ES2832588T3

ES2832588T3 - Proceso para fabricar artículos de carbono densificados mediante impresión tridimensional

Info

Publication number: ES2832588T3
Application number: ES15864543T
Authority: ES
Inventors: Jesse M Blacker
Original assignee: ExOne Co
Current assignee: ExOne Co
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: CN107206746A; KR102411873B1; JP2018502811A; EP3227109A1; US20180001551A1; KR20170088429A; WO2016089618A1; EP3227109A4; EP3227109B1

Abstract

Un método para fabricar un artículo de carbono densificado que comprende las fases de: (a) proporcionar un polvo de carbono, 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 o brea de petróleo, y en que el polvo de carbono tiene un tamaño de partícula promedio que va desde 20 micrómetros hasta 150 micrómetros; (b) depositar una capa del polvo de carbono; (c) depositar por inyección de tinta un aglutinante sobre la capa en un patrón que corresponde a una lámina del artículo; (d) repetir las fases (b) y (c) para capas adicionales de polvo de carbono y patrones adicionales, cada una de las cuales corresponde a una lámina adicional del artículo, hasta que se complete una versión en polvo del artículo; (e) curar la versión en polvo del artículo a una temperatura a la que se cura al menos una parte del aglutinante para proporcionar un artículo impreso curado; e (f) infiltrar el artículo impreso curado con brea para proporcionar un artículo impreso infiltrado.

Description

DESCRIPCIÓN

Proceso para fabricar artículos de carbono densificados mediante impresión tridimensional

Antecedentes

Campo de la Invención: La presente invención se refiere a un proceso para fabricar artículos de carbono densificados 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.

El documento WO 2009/017648 A1 describe suspensiones de nanopartículas para su utilización en el proceso de impresión tridimensional. El documento US 2010/018815 A1 describe un método de fabricación de un disco de freno compuesto de carbono-carbono.

El documento US 2010/018815 A1 describe un método para fabricar un artículo de carbono densificado en el que se infiltra una preforma de fibra de carbono con brea.

JOOHO MOON ET AL: "Fabrication of functionally graded reaction infiltrated SiC-Si composite by threedimensional printing (3DP(TM)) process”, MATERIALS SCIENCE AND EGINEERING: A (Fabricación de un compuesto de SiC-Si infiltrado de reacción funcionalmente graduado mediante un proceso de impresión tridimensional (3DP (TM))", CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES: A), vol. 298, no. 1-2, 1 de enero de 2001 (2001-01-01), páginas 110-119, AMSTERDAM, NL, describe un método para fabricar una estructura de SiC / Si utilizando impresión 3D-Granulados de carbono amorfo con un tamaño de 45-106 micrómetros por capas impreso. Las capas impresas se inyectan con una solución aglutinante de furano. El artículo impreso se cura a 80 °C y se carboniza a 520 ° C. Finalmente, el cuerpo se infiltra con Si líquido a 1450 °C.

Resumen de la Invención

La presente invención proporciona métodos para fabricar un artículo de carbono densificado de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 9. Otras formas de realización de los métodos se describen en las respectivas reivindicaciones dependientes.

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 se describan en el presente documento 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 el presente documento, 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 el presente 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 de 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 particulado 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 es necesario 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, el primer paso 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 un segundo paso 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 conjuntamente las partículas de polvo de la versión en polvo o para efectuar cambios en el aglutinante.

Impresión de Polvo de Carbono

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 utilizará 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 que se van a construir se imparte sobre esta capa mediante aglutinante de impresión por inyección de tinta sobre esta capa o se pueden depositar 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".

El aglutinante requiere curado para proporcionar al artículo impreso la resistencia suficiente para su manipulación. Se lleva a cabo un proceso de curado en el artículo impreso. Posteriormente, el artículo impreso se retira del lecho de polvo y se limpia de todo el polvo adherido o capturado no deseado. El artículo impreso se somete a un tratamiento térmico adicional para curar el aglutinante y posiblemente se trata con calor para carbonizar o grafitizar el artículo impreso.

Curado del Artículo Impreso

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 puede realizarse 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 o deformación significativos del artículo. Tras el curado del aglutinante, el proceso produce un artículo impreso curado. El artículo impreso curado contiene normalmente menos de aproximadamente un 5% de aglutinante en peso y preferiblemente menos de aproximadamente un 3% de aglutinante en peso. En algunas formas de realización, el artículo impreso curado puede tener un contenido de aglutinante que varía de aproximadamente un 1% a aproximadamente un 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. Esto es un avance sobre muchas otras técnicas de formación de carbono que utilizan contenidos de aglutinante 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 variar de 0,5 g / cc a 1,2 g / cc, en algunas formas de realización, de aproximadamente 0,75 g / cc a 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 esencialmente excluye la presencia de aire u oxígeno. La atmósfera puede ser cualquier atmósfera que sea adecuada para el tratamiento térmico del carbono, por ejemplo argón, nitrógeno, etc. En algunas formas de realización, la atmósfera puede ser una atmósfera no reactiva sustancialmente inerte. 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 materiales / sustancias orgánicos en carbono o residuo que contiene carbono mediante pirólisis o destilación destructiva. Una fase de carbonización puede incluir calentar el artículo impreso curado a una temperatura de al menos 500 °C, preferentemente al menos aproximadamente 700 °C. En algunas formas de realización, dependiendo de la composición del material de polvo de carbono utilizado para producir el artículo impreso, las temperaturas de carbonización pueden oscilar entre 500 °C y 900 °C. Es preferible que la fase de carbonización se lleve a cabo en una atmósfera inerte o en una atmósfera con cantidades insustanciales de aire u oxígeno. El tiempo requerido para la carbonización es variable dependiendo de la composición del material de carbono 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 suele ser suficiente para producir un artículo impreso carbonizado. En determinadas formas de realización, la densidad del artículo impreso carbonizado puede oscilar entre aproximadamente 0,5 g / cc y aproximadamente 1,2 g / cc, en algunas formas de realización entre aproximadamente 0,75 g / cc y aproximadamente 0,9 g / cc.

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. Esto resulta una mejora significativa con respecto a la manera principal de formar artículos conformados carbonizados, que es 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 utilizando un aglutinante carbonizable, seguido de la carbonización del artículo impreso, se produce un artículo impreso carbonizado de forma casi neta sin prácticamente pérdida de material de carbono y puede fabricarse en configuraciones geométricas prácticamente ilimitadas.

Grafitización de Artículos Impresos

Además, el artículo de carbono impreso se puede curar tal como se ha descrito anteriormente y calentar a temperaturas de grafitización de al menos 2500 °C, preferentemente de al menos aproximadamente 3000 °C. El tiempo requerido para la grafitización es variable dependiendo del material de carbono en polvo y del 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 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 al menos en parte en una forma que se pueda grafitizar. De manera similar, se puede utilizar un grafito o polvo de carbono grafítico para formar un artículo impreso, seguido de una grafitización posterior 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 la formación de artículos grafíticos que dependen del 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 del artículo impreso grafitizado puede oscilar entre aproximadamente 0,9 g / cc y aproximadamente 1,1 g / cc.

Sinterización de Polvo de Carbono

Dependiendo del polvo de carbono utilizado para formar el artículo impreso, la composición de las partículas de carbono del polvo de carbono determinará habitualmente si las partículas de carbono se ablandarán al calentarlas a temperaturas elevadas. A menudo, las partículas de carbono contienen normalmente una cierta cantidad de materia orgánica volátil. A medida que las partículas se calientan, las partículas de carbono comienzan a ablandarse a medida que se libera materia orgánica volátil. En 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. El ablandamiento de las partículas de carbono permite que las partículas de carbono adyacentes se sintericen juntas. Los polvos de carbono que son grafíticos o que han sido grafitizados habitualmente ya han sido tratados térmicamente a temperaturas de grafitización y ya han perdido o reducido sustancialmente cualquier materia orgánica volátil restante en las partículas de carbono. Por consiguiente, no se espera que las partículas de carbono grafitizado de un artículo impreso impreso a partir de polvo de carbono grafitizado se ablanden o sintericen juntas en un grado apreciable entre las partículas de carbono grafitizadas adyacentes. 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. Por el contrario, los polvos de carbono que tienen una cantidad apreciable de materia orgánica volátil se ablandarán al calentarlos a las temperaturas de carbonización o grafitización y se sinterizarán juntos hasta cierto punto cuando se calienten.

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, carbón, coque de petróleo o brea de petróleo, ya que estos 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, el tamaño de partícula promedio del polvo varía de 20 micrómetros a 150 micrómetros; y en algunas formas de realización, preferiblemente varía de 20 micrómetros a 75 micrómetros. En algunas formas de realización, la distribución del tamaño de partículas muestra preferentemente una distribución en la que más de aproximadamente el 80% de las partículas muestran un tamaño dentro del 20% del tamaño medio de partículas. 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 muestran 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 grosor de capa que se va a utilizar en el proceso de impresión tridimensional, y más preferentemente no mayor que la mitad del grosor 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. Las partículas que tienen bordes extremadamente afilados y muestran un alargamiento extremo a lo largo de un eje del revestimiento normalmente no son deseables.

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. Normalmente, las propiedades físicas de la composición aglutinante se pueden ajustar con disolventes y tensioactivos apropiados para satisfacer los requisitos físicos del cabezal o mecanismo 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 usando mecanismos convencionales de depósito y dispersión. En algunas formas de realización, se puede utilizar un dispensador de polvo que tiene un elemento de pie biselado junto con un rodillo contrarrotante para suavizar 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 el área sobre la que se va a extender la capa de polvo.

En función de variables como por ejemplo el tamaño, la forma y la densidad de las partículas en el polvo de carbono, el tipo y la cantidad de aglutinante utilizado 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 algunas formas de realización desde aproximadamente 0,75 g / cc hasta aproximadamente 0,9 g / cc. En formas de realización adicionales, 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 otras formas de realización adicionales mayor de aproximadamente 1,0 g / cc.

Infiltración de Brea

Con el fin de aumentar aún más la densidad de los artículos de carbono impresos, los artículos de carbono impresos se someten a una fase de infiltración de brea. El artículo de carbono impreso debe tener la resistencia suficiente para permitir el proceso de infiltración de brea. La infiltración de brea se puede realizar en artículos impresos curados, artículos impresos carbonizados o artículos impresos grafitizados. Es importante destacar que el artículo impreso, en cualquier estado, debe tener la resistencia suficiente para preservar sustancialmente la forma impresa durante el proceso de infiltración de brea.

En una forma de realización, la brea para infiltrar en el artículo de carbono impreso se calienta hasta un punto en el que la brea se ablanda lo suficiente para permitir que el material de brea se introduzca y se infiltre en los huecos abiertos o en la porosidad del artículo impreso. La temperatura de ablandamiento de la brea puede variar dependiendo del material particular de la brea que se utilice y los expertos en la técnica la determinan con facilidad. Normalmente, una gran cantidad de breas comenzarán a ablandarse a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 90 °C y aproximadamente 130 °C. Preferentemente, el artículo impreso se precalienta antes de la infiltración de brea, más preferentemente el artículo impreso se precalienta a una temperatura próxima a la temperatura de ablandamiento de la brea y aún más preferentemente el artículo impreso se precalienta por encima de la temperatura de ablandamiento de la brea. La infiltración de brea se puede realizar impregnando el artículo de carbono impreso utilizando técnicas de impregnación al vacío, técnicas de infiltración a presión o por acción capilar en la porosidad abierta del artículo de carbono impreso. Es importante destacar que la resistencia del artículo impreso debe ser suficiente para resistir la fuerza aplicada al artículo impreso durante la infiltración de brea. Los materiales de brea adecuados incluyen brea de petróleo y brea de alquitrán de hulla. En ciertas formas de realización, el material de brea se ablanda a una temperatura que varía de aproximadamente 90 °C a aproximadamente 130 °C.

El artículo impreso infiltrado con brea se puede calentar adicionalmente y tratar a temperaturas de carbonización y / o grafitización tal como se ha descrito anteriormente. Opcionalmente, la fase de impregnación de brea y las fases de tratamiento térmico pueden repetirse varias veces si se desea. En ciertas formas de realización, después de la carbonización, el rendimiento de carbono de la fase de infiltración de brea puede variar de aproximadamente el 40% a aproximadamente el 70%, en algunas formas de realización de aproximadamente el 43% a aproximadamente el 68%. En algunas formas de realización, la fase de impregnación de brea y las fases de tratamiento térmico se pueden realizar de 1 a aproximadamente 20 veces.

Utilizando los métodos descritos anteriormente, se pueden producir y adaptar múltiples variaciones de artículos compuestos de carbono de forma casi neta para aplicaciones específicas. Mediante la selección del polvo de carbono de partida y el aglutinante, se pueden producir diversos grados de artículos de carbono grafítico. Por ejemplo, la utilización de coque de petróleo calcinado para el polvo de carbono, un aglutinante orgánico como por ejemplo un aglutinante fenólico y la infiltración de brea con brea de alquitrán de hulla produce un artículo impreso de forma casi neta, altamente grafítico cuando se trata térmicamente a temperaturas de grafitización.

Esto constituye una mejora significativa con respecto a los métodos habituales para fabricar artículos altamente grafíticos que producen un material de desecho significativo y están limitados en las geometrías que se pueden producir.

Además, al comenzar con partículas de coque grafitizadas para formar el artículo de carbono impreso, el proceso de curado, infiltración de brea y grafitización final da como resultado una contracción mínima o incluso nula. La minimización de la contracción se debe al hecho de que las partículas de coque grafitizado que forman el artículo impreso ya han sido tratadas térmicamente a una temperatura igual o superior a la temperatura de re-grafitización utilizada después del proceso de infiltración. En algunas formas de realización, esta contracción es menor de aproximadamente un 3%, preferentemente menor de aproximadamente un 1% y más preferentemente menor de aproximadamente un 0,5%. Esto permite la producción de artículos de grafito densificado de forma casi neta que tienen muy poca distorsión o cambio en la geometría en comparación con la geometría del artículo de carbono impreso original, minimizando o eliminando de esta manera la necesidad de cualquier proceso de mecanizado.

En otras formas de realización, los artículos impresos pueden diseñarse especialmente para proporcionar regiones grafíticas y regiones no grafíticas. Por ejemplo, un polvo de carbono que no se grafitizará significativamente puede utilizarse con un aglutinante orgánico para formar un artículo impreso. A continuación, el artículo impreso no grafitizado se infiltra con una brea grafitizable, como por ejemplo una brea de alquitrán de hulla. Al calentar a temperaturas de grafitización, el polvo de carbono utilizado para producir el artículo impreso no se grafitiza significativamente mientras que la brea impregnada forma regiones que son altamente grafíticas. De esta forma, se pueden diseñar vías altamente conductoras o aislantes en la impresión del artículo impreso.

La densidad de los artículos impresos infiltrados con brea puede variar dependiendo de una serie de variables. El tamaño y la densidad del material de carbono, así como la geometría y el diseño del artículo impreso. En algunas formas de realización, la densidad del artículo impreso infiltrado con brea puede estar por encima de 1,5 g / cc, en otras formas de realización por encima de aproximadamente 1,7 g / cc, en otras formas de realización adicionales, por encima de aproximadamente 2,0 g / cc. En algunas formas de realización, la densidad puede variar de 1,5 g / cc a 2,2 g / cc, en otras formas de realización puede variar de aproximadamente 1,7 g / cc a 2,2 g / cc, en otras formas de realización adicionales, de aproximadamente 1,9 a aproximadamente 2,0 g / cc.

Claims

REIVINDICACIONES

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

(a) proporcionar un polvo de carbono, 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 o brea de petróleo, y en que el polvo de carbono tiene un tamaño de partícula promedio que va desde 20 micrómetros hasta 150 micrómetros;

(b) depositar una capa del polvo de carbono;

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

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

(e) curar la versión en polvo del artículo a una temperatura a la que se cura al menos una parte del aglutinante para proporcionar un artículo impreso curado; e

(f) infiltrar el artículo impreso curado con brea para proporcionar un artículo impreso infiltrado.

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

3. El método de la reivindicación 1, en que la densidad del artículo impreso curado varía de 0,5 g / cc a 1,2 g / cc.

4. El método de la reivindicación 1, en que la brea es una brea de petróleo.

5. El método de la reivindicación 1, en que la brea es una brea de alquitrán de hulla.

6. El método de la reivindicación 1, que comprende además la fase de calentar el artículo impreso infiltrado a una temperatura suficiente para grafitizar al menos una parte de la brea.

7. El método de la reivindicación 6, en que la fase de calentar el artículo impreso infiltrado comprende calentar al menos a 2500 °C.

8. El método de la reivindicación 1, en que la densidad del artículo impreso infiltrado varía de 1,5 g / cc a 2,2 g / cc.

9. Un método para fabricar un artículo de carbono densificado que comprende las fases de:

(b) depositar una capa del polvo;

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

(e) curar la versión en polvo del artículo a una temperatura a la que se cura al menos una parte del aglutinante para proporcionar un artículo impreso curado;

(f) carbonizar el artículo impreso curado o grafitizar el artículo impreso curado, en que la grafitización se realiza a una temperatura de al menos 2500 °C; e

(g) infiltrar el artículo impreso carbonizado o el artículo impreso grafitizado con brea para proporcionar un artículo impreso infiltrado.

10. El método de la reivindicación 9, en que la carbonización se realiza a una temperatura que varía de 500 °C a 900 °C.

11. El método de la reivindicación 9, en que, cuando se carboniza, el aglutinante es un aglutinante orgánico que es carbonizable y el polvo de carbono es carbonizable o ya carbonizado, en que la carbonización da como resultado un artículo impreso carbonizado de forma casi neta.

12. El método de la reivindicación 9, en que, cuando se grafitiza, el polvo de carbono es un polvo no grafitico, en que el polvo no grafítico está al menos en parte en una forma que se puede grafitizar, en que la grafitización produce directamente un artículo impreso grafítico de forma casi neta.