ES2829811T3 - Proceso para fabricar artículos de carbono mediante impresión tridimensional - Google Patents

Abstract

Un proceso para fabricar un artículo de carbono que comprende las fases de: (a) proporcionar un polvo de carbono; (b) depositar una capa del polvo, en que la fase de depositar una capa de polvo proporciona una densidad de empaquetamiento del polvo de al menos el 40%; (c) depositar por inyección de tinta un aglutinante sobre la capa en un patrón que corresponde a una lámina del artículo; (d) repetir los pasos (b) y (c) para capas adicionales de polvo y patrones adicionales, cada uno de los cuales corresponde a una lámina adicional del artículo, hasta que se complete una versión en polvo del artículo; y (e) curar la versión en polvo del artículo a una temperatura a la que se cura al menos una parte del aglutinante, en que el artículo impreso curado tiene un contenido de aglutinante que varía del 1% al 5% en peso.

Description

DESCRIPCIÓN

Proceso para fabricar artículos de carbono mediante impresión tridimensional

Antecedentes

Campo de la Invención: la presente invención se refiere a un proceso para fabricar artículos de carbono mediante impresión tridimensional.

Antecedentes de la Técnica: el carbono se utiliza para fabricar componentes para su uso en muchas aplicaciones aeroespaciales, químicas, energéticas e industriales. Convencionalmente, los artículos a base de carbono se fabrican mecanizando un gran bloque de carbono a la forma deseada. Este método de fabricación sustractiva da como resultado una cantidad significativa de pérdida de material al crear el artículo. Además, los métodos de fabricación sustractiva tienen geometrías limitadas disponibles para crear el artículo.

Los materiales de carbono, como por ejemplo el grafito o el coque, pueden ser materiales extremadamente difíciles de utilizar para formar artículos utilizando una técnica de inyección de aglutinante. Se desean mejoras para fabricar artículos de carbono mediante impresión tridimensional, especialmente aquellas mejoras que formarían fácilmente artículos de carbono de forma casi neta a partir de una técnica de inyección de aglutinante. Resumen de la Invención

La presente invención proporciona un proceso para fabricar un artículo de carbono de acuerdo con la reivindicación 1. Otras formas de realización del proceso se describen en las reivindicaciones dependientes. La presente invención incluye métodos para fabricar artículos de carbono utilizando el proceso de impresión tridimensional por inyección de aglutinante. Por consiguiente, la presente invención presenta métodos que incluyen las fases de proporcionar un polvo de carbono; depositar una capa de polvo de carbono; depositar mediante inyección de tinta un aglutinante sobre la capa en un patrón que corresponde a una lámina de un artículo; repitiendo los dos pasos anteriores para capas adicionales del polvo y patrones adicionales, cada uno de los cuales corresponde a una sección adicional del artículo hasta que se completa una versión en polvo del artículo.

Breve Descripción de los Dibujos

La presente invención se comprenderá mejor con referencia a los dibujos adjuntos. Debe entenderse, sin embargo, que los dibujos están diseñados únicamente con fines ilustrativos y no como una definición de los límites de la presente invención.

La FIG. 1 es un esquema que muestra una sección transversal vertical de la sección inferior de un dispensador de polvo.

Descripción de Formas de Realización Preferentes

En esta sección, se describen algunas formas de realización preferentes de la presente invención con suficiente detalle para que un experto en la técnica ponga en práctica la presente invención sin experimentación indebida. Debe entenderse, sin embargo, que el hecho de que en el presente documento se describan un número limitado de formas de realización preferentes no limita en modo alguno el alcance de la presente invención tal como se establece en las reivindicaciones. Debe entenderse que siempre que se describe un intervalo de valores en el presente documento o en las reivindicaciones, el intervalo incluye los puntos finales y todos los puntos intermedios como si todos y cada uno de dichos puntos se hubieran descrito expresamente. A menos que se indique lo contrario, la palabra "aproximadamente" tal como se utiliza en este documento y en las reivindicaciones debe interpretarse en el sentido de las limitaciones normales de medición y / o fabricación relacionadas con el valor que modifica la palabra "aproximadamente". A menos que se indique expresamente lo contrario, el término "forma de realización" se utiliza en este documento para significar una forma de realización de la presente invención.

El proceso de impresión tridimensional básico se desarrolló en la década de 1990 en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y se describe en varias patentes de los Estados Unidos, incluidas las siguientes patentes de los Estados Unidos: 5.490.882 de Sachs et al. 5.490.962 de Cima et al., 5.518.680 de Cima et al., 5.660.621 de Bredt et al. 5.775.402 de Sachs et al., 5.807.437 de Sachs et al., 5.814.161 de Sachs et al., 5.851.465 de Bredt, 5.869.170 de Cima et al., 5.940.674 de Sachs et al., 6.036.777 de Sachs et al., 6.070.973 de Sachs et al., 6.109.332 de Sachs et al., 6.112.804 de Sachs et al., 6.139.574 de Vacanti et al., 6.146.567 de Sachs et al., 6.176.874 de Vacanti et al., 6.197.575 de Griffith et al., 6.280.771 de Monkhouse et al., 6.354.361 de Sachs et al., 6.397.722 de Sachs et al., 6.454.811 de Sherwood et al., 6.471.992 de Yoo et al., 6.508.980 de Sachs et al., 6.514.518 a Monkhouse et al., 6.530.958 de Cima et al., 6.596.224 de Sachs et al., 6.629.559 de Sachs et al., 6,945,638 de Teung et al., 7.077.334 de Sachs et al., 7.250.134 de Sachs et al., 7.276.252 de Payumo et al., 7.300.668 de Pryce et al., 7.815.826 de Serdy et al., 7.820.201 de Pryce et al., 7.875.290 de Payumo et al., 7.931.914 de Pryce et al., 8.088.415 de Wang et al., 8.211.226 de Bredt et al. y 8.465.777 de Wang et al.

En esencia, la impresión tridimensional implica la extensión de una capa de un material en partículas, y a continuación la impresión selectiva por inyección de tinta de un fluido sobre esa capa para hacer que partes seleccionadas de la capa particulada se unan entre sí. Esta secuencia se repite para capas adicionales hasta que se haya construido la pieza deseada. El material que forma la capa de partículas se denomina a menudo "material de construcción" o "polvo de material de construcción" y el fluido inyectado se denomina a menudo "aglutinante" o, en algunos casos, "activador". Durante el proceso, las partes de las capas de polvo que no están unidas con el aglutinante forman un lecho de polvo de soporte alrededor del artículo o artículos que se están fabricando, es decir, un lecho de polvo o lecho de construcción.

A menudo se requiere el procesamiento posterior a la construcción del artículo impreso en tres dimensiones, es decir, la versión en polvo del artículo, para fortalecer y / o densificar la pieza. A menudo, la primera fase de posprocesamiento será calentar la versión en polvo del artículo mientras todavía está soportado por el lecho de polvo para curar el aglutinante, seguido de una segundo fase para retirar la versión en polvo del artículo del lecho de polvo, y una tercera fase de tratamiento térmico de la versión en polvo del artículo para sinterizar juntas las partículas de polvo de la versión en polvo o para realizar cambios en el aglutinante. El documento WO 2015/038260 A2 describe un método para fabricar un artículo tridimensional que comprende carbono.

Impresión de Polvo de Carbono

En formas de realización, se proporciona un polvo de carbono en cantidades suficientes para producir el artículo o artículos deseados, teniendo en cuenta la máquina de impresión tridimensional que se va a utilizar y el tamaño del lecho de polvo que rodeará la versión en polvo del artículo. La primera capa de polvo de carbono se extiende sobre una plataforma indexable verticalmente. Una imagen o patrón correspondiente a una primera capa del artículo o artículos a construir puede impartirse a esta capa mediante aglutinante de impresión por inyección de tinta sobre esta capa, o pueden depositarse una o más capas adicionales antes de impartir el primer patrón. El proceso de depositar una capa de polvo seguido de impartir una imagen adicional que corresponde a una lámina adicional del artículo o artículos continúa hasta que se completa la versión en polvo del artículo o artículos. En aras de la concisión, la versión en polvo de un artículo a menudo se denomina en el presente documento "artículo impreso".

En formas de realización en las que el aglutinante requiere curado para proporcionar al artículo impreso la resistencia suficiente para su manipulación, se lleva a cabo un proceso de curado sobre el artículo impreso. Independientemente de que se utilice o no una fase de curado, el artículo impreso se retira posteriormente del lecho de polvo y se limpia de todo el polvo adherido o capturado no deseado. A continuación, el artículo impreso puede ser tratado térmicamente adicionalmente para curar el aglutinante o tratado térmicamente para carbonizar o grafitizar el artículo impreso.

Curado del Artículo Impreso

Si se desea una fase de calentamiento para curar el aglutinante, la fase de calentamiento implica calentar el artículo impreso a una temperatura y durante un tiempo suficientes para curar el aglutinante. En muchas formas de realización, el calentamiento a una temperatura superior a 160°C durante al menos aproximadamente 60 minutos suele ser suficiente para curar muchos aglutinantes poliméricos orgánicos. El tiempo y la temperatura necesarios para curar el aglutinante variarán dependiendo de la composición del aglutinante particular utilizado y, en general, los expertos en la técnica lo comprenden bien. La fase de curado del aglutinante se puede realizar en una atmósfera inerte no reactiva, como por ejemplo argón o nitrógeno. A menudo, las temperaturas de curado para muchos aglutinantes orgánicos son lo suficientemente bajas como para que la fase de curado pueda tener lugar en el aire sin afectar significativamente a las partículas de carbono del artículo impreso. En general, cuanto menor es la temperatura de curado, mayor es el tiempo requerido para curar el aglutinante hasta un grado en que el artículo muestra propiedades físicas de modo que pueda manipularse sin daño ni deformación significativos del artículo. Tras el curado del aglutinante, el proceso produce un artículo impreso curado. El artículo impreso curado tiene un contenido de aglutinante que varía del 1% al 5% en peso. Esta cantidad mínima de aglutinante utilizada para formar artículos impresos con carbono de forma casi neta reduce significativamente el desperdicio de material y mejora la economía y la eficiencia de la producción de artículos de carbono. Este es un avance sobre muchas otras técnicas de formación de carbono que utilizan contenidos de aglomerante significativamente más altos para formar formas en bruto y a continuación se mecanizan a las formas deseadas. En determinadas formas de realización, la densidad del artículo impreso curado, es decir, la densidad en verde, puede oscilar entre aproximadamente 0,75 g / cc y aproximadamente 0,9 g / cc.

Las fases de tratamiento térmico, especialmente para la carbonización y / o grafitización, se realizan preferentemente en una atmósfera controlada que excluye esencialmente la presencia de aire. La atmósfera puede ser cualquier atmósfera que sea adecuada para el tratamiento térmico del carbono, por ejemplo argón, nitrógeno, etc. Durante el calentamiento del artículo o artículos impresos, se pueden realizar ajustes para la carbonización o grafitización del artículo o artículos impresos.

Carbonización del Artículo Impreso

En algunas formas de realización, se puede realizar opcionalmente un tratamiento térmico adicional del artículo impreso curado para carbonizar uno o más materiales en el artículo impreso curado con el fin de producir un artículo impreso carbonizado. El término "carbonización" se refiere a la conversión de material orgánico en carbono o un residuo que contiene carbono por pirólisis. Una fase de carbonización puede incluir calentar el artículo impreso curado a una temperatura de al menos aproximadamente 500 °C, preferiblemente al menos aproximadamente 700 °C. En algunas formas de realización, dependiendo de la fuente de carbono utilizada para producir el artículo impreso, las temperaturas de carbonización pueden oscilar entre aproximadamente 500 °C a aproximadamente 900 °C. El tiempo requerido para la carbonización es variable dependiendo de la composición del material y del tamaño y forma del artículo de carbono impreso. En muchas formas de realización, mantener el artículo impreso a temperaturas de carbonización durante 1 a 2 horas es suficiente para producir un artículo impreso carbonizado.

Si el aglutinante utilizado para formar el artículo de carbono impreso es carbonizable y el polvo de carbono utilizado en las fases de impresión es carbonizable o ya está carbonizado, la fase de carbonización producirá un artículo impreso carbonizado de forma casi neta. Esta es una mejora significativa en la técnica con respecto a la forma principal de formar artículos con forma carbonizada que consiste en comenzar con un bloque sólido del material de carbono deseado y mecanizar el material para formar la forma deseada. Este método sustractivo produce una cantidad significativa de desperdicio de material, más del 75% de desperdicio para algunas piezas, y está limitado a ciertas geometrías. Al imprimir la geometría deseada con un polvo de carbono carbonizable o carbonizado usando un aglutinante carbonizable, seguido de la carbonización del artículo impreso, se produce un artículo impreso carbonizado de forma casi neta con muy poca pérdida de material de carbono y en configuraciones geométricas prácticamente ilimitadas. En determinadas formas de realización, la densidad del artículo impreso carbonizado puede oscilar entre aproximadamente 0,75 g / cc y aproximadamente 0,9 g / cc. Grafitización de Artículos Impresos

Aún más, el artículo de carbono impreso se puede curar tal como se ha descrito anteriormente y calentar a temperaturas de grafitización de al menos aproximadamente 2500 °C, preferentemente de al menos aproximadamente 3000 °C. El tiempo requerido para la grafitización es variable dependiendo del material y el tamaño y forma del artículo de carbono impreso. En muchas formas de realización, mantener el artículo de carbono impreso a temperaturas de grafitización durante 1 a 2 horas es suficiente para producir un artículo impreso grafitizado.

La fase de grafitización proporciona la capacidad de imprimir un artículo de carbono utilizando un polvo y un aglutinante de carbono no grafítico, y posteriormente grafitizar el artículo impreso para producir directamente un artículo impreso grafítico de forma casi neta, siempre que el polvo de carbono no grafítico inicial esté en una forma que se puede grafitizar. De manera similar, se puede usar un grafito o polvo de carbono grafítico para formar un artículo impreso, seguido de la posterior grafitización del aglutinante para producir un artículo impreso grafítico de forma casi neta. Estos métodos para formar un artículo grafítico son una mejora significativa con respecto a los métodos tradicionales o para formar artículos grafíticos que se basan en el mecanizado de grafito para producir la pieza deseada. El método de mecanizado sustractivo produce una cantidad significativa de material de grafito desperdiciado y está limitado a ciertas geometrías. Al imprimir la geometría deseada con el polvo de carbono, seguida de grafitización, se produce un artículo impreso grafítico de forma casi neta con muy poca pérdida de material grafítico y se puede formar en configuraciones geométricas prácticamente ilimitadas. En determinadas formas de realización, la densidad del artículo impreso grafitizado puede oscilar entre aproximadamente 0,75 g / cc y aproximadamente 1,1 g / cc. En formas de realización adicionales, la densidad puede variar desde aproximadamente 0,9 g / cc hasta aproximadamente 1,1 g / cc.

Sinterización de Polvo de Carbono

Dependiendo del polvo de carbono utilizado para formar el artículo impreso, las partículas de carbono del polvo de carbono en el artículo impreso pueden no sinterizarse en un grado apreciable. Por ejemplo, si el polvo de carbono no se ablanda al calentarlo, se espera que se produzca poca o ninguna sinterización con las partículas de carbono adyacentes al calentar el artículo de impresión. Muchos grafitos o materiales grafíticos no se ablandan en un grado apreciable cuando se exponen a temperaturas de grafitización y, por lo tanto, no se sinterizan significativamente al calentarse a temperaturas de grafitización. Sin embargo, los polvos de carbono que se ablandan al calentarlos a temperaturas de carbonización o grafitización se sinterizarán juntos hasta cierto punto cuando se calientan. Como guía general, cuanto mayor sea el contenido de materia volátil del polvo de carbono, mayor será el grado de ablandamiento del polvo de carbono al calentarlo.

Polvo de Carbono

Tal como se utiliza en este documento, "polvo de carbono" en sus formas singulares o plurales se refiere a formas en polvo de grafito natural, grafito sintético, carbono vítreo, carbono amorfo, carbono, coque de petróleo, brea de petróleo u otros polvos carbonosos similares que tienen un contenido de carbono más alto que el contenido de materia orgánica. Los coques y brea de petróleo pueden incluir formas verdes, carbonizadas o grafitizadas.

Ciertas propiedades del polvo de carbono afectan la capacidad de imprimir el artículo impreso. Estas propiedades incluyen el tamaño medio de partícula, la distribución del tamaño de partícula y la forma de las partículas del polvo de carbono.

Con respecto al tamaño de partícula promedio, en las formas de realización, es preferible que el tamaño de partícula promedio del polvo sea menor de aproximadamente 200 micrómetros y mayor de aproximadamente 20 micrómetros; más preferiblemente que oscile entre aproximadamente 20 micrómetros y aproximadamente 150 micrómetros; y en algunas formas de realización preferiblemente que oscile entre aproximadamente 20 micrómetros y 75 micrómetros. En algunas formas de realización, la distribución del tamaño de partícula muestra preferiblemente una distribución en la que más de aproximadamente el 80% de las partículas muestran un tamaño dentro del 20% del tamaño medio de partícula. En formas de realización adicionales, la distribución de tamaños de partículas sigue una distribución de tipo Gaussiano en la que aproximadamente el 95% de las partículas meustran un tamaño de partículas dentro del 20% del tamaño medio de partículas. En formas de realización adicionales, la distribución del tamaño de partículas puede presentar un d50 de aproximadamente 75 micrómetros, un d10 de 45 micrómetros y un d90 de 150 micrómetros. La distribución de polvo no debe contener partículas que tengan un tamaño mayor que el espesor de capa que se va a utilizar en el proceso de impresión tridimensional, y más preferiblemente no mayor que la mitad del espesor de capa utilizado en el proceso de impresión tridimensional.

La forma de las partículas de carbono en el polvo de carbono también es una variable importante para la impresión tridimensional de artículos de carbono. En general, se prefiere que las partículas sean relativamente lisas y relativamente esféricas. No se desean partículas que tengan bordes extremadamente afilados ni que muestren un alargamiento extremo a lo largo de un eje del revestimiento.

Aglutinante

Los aglutinantes utilizados en la fase de impresión por inyección de tinta pueden incluir una variedad de materiales aglutinantes. Es importante destacar que los aglutinantes deben poder aplicarse mediante el mecanismo de inyección utilizado por el equipo de impresión. Las propiedades físicas de la composición aglutinante se pueden ajustar habitualmente con disolventes y tensioactivos apropiados para cumplir con los requisitos físicos del mecanismo o cabezal de inyección de tinta particular que se esté utilizando. Los aglutinantes utilizados en la presente invención pueden agruparse generalmente en dos categorías: aglutinantes orgánicos y aglutinantes inorgánicos. Los aglutinantes orgánicos son aquellos aglutinantes en los que sustancialmente todo el contenido del aglutinante que queda después de la fase de curado contiene componentes de material que se carbonizarán durante la fase de carbonización. Los aglutinantes orgánicos pueden incluir, pero no se limitan a, fenoles, furano, almidón, azúcar, polivinilpirrolidina y otros aglutinantes orgánicos similares. Los aglutinantes inorgánicos son aquellos aglutinantes que contienen materiales que no se carbonizarán al calentarse a temperaturas de carbonización. Los aglutinantes inorgánicos pueden incluir, pero no se limitan a, silicato de sodio y otros aglutinantes inorgánicos adecuados. Los aglutinantes inorgánicos pueden ser adecuados si el contenido de material inorgánico es de poca o ninguna importancia o no tiene un efecto negativo significativo sobre el uso previsto del artículo impreso final.

Opcionalmente, los aglutinantes pueden incluir aditivos de nanopartículas. La combinación de aditivo y aglutinante debe mostrar propiedades que sean adecuadas para que el mecanismo de inyección de tinta aplique el aglutinante y el aditivo durante el proceso de impresión. Preferentemente, los aditivos de nanopartículas pueden incluir nanopartículas que contienen carbono como por ejemplo fullerenos, nanotubos, nanopartículas y otras nanopartículas similares que contienen carbono. Además, el material de brea puede disolverse en disolventes orgánicos apropiados y utilizarse como aditivo de carbono en el aglutinante. En algunas formas de realización, la brea se puede utilizar como aglutinante para unir las partículas de carbono en el proceso de impresión.

Depósito de Polvo de Carbono

Los polvos se pueden depositar como capas utilizando mecanismos de extensión convencionales. Sin embargo, en algunas formas de realización, puede producirse una tendencia del polvo a esparcirse mal en capas uniformes. En tales casos, se prefiere usar un dispensador de polvo que tenga un miembro de pie biselado junto con un rodillo de contrarrotación para alisar el polvo en una capa uniforme. El rodillo y el dispensador de polvo pueden estar soportados por un carro común o por carros separados para moverlos por la zona sobre la que se va a extender la capa de polvo. Preferiblemente, el rodillo está unido al dispensador de polvo. La FIG. 1 muestra esquemáticamente una sección transversal vertical de la sección inferior de dicho dispensador de polvo, sin rodillo.

Haciendo referencia a la FIG. 1, el dispensador de polvo 2 está soportado de forma móvil por un carro (que no se muestra) para moverlo selectivamente por encima y a través de un lecho de polvo (que no se muestra). El dispensador de polvo 2 incluye una tolva cónica 4 que tiene una sección de depósito 6 para recibir y retener una cantidad predeterminada del polvo que se va a depositar. La parte inferior de la tolva 4 incluye una garganta ajustable 8, cuya anchura está determinada selectivamente por la posición de una placa ajustable de forma fija 10. La placa l0 está soportada de forma móvil por ranuras de soporte en sus extremos y su centro (que no se muestran) que están conectadas operativamente a la tolva 4. La placa 10 puede moverse selectivamente hacia adentro o hacia afuera (tal como lo indica la flecha 12) para ajustar el ancho de la garganta 8 y a continuación quedar bloqueada de forma liberable en su lugar mediante un mecanismo de bloqueo (que no se muestra). La tolva 4 también tiene una sección de dispensación de polvo 14. La sección de dispensación 14 tiene una boca 16 que se extiende sustancialmente a lo largo del ancho de la tolva 4 y un pie o placa inferior biselada 18 que ayuda a definir el borde inferior de la boca 16. La placa inferior 18 está soportada en la tolva 4 por medios de conexión que no se muestran, de modo que se pueda colocar de forma bloqueable en las direcciones de la flecha 20 para ajustar de manera controlable la distancia que recorre el polvo a través de su cara superior y también la altura de apertura de la boca 16. Preferentemente, la placa 10 también está adaptada para moverse hacia arriba o hacia abajo con el fin de ajustar la altura de apertura de la boca 10. El ángulo de bisel 22 que la cara superior de la placa inferior 18 crea desde la horizontal está dentro del intervalo de 5 a 45 grados, y más preferiblemente dentro del intervalo de 5 a 25 grados, e incluso más preferiblemente dentro del intervalo de 10 a 15 grados. Preferentemente, la placa inferior 18 está adaptada para ser fácilmente intercambiable de modo que una placa inferior 18 que tenga el ángulo de bisel deseado para un polvo determinado se puede intercambiar con una que tenga un ángulo de bisel menos deseable.

Durante el funcionamiento del dispensador de polvo 2, el polvo se carga y se almacena dentro del depósito 6 de la tolva 4. El polvo fluye por la garganta 8 y se acumula en la parte superior de la placa inferior 18 donde toma un ángulo de reposo y deja de fluir. Cuando se aplica una vibración a la tolva por un medio de vibración (que no se muestra), el polvo comienza a fluir por la boca 16 y continúa fluyendo mientras continúan las vibraciones. La tasa de deposición de polvo se puede controlar ajustando la amplitud y frecuencia de vibración, el ancho de la garganta 8, y la altura de apertura de la boca 16. En algunas formas de realización, una o más de estas características de control están adaptadas para ser controladas de forma remota o automática con el fin de lograr una tasa de deposición deseada. La tasa de deposición puede medirse mediante el uso de sensores que detectan el peso de la tolva o por otros medios de modo que se pueda establecer un circuito de retroalimentación para mantener o lograr una tasa de deposición deseada. En algunas formas de realización, una parte de la tolva 4 está adaptada para entrar en contacto con el polvo depositado para alisarlo y / o compactarlo a medida que se forma la capa.

La densidad de empaquetamiento del polvo que se ha depositado en la caja de construcción puede expresarse como un porcentaje de la densidad aparente del polvo en el lecho de polvo frente a la densidad de contacto del polvo. Utilizando esta definición de densidad de empaquetamiento, la densidad de empaquetamiento es mayor del 40%, más preferentemente mayor del 50% y aún más preferentemente mayor del 60%.

Dependiendo de variables como el tamaño, la forma y la densidad de las partículas en el polvo de carbono, el tipo y la cantidad de aglutinante utilizados durante la impresión, los artículos impresos pueden mostrar una densidad impresa que varía de aproximadamente 0,5 g / cc a aproximadamente 1,2 g / cc. En formas de realización, los artículos impresos muestran una densidad impresa mayor de aproximadamente 0,7 g / cc, en otras formas de realización mayor de aproximadamente 0,9 g / cc, en todavía otras formas de realización mayor de aproximadamente 1,0 g / cc.

EJEMPLOS

Ejemplo 1: Artículo de Carbono Impreso a partir de Partículas de Coque Verde

El polvo de carbono utilizado para la impresión era un coque fluido a base de petróleo verde (Asbury Carbons) que había sido tratado térmicamente a 400 - 600°C. El tamaño de partícula y la distribución del coque fluido a base de petróleo crudo fue d50 de 75 micrómetros, d10 de 45 micrómetros y un d90 de 150 micrómetros. La morfología de las partículas fue generalmente esférica. El polvo mostró una resistividad eléctrica de 2500 ohmcm y tenía una gran cantidad de materia orgánica. La superficie del polvo era de 25-30 m2 / gramo.

La impresión se realizó utilizando un sistema de inyección de aglutinante M-Flex de The ExOne Company. El aglutinante utilizado fue un aglutinante de PVP a base de polímero en un vehículo de dietilenglicol disponible comercialmente en The ExOne Company. La impresión se realizó utilizando un espesor de capa de 150 micrones con una combinación de rodillo o repintador contrarrotante.

Una vez que se hubo completado el proceso de impresión, el artículo de carbono se curó a 250 °C durante 1 hora. Después del curado, el artículo de carbono mostró suficiente resistencia en verde para ser manipulado para un procesamiento posterior adicional calcinando o grafitizando. La calcinación y la grafitización dieron como resultado una contracción apreciable.

Ejemplo 2: Artículo de Carbono Impreso a partir de Partículas de Coque Calcinado

El polvo de carbono utilizado para la impresión era un coque fluido a base de petróleo calcinado (Asbury Carbons) que había sido tratado térmicamente a 900 - 1100 °C. El tamaño de partícula y la distribución del coque fluido a base de petróleo crudo era d50 de 75 micrómetros, d10 de 45 micrómetros y un d90 de 150 micrómetros. La morfología de las partículas era generalmente esférica. El polvo mostró una resistividad eléctrica de 0,2 ohm-cm y tenía una cantidad insignificante de materia orgánica. La superficie del polvo era de 20 a 40 m2 / gramo.

La impresión se realizó utilizando un sistema de inyección de aglutinante M-Flex de The ExOne Company. El aglutinante utilizado fue un aglutinante de PVP a base de polímero en un portador de dietilenglicol disponible comercialmente en The ExOne Company. La impresión se realizó utilizando un espesor de capa de 150 micrones con una combinación de rodillo o repintador contrarrotante.

Una vez que se hubo completado el proceso de impresión, el artículo de carbono se curó a 250 °C durante 1 hora. Después del curado, el artículo de carbono mostró suficiente resistencia para ser manipulado para un procesamiento posterior adicional, ya sea por calentamiento a temperaturas de calcinación o grafitización. La calcinación y la grafitización no dieron como resultado una contracción apreciable.

Ejemplo 3: Artículo de Carbono Impreso a partir de Partículas de Coque Grafitizado

El polvo de carbono utilizado para imprimir era un coque fluido a base de petróleo grafitizado (Asbury Carbons) que había sido tratado térmicamente a 2400 - 3000 °C. El tamaño de partícula y la distribución del coque fluido a base de petróleo crudo era d50 de 75 micrómetros, d10 de 45 micrómetros y un d90 de 150 micrómetros. La morfología de las partículas era generalmente esférica. El polvo mostró una resistividad eléctrica de 0,05 ohmcm y no tenía una cantidad apreciable de materia orgánica. La superficie del polvo era <1 m2 / gramo.

La impresión se realizó utilizando un sistema de inyección de aglutinante M-Flex de The ExOne Company. El aglutinante era un aglutinante de PVP a base de polímero en un vehículo de dietilenglicol disponible comercialmente de The ExOne Company. La impresión se realizó utilizando un espesor de capa de 150 micrones con una combinación de rodillo o repintador contrarrotante.

Una vez que se hubo completado el proceso de impresión, el artículo de carbono se curó a 250 °C durante 1 hora. Después del curado, el artículo de carbono mostró suficiente resistencia para ser manipulado para un procesamiento posterior adicional, ya sea por calentamiento a temperaturas de calcinación o grafitización. La calcinación y la grafitización no dieron como resultado una contracción apreciable.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para fabricar un artículo de carbono que comprende las fases de:

(a) proporcionar un polvo de carbono;

(b) depositar una capa del polvo, en que la fase de depositar una capa de polvo proporciona una densidad de empaquetamiento del polvo de al menos el 40%;

(c) depositar por inyección de tinta un aglutinante sobre la capa en un patrón que corresponde a una lámina del artículo;

(d) repetir los pasos (b) y (c) para capas adicionales de polvo y patrones adicionales, cada uno de los cuales corresponde a una lámina adicional del artículo, hasta que se complete una versión en polvo del artículo; y

(e) curar la versión en polvo del artículo a una temperatura a la que se cura al menos una parte del aglutinante, en que el artículo impreso curado tiene un contenido de aglutinante que varía del 1% al 5% en peso.

2. El método de la reivindicación 1, en que el polvo de carbono se selecciona del grupo que consiste en grafito natural, grafito sintético, carbono vítreo, carbono amorfo, carbón, coque de petróleo, brea de petróleo.

3. El método de la reivindicación 1, en que el aglutinante es un aglutinante orgánico.

4. El método de la reivindicación 1, en que el polvo tiene un tamaño de partícula promedio que varía de 20 micrómetros a 150 micrómetros.

5. El método de la reivindicación 1, en que la densidad del artículo impreso curado varía de 0,75 g / cc a 0,9 g / cc.

6. El método de la reivindicación 1, que además comprende la fase de:

(f) carbonizar el artículo impreso curado a una temperatura a la que al menos una parte del artículo impreso se carboniza.

7. El método de la reivindicación 1, que además comprende la fase de:

(f) grafitizar el artículo impreso curado a una temperatura de grafitización de al menos 2500 °C a la que al menos una parte del artículo impreso se grafitiza.

8. El método de la reivindicación 7, en que el polvo de carbono es un polvo no grafítico.

9. El método de la reivindicación 1, en que el polvo de carbono utilizado en las fases de impresión es carbonizable o carbonizado y el aglutinante utilizado para formar el artículo de carbono impreso es carbonizable, en que el método comprende además la fase de:

(f) carbonizar el artículo impreso curado a una temperatura a la que al menos una parte del artículo impreso se carboniza.