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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Keramikfilter, die in Metallgießverfahren verwendet werden, um Einschlüsse und Oxide im flüssigen Metall während des Metallgusses zu entfernen.
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Bauteile wie Zylinderköpfe und Motorblöcke für Kraftfahrzeugmotoren werden in der Regel mit einer semipermanenten Form gegossen, die mit geschmolzenem Metall wie Aluminium gefüllt ist, das durch Schwerkraft in die Form geleitet wird. Eine semipermanente Form (SPM) ist ein Gießverfahren, bei dem Gussstücke aus Aluminiumlegierungen aus wiederverwendbaren Metallformen und Sandkernen hergestellt werden können, um innere Kanäle im Gussteil zu bilden. Beim Flüssigmetallguss wird beispielsweise flüssiges Aluminium in eine Form gegossen, um Motorblöcke von Kraftfahrzeugen und andere Motorteile wie Zylinderköpfe herzustellen.
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Bei bekannten Gießverfahren wird im Gießweg des flüssigen Metalls stromaufwärts der Form ein keramischer Filter angeordnet, der Einschlüsse und Oxide aus dem flüssigen Metall herausfiltert und so die Gussreinheit verbessert. Bekannte Keramikfilter für den Guss von flüssigem Aluminium bestehen aus einem Keramikschaum, der für die Temperatur der Aluminiumschmelze geeignet ist. Bei der herkömmlichen Herstellung von Keramikschaumfiltern werden zunächst Polyurethanschwämme oder expandiertes Polystyrol mit einer den Keramikfiltern ähnlichen Größe in einen Keramikschlamm getaucht. Nach dem Eintauchen füllt der Keramikschlamm die Hohlräume in den Polymerschwämmen. Die mit dem Keramikschlamm gefüllten Polymerschwämme werden dann in einem Ofen gebacken/gesintert. Nach dem Sintern der Polymerschwämme bleibt als Restmaterial der Schaumkeramikfilter übrig. Solche Materialien sind jedoch anfällig für ungleichmäßige und uneinheitliche Porengrößen und können daher zu einer geringen Filtrationsleistung führen. Die ungleichmäßigen und uneinheitlichen Porengrößen führen zu erheblichen Schwankungen der Metalldurchflussrate durch den Filter und damit durch das System, was sich negativ auf die Formfüll- und Aushärtungszeiten auswirkt. Retikulierte keramische Schaumstofffilter führen aufgrund der unterschiedlichen Porengrößen ebenfalls zu erheblichen Schwankungen in der Metalldurchflussrate.
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Während die derzeitigen keramischen Filter, die beim Gießen von flüssigem Metall verwendet werden, ihren Zweck erfüllen, besteht ein Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren zum Filtern von Einschlüssen und Oxiden aus flüssigem Metall während des Gießens.
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WO 2016/187 097 A1 zeigt eine Schaumtintenzusammensetzung und 3D-gedruckte, poröse Struktur.
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BESCHREIBUNG
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schaumstofffilters: Sintern eines Filterkörpers auf eine Temperatur, die höher ist als die eines geschmolzenen Metalls, das durch den Körper gefiltert werden soll; Erzeugen mehrerer gewundener Pfadkanäle, die sich durch den Filterkörper erstrecken und jeweils eine wiederholte und kontrollierte Durchgangsgeometrie aufweisen, wodurch ein sich kontinuierlich ändernder Durchmesser und eine sich ändernde Fläche eines Strömungsweges durch die mehreren gewundenen Wegkanäle erzeugt werden, was örtliche Erhöhungen und Verringerungen der Strömungsrate des geschmolzenen Metalls durch die mehreren gewundenen Wegkanäle verursacht; und Aufbringen einer Mischung aus mindestens einem Keramikpulver und mindestens einem Bindemittel unter Verwendung der additiven Fertigung, um den Filterkörper einschließlich der mehreren gewundenen Wegkanäle zu formen.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die individuelle Formung der mehrfach gewundenen Pfadkanäle in Form einer Sinuskurve.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Konfiguration der mehrfach gewundenen Pfadkanäle mit einem ersten Durchmesser an einem größten Abschnitt einer ovalförmigen Tasche, der größer ist als ein zweiter Durchmesser an einem Verengungsbereich (engl.: neck region) mit reduziertem Durchmesser.
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Das Verfahren umfasst ferner das Konfigurieren des Filterkörpers mit mehreren Schichten, wobei einzelne der mehreren Schichten unterschiedliche Größen der mehreren gewundenen Pfadkanäle aufweisen.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Entfernen einzelner der mehreren Schichten, um die Gesamtdurchflussrate durch den Filterkörper zu ändern.
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Das Verfahren umfasst ferner die Bereitstellung einer unterschiedlichen Benetzbarkeit für einzelne der mehreren Schichten.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Schaffung von sich wiederholenden rechteckigen Taschen mit einem sich verkleindernden Verengungsbereich für einzelne der mehreren gewundenen Pfadkanäle.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner: das Erzeugen eines Strömungskanals für einzelne der mehreren gewundenen Bahnkanäle durch Hinzufügen einer Aufprallwand zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Bahnkanalwänden, die in einem Winkel zu einer Strömungsrichtung des geschmolzenen Metalls innerhalb des Strömungskanals ausgerichtet sind; und das Ausbilden einer Innenwand einer Tiefpunktkavität in der zweiten Pfadkanalwand, die dazu dient, in dem geschmolzenen Metall mitgerissene Gegenstände einzufangen.
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Weiterhin umfasst das Verfahren ferner: Positionieren einer V-förmigen Aufprallwand in einem Strömungskanal, der zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Wegkanalwänden definiert ist, die in einem Winkel zur Strömungsrichtung des geschmolzenen Metalls in dem Strömungskanal ausgerichtet sind; und Erzeugen einer umgekehrten V-förmigen stromaufwärts gelegenen Wand der V-förmigen Aufprallwand.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Durchführung des Sinterns bei einer Temperatur, die höher ist als die Temperatur eines geschmolzenen Aluminiums, das das geschmolzene Metall definiert.
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Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikschaumfilters die folgenden Schritte: Aufbringen einer Mischung aus mindestens einem keramischen Pulver und mindestens einem Bindemittel unter Verwendung einer additiven Fertigung, um einen Filterkörper zu formen; Erstrecken mehrerer gewundener Pfadkanäle durch den Filterkörper, die mindestens einen ersten Querschnitt mit einer ersten Fläche und einen zweiten Querschnitt mit einer zweiten Fläche, die kleiner als die erste Fläche ist, umfassen; Variieren eines äquivalenten Kreisdurchmessers der mehreren gewundenen Pfadkanäle zwischen 0,1 mm und 5,0 mm; und Sintern des Filterkörpers auf eine Temperatur, die höher ist als die eines geschmolzenen Metalls, das durch den Körper gefiltert werden soll.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Bildung des Filterkörpers aus mehreren Schichten.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Auswahl eines unterschiedlichen Flusses des geschmolzenen Metalls durch die mehreren gewundenen Pfadkanäle durch Variation der mehrfach gewundenen Bahnkanäle in unterschiedliche der mehreren Schichten.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Erzeugung eines sich kontinuierlich ändernden Durchmessers und Bereichs eines Strömungswegs durch die mehreren gewundenen Pfadkanäle.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Formung der mehreren gewundenen Pfadkanäle als spiralförmige Kanäle.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Herstellung des Filterkörpers unter Verwendung mehrerer Schichten, wobei die mehreren gewundenen Pfadkanäle der einzelnen der mehreren Schichten unterschiedliche Durchflussgrößen aufweisen.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner: das Erzeugen eines Strömungskanals für einzelne der mehreren gewundenen Pfadkanäle mit einer Aufprallwand, die zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Pfadkanalwänden positioniert ist, die in einem Winkel zu einer Strömungsrichtung des geschmolzenen Metalls innerhalb des Strömungskanals ausgerichtet sind; und das Ausbilden einer Innenwand einer Tiefpunktkavität in der zweiten Pfadkanalwand, um in dem geschmolzenen Metall mitgeführte Gegenstände einzufangen.
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Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikschaumfilters: Auswählen eines Keramikschaumfilterkörpers mit einer Zellgeometrie des Filterkörpers, die einen von mehreren gewundenen Wegkanälen umfasst, die sich durch den Filterkörper erstrecken, wobei die mehreren gewundenen Pfadkanäle eine wiederholte und kontrollierte Durchgangsgeometrie aufweisen; Kombinieren von Keramikpulvern und mindestens einem Bindemittel in einem Kombinationsvorgang; Drucken des Filterkörpers unter Verwendung der Keramikpulver und des Bindemittels unter Verwendung eines additiven Herstellungsvorgangs; und Sintern des Filterkörpers bei einer Sintertemperatur oberhalb einer erwarteten Temperatur eines geschmolzenen Metalls, das durch den Filterkörper gefiltert werden soll.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Auswahl eines sich kontinuierlich ändernden Durchmessers und Bereichs eines Strömungswegs durch einzelne der mehreren gewundenen Pfadkanäle.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Auswahl eines äquivalenten Kreisdurchmessers eines Querschnitts der mehrferen gewundenen Pfadkanäle zwischen 0,1 mm und 5,0 mm.
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Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung. Es sollte verstanden werden, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung dienen und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
- 1 ist eine Frontansicht eines Keramikschaumfilters und -behälters gemäß einem beispielhaften Aspekt; gemäß einem beispielhaften Aspekt;
- 2 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Keramikschaum-Filterkörpers gemäß einem weiteren Aspekt;
- 3 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Keramikschaumfilterkörpers gemäß einem weiteren Aspekt;
- 4 ist eine seitliche perspektivische Teilquerschnittsansicht des Keramikschaumfilterkörpers von 2;
- 5 ist eine Querschnittsansicht von der Seite, die im Abschnitt 5 von 4 aufgenommen wurde;
- 6 ist eine seitliche perspektivische Teilquerschnittsansicht des Keramikschaumfilterkörpers von 3;
- 7 ist eine Querschnittsansicht von der Seite, die im Abschnitt 7 von 6 aufgenommen wurde;
- 8 ist eine isometrische Querschnittsansicht von der Seite ähnlich wie 7;
- 9 ist eine perspektivische Vorderansicht eines dreilagigen Keramikschaumfilterkörpers gemäß einem weiteren Aspekt;
- 10 ist eine Querschnittsansicht von der Seite, ähnlich wie 5, einer Aufprallwand, die in einem Strömungsweg positioniert ist;
- 11 ist eine Querschnittsansicht einer V-förmigen Aufprallwand, die in einem Strömungsweg positioniert ist, ähnlich wie in 10; und
- 12 ist ein Flussdiagramm von beispielhaften Verfahrensschritten zur Herstellung des Keramikschaumfilters von 1.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Keramikfiltersystem 10 vorgestellt, das einen Keramikschaumfilter 12 mit einem Filterkörper 14 umfasst, der mehrere gewundene Pfadkanäle 16 durch den Filterkörper 14 zum Filtern eines geschmolzenen Metalls wie Aluminium aufweist. Das geschmolzene Metall tritt in den Filterkörper 14 an einem stromaufwärts gelegenen Ende 18 ein, durchquert den Filterkörper 14 über die mehrfach gewundenen Pfadkanäle 16 und tritt an einem stromabwärts gelegenen Ende 20 aus dem Filterkörper 14 aus. Der Filterkörper 14 ist in einem Filterbehälter 22 angeordnet, der einen vergrößerten Abschnitt 24 aufweist, der zur Aufnahme und zum Halten des Filterkörpers 14 geeignet ist. Der Filterbehälter 22 umfasst einen Einlassabschnitt 26 stromaufwärts des Filterkörpers 14 und einen Auslassabschnitt 28 stromabwärts des Filterkörpers 14. Der Einlassstrom eines geschmolzenen Metalls 30, wie z. B. erhitztes, flüssiges Aluminium, wird an einem Einlassende 32 des Filterbehälters 22 aufgenommen. Das geschmolzene Metall 30 enthält in der Regel Einschlüsse 34 und Oxide 36 des geschmolzenen Metalls 30, die unerwünscht sind und daher mit Hilfe des Filterkörpers 14 entfernt werden sollen.
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Wenn das geschmolzene Metall 30 auf den Filterkörper 14 trifft, wird ein überwiegender Teil der Einschlüsse 34, die zu groß sind, um in die mehreren gewundenen Pfadkanäle 16 einzudringen, am stromaufwärts gelegenen Ende 18 des Filterkörpers 14 aufgefangen. Die mehrfach gewundenen Kanäle 16 sind auch so bemessen, dass sie einen überwiegenden Teil der Oxide 36 abfangen, die als gefangene Oxide 38 innerhalb des Filterkörpers 14 dargestellt sind. Eine gefilterte Metallschmelze 40, aus der die Einschlüsse 34 und die Oxide 36 entfernt wurden, wird als Auslassstrom 42 zum Austritt aus dem Auslassabschnitt 28 an einem Auslassende 44 des Filterbehälters 22 geleitet.
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Unter Bezugnahme auf 2 und erneut auf 1 enthält ein erster Keramikschaumfilter 12A gemäß mehreren Aspekten mehrere gewundene Pfadkanäle 16A. Die Geometrie der gewundenen Kanäle 16A wird in den und detaillierter dargestellt und beschrieben.
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Unter Bezugnahme auf 3 und erneut auf 1 und 2 enthält ein zweiter Keramikschaumfilter 12B gemäß mehreren Aspekten mehrere gewundene Pfadkanäle 16B. Die Geometrie der gewundenen Kanäle 16B ist in den 6 und 7 detaillierter dargestellt und beschrieben.
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Unter Bezugnahme auf 4 und erneut auf 2 sind beispielhafte der mehreren gewundenen Pfadkanäle 16A des ersten Keramikschaumfilters 12A röhrenförmig mit rechteckigen wiederkehrenden Taschen, die Kanäle 16A1, 16A2, 16A3 definieren, die nebeneinander angeordnet sind. Gemäß mehreren Aspekten sind passende obere, mittlere und untere Säulen der mehrfachen gewundenen Pfadkanäle 16B gemeinsam zueinander ausgerichtet, wie die gewundenen Pfadkanäle 16A3A, 16A3B und der gewundene Pfadkanal 16A3C. Wie bereits erwähnt, werden beim Durchströmen des geschmolzenen Metalls, z. B. geschmolzenes Aluminium, durch die mehrfach gewundenen Wegekanäle 16A des ersten Schaumkeramikfilters 12A die Einschlüsse und Oxide aufgefangen und entfernt, und der Strom wird zum gefilterten geschmolzenen Metall 40.
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Unter Bezugnahme auf 5 und erneut auf 4 enthalten einzelne der mehreren gewundenen Pfadkanäle 16A wiederkehrende rechteckige Taschen 46, die durch flächenreduzierte Verengungsbereiche 48 getrennt sind. Die flächenreduzierten Verengungsbereiche 48 erhöhen den Strömungswiderstand der Metallschmelze und bilden daher Bereiche, in denen die Oxide 38 im Filterkörper 14 eingeschlossen werden. Die flächenreduzierten Verengungsbereiche 48 fangen auch alle Einschlüsse 34 ab, die klein genug sind, um in einen der mehreren gewundenen Pfadkanäle 16A zu gelangen.
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Unter Bezugnahme auf 6 und erneut auf 4 sind beispielhafte der mehreren gewundenen Pfadkanäle 16B des zweiten Keramikschaumfilters 12B röhrenförmig und sinusförmig, wie die nebeneinander angeordneten gewundenen Pfadkanäle 16B1, 16B2, 16B3. Gemäß mehreren Aspekten sind passende obere und untere Säulen der mehreren gewundenen Pfadkanäle 16B gemeinsam zueinander ausgerichtet, wie z. B. gewundener Pfadkanal 16B3A und gewundener Pfadkanal 16B3B. Wie bereits erwähnt, werden beim Durchströmen des geschmolzenen Metalls, z. B. geschmolzenes Aluminium, durch die zahlreichen gewundenen Kanäle 16B des Filterkörpers 14 des zweiten Keramikschaumfilters 12B die Einschlüsse 34 und die Oxide 36 aufgefangen und entfernt, und der Strom wird zum gefilterten geschmolzenen Metall 40.
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Unter Bezugnahme auf 7 und erneut auf 6 umfassen einzelne der mehreren gewundenen Pfadkanäle 16B wiederkehrende ovalförmige Taschen 50, die durch Verengungsbereiche mit reduziertem Durchmesser 52 getrennt sind. Die Verengungsbereiche mit verringertem Durchmesser 52 erhöhen den Strömungswiderstand des geschmolzenen Metalls und schaffen daher Bereiche, in denen die Oxide 36 als eingeschlossene Oxide 38 im Filterkörper 14 eingeschlossen werden. Die Verengungsbereiche mit verringertem Durchmesser 52 fangen auch alle Einschlüsse 34 ab, die klein genug sind, um in einen der mehreren gewundenen Kanäle 16B zu gelangen.
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Unter Bezugnahme auf 8 und erneut auf 6 und 7 umfasst der beispielhafte gewundene Pfadkanal 16B3B einen ersten Durchmesser 54, der einen ersten Bereich an einem größten Abschnitt der ovalförmigen Taschen 50 definiert, der größer ist als ein zweiter Durchmesser 56, der einen zweiten Bereich an den Verengungsbereichen mit reduziertem Durchmesser 52 definiert. Ein sich kontinuierlich ändernder Durchmesser und eine sich ändernde Fläche eines Strömungsweges 58 durch den gewundenen Pfadkanal 16B3B bewirkt eine örtlich begrenzte Zunahme und Abnahme der Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls durch die gewundenen Pfadkanäle, was das Einfangen der Einschlüsse 34 und der Oxide 36 in den durch die ovalen Taschen 50 definierten Bereichen mit geringerer Geschwindigkeit verstärkt.
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Unter Bezugnahme auf 9 und erneut auf die 1 bis 8 ist ein Filterkörper 60 aus dem Filterkörper 14 so modifiziert, dass er mehrere Schichten aus Filtermaterial mit unterschiedlichen Porengrößen und Geometrien enthält. Eine erste Filterschicht 62 bietet mehrere erste gewundene Pfade 64. Eine zweite Filterschicht 66 bietet mehrere zweite gewundene Pfade 68. Eine dritte Filterschicht 70 bildet mehrere dritte gewundene Pfade 72. Die mehreren ersten gewundenen Pfade 64 unterscheiden sich von den mehreren zweiten gewundenen Pfaden 68, und die mehreren dritten gewundenen Pfade 72 unterscheiden sich von den mehreren ersten gewundenen Pfaden 64 und den mehreren zweiten gewundenen Pfaden 68. Durch die unterschiedliche Geometrie der gewundenen Pfade in den einzelnen Schichten des Filterkörpers 60 kann der Filterkörper 60 so eingestellt werden, dass er Objekte unterschiedlicher Größe in den einzelnen Schichten herausfiltert. Beispielsweise kann ein erster Größenbereich der Einschlüsse 34 selektiv mit der ersten Filterschicht 62 gefiltert werden, ein zweiter Größenbereich der Einschlüsse 34 kann selektiv mit der zweiten Filterschicht 66 gefiltert werden und die Oxide 36 können selektiv mit der dritten Filterschicht 70 gefiltert werden.
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Unter Bezugnahme auf 10 und erneut auf die 1 bis 9 ist ein Filterkörper 74 gegenüber dem Filterkörper 14 modifiziert und umfasst gegenüberliegende erste und zweite gewundene Kanalwände 76 und 78. Ein Strömungskanal 80 umfasst eine Aufprallwand 82, die zwischen den einander gegenüberliegenden gewundenen ersten und zweiten Kanalwänden 76 und 78 angeordnet und in einem Winkel zu einer Strömungsrichtung 84 des geschmolzenen Metalls im Strömungskanal 80 ausgerichtet ist. Eine stromaufwärts gelegene Wand 86 wird von Bestandteilen des geschmolzenen Metalls, z. B. einem Einschluss 88, beaufschlagt. Ein Einschluss 90, der auf die stromaufwärts gelegene Wand 86 auftrifft, wandert aufgrund der Schwerkraft 94 die stromaufwärts gelegene Wand 86 hinunter und wird mit mehreren anderen Einschlüssen 92 an einer Innenwand 96 einer Tiefpunktkavität 98, der in der zweiten Kanalbahnwand 78 ausgebildet ist, eingeschlossen. In der Aufprallwand 82 sind mehrere gewundene Pfadkanäle 100 vorgesehen, um das Fließen des geschmolzenen Metalls durch die Aufprallwand 82 in der Fließrichtung 84 zu ermöglichen.
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Unter Bezugnahme auf 11 und erneut auf die 1 bis 10 ist ein Filterkörper 102 aus dem Filterkörper 14 und dem Filterkörper 74 modifiziert und umfasst gegenüberliegende erste und zweite gewundene Kanalwände 104 und 106. Ein Strömungskanal 108 umfasst eine V-förmige Aufprallwand 110, die zwischen den gegenüberliegenden ersten und zweiten gewundenen Kanalwänden 104 und 106 angeordnet ist und in einem Winkel zu einer Strömungsrichtung 112 des geschmolzenen Metalls im Strömungskanal 108 ausgerichtet ist. Eine umgekehrte V-förmige stromaufwärts gelegene Wand 114 wird von Bestandteilen des geschmolzenen Metalls, wie z. B. einem Einschluss 116, beaufschlagt. Ein Einschluss 118, der auf die umgekehrt V-förmige stromaufwärts gelegene Wand 114 auftrifft, bewegt sich aufgrund der Kraft der Flüssigkeitsströmung entlang der umgekehrt V-förmigen stromaufwärts gelegenen Wand 114 und wird mit mehreren anderen Einschlüssen 120 an der umgekehrt V-förmigen stromaufwärts gelegenen Wand 114 in einem inneren Hohlraum 122 eingeschlossen, der an einer eingeschlossenen Verbindung der umgekehrt V-förmigen stromaufwärts gelegenen Wand 114 gebildet wird. In der V-förmigen Prallwand 110 sind mehrere gewundene Wegekanäle 124 vorgesehen, um das Fließen von geschmolzenem Metall durch die V-förmige Aufprallwand 110 in der Strömungsrichtung 112 zu ermöglichen.
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Unter Bezugnahme auf 12 und erneut auf die 1 bis 10 beinhaltet ein Verfahren zum Entwerfen und Optimieren einer porösen Kanalgeometrie und -größen eines Keramikschaumfilters 126 in einer anfänglichen Optimierungsphase 128 die Verwendung von Computational Fluid Dynamics auf der Grundlage von Filtrationseffizienz- und Gussqualitätsanforderungen, um ein Keramikfilterdesign zu optimieren. In einer Extraktionsphase 130 werden Informationen, die in der Optimierungsphase 128 verwendet werden sollen, aus einer Datei mit Filtereffizienz- und Gussqualitätsanforderungen extrahiert. In einer Auswahlphase 132 wird dann ein Design des Schaumkeramikfilters ausgewählt. In einer Druckphase 134 wird der ausgewählte Keramikschaumfilter mit einer additiven Fertigungsmaschine gedruckt. Der additive Fertigungsprozess entnimmt in einer Entnahmephase Keramikpulver und additive Bindemittel aus einem Materialvorrat. In einer Sinterphase 138 wird der Keramikfilter bei einer Temperatur gesintert, die über der Temperatur liegt, die zum Filtern des geschmolzenen Metalls, wie z. B. geschmolzenes Aluminium, nach dem Drucken des Keramikfilters erforderlich ist. In einer Zusammenbauphase 140 wird der Keramikfilter mit mehreren Materialien und Schichten zusammengebaut, zum Beispiel zu dem in 1 beschriebenen Kanister 22.
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Ein Keramikschaumfilter der vorliegenden Offenbarung kann aus einer kontrollierbaren porösen Kanalgeometrie und -größe im Filter bestehen. Es können variable Querschnittsgrößen der porösen Kanäle gewählt werden. Ein äquivalenter Kreisdurchmesser (ECD) eines Querschnitts der porösen Kanäle kann zwischen 0,1 und 5 mm variieren. Ein Keramikfilter der vorliegenden Offenbarung kann aus einer Anordnung von Kanälen mit Wänden bestehen, die in einem sinusförmigen Wellenmuster geformt sind, das sich entlang einer Mitte des Kanals erstreckt. Ein Strömungskanal oder eine Welle im Inneren des Kanals folgt konform einer Innenseite der Kanalwand, so dass ein gleichmäßiger Spalt zwischen der Welle und dem Kanal gebildet wird. Kanal und Wellen können mit der gleichen sinusförmigen Konfiguration zwischen vier anderen Kanälen angeordnet sein, werden aber in einer sinusförmigen Phase von 90 Grad entlang der Längsachse der Welle verschoben.
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Die Kanäle können auch so geformt sein, dass Schutt während der Strömung mit den Wänden kollidiert, so dass ein Impuls der fließenden Partikel von Schutt mit hoher Trägheit entfernt wird, aber weniger dichtes Material mit geringerer Trägheit die Kanäle mit weniger Energieverlust passieren kann. Die Welle kann durch Schaufeln zwischen der Welle und den Wänden gestützt werden, um sie in Position zu halten. Es kann eine mehrschichtige Struktur mit unterschiedlicher Porengeometrie und -größe in jeder Schicht vorgesehen werden. Es können auch mehrere Materialien mit unterschiedlichen Benetzungseigenschaften in ein und demselben Filter für eine spezifische Schmelzebehandlung gedruckt werden. Filterschichten können auch separat gedruckt und kombiniert werden, um ein Verfahren auf optimale Leistung abzustimmen.
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Bedruckte und nicht bedruckte Materialien können zusammen geschichtet werden, um die Leistungsmerkmale der einzelnen Substrattypen zu nutzen. Der Filter kann so bedruckt werden, dass er einzigartige Geometrien aufweist, um die Lebensdauer des Filters zu verlängern, z. B. für den Einsatz in einem Schmelzofen. Große Verunreinigungen können in einen Bereich des Filters geleitet werden, um den Rest des Filters freizuhalten. Dabei können Mikro- oder Makromerkmale genutzt werden.
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Ein Keramikschaumfilter im Sinne der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Dazu gehört ein Keramikfilter mit einer Zell-/Passagegeometrie, die variable Porenquerschnittsgrößen mit einer Spiralform oder einem sinusförmigen Wellenmuster aufweist. Der Keramikfilter kann einzigartige Merkmale aufweisen, um die großen Ablagerungen von der stromaufwärts gelegenen Filterfläche abzuführen, wenn der Keramikfilter in Schmelzöfen verwendet wird. Der Keramikfilter kann variable poröse Kanalquerschnitte, spiralförmige poröse Kanäle und/oder Kanäle mit sinusförmigem Wellenmuster aufweisen. Der Keramikfilter hat eine mehrschichtige Struktur mit unterschiedlichen Porengrößen in jeder Schicht und besteht aus mehreren Materialien mit unterschiedlicher Benetzbarkeit.
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Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhaft, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sollen in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.
