
本发明一般涉及在材料中形成多个有组织的孔隙的性能，也涉及负荷结构及可提供在可安全承载的应力和所需材料量间更好的平衡的结构。
一般来说，采用多种现有的发泡技术可在材料中形成孔隙。这些发泡技术所生产的材料具有无组织的孔隙，即，孔隙是随机定位及随机设置的。另外，在这些材料中的许多孔隙不是封闭的—它们与相邻的孔隙相互连通。
因此，现有的方法不能生产具有封闭的孔隙和/或位于其内正确位置上的孔隙的材料。目前的技术也不能使孔隙具有精确的预定尺寸及基本上自闭合的形状。
在应力控制材料(stress steering material)中具有有组织的不相互连通的孔隙是特别重要的。应力控制材料可使作用在结构上的力基本上分解成压力。
具有对称布置的孔隙的这种应力控制材料已经研制出来，它利用含有孔隙的新颖结构将作用在材料上的大部分应力分解成压应力。这种新颖结构公开在美国专利第5,615,528号、第5,660,003号和第5,816,009号中，这些专利文件的内容与本说明书中用作参考(上述每个专利与本申请具有共同的所有者)。每个上述专利描述了在整个基材中采用了均匀、对称排列的许多孔隙，这样形成的材料结构可将作用在其上的力基本分解成压应力而不是拉应力。
美国国家航空和宇宙航行局(NASA)和其它有关科学组织的研究已经确认，在材料中的孔隙越接近均匀及孔隙的布置越接近对称，材料的有效抗拉强度就越大。因此，发泡材料及孔隙度为一要素的其它材料的制造厂商一直在寻求一种批量生产的方法，以便在材料中的预定部位上定位预定尺寸的细孔或孔隙，从而使材料形成精确的三维形态，以便使其有效抗拉强度最佳化。
但是，使用传统的制造技术使这种孔隙在材料中三维对称布置不过是一种费力、成本高昂的工作。因此，由在材料中设置这些关键的孔隙的难度，在上述专利中公开的多孔材料，包括应力控制材料的广泛应用和认可一直受到妨碍。
因此，人们需要一种材料、方法和/或系统，使包括孔隙的带有预定形态的材料，包括上述受专利保护的应力控制材料能够更易于制造。
发明内容
因此，本发明提供用于在任何材料中形成有组织的vorasity(以预定布置定位的孔隙)的方法和设备。采用这种新颖的方法和设备形成的孔隙可以是任何尺寸、形状和间隔的，也可以相互连通的或每个孔隙也可以是完全封闭的。
另外，在特定材料中孔隙的间隔可以是对称的和/或非对称的，以便得到需要的材料物性。因此，为了实现按照上述专利中公开的材料的应力控制，孔隙必须以特定的对称配置布置。
因此，采用按照本发明的独特和新颖构件和方法可以制造包括孔隙的带有预定形态的材料，包括上述取得专利的应力控制材料，所述应力控制材料利用多个对称排列的、均匀孔隙以便将结构上受到的力主要地分解成压应力而不是拉应力。
按照本发明的预制坯、带孔隙结构的实例，以及制造设备和方法也公开在一个相应的临时申请中，该临时申请是由本申请的相同申请人同时提出并共同拥有的，题为“用于制造具有多个孔隙的材料的预制坯及其制造方法”，2001年5月17日提交的美国临时申请第60/291,904号的全部内容在本说明书中用作参考。
在本发明的推荐实施例中，采用预制坯件或变形工艺或这两者将孔隙结合在材料中。孔隙可采用公知的制造方法在材料中形成。
因此，本发明的目的是提供一种用于形成多个孔隙的构件材料。
本发明的另一个目的是提供一种将多个孔隙赋予材料中的方法。
因此，在本发明的一个方面中，用在工程材料中形成多个孔隙的带珠的预制坯包括多个相邻设置的珠。
在本发明的另一方面中，用于在工程材料中形成多个孔隙的带珠的预制坯的制造方法包括将预制坯材料挤出第一开口以产生挤压的预制坯材料，以及砑光挤压的预制坯材料以便在其上形成多个相邻设置的珠。
在本发明的另一个方面中，用于在工程材料中形成多个孔隙的涂覆的、带珠的预制坯的制造方法包括向模具提供挤压涂覆材料的第一流，在第一流中提供带珠的预制坯，其中带珠的预制坯是用涂覆材料涂覆的，以及从一个开口挤压带有带珠的预制坯的第一流以形成丝束(tow)。
在本发明的另一方面中，用于生产具有多个孔隙的工程材料的方法包括将多个带珠的预制坯引入第一材料源，用第一材料涂覆所述多个带珠的预制坯，使被涂覆的预制坯形成预定形状，以及固定这种形状。
在本发明的另一个方面中，使用连铸设备生产包括多个有组织的孔隙的工程材料的方法包括将具有多个相邻设置的珠的带珠的预制坯引入基体材料，材料基体保持在第一容器中，将基体材料引入一个具有预定距离的空间中，从而形成一个具有基本等于该距离的预定厚度的产品。
在本发明的另一个方面中，用于形成内部具有多个有组织的孔隙的复合物的方法包括将第一孔隙的第一矩阵设置在第一叠层上，并将第一分层和第二叠层组合起来。
在本发明的另一个方面中，组合成复合材料的叠层包括一种具有在第一侧面上的多个凹部的结构，所述凹部相应于在叠层第二侧面上的多个凸起。
在本发明的另一个方面中，一种具有多个有组织的孔隙的工程材料的制造方法包括将具有多个间隔开来的珠的带珠的预制坯引入熔融材料的连续铸造中。
在本发明的另一个方面中，具有多个有组织的孔隙的工程材料的制造方法包括在下述制造工艺的任何一种中引入具有一串相邻设置的珠的带珠的预制坯：
添加物制造、原子式的制造(atomistic manufacturing)，分层制造包括熔融沉淀模制、立体光刻、光学制造、固体基础(地面)养护、等离子喷镀成形、蒸汽淀积。
变形和成形，包括块体变形工艺包括压印模锻造、开式模具锻造、精压、穿孔、压制阴模法、捻缝和磨边、滚锻、直接挤压、间接挤压、静液力挤压及冷挤压，
薄板成形方法包括剪切、膨凸成型、橡胶成形、高能高速成型法、超塑性成形、深拉、压花，
材料去除，包括切削、磨削、电火花加工、喷水加工、磨料喷射加工、化学加工和电化学加工及磨削，
铸造，包括永久铸模，包括薄壳铸造、压力铸造、夹物模压、离心铸造及渗透铸造；可消耗模铸包括真空铸造、陶瓷模铸造、石膏模铸造、壳模铸造和砂型铸造、凝胶铸造、喷射铸造、压缩造型、传递模塑法、夹物造型，
颗粒材料加工，包括烧结、冷等静压及热等静压，以及
组装和接合加工，包括摩擦搅动焊接、电阻焊接、爆炸焊接、硬焊和软焊、电弧焊和激光焊接。
参阅附图和下面对本发明的详细说明可更好地理解上述方面。
附图说明
图1表示由按照本发明的预制坯形成的应力控制结构的第一闭孔构造，其中所有的用图形表示的截顶菱形十二面体在其各自的中心具有一个孔隙。
图2表示由按照本发明的预制坯形成的应力控制结构的第二开孔构造，其中每隔一个用图形表示的截顶菱形十二面体被除去。
图3表示由按照本发明的预制坯形成的应力控制结构的第二综合开孔、闭孔构造，其中用图形表示的截顶菱形十二面体在其各自的中心具有一个孔隙。
图4表示由按照本发明的预制坯形成的应力控制结构的第四综合开孔、闭孔构造，其中用图形表示的截顶菱形十二面体在其各自的中心具有一个孔隙。
图5A表示一串类似于按照本发明的预制坯的珠。
图5B表示按照本发明第一实施例的带珠的丝预制坯的示意图。
图6A表示按照本发明第一实施例的带珠的丝预制坯的示意图，具有以第一间隔定位的单一尺寸的珠。
图6B表示按照本发明第一实施例的带珠的丝预制坯的示意图，具有在较小尺寸的珠之间的间隔开来的较大尺寸的珠。
图6C表示按照本发明第一实施例的带珠的丝预制坯的示意图，具有在较小尺寸的珠间相邻设置的较大尺寸的珠。
图7A表示按照本发明第一实施例的带珠的丝预制坯的示意图，其中各丝水平地成组布置在层压材料中。
图7B表示按照本发明的第一实施例的带珠的丝预制坯的示意图，其中各丝斜向成组布置在层压材料中。
图7C表示按照本发明第一实施例的带珠的丝预制坯的示意图，其中各丝水平地成组布置在层压材料中，使用了两种不同尺寸的珠。
图7D表示按照本发明的第一实施例的带珠的丝预制坯的示意图，其中与图7C类似，只是各丝是斜向布置的。
图8表示按照本发明第一实施例的带珠的丝预制坯的示意图，表示在材料内加工前的丝的珠，图中珠呈椭圆形，因而可形成适当形状的球形孔隙。
图9表示工程材料的横剖图，所述工程材料是通过将按照本发明第一实施例的多条丝组合在一起制成的。
图10表示工程材料的横剖图，所述工程材料是通过将按照本发明第一实施例的多条丝组合在一起制成的。
图11A表示使用按照本发明第一实施例的丝预制坯的圆柱形牵引绳。
图11B表示使用按照本发明第一实施例的丝预制坯的方柱形牵引绳。
图12A表示通过组合多个图11A所示绳而制成的层制品。
图12B表示通过组合多个图11B所示绳而制成的层制品。
图13A表示如图11A所示的多条绳组合以形成织品。
图13B表示如图11B所示的多条绳组合以形成织品。
图13C表示多条绳和层制品组合以形成织品。
图13D表示多个层制品。
图14表示带珠的丝和底板排列成层制品/织品。
图15表示用于制造按照本发明的带珠的丝预制坯的第一挤压/纺制方法。
图16表示用于制造按照本发明的带珠的丝预制坯的第二挤压方法。
图17表示用于制造按照本发明的带珠的席片预制坯的第一挤压方法。
图18表示用于制造按照本发明的带珠的席片预制坯的第二挤压方法。
图19表示用于制造按照本发明的绳的第一挤压方法。
图20表示用于制造按照本发明的绳的第二挤压方法。
图21表示使用按照本发明的预制坯席片制造层制品的第一挤压方法。
图22表示使用按照本发明的预制坯席片制造层制品的第二挤压方法。
图23表示按照本发明的预制坯通过连铸法生产材料。
图24-25表示按照本发明的预制坯用于通过挤压法生产层制品或织品。
图26表示按照本发明第二实施例的带有第一凹坑组织的织构化材料。
图27表示按照本发明第二实施例的带有第二凹坑组织的织构化材料。
图28表示按照本发明第二实施例的带有第三凹坑组织的织构化材料。
图29表示能够使用按照本发明第一和第二实施例的预制坯材料制造的各种结构。
具体实施方式
作为有组织孔隙材料前体的带珠的预制坯
按照本发明的带珠的预制坯是用于结合在材料中的前体构件，用于形成预定的对称或非对称定位的或其它有组织孔隙或细孔，以便例如形成一种具有有组织的vorasity的材料。这种材料的一个实例是用于将施加的负荷主要分解成压应力的应力控制材料。这种三维应力控制结构的两维横截面表示在图1-4中。
这种预制坯可以是消耗性的(即，引导性的)、永久性的或其组合。在消耗性的预制坯中，形成空隙的珠材料在结合在基材内之后的某点上，一般是在进一步加工过程中被消除。在永久性的预制坯中，珠材料留在孔隙中，不过它也可以在加工过程中以某种方式被改变或改造。
预制坯的珠可以为任何形状或尺寸的，以便根据需要制造需要的工程材料，可以是中空的或实心的，或其组合形式的。一般来说，珠被成形以便产生的孔隙在加工后具有特定的孔隙体积和/或形状。
带珠的预制坯最好制成两种形式之一：丝和席片状，其中任一种形式都可以是刚性的或挠性的。这些预制坯可通过分别向丝和席片施加涂层而进一步组装成绳和层制品。
按照本发明的丝2的预制坯类似于一串珠子(图5A)，包括一串4间隔开来的珠6(图5B)。间隔可以是非对称的，但一般是有组织的和/或对称的，具有预定距离的模式。另外，珠可以是相同尺寸的、随意尺寸的、或者(也)可以是如图6A-6C所示的特定形状的珠的重复模式。
席片8是组合的丝2的两维阵列，如图7A-7D所示，不过它们也可以按照其它方式组合多个珠来形成两维阵列。如图所示，珠的垂向及水平间隔一般是有组织的、预定距离及模式的。
图8所示的带珠的丝具有椭圆形的珠。珠的形成形状使得在结合在一特定材料中时，孔隙以及因而珠本身(如果珠是永久性的)在加工后最终呈球形。借助于这种类型的丝的加工可以是铸造加工，其中高温和/或轧制影响预制坯的形状，因而不管预制坯是否为消耗性的，将影响孔隙的形状。
席片和丝可组合成织品，例如形成图9-10所示的横剖面，具有孔隙12和14(图9)及孔隙16(图10)。如图14所示，这种织品层制品可以包括席片8和丝2的交替的层，使表面材料11覆盖顶部和底部。
绳18(图11A-11B)是通过一般采用一种基体材料(例如，热固性树脂)3来涂覆丝2而形成的。类似地，层制品20基本是通过下述方式形成的，即，用基体材料涂覆席片，或也可以通过组合多条丝2来制造(图12A-12B)，或也可以通过涂覆多条布置成阵列的丝的组合物来制造。
绳和层制品，以及丝和席片，也可以包括切割和定位导向物(如凹槽、凸起)，因而它们可易于切割、布置和组合，在中间和最终产品材料中具体应用。
中间和最终产品可以用绳和层制品的复合物22来制造(图13A-13D及图14)。例如，一种方式是，复合织品可以通过纺织、针织及其它方式将多条绳、多个层制品或其组合组装在一起而制成。
复合物，包括织品，可以是连续的(例如，带)和断续的，并且可以为中间材料及最终产品而制造。例如，复合物可以制成块坯、方坯、板坯、片坯等(见图29)。
本专业技术人员懂得，材料(例如，应力控制结构)的孔隙模式可以通过纺织、编织及针织绳结和在织品中，从而在两个不同的水平上得到这种结构的优点。另外，珠和涂层的结构和材料可由应力控制结构(即带孔隙的结构)构成，从而可在三个水平上得到应力控制结构的优点。
因此，使用金属、塑料、陶瓷和各种合金、混合物及其复合物，对于本发明的绳、层制品及织品来说存在多种可能和潜在的基体。替代材料包括半导体、纺织品、纸及生物材料。
由预制坯构件形成的孔隙可以用来容纳智能结构中使用的智能材料。具体来说，例如，传感器、致动器、MEMs及其它器件可以被结合在桥梁的结构件或飞行器的翼的孔隙中，以便提供与构件/桥梁的性能相关的信息，或在结构上引起内力以改变其形状或改变构件特性(例如，改变飞行器的翼的形状而形成更大升力)。为了将上述器件结合在终端产品内，器件可以用来替代丝或席片中的一个或多个珠，或者结合在一个或多个珠内。
按照本发明的预制坯是使用传统的方法生产的。因此，申请人已经提供了一个可用于生产按照本发明的预制坯的制造方法的详尽目录，其实例表示在图15-18中，其包括金属的各种铸造、变形及成形方法；塑料的吹模方法、压塑(冷/热)、传递模塑法、冷压法、喷射铸造法、反应性注压法、热成形法、旋转模塑法及发泡模塑法；陶瓷的压缩铸造法、粉浆浇铸法，等静压法、等离子喷镀成形法、滚轧法、喷射铸造法及凝胶铸造法；以及复合物的渗透铸造法、绕丝法及等静压法。
生产按照本发明的新颖的预制坯的一个实例表示在图15中，并描述如下。
丝：如图15和图16所示，丝可以借助纺制方法31生产，在这种方法中，通过具有许多小孔34的模具32挤压材料。其后借助成形轧制36或最好借助在线拉制38及用压花辊40在丝上的砑光操作而加入珠。控制使丝变细，从而增加了丝的抗拉强度以待进一步加工。成品的丝被收集在卷取轴39上。丝也可以借助图16中所示的旋转挤压法来生产。
席片：席片一般是以挤压带铸件开始，借助图17-18所示的压花辊(最好象对丝所进行的那样)砑光而形成珠。如图所示，材料被挤出挤压模具42，以便形成没有珠的材料席片。然后以两维阵列进入砑光操作，借助压花辊40形成珠。但是，可以用带珠的丝来形成席片，将多条丝组织成网格，或者将多条丝适当排列在带有挤压基体材料的阵列中。后一种方法类似于连续的预制坯铸造(见下文)。基体材料可以包括加强材料，也可以是复合物。
绳：绳一般以带珠的丝开始，一般在挤压操作中在线形成，例如，用挤压基体材料涂覆丝，如图19和20所示。这种方法通常用于线和缆的涂覆。挤压涂覆材料43在一个模具本体44中施加在带珠的丝2上。丝通过一根心管46被引入模具本体。导向末端48对准模具52的开口50内的带珠的丝2。然后未固结的绳可在线被叠合(或以其它方式组织)并熔合、接合或粘合以形成其它预制坯和结构如层制品和织品。
层制品：层制品一般以席片(或丝/绳)开始，一般在挤压操作中在线形成，如图21-22所示，例如，用挤压基体材料涂覆席片。象绳那样，涂覆材料可以含有加强材料，也可以是另一种形式的复合物。涂覆材料也可以多层地施加，可以是在功能方面分级的材料，并以分层结构组织起来。
象绳那样，未固结的层制品可以被叠合并熔合或以其它方式被粘合以形成复合物，其它预制坯和结构如织品。这些组合可以通过层间连接件或机械紧固件(例如搭扣配合或舌及槽)机械地形成，或者可以通过粘合剂、熔接及焊接(例如，超声焊、微波焊、rf焊、感应加热焊接)而结合起来。值得注意的是，在结合过程中，消耗性的预制坯一般就被消除掉了。
塑料基体预制坯层制品可以在其表面稍许熔化以实现固结。除了被加热以外，叠合的金属基体预制坯层制品可以承受压缩轧制以改善固结及最终产品的质量。
按照本发明的层制品和织品例如可以在图24所示的挤拉工艺(pultrusiom Process)。图23所示的连铸工艺及图25所示的连续挤压工艺中使用丝和席片制成。
因此，所有上述制造按照本发明的预制坯的工艺可以是连续的或批量生产的工艺，可以自动生产高质量、均匀一致的连续或断续的预制坯。
按照本发明的丝、席片、绳、层制品及织品可以用于以多种附加制造工艺来生产材料，包括应力控制材料。为方便起见，本申请人提供下述可使用按照本发明的预制坯的制造方法的目录。
附加制造(additive manufacturing)：
原子式制造(atomistic manufacturing)：
分层制造，包括熔化沉淀造型、立体光刻、光学制造、固体基础(地面)硬化、等离子喷镀成形、喷涂、蒸汽淀积；
变形和成形：
块体变形方法，包括压印模锻造、开式模具锻造、精压、穿孔、压制阴模法、捻缝和磨边、滚锻、直接挤压、间接挤压、静液力挤压及冷挤压；
薄金属板成形方法，包括剪切、臌凸成型、橡胶成形、高能高速成形、超塑性成形、深拉、压花；
材料去除，包括切削、磨削、电火花加工、喷水加工、磨料喷射加工、化学加工和电化学加工及磨削；
铸造：
永久模铸，包括薄壳铸造、压力铸造、夹物模压、离心铸造及渗透铸造；
可消耗的模铸，包括真空铸造、陶瓷模铸、石膏模铸、壳模铸造和砂型铸造；
凝胶铸造、喷射铸造、压缩造型、传递模塑法、夹物造型；
颗粒材料加工：
烧结、冷等静压及热等静压；以及
组装和接合加工：
摩擦搅动焊接、电阻焊接、爆炸焊接、硬焊及软焊、电弧焊接和激光焊接。
下面的实例描述的是在连续制造方法中预制坯的使用。利用预制坯的连续制造—连续铸造
按照本发明的预制坯适用于生产工程材料，采用连续材料制造方法，即，连续(预制坯)铸造和连续挤压制造方法。连续预制坯铸造采用两种早已形成的用来铸造连续材料带的制造方法—挤压(pultrusion)和连续铸造。
传统上，这些制造方法生产具有不变横截面的材料，其形状包括圆形、矩形、管形、板形及结构产品。在本发明中，这些方法经过改变，以便包括预制坯夹具(preform fixtures)，其用于传输丝和/或席片，使其与基体材料(以及可选用的连续加强物如纤维)适当对准。这些夹具也可以用来形成预制坯/基体组合物的外廓。
连续预制坯铸造的生产流，从将预制坯引入熔化材料至工程产品的输出，可以是不中断的。无论主材是什么，初始的原料都是流体(或熔体)：熔化的金属、单体溶液、造型涂料(slips)及浆液。铸造后的工艺，取决于基体材料的选择，是不同的，陶瓷被烧结，而金属一般是轧制。
下面是连续铸造方法的一个实例。在这种连续铸造方法中，例如，如图23所示，一连续席片(和/或丝)被送入铸造设备57的浇口盘60，其中熔融材料59和席片通过一个水冷的连续模具62从浇口盘流出。连续模具一般决定所形成材料的厚度和/或侧面，而不是长度，并且取决于所需要的材料流，可以竖直、水平或倾斜设置。
然后席片/材料复合物从一个排放架63流下并被冷却。铸件通过在线的加热及施加机械力(例如，平整冷轧64，再加热66)，使其形成需要的形状、尺寸、物理性质及表面质量而进一步加工成最终的形式。上述在线应用包括平整冷轧、再加热/冷却等。在这样的加工之后，一个调整尺寸区域67使材料板调整至特定的尺寸，再用切断炬65(或其它适于特定铸造材料的切断装置)将板切成多件。
由于铸造(例如温度)和铸造后加工(例如，轧制)两者的潜在的严苛情形，包含在这种铸造方法中的按照本发明的带珠的预制坯的尺寸，形状、对准及组成可被构成及组织，以备加工引起的变化，从而在最终产品中形成需要的孔隙阵列。为此目的，预制坯的特性最好基本与连续加工方法的机械相匹配。
虽然预制坯可以被组织以备极度(或块体)变形加工，但是，它们同样适于例如几乎网状的铸造或薄板铸造。
虽然金属是连铸方法中使用的公知材料，但是，通过基本的带材铸造方法的变化也可实现塑料和陶瓷的连续铸造。例如，液体的树脂材料(通常是丙烯酸浆)被浇在由衬垫隔开的两条水平连续带之间。衬垫挡住液体的树脂，并限定带的厚度。一种类似的方法可用来生产金属和陶瓷带，以及所有三种基本材料即金属、塑料和陶瓷的混合物或合金的组合带。使用这种方法，按照本发明的层制品和织品通过使用预制坯夹具来补充或替代衬垫可以容易地被制造。
按照本发明的预制坯也可以在成型铸造中制成可消耗的模型。通过铸造制成的产品的单件或分段的模型或样板用于建立型腔的形状和尺寸。虽然模型的基体材料是可消耗的，但是，这些模型含有按照本发明的带珠的预制坯(其可以是消耗性的或永久性的)。在可使用可消耗的预制坯模型的铸造方法中有泡沫溶失法铸造和熔模铸造，这将在下文描述。
在传统的泡沫溶失法铸造中，模型是由可消耗的聚苯乙烯(EPS)珠制成的。当熔融金属浇入模具中时，它取代蒸发了的EPS模型。带有结合有带珠的丝和/或席片的聚苯乙烯(PS)基体的预制坯可在这种方法中使用，以便形成工程产品。这些模型可以做为PS预制坯板开始。
PS预制坯板可使用PS溶液为原料通过连续的预制坯铸造或连续的挤压方法制成。通过将发泡剂引入PS溶液或熔体，然后将其与带珠的丝和/或席片结合以形成连续的带，从而可以形成坯板。连续带可在其间带有特定间隙的带或板间通过，同时发泡剂使带膨胀以充满间隙，使带的尺寸固定。这种PS连续带可被冷却并切成板。取决于其后的铸造过程，板可以是部分地或充分地膨胀的。
带珠的丝和/或席片在PS溶液或熔体中排布，以便使膨胀程度与最终产品中需要的孔隙阵列的几何形状相和谐。
对于高生产运转来说，板可以转换成在加热模或模具内的EPS预制坯模型，过多的材料从板烧掉以便使每个板符合需要的模型的形状。例如，板可以在加热模中被膨胀以符合模腔的形状，或者一个过尺寸的板可以在加热的模具内铸造成需要的形状。对于较短的运转来说，使用传统的木材加工设备可从板切出模型形状，如果必要，这些形状可以用胶组装形成最后的模型。
压力铸造是铸造和铸造的综合。在这种方法中，锻造的意思是将未固结的原料挤压或压制成预定的形状。在压力铸造中，按照本发明的铸坯原料放置在预热的模具的底部中。然后，加热的上模下降，在原料固结的整个过程中施加压力。采用这种方法，在远远低于冷、热锻造所需的压力下可以产生复杂的形状。因此，绳和层制品可在热量和压力下固结，并被模具形成最终的产品，同时带珠的预制坯形成孔隙形状可被保留(不过，这些预制坯可以在这个过程中被消耗掉)。
这种在挤压过程中对铸造原料的热机械加工产生锻造的微结构，这可提高延展性，优于原来的铸造微结构。在这种方法的一个类似的实施例中，液体(或触变材料)受迫围绕模内的预制坯模型。触变材料可消除将精确量的熔融金属引入模具的需要，这是由于固态基体材料块被使用，并被加热成半固态(液态加固态)。
由于触变材料的性质，可象固体那样被机械地处置，但是，由于在受搅动或挤压时可象液体那样流动，因而在低的压力下可被成形。这种材料的附加优点在于，不存在紊流，因而减少了气体的吸收和俘获。另外，由于这种材料已部分地固化，因而减少了固化收缩及相关的不合乎需要的孔隙度。例如，半固态金属以粘稠方式流动，使薄的铸件部分可被迅速填充，而不致产生液态金属通常出现的喷射及喷溅。
挤拉
虽然连续预制坯铸造方法可以用来形成由塑料、金属和陶瓷构成的中间和最终产品，但是，塑性树脂一般是挤拉中使用的基体材料。对于连续生产不变横截面积的复合材料如圆形、矩形、管状、板、片及结构产品来说，挤拉是一种有成本效益的自动方法。但是，最近的创新已使带有变化的横截面积的复合材料可进行挤拉制造。
挤拉可用于制造含有按照本发明的预制坯的层制品和织品(图24)。因此，在挤拉系统中设置夹具73，以便使带有基体材料的预制坯与需要的产品的轮廓和构造相一致。
在本发明中，如图24-25所示，挤拉一般包括一个纤维供应系统69、一个树脂槽74、预制坯夹具/加热模具76、同步拉出器78和一个切断装置80(例如割炬、锯等)。一或多束连续丝2(或席片，和/或织品)通过供应夹具73被引导，使预制坯与基体材料对准，并使构件组合的轮廓形成需要的形状。然后，复合物可被拉过一或多个(固定或浮动的)加热模具76，以便使基体材料进一步成形、密实及固化，并消除消耗性的丝、席片和/或织品。其后，制成的材料被冷却，并被切成段，以便进一步制成中间或最终产品。
连续挤压
连续挤压可以同挤拉共同使用(如图25所示的挤压设备31)，以形成一个连续的过程，以使预制坯通过挤压形成，并使用挤拉组织成最终的产品。(如前所述)挤压是一种迫使材料的连续流进入一个成形工具(模具)，或进入某些其它的随后成形过程，以便形成按照本发明的丝、席片及层制品。
因此，可以通过用基体材料对带珠的丝及席片进行挤压后的涂覆，或通过在挤压后使带附加织构(texture)而形成层制品。在后一种情形中，带可以通过(例如)砑光形成的图案而有织纹，或者通过(例如)有选择的激光烧毁切除。
批量加工
批量加工技术也可用于制造按照本发明的预制坯，以及工程中间货品及消费产品，包括那些具有应力控制结构的产品。这种批量加工包括附加制造(additive manufacturing)(AM)及颗粒制造技术。前者只是批量加工，而后者也可以是一种连续的方法。
AM提供在一个步骤的过程中将实际的孔隙、与孔隙相对的前体结合在构造中的能力。附加制造是涉及通过在计算机控制下自动叠加二维材料层而形成三维物体的一系列方法，优点在于，结构的几何复杂度几乎不对制造过程产生影响。在这一系列方法中有目前称为快速原型开发和固定自由形式制造(Rapid Prototyping and Solid FreeformFabrication)或分层制造的方法等。其包括纯附加方法，例如，选择性激光烧结(Slective Laser Sintering)和激光金属沉积(Laser MelalDeposition)，以及混合方法如形状沉积制造法(Shape DepositionManufacturing)，它涉及材料沉积和去除操作两者。
AM方法在不中断的程序中，逐层地复制预制坯。例如，按照本发明的织品可以形成为一系列交错层的实心物质和含有珠(消耗性的或永久性的)或实际孔隙的层。
AM在本发明协同使用的一个吸引人及有力的特征在于使产品可具有变化的宏观及微观结构的能力。因此，这种技术可以用于将实际孔隙和预制坯材料结合在织品中，并制成异质的和分层的构造。
采用三维打印的AM技术也可以被采用，这提供了生产按照本发明的中间织品和最终织品的可能性，以便用塑料、金属和陶瓷粉末制成功能性部件及产品。
颗粒制造技术(粉末冶金)是一种将细粉末材料(金属、塑料及陶瓷等)混合，压制成(密实的)所需形状，然后在受控的气氛中加热以粘合颗粒的接触表面并形成需要的性质。适当尺寸、形状和定位的按照本发明的丝和席片可以被结合在这种方法中，用粉末材料围绕预制坯并使这种组合物密实地形成“未加工的(green)”织品，以便随后烧结成最终的工程产品。这种方法的一个优点是组合的材料在烧结前及烧结过程中保持其形状的能力。在烧结过程中，“未加工的”织品可加热至刚好低于基体材料的熔点、刚好低于其液态熔体点。因此，致密性不会使其形状松垮。因此，孔隙空间将被保留，这是由于致密的颗粒只是稍许熔化并粘合形成最终的产品。当然在烧结的过程中，任何消耗性的预制坯可被消除掉。
对于高公差产品来说，烧结的产品被再次压制，这一般可使产品更为精确，具有更好的表面光洁度。例如，孔隙也可以在油槽中被浸透。这种方法很类似于上述的连续铸造。只是基体材料是粉末而不是熔体。
颗粒技术也可以用来形成织品，以便在泡沫溶失及熔模铸造中用作可消耗的模型，以在挤压铸造中用作预制坯。当然颗粒技术是各种陶瓷和聚合物树脂加工技术包括陶瓷和塑料带铸造的基础。
颗粒应力控制结构的对称性和伴随的孔隙的正交对准使得可以采用大范围的下述的制造方法来制造工程材料、构件、产品和结构。这些方法中的哪种方法最佳地适于制造颗粒产品要考虑到若干基本因素，包括产品的几何形状、材料特性及经济性。
作为带孔隙的应力控制结构的前体的结构化材料
工程结构，包括应力控制结构中的孔隙也可以通过将一种构造结合在层制品上而形成。这种构造的实例表示在图26-28中。如图所示，凹坑78被施加在材料表面上。这种凹坑可以涉及到材料的整个厚度，凹坑存在于一个面上(即，浅的空穴)，相应于在材料另一面的突出区域。
一般来说，为了采用结构化方法产生按照本发明的优选的对称性孔隙，取决于要在最终工程产品中实现的孔隙阵列。构造的模型可被结合在层制品的一个或两个表面中。这种结构化方法也可以对带的切断和层制品的叠放给予导向装置，从而使层制品更容易地组装成复合物和最终产品(如上面详述的绳和层制品)。
构造(textures)也可以通过压印和切除(即，除去材料)而添加在层制品上。为了减少对材料的需求，采用压印在层制品表面上赋予按照本发明的需要的构造。压印使层制品的材料重新分布，因而并不(象切除那样)浪费材料。因此，在层制品表面上的孔隙前体可以是下述情形的结果：(1)局部的材料压缩，使材料形成不在平面上的再分布(例如，铸造凹陷)或(2)层制品材料在平面内的再分布(例如型轧(shaperolling))。
在一个优选实施例中，在构造的压印过程中使用触变层制品材料。当薄片状材料被加热至“软的(green)”状态，使材料本身易于再分布时，层制品被压印。在连续的铸造或造型方法中，在金属、塑料和陶瓷的铸造过程中，这是容易在现场实现的。因此，金属如铝和钢(例如，箔)可在热轧程序结束时在线压印；塑料可以例如在塑料膜铸造过程中在线压印；陶瓷在带材铸造中带处于软的未燃烧状态时可在线压印。
当然，当例如通过选择的激光烧毁或化学蚀刻除去层制品以形成构造模型时，保证材料的再分布并不是一个关注的因素。
使带状铸件构造化以形成带图案的层制品的一个优点是使用热量、压力及保压时间来固结带材以形成包括许多层的单体复合结的能力(各层可以有不同的基本组成以产生例如功能分级的产品)。当带材仍热时作为带材铸造线的延续，拉拔未固结的带材并使其构造化可以改善上述优点。
由构造化的层制品构成的复合物一般最好使用机构的和粘合剂接合及焊接来形成。构造化的金属尤其是这样，不过，金属可被加热及压缩以实现固结。另一方面，构造化的陶瓷层制品则必须进行烧结。
构造化的塑料层制品也可以使用微波、超声波、rf及感应技术进行焊接。感应加热焊接使用塑料中的金属填料移过磁场产生的热量来加热塑料。
虽然已经结合上述的制造材料、方法及系统描述了本发明的系统，但是，本专业技术人员显然懂得，未在本说明书中提到的其它材料、方法和系统也可使用/制成本发明。
已经结合目前优选的实施例描述了本发明，显然也可以在结构上进行各种变化而并不违背本发明的实际精神。

Claims (11)

1.用于生产具有多个孔隙的工程材料的方法，所述方法包括：
将一个或多个预制坯引入第一材料源中，其中所述一个或多个预制坯各包括多个沿一条线彼此间隔开预定距离的珠；
用所述第一材料涂覆所述一个或多个预制坯；以及
将所述涂覆的预制坯成形为预定的形状；以及
使所述形状固结。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述孔隙是有组织的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述孔隙被对称地组织。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述孔隙被非对称地组织。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述孔隙以随机布置的方式被组织。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述使形状固结的步骤中除去所述一个或多个预制坯的所述珠，形成一种工程材料，该工程材料包括多个所述珠原来驻留的孔隙。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述珠包括与所述第一材料不同的第二材料。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括在固结后将所述工程材料切成特定的长度。
9.使用连续铸造设备生产包括多个有组织的孔隙的工程结构的方法，所述方法包括：
将包括多个沿一条线彼此间隔预定距离的珠的预制坯引导入基体材料内，所述基体材料容纳在第一容器内；
将所述基体材料引导入具有预定的距离的间隔内，其中形成一种具有等于所述距离的预定厚度的工程材料。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述间隔由一个模具形成。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述间隔具有在以第一方向运行的第一输送带和以所述第一方向运行的第二输送带之间的距离。
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