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Die Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorstufe für eine Vorrichtung zum Filtern von geschmolzenen Metall sowie das daraus erhältliche Filter selbst, wobei die Vorstufe aus einem keramischen oder Kunststoff-Material und insbesondere unter Verwendung dreidimensionaler Drucktechnologie hergestellt wird. Ein solches Filter ist nützlich bei einem Gußvorgang zum Abfiltrieren von Schlacke oder ähnlichen Verunreinigungen im geschmolzenen Metall.
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Stand der Technik
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Beim Gießen von geschmolzenem Metall verbleiben einige feste Verunreinigungen in dem flüssigen Metall. Einige dieser Verunreinigungen sind Metalloxide, die sich bilden, da das geschmolzene Metall atmosphärischem Sauerstoff ausgesetzt ist. Üblicherweise wird aufgrund der hohen Verarbeitungstemperatur des Metalls und wegen der von Metalloxid-basierten basierten Verunreinigungen gezeigten Affinität, an keramischem Material anzuhaften, ein keramisches Filter zum Entfernen solcher Verunreinigungen eingesetzt. Insbesondere die Reaktivität von Aluminium und Aluminiumlegierungen macht diese Metalle besonders anfällig, die unerwünschten Metalloxide zu bilden, was ein Filtern erforderlich macht.
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Keramische Filter werden auch als Wasserfilter eingesetzt. Allerdings sind die als Wasserfilter verwendeten Filter als Filter für geschmolzene Metalle nicht geeignet, da Wasserfilter Partikel auf Mikroebene filtern, und nicht, wie beim Filtern im Metallguss erforderlich, wesentlich größere Partikel.
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Ein Beispiel auf diesem Gebiet zeigt
US 8794298 . Dort ist die Herstellung eines keramischen Filters mit einer für den Metallguss erforderlichen Ausgestaltung beschrieben. Die Erfinder geben dort an, dass es im Stand der Technik bekannt war, geschäumte Polystyrol-Kugeln mit einer keramischen Aufschlämmung zu infiltrieren. Nach anschließendem Erhitzen der keramischen Aufschlämmung brannte das Polystyrol aus und hinterließ ein Geflecht von ungeordneten Pfaden, die eine turbulente Strömung durch die Poren ermöglichten, die zuvor von den Kugeln besetzt waren. Nachteilig an dieser Technik ist jedoch, dass die Nähe der Kugeln fragile Verknüpfungen hervorruft, die ausbrechen können und so als Verunreinigungsquelle dienen können.
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Eine weitere Technik, die von
US 8794298 als problematisch beschrieben wird, ist ein dichtgepacktes Bett von keramischen oder polymeren Teilchen, in denen die Zwischenräume zwischen den dichtgepackten Teilchen den Pfad bilden, obgleich dieser Pfad im Wesentlichen keine Poren aufweist. Diese Technik führt dazu, dass ein nicht wünschenswert hoher Prozentsatz des Filtervolumens von den Teilchen besetzt ist. Die beschriebene Lösung besteht darin, eine dreidimensionale „technisch und elektronisch bestimmte Geometrie“ bereitzustellen, in der die Porengröße, die Tortuosität und der Mindestdurchmesser der Stege vorbestimmt ist, obgleich keine dieser Einzelheiten bereitgestellt sind. Unter Verwendung der dreidimensionalen vorbestimmten Geometrie als Vorstufe beschreibt die
US 8794298 die Verwendung einer Stereolithographie-Technik, um das netzartige Netzwerk durch selektive Laseraktivierung eines Harzes, das das keramische Material enthält und photopolymerisierbar ist, zu bilden. Das polykeramische Verbundnetz wird dann durch bekannte Techniken, einschließlich Ausbrennen, zur Keramik umgeformt.
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Eine ältere Technik zum Bereitstellen eines keramischen Filterelements, das eine dreidimensionale netzartige Skelettstruktur sowie miteinander verbundene Poren aufweist, besteht darin, einen netzartigen synthetischen Harzschaumstoff, der keine Zellmembranen aufweist, wie in der
US 6203593 offenbart, mit einer keramischen Aufschlämmung zu beschichten. Der netzartige Harzschaumstoff wird vor dem Beschichten mit der keramischen Aufschlämmung in eine zylindrische Form mit einer inneren axial ausgerichteten hohlen Röhre gebracht, sodass diese einen ungehinderten axialen Strömungspfad aufweist, und das Filtrieren durch Strömen in radialer Richtung des zylindrischen Elements erfolgt. Dies erfordert aber eine besondere Geometrie des Filters.
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Es besteht somit auch weiterhin ein Bedürfnis ein keramisches Filterelement zum Entfernen von Verunreinigungen aus einer Metallschmelze bereitzustellen, wobei das Filterelement eine geeignete Kombination von Tortuosität und struktureller Stabilität aufweist.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorstufe für eine Vorrichtung zum Filtern sowie ein aus der Vorstufe gebildetes Filter selbst bereitzustellen, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme nicht aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Schutzansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche oder nachfolgend beschrieben.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme werden mit einer Vorstufe für eine Vorrichtung zum Filtern von geschmolzenen Metall, bzw. von dem die Vorstufe umfassenden Filter selbst gelöst. Die Vorstufe für die Vorrichtung zum Filtern weist mindestens zwei Lagen des Filterelements auf, wobei jede Lage des Filterelements eine Vielzahl von dreidimensionalen geometrischen Käfigen umfasst, die in fester Beziehung zueinander verbunden sind.
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In einigen Ausführungsformen umfasst jede Lage der Vorstufe überdies ein peripheres Element, das die Lage umgibt. In einigen dieser Ausführungsformen gibt es eine Vielzahl von Abstandselementen, die die peripheren Elemente eines Paares von benachbarten Lagen überspannen und die Lagen in einer fest beabstandeten Beziehung halten.
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In anderen Ausführungsformen sind die Lagen in beabstandeter fester Beziehung gehalten, indem eine Vielzahl von dreidimensionalen geometrischen Käfigen in einer Lage mit dreidimensionalen geometrischen Käfigen in einer benachbarten Lage verbunden sind.
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In vielen der Vorstufen umfasst jeder der dreidimensionalen geometrischen Käfige eine Vielzahl von Segmenten, insbesondere von linearen Segmenten eines Materials, die miteinander in der Form eines geometrischen Festkörpers verbunden sind, sodass jedes lineare Segment eine Kante des geometrischen Festkörpers darstellt.
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Um ein verbessertes Anhaften einer keramischen Aufschlämmung an den Käfigen der Vorstufe zu erreichen, weisen mindestens 10% der Segmente der Käfige mindestens eine Flächenunregelmäßigkeit auf, die sich von dem Segment weg erstreckt, um das Anlagern von Beschichtungsmaterial zu verbessern. Die Flächenunregelmäßigkeit ist insbesondere als länglicher Dorn ausgebildet. Insbesondere kann jeder der dreidimensionalen Käfige zwanzig lineare Segmente eines Materials umfassen, die in der Form eines teilweise abgestumpften Oktaeders angeordnet sind. Eine solche Form weist eine obere und eine untere quadratische Fläche und acht trapezförmige Flächen auf, wobei die längsten Kanten der trapezförmigen Flächen einen Äquator zwischen der oberen und der unteren quadratischen Fläche bestimmen. Der Äquator weist vier Kanten und vier Scheitelpunkte auf.
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Wenn die teilweise abgestumpfte Oktaeder-Form verwendet wird, kann es auch eine Vielzahl von linearen Stützelementen geben, die in paralleler Beziehung über die Lage angeordnet sind und die Lage in eine Vielzahl von Reihen unterteilen. Zwischen jedem Paar von benachbarten linearen Stützelementen, d. h. in jeder Reihe, ist eine Vielzahl der Käfige, die die Form eines teilweise abgestumpften Oktaeders aufweisen, am Äquator zu jedem der linearen Stützelemente verbunden, die die Reihe bestimmen. In dieser Anordnung können die Käfige, die die Form eines teilweise abgestumpften Oktaeders aufweisen, entlang jeder Reihe in einer beabstandeten Beziehung von jedem der benachbarten Käfige angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen können die Käfige jedoch entlang jeder Reihe angeordnet und mit jedem der benachbarten Käfige verbunden sein.
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In einer anderen Ausführungsform kann jeder der dreidimensionalen geometrischen Käfige sechsunddreißig lineare Segmente eines Materials umfassen, die in der Form eines vollständig abgestumpften Oktaeders angeordnet sind, der sechs quadratische Flächen und acht trapezförmige Flächen aufweist. In einem solchen Fall kann jeder der vollständig abgestumpften Oktaeder mit benachbarten vollständig abgestumpften oktaederförmigen Käfigen Kante an Kante verbunden sein oder alternativ kann jeder der vollständig abgestumpften Oktaeder-Käfige mit benachbarten vollständig abgestumpften Oktaeder-Käfigen Fläche an Fläche verbunden sein, basierend auf quadratischen Flächen der jeweiligen Käfige.
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Die Vorstufe der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise von einem thermoplastischen Material gebildet, das geeignet zur Extrusion durch einen Druckkopf eines dreidimensionalen Druckers ist oder von einer Keramik in Form einer Aufschlämmung, die geeignet zur Extrusion durch einen Druckkopf eines dreidimensionalen Druckers ist. Im Falle eines Thermoplastes ist ein bevorzugtes Material ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS).
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In letzterem Fall wird die Vorstufe in ein Filter gewandelt, indem die Vorstufe mit einer keramischen Aufschlämmung beschichtet und kalziniert wird.
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Eine erfindungsgemäße Vorstufe gemäß Anspruch 1 kann unter Zuhilfenahme eines computerhergestellten dreidimensionalen Modells erzeugt werden. So ein Modell kann über einen dreidimensionalen Drucker implementiert werden. So lässt sich unter Verwendung eines dreidimensionalen Druckers die Vorstufe in einem schichtweisen Prozess gemäß des Modells insbesondere aus einem polymeren Material aufbauen. Die konstruierte Vorstufe wird dann mit einer keramischen Aufschlämmung beschichtet und die beschichtete Vorstufe kalziniert, was einen erfindungsgemäßen Filter ergibt.
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Bei Verwendung eines keramischen Materials zum Bilden der Vorstufe kann das einfache Kalzinieren, um ein Filter hochschmelzenden Materials zu erhalten, ausreichend sein. Ein zusätzliches Beschichten kann jedoch nützlich sein, um die Tortuosität des Filters zu erhöhen.
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Ausführliche Beschreibung
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Die Entwicklung der dreidimensionalen Drucktechniken erlaubt den präzisen Aufbau von Modellen mit einer Kunststoffschicht-Depositionstechnik (LPD-Technologie (engl. Layer Plastic Deposition). Ein Hersteller solch eines dreidimensionalen Druckers ist Zortrax (Polen). In einer typischen Zortrax Druckvorrichtung wird ein Filament aus polymerem Harz, wie ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) auf präzise Weise durch einen Extruder am Ende eines robotergesteuerten Arms einer beheizten Plattform zugeführt, wodurch eine Struktur gemäß einem vorbestimmten Modell lagenweise aufgebaut wird.
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Das dreidimensionale Drucken kann unter Verwendung anderer bekannter Technologien erreicht werden, vorausgesetzt, dass es ein Computermodell des zu „druckenden“ Objekts gibt. Es ist bekannt, dass seit 2010 die American Society for Testing and Materials (ASTM) einen Satz von Standards entwickelt hat, die so genannte „additive Fertigungstechnologien" in sieben Kategorien klassifiziert. Diese sind: 1) vat Photopolymerisation (Behälter-Photopolymerisation; 2) Material Jetting (Materialabsetzen); 3) Binder Jetting (Binderabsetzen); 4) Materialextrusion; 5) Pulverbettfusion; 6) Schichtlaminierung; 7) Directed Energy Deposition (gerichtete Energiedeposition).
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Bei der „vat Photopolymerisation“ wird ein Behälter flüssigen Photopolymerharzes selektiv durch eine Lichtquelle, typischerweise ein Laser, ausgehärtet. Die häufigste Technologie dieser Art verwendet eine Ultraviolett-Lichtquelle in einem Prozess, der als Stereolithographie oder SLA bezeichnet wird. Andere Techniken dieser Kategorie sind Continuous Liquid Interface Production – CLIP, Film Transfer Imaging – FIT und Solid Ground Curing – SGC.
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„Material Jetting“ setzt Tröpfchen von Material durch eine Düse mit kleinem Durchmesser auf eine Weise ein, die analog zum Tintenstrahldrucken ist, aber lagenweise angewandt und z.B. durch UV-Licht gehärtet ist. Ein Anbieter dieser Technologie ist Stratasys.
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„Binder Jetting“ verwendet zwei Materialien. Ein Pulver als Basismaterial wird in gleichmäßigen Lagen in einer Baukammer verteilt. Flüssiges Bindemittel, das durch die Strahldüsen aufgetragen wird, „klebt“ das Basismaterial in die Form des gewünschten Objekts. Nach der Beendigung wird das überschüssige Pulver von dem Druckerzeugnis entfernt, das für gewöhnlich durch Licht ausgehärtet wird. Ein typisches Basismaterial kann ein Metallpulver sein. Ein Anbieter dieser Technologie ist ExOne.
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Das am häufigsten verwendete Verfahren der Materialextrusion ist das „Fused Deposition Modelling“ (Deposition von geschmolzenem Material) oder FDM. Ein Kunststofffilament oder Metalldraht verläuft durch eine Extrusionsdüse, die den Strom ein- oder ausschalten kann.
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Die Düse wird von dem Computer-Modell über einem Tisch, auf dem das Objekt gebaut wird, in drei Dimensionen bewegt. Die verwendeten Primärkunststoffe sind Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Polymilchsäure (PLA). Die Bezeichnung FDM ist eine eingetragene Marke von Stratasys, daher wird häufig stattdessen die Bezeichnung „Fused Filament Fabrication“ oder FFF verwendet.
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„Pulverbettfusion“ wird durch ihre häufigste Technik veranschaulicht, dem selektiven Lasersintern oder SLS. Hier schmilzt ein Hochleistungslaser kleine Teilchen eines ausgewählten Materials Lage für Lage in eine dreidimensionale Form. Der Laser wird in eindeutiger Weise von dem Computermodell des zu druckenden Objekts geführt. Beispielhafte Teilchen können Kunststoff, Metall, Keramik oder Glas sein.
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Bei der „Schichtlaminierung“ wird Material in Schichten mit externer Kraft aneinandergebunden. Die Schichten können Metall, Papier oder ein Polymer sein. Metallschichten können durch Ultraschallschweißen verbunden und dann CNC-gefräst werden. Papierschichten werden typischerweise mit einem Klebstoff geklebt. Ein führendes Unternehmen in dieser Technologie ist Mcor Technologies.
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Die letzte der Kategorien ist „Directed Energy Deposition“ (gerichtete Energiedeposition). Hier führt ein mehrachsiger Roboterarm eine Düse, die Metallpulver oder Draht auf einer Fläche abscheidet, wo das Metallpulver oder der Draht von einer Energiequelle geschmolzen wird. Beispielhafte Energiequellen können einen Laser, einen Elektronenstrahl oder einen Plasmalichtbogen umfassen. Ein Unternehmen in dieser Technologie ist Sciaky.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ein besseres Verständnis der offenbarten Ausführungsformen ergibt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen, wobei sich identische Bezugszeichen auf identische Teile beziehen. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Draufsicht einer Vorstufe eines Filterelements;
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2 eine perspektivische Draufsicht der Vorstufe von 1, nachdem diese mit einer keramischen Aufschlämmung beschichtet und kalziniert wurde;
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3A eine perspektivische Vorderansicht eines geometrischen Oktaeders, das abgestumpfte polare Scheitelpunkte aufweist;
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3B eine perspektivische Vorderansicht eines geometrischen Oktaeders, dessen Scheitelpunkte allesamt abgestumpft sind;
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4 eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer einzelnen Lage der Vorstufe von 1;
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5 eine Draufsicht eines Abschnitts einer ersten alternativen Lage der Vorstufe von 1;
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6 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer zweiten alternativen Lage der Vorstufe von 1; und
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7 eine Draufsicht von oben eines Abschnitts von 5, die eine weitere Ausführungsform veranschaulicht.
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In 1 bis 6 sind der Übersichtlichkeit halber jeweils die Dornen nicht gezeigt, diese sollen jedoch, wie in 7 dargestellt, jeweils vorhanden sein.
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1 zeigt eine perspektivische Draufsicht einer zusammengestellten Vorstufe 10 zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines keramischen Filters. Eine typische Ausführungsform der zusammengestellten Vorstufe umfasst zwei oder mehr Lagen 20 von dreidimensionalen Käfigen 22, die in einer festen vorbestimmten Beziehung zueinander angeordnet sind. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, werden die einzelnen Käfig 22 in jeder Lage 20 in Position gehalten, indem sie mit benachbarten einzelnen Käfigen 22, einem Stützelement 24, einem peripheren Element 26 oder einigen Kombinationen von diesen verbunden sind. Im Allgemeinen umfasst jeder dreidimensionale Käfig 22 eine Vielzahl von linearen Segmenten in Form eines Polymers oder auch in Form eines keramischen Materials. Das keramische Material ist so beschaffen, dass es fähig ist, von einem Druckkopf extrudiert zu werden, insbesondere von einem Druckkopf eines dreidimensionalen Druckers. Bei einem dreidimensionalen Druckverfahren kann die Vorstufe 10 derart aufgebaut sein, dass benachbarte Lagen 20 direkt miteinander verbunden sind, oder einzelne Lagen aufgebaut und dann durch einen separaten Prozess oder ein Verfahren mit benachbarten Lagen verbunden werden. In der gezeigten Ausführungsform weist die Vorstufe 10 Lagen 20 auf, die durch ein kreisförmiges peripheres Element 26 begrenzt sind. Die einzelnen peripheren Elemente 26 sind in beabstandeter Beziehung durch Abstandselemente 28 verbunden.
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In der gezeigten Ausführungsform umfassen alle strukturellen Elemente, d. h. die Käfig 22, die Stützelemente 24, die peripheren Elemente 26 und die Abstandselemente 28, das gleiche Material, bspw. ein Polymer oder ein keramisches Material.
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Während 1 eine spezifische Ausführungsform der Lagen 20 offenbart, die in der Vorstufe 10 verwendet wird, gibt es auch alternative, erfindungsgemäße Ausführungsformen der Lagen 20. Aus diesem Grund ist nachfolgend eine ausführlichere Beschreibung einiger dieser erfindungsgemäßen Ausführungsformen ausführlich gegeben.
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2 zeigt in der gleichen perspektivischen Draufsicht wie 1 ein fertiges Filter 110, das aus der Vorstufe von 1 gefertigt worden ist. Um die Vorstufe in das fertige Filter 110 umzuwandeln, wird die Vorstufe 10 mit einer keramischen Aufschlämmung beschichtet und dann kalziniert, was zu einer insgesamt zufälligen, aber allgemein durchgängigen Oberfläche 112 eines keramischen Materials führt, das geeignet ist, geschmolzenes Metall zu filtern. Der Vorteil einer solchen Beschichtung mit einer keramischen Aufschlämmung besteht darin, dass die von der Aufschlämmung aufgebrachte Keramik das geschlossene Volumen in dem Filter erhöht und auch eine wesentliche Menge an Unordnung in die ansonsten gleichmäßige Struktur bringt, wodurch das Produkt ein höheres Maß an Tortuosität erhält. In einigen Fällen schließt die keramische Aufschlämmung wirksam die hexagonalen und quadratischen „Fenster“, die in den dreidimensionalen geometrischen Käfigen vorhanden sind. Das Beschichten der Vorstufe zum Filter 110 ist notwendig, wenn die Vorstufe aus einem Polymer konstruiert ist, und ist bevorzugt, aber nicht notwendig, wenn die Vorstufe aus einem keramischen Material konstruiert ist.
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Bisher ist auf die Verwendung von „dreidimensionalen geometrischen Käfigen“ als Strukturelement in den Filtern als Gegenstand der vorliegenden Erfindung verwiesen worden. Im Allgemeinen sind die eingesetzten dreidimensionalen geometrischen Käfige eher Rahmen oder Käfige, die die Form eines regelmäßigen Polyeders aufweisen. Ein solch besonders nützlicher regelmäßiger Polyeder ist ein Oktaeder oder eine von einem Oktaeder abgeleitete Struktur.
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Wie bekannt ist, ist ein Oktaeder ein platonischer Körper, der 12 Kanten und 6 Scheitelpunkte, wobei die Scheitelpunkte in drei gegenüberliegenden Paaren angeordnet sind, aufweist, wobei die Paare jeweils in orthogonaler Beziehung zu den anderen Paaren stehen. Es gibt 8 Flächen, von denen jede ein gleichseitiges Dreieck ist. Wenn ein gegenüberliegendes Paar der Scheitelpunkte abgestumpft ist, wird ein Festkörper in Form eines teilweise abgestumpften Oktaeders 40, wie er in der perspektivischen Ansicht in 3A gezeigt ist, erhalten. Der teilweise abgestumpfte Oktaeder 40 weist eine obere und eine untere quadratische Fläche 42 (von denen nur eine in 3A sichtbar ist) und acht trapezförmige Flächen 44 (von denen vier in 3A sichtbar sind) auf. Sie weist einen „Äquator“ 46 auf, der durch die vier Kanten 48 (von denen nur zwei in 3A sichtbar sind) bestimmt ist, die keine der quadratischen Flächen 42 schneiden. Die vier Scheitelpunkte 50, die nach dem Abstumpfen verbleiben, befinden sich auf dem Äquator 46.
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Wenn die vier verbleibenden Scheitelpunkte 50 des teilweise abgestumpften Oktaeders 40 abgestumpft sind, wird die in perspektivischer Ansicht in 3B gezeigte Struktur 60 erhalten. Diese Struktur 60 wird als „vollständig abgestumpftes Oktaeder“ 60 bezeichnet. Die Struktur weist vierzehn Flächen, wovon sechs quadratische Flächen 62 sind (von denen drei in 3B sichtbar sind) und acht hexagonale Flächen 64 (von denen vier in 3B sichtbar sind) auf. Es gibt insgesamt 36 Kanten 68 der gleichen Länge, wobei sich die Kanten in insgesamt 24 Scheitelpunkten treffen. Die sechs quadratischen Flächen 62 sind in drei Paaren von gegenüberliegenden quadratischen Flächen angeordnet. Basierend auf einem beliebigen dieser Paare ist ein „Äquator“ 66 durch vier Kanten 68 bestimmt, die parallel zu einer Ebene sind, die von dem Paar der quadratischen Flächen bestimmt ist. Das vollständig abgestumpfte Oktaeder ist ein „raumfüllender“ Festkörper, der mosaikartig in einem dreidimensionalen Raum angeordnet werden kann.
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Auch andere geometrische Käfige, gebildet aus linearen Segmenten, die die Kanten des Körpers bilden, als die gezeigten sind denkbar, bspw. ein Ikosaeder mit seinen 20 gleichseitigen dreieckigen Flächen.
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Bevorzugt ist es, identische dreidimensionale geometrische Käfige in einer gegebenen Lage zu verwenden. Es ist auch möglich und kann unter Umständen vorteilhaft sein, dreidimensionale geometrische Käfige unterschiedlicher Größen oder Formen in einer gegebenen Lage zu verwenden oder Größen oder Formen zwischen benachbarten Lagen zu verändern.
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4 zeigt eine Draufsicht entlang eines Schnitts der in 1 dargestellten Lage 20 in einer vergrößerten Ansicht zur Veranschaulichung. Jeder Käfig 22 ist als ein offener Rahmen von linearen Segmenten gebildet, die sich in den Positionen der Kanten des teilweise abgestumpften Oktaeders von 3A befinden. Zwei quadratische Flächen 142 sind zu sehen, ebenso wie acht der trapezförmigen Flächen 144. Zwei Scheitelpunkte 150 jedes Käfigs 22 sind über die Stützelemente 24 verbunden, und die verbleibenden zwei Scheitelpunkte 150 sind mit dem Scheitelpunkt eines benachbarten Käfigs verbunden. In einer anderen Ausgestaltung können die Käfige 22 entlang der Stützelemente 24 weiter voneinander beabstandet sein, sodass sich benachbarte Käfige 22 nur über die Stützelemente 24 miteinander verbunden sind. Dies erlaubt eine Flexibilität hinsichtlich der Porosität und/oder Tortuosität. Über die Stützelemente 24 können benachbarte Reihen von Käfigen 22 entweder in einem Quadrat oder in einem dreieckigen Abstand zueinander angeordnet werden.
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5 zeigt in einer Draufsicht eine unterschiedliche Anordnung einer Lage 220 für eine Vorstufe 10 wie in 1. In dieser Anordnung umfasst die Lage 220 Käfige 260 die wie ein vollständig abgestumpftes Oktaeder geformt sind. Die Käfige sind mit benachbarten Käfigen 260 entlang benachbarter (gemeinsamer) Kanten verbunden sind, die den Äquator des Käfigs in Bezug auf die obere oder untere quadratische Fläche 262 bestimmen. Die Abbildung ist wieder nur ein Schnitt der Lage, veranschaulicht jedoch, wie die Lage vollständig in einer Schicht gebaut sein kann, die ein peripheres Element enthalten kann. Diese Lage 220 kann direkt an einer benachbarten Lage 220 über oder unter ihr durch Verbinden der quadratischen Flächen 262 befestigt sein, oder die Lagen können wie in 1 durch Abstandselemente beabstandet sein.
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6 zeigt eine weitere Weise zum Anordnen von Käfigen 260 in perspektivischer Ansicht. Anstatt „Kante an Kante“ verbunden zu sein wie in 5 angedeutet, sind die Käfige 260 hier „Fläche an Fläche“ über einander zugewandte quadratische Flächen 262 miteinander verbunden. Dies bietet eine weitere Ausführungsform einer Lage 320, die zum einfacheren Verständnis nur in einem kleinen Schnitt dargestellt ist.
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Es kann vorteilhaft sein, die Länge der linearen Segmente bestehend aus Polymer oder keramischen Material zu ändern, die zum Konstruieren der Käfige verwendet werden, um den Durchmesser der Käfige zu variieren und somit die Porosität der Filter zu variieren.
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In anderen Ausgestaltungen kann es vorteilhaft sein ein Verfahren anzuwenden, dass ein Variieren der Porosität des Filters erlaubt, insbesondere Käfige mit zufälliger Porosität bereitzustellen, wie in 7 veranschaulicht. Dort wird beispielhaft ein Abschnitt der Struktur von 5 in einer Draufsicht dargestellt. Wie bereits zuvor beschrieben, kann eine wie in 5 gezeigte Lage 220 durch dreidimensionales Drucken eines Polymers oder eines keramischen Materials durch einen Druckkopf mit einheitlichem Düsendurchmesser hergestellt werden. Wenn die Käfige 260 dann einen festen Durchmesser aufweisen, führt dies zu einer Lage 220 wie in 5, die dazu neigt, eine glatte Oberfläche von linearen Segmenten zu haben. Die Einheitlichkeit und Glätte, kann dazu beitragen, dass nur unzureichend keramische Aufschlämmung an der Vorstufe beim Beschichten haften bleibt.
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Um ein verbessertes Anhaften einer keramischen Aufschlämmung an den Käfigen der Vorstufe zu erreichen, ist wie in 7 veranschaulicht, eine Reihe von Flächenunregelmäßigkeiten in Form länglicher Dorne 80, wie beispielhaft dargestellt, an individuellen linearen Segmenten der Käfige 260 angebracht, aus denen die Ausführungsform der Lage 420 besteht. Diese Dorne 80 sind zufällig an den linearen Segmenten platziert und weisen eine zufällige Länge auf. Wie veranschaulicht, weisen die Dorne 80 einen gleichförmigen Durchmesser auf, wobei der Dorndurchmesser kleiner ist als der Durchmesser der linearen Segmente.
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Der Durchmesser der Dorne kann variieren, insbesondere, wenn diese mittels Jetting-Technik anstelle eines Extrusionsverfahrens hergestellt werden. Die Dorne 80 sind sowohl an den linearen Segmenten als auch im dreidimensionalen Raum zufällig ausgerichtet. Die Dorne 80 können von einem separaten Druckkopf an den linearen Segmenten angebracht werden und das Material der Dorne kann unterschiedlich zu dem Material, welches für die linearen Segmente verwendet wird. Während es möglich ist, dass zwei Druckköpfe gemeinsam arbeiten, um die Lage 420 herzustellen, ist es bevorzugt, dass zuerst eine Lage 220 wie in 5 hergestellt wird und anschließend die Dorne 80 auf der Lage 220 platziert werden, wodurch diese in die Lage 420 umgewandelt wird.
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Die Dorne 80 haben unter der Annahme, dass die Dorne 80 mit einem Extrusionskopf gedruckt werden, typischerweise einen Durchmesserbereich von ungefähr 10 % bis nicht mehr als ungefähr 50 % des Durchmessers der linearen Segmente, auf denen die Dorne platziert sind. Es ist zu erwarten, dass die Dorne 80 ein individuelles Länge-zu-Durchmesser(L/D)-Verhältnis aufweisen, das mindestens ungefähr 3:1 ist und nicht mehr als ungefähr 7:1 ist. Für eine gegebene Vorstufe ist zu erwarten, dass die Dorne 80 einen wesentlichen Abschnitt des L/D-Bereichs abdecken, da eine Funktion des Randomisierungs-Algorhythmus bei ihrer Platzierung verwendet wird. Bevorzugt weisen mindestens 10 % aller linearen Segmente mindestens einen Dorn 80 auf, und weiter bevorzugt weisen auch unabhängig hiervon nicht mehr als 10 % der linearen Segmente nicht wenigstens einen Dorn 80 auf. Ähnlich der in 7 veranschaulichten Ausführungsform wird bevorzugt, bis zu drei oder vier Dorne 80 (oder andere Arten von Flächenunregelmäßigkeiten) in dichter Nähe, obgleich mit unterschiedlicher räumlichen Ausrichtung, nah zu positionieren.
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Selbstverständlich lässt sich das folgende ebenso auf eine beliebige andere der veranschaulichten Ausführungsformen anwenden, sowie auf Ausführungsformen, die innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen.
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Nachdem eine Grundstruktur für ein Filter bestimmt ist, kann ein Computermodell erstellt werden, das die Konstruktion der Vorstufe unter Verwendung einer dreidimensionalen Drucktechnik und Vorrichtung erlaubt.
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Nachdem eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben worden ist, wird ein Fachmann erkennen, dass viele Variationen und Abwandlungen vorgenommen werden können, die die beschriebene Erfindung betreffen und noch immer im Geltungsbereich der beanspruchten Erfindung liegen. Daher können viele der zuvor angegebenen Elemente verändert oder durch unterschiedliche Elemente ersetzt werden, die das gleiche Ergebnis liefern und in den Erfindungsgedanken der beanspruchten Erfindung fallen. Es ist daher beabsichtigt, die Erfindung nur dahingehend zu begrenzen, wie es durch den Geltungsbereich der Ansprüche angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8794298 [0004, 0005, 0005]
- US 6203593 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- seit 2010 die American Society for Testing and Materials (ASTM) einen Satz von Standards entwickelt hat, die so genannte „additive Fertigungstechnologien“ [0022]
