KR20150091050A - 연마성 압출가능 재료를 압출하기 위한 2-재료 다이 및 방법 - Google Patents

연마성 압출가능 재료를 압출하기 위한 2-재료 다이 및 방법 Download PDF

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KR20150091050A
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네스토르 에이 바스쿠에즈
제프리 디 자위스자
더글라스 디 머릭
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다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

a) 압출가능 재료로부터 벌집형 구조체를 형성하기 위해 압출가능 재료를 다수의 슬롯 (12)에 및 다수의 핀 (11) 주위에 유동시키도록 적합화된 다수의 유동 경로를 갖는 다이 코어 (10)이며, 여기서 상기 벌집형 구조체는 외부 표면 주위에 압출 방향으로 표피를 갖고, 상기 슬롯 (12)은 벌집형 구조체의 벽체를 형성하기 위한 벽체 슬롯 (12), 및 벌집형 구조체 주위에 표피를 형성하기 위해 다이 코어 (10)의 외부 주변부 주위에 배치된 표피 슬롯 (16)을 포함하고, 상기 다이는 압출물 유입 표면 (24) 및 압출물 유출 표면 (13)을 갖는 것인, 다이 코어 (10); b) 압출가능 재료가 다이 코어 (10)를 통해 통과하여 다이 코어 (10)에서 유출되는 것을 가능하게 하도록 적합화된 개구부 (21), 다이 코어 (10)를 제위치에 마운팅하여 보유지지하도록 적합화된 외측 부분, 및 다이 코어 (10)를 안착시키고, 다이 코어 (10)의 압출물 유출 표면 (13)의 외부 주변부 주위에 배치된 개구부 (21)의 주변부 주위의 플랜지 (22)를 갖는, 다이 코어 (10)를 압출 시스템에 보유지지하도록 적합화된 마운팅 플레이트 (20)를 포함하며; 여기서 마운팅 플레이트 (20)의 내부 표면 (23)은 압출가능 재료가 표피 슬롯 (16)으로부터 유동하여 벌집형 구조체의 외부 표면 주위에 표피를 형성하는 것을 가능하게 하도록 적합화된 표피 슬롯 (16)을 부분적으로 형성하도록 배치되고; 다이 코어 (10) 및 마운팅 플레이트 (20)는 상이한 마모 특성을 갖는 상이한 재료로 구성된 것인, 물품에 관한 것이다.

Description

연마성 압출가능 재료를 압출하기 위한 2-재료 다이 및 방법 {BI-MATERIAL DIE AND METHOD FOR EXTRUDING ABRASIVE EXTRUDABLE MATERIALS}
본 발명은 일반적으로 연마성 압출가능 재료의 압출을 위한 2-재료 다이, 및 연마성 재료로부터 벌집형 구조체와 같은 구조체를 압출하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 2-재료 다이를 포함하는 벌집형 구조체 압출 시스템에 관한 것이다.
세라믹 기재의 벌집형 필터가 유체 스트림으로부터 미립자 물질을, 예를 들어 맥주와 같은 액체로부터 고체를, 또한 배기가스 스트림으로부터 기체상 스트림을 여과하는데에 활용되고 있다. 세라믹 기재의 벌집은 전구체 재료의 압출가능 혼합물을 형성시키고; 상기 혼합물을 다이를 통해 압출하여, 습윤 세라믹 벌집형 전구체를 형성시키고; 상기 세라믹 벌집형 전구체를 건조시키고; 승온에서 혼합물로부터 연소 제거함으로써 임의의 유기 바인더, 기공형성제 및 가공 조제를 제거하고; 이어서 나머지 재료를 처리하여 세라믹 구조체를 형성시킴으로써 제조된다. 상기 압출가능 혼합물은 관련 세라믹 부분을 형성하는데 필요한 재료의 입자, 예를 들어 알루미나, 실리카 입자 등을 함유한다. 압출가능 혼합물 중의 이러한 입자들의 존재는 혼합물을 연마성이 되게 하며, 해당 혼합물의 압출시에 다이를 포함한 압출 시스템의 상당한 마모를 겪는다.
세라믹 기재의 벌집형 필터는 압출 방향에 대해 평행한 외부 표면 상의 표피(skin)를 갖도록 제조된다. 벌집형 필터의 정상적인 사용 및 취급 동안의 손상으로부터 벌집형 필터를 보호하기 위해, 상기 표피는 통상적으로 벌집형 구조체의 벽체보다 더 두껍다. 벽체보다 더 두꺼운 표피를 형성시키기 위해서는, 압출가능 재료의 더 농후한 스트림을 처리할 필요가 있다. 일부 경우에, 이러한 압출가능 재료의 더 농후한 스트림은 벌집형 혼합물의 벽체를 형성하는 재료보다 더 빠르게 유동할 수 있다. 표피 형성 구획과 벽체 형성 구획 사이의 압출가능 재료의 유동을 조율하기 위해서는, 표피용 압출가능 재료를 제공하는데 사용되는 공급 구멍 부분을 덮는 다이 뒤의 플레이트를 사용하여 표피를 형성하는데 사용되는 압출가능 재료 부분의 유동을 느리게 하는 것이 일반적인 관행이며, 예를 들어 본원에 참조로 포함되는 US 2009/0028982 및 US 2010/0301514를 참조한다. 상기에 논의된 바와 같이, 압출가능 재료는 연마성이며, 다이 재료를 마모시킨다. 다이가 더 긴 수명을 가져 더 많은 재료를 처리할 수 있도록, 다이 성분으로는 경화강(hardened steel)을 사용하는 것이 일반적이다. 경화강과 같은 특정 재료의 표면 상의 마모는 표면이 더 거칠어지도록 할 수 있으며, 결과적으로 압출가능 재료의 유동에 대해 더 저항성이 되도록 할 수 있다. 일부 상황에서, 유동에 대한 저항성은 압출가능 재료의 상이한 부분이 상이한 속도로 유동하도록 할 수 있다. 이는 압출되는 물품이 결함을 갖는 것으로 이어질 수 있으며, 이는 물품이 그의 기능을 수행하지 못하는 것으로 이어진다. 유동의 차이는 표피의 결함을 야기할 수 있으며, 극단적인 경우에는 세라믹 벌집형 전구체의 압출된 벽체 부분으로부터 표피가 박리 제거되도록 할 수 있다. 상기 기재된 US 출원들을 참조하면, 일부 공정은 이와 같은 문제에 대처하기 위한 복잡한 표피 재료 유동 경로를 활용하며, 본원에 참조로 포함되는 US 7,132,124를 참조하면, 일부 다른 공정은 다이 전체에 코팅을 갖는 다이를 활용한다. 이들 해결책은 다이의 벽체 형성 및 표피 형성 구획에서의 유동 차이로 인한 마모의 차이에 직접적으로 대처하는 것에 실패하고 있다.
따라서, 요구되는 것은 마모 과정의 결과로서의 불균일한 조도로 인한 유동 차이에 직접적으로 대처하는, 벌집형 필터 전구체를 압출하기 위한 다이 시스템, 압출 시스템 및 방법이다. 요구되는 것은 다이의 장기간 사용 및 세라믹 벌집형 필터 전구체의 높은 수율을 가능하게 하는 시스템 및 방법이다.
본 발명은 a) 압출가능 재료로부터 벌집형 구조체를 형성하기 위해 압출가능 재료를 다수의 슬롯에 및 다수의 핀 주위에 유동시키도록 적합화된 다수의 유동 경로를 갖는 다이 코어이며, 여기서 상기 벌집형 구조체는 외부 표면 주위에 압출 방향으로 표피를 갖고, 상기 슬롯은 벌집형 구조체의 벽체를 형성하기 위한 벽체 슬롯, 및 벌집형 구조체 주위에 표피를 형성하기 위해 다이 코어의 외부 주변부 주위에 배치된 표피 슬롯을 포함하고, 상기 다이는 압출물 유입 표면 및 압출물 유출 표면을 갖는 것인, 다이 코어; b) 압출가능 재료가 다이 코어를 통과하여 다이 코어에서 유출되는 것을 가능하게 하도록 적합화된 개구부, 다이 코어를 제위치에 마운팅하여 보유지지하도록 적합화된 외측 부분, 및 다이 코어를 안착시키고, 다이 코어의 압출물 유출 표면의 외부 주변부 주위에 배치된 개구부의 주변부 주위의 플랜지(flange)를 갖는 마운팅 플레이트를 포함하며; 여기서 마운팅 플레이트의 내부 표면은 압출가능 재료가 표피 슬롯으로부터 유동하여 벌집형 구조체의 외부 표면 주위에 표피를 형성하는 것을 가능하게 하도록 적합화된 표피 슬롯을 부분적으로 형성하도록 배치되고; 다이 코어 및 마운팅 플레이트는 상이한 마모 특성을 갖는 상이한 재료로 구성된 것인, 물품에 관한 것이다. 바람직하게는, 압출가능 재료와 접촉하는 마운팅 플레이트의 표면은 다이 코어 재료의 표면 조도보다 약 10 퍼센트 이상 더 작은 표면 조도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 다이 코어는 마운팅 플레이트에 사용되는 재료와 상이한 재료를 포함한다. 일부 실시양태에서, 다이 코어는 경화 공구강을 포함하고, 마운팅 플레이트는 스테인리스강, 탄화텅스텐 또는 탄화티타늄을 포함한다. 일부 실시양태에서, 마운팅 플레이트는 외부 표면 상에 배치된 코팅을 갖는다. 일부 실시양태에서, 마운팅 플레이트의 외부 표면 상에 배치된 코팅은 금속, 금속 합금, 중합체 및 세라믹 중 1종 이상을 포함한다. 일부 바람직한 실시양태에서, 마운팅 플레이트의 외부 표면 상에 배치된 코팅은 약 0.0002 인치 (0.005 mm) 내지 약 0.005 인치 (0.013 mm)의 두께를 나타낸다. 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 물품은 10,000 미터의 벌집형 구조체를 압출할 수 있다.
일부 실시양태에서, 본 발명은 본 발명의 압출 장치 및 다이 조립체를 포함하며, 압출가능 재료를 상기 다이 코어를 통해 압출할 수 있는 시스템이다. 바람직하게는, 본 발명의 시스템은 압출되는 벌집형 괴상체를 원하는 길이로 절단하는 절단 장치를 추가로 포함한다.
일부 실시양태에서, 본 발명은 본 발명의 압출 시스템을 제공하고, 다이 코어를 통해 연마성인 압출가능 재료를 압출하여 벌집형 구조체를 형성하는 것을 포함하는 방법이다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 압출되는 벌집형 구조체를 원하는 길이로 절단하는 것을 추가로 포함한다.
본 발명의 물품, 시스템 및 방법은 연장된 수명을 갖는 다이를 사용하여 높은 수율로 세라믹 벌집형 필터 전구체를 제조하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 물품, 시스템 및 방법은 복잡한 유동 경로 또는 전체 다이 시스템 상의 값비싼 코팅을 필요로 하지 않는다.
도 1은 압출물 유출 표면에서 본 다이 코어이다.
도 2는 압출 공급 측에서 본 마운팅 플레이트이다.
도 3은 본 발명의 다이 조립체의 중심을 통과하는 단면도이다.
도 4는 표피 슬롯 및 표피 형성 표면을 나타내는 도 3의 단면도의 일부이다.
도 5는 본 발명의 다이 조립체의 제2 실시양태의 중심을 통과하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 표피 슬롯 및 표피 형성 표면을 나타내는 도 5의 단면도의 일부이다.
도 7은 상이한 재료의 2종의 다이 코어의 압출 공급 표면을 나타낸다.
도 8은 경화 공구강의 표피 유동 표면을 갖는 마운팅 플레이트가 구비된 압출 다이에서 유출되는 압출된 벌집형 세라믹 필터 전구체를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다이를 사용하여 제조된 압출된 분절체를 나타낸다.
도 10은 압출된 분절체가 절단되는 것을 나타낸다.
본원에 제공되는 설명 및 예시는 다른 통상의 기술자에게 본 발명, 그의 원리 및 그의 실제 적용을 알리고자 하는 것이다. 제시되는 바와 같은 본 발명의 구체적인 실시양태는 포괄적이거나 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 발명의 범주는 해당 청구범위에 허용되는 전체 등가물의 범주와 함께, 첨부된 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다. 특허 출원 및 공개를 포함한 모든 논문 및 참고문헌의 개시내용은 모든 목적에 있어서 참조로 포함된다. 하기 청구범위에서 교시되는 바와 같은 다른 조합이 또한 가능하며, 본 기재의 상세한 설명에 참조로 포함된다. 본 출원은 그 전문이 본원에 참조로 포함되는 2012년 11월 27일에 출원된 가출원 일련 번호 61/730090의 우선권을 주장한다.
본 발명은 세라믹 전구체 재료인 압출가능 재료를, 벌집형 구조체의 외부 표면 주위에 보호 표피를 갖는 벌집형 구조체로 압출하기에 유용한 다이에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명의 다이를 포함하며, 세라믹 벌집형 필터 전구체를 압출 및 형성하기에 유용한 압출 시스템에 관한 것이다. 본원에 사용될 때, 전구체는 세라믹 벌집형 필터로 추가로 처리될 수 있는 재료를 지칭한다. 본 발명은 또한 본 발명의 다이를 사용하여 세라믹 벌집형 필터 전구체를 형성하는 방법에 관한 것이다. 본원에 사용될 때의 1종 이상은 1종 이상의, 또는 1종을 초과하는 언급 성분이 개시되는 바와 같이 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 압출가능 재료는 재료를 다이를 통해 통과시킴으로써 성형될 수 있으며, 다이를 통과한 후 형성된 형상을 유지할 수 있는 재료를 의미한다. 연마성 압출가능 재료는 실리카, 알루미나, 규소 카바이드 입자 등과 같은 연마성 요소를 함유하는 압출가능할 수 있는 재료이다.
본 발명의 다이는 다이 코어 및 마운팅 플레이트를 포함한다. 상기 다이 코어는 압출가능 재료, 바람직하게는 연마성 압출가능 재료로부터 성형된 물품을 형성하는 기능을 한다. 다이 코어는 압출가능 재료의 다이로의 도입을 위한 것인 압출가능 재료 도입 표면, 및 압출되는 재료가 유출되는 것인 압출물 유출 표면의 2개의 대향하는 표면을 갖는다. 다이의 압출가능 재료 도입 표면에는, 압출가능 재료의 다이로의 도입에 적합화된 다수의 구멍이 존재한다. 각 구멍은 압출된 구조체를 형성하는 핀에 의해 형성된 슬롯으로 압출가능 재료를 이동시키기 위한 유동 통로와 소통한다. 이에 따라, 다수의 유동 경로가 존재한다. 다이는 또한 다이에 부착된 다수의 핀을 포함하며, 여기서 상기 핀은 압출가능 재료가 그를 통해 유동하여 원하는 구조체, 바람직하게는 벌집형 구조체를 형성하는 다수의 슬롯을 형성한다. 바람직하게는, 상기 슬롯은 서로 평행하게 배치되고, 바람직하게는 균일하게 이격된 다수의 슬롯의 제1 세트, 및 서로 평행하게 배치되고, 바람직하게는 균일하게 이격되고, 슬롯의 제1 세트에 대해 수직인 다수의 슬롯의 제2 세트가 존재하도록 배치된다. 슬롯의 2종의 세트의 조합은 벌집형 구조체를 형성하도록 작용한다. 상기 다수의 유동 경로가 슬롯과 소통하여, 압출가능 재료를 슬롯에 공급한다. 벌집형 구조체의 벽체를 형성하도록 적합화된 2종의 유형의 슬롯 벽체 형성 슬롯이 존재하며, 벽체 슬롯이다. 슬롯의 제2 세트는 벌집형 구조체의 외부 표피를 형성하도록 개조되는, 표피 슬롯이다. 상기 표피 슬롯은 다이 코어의 주변부 주위에 배치되는, 다이 코어의 외부 슬롯이다. 벽체 슬롯은 표피 슬롯의 내부에 배치되는 슬롯이다. 벌집형 구조체를 형성하는 것은 핀과, 핀에 의해 형성된 슬롯과의 조합이다. 벽체 슬롯과 표피 슬롯은 동일한 두께의 것 또는 상이한 두께의 것일 수 있다. 바람직하게는, 벽체보다 더 두꺼운 표피를 형성하도록 표피 슬롯은 벽체 슬롯보다 더 두껍다. 이는 취급 및 조립 부하로 인한 손상으로부터 세라믹 벌집형 필터를 보호하기에 충분한 두께를 갖는 표피를 제조하기 위한 것이다. 표피 및 벽체의 두께는 벌집형 필터의 설계에 따라 달라지게 된다. 일부 바람직한 실시양태에서, 표피의 두께는 내부 벽체의 공칭 두께의 약 1.1배 (x) 이상, 더욱 바람직하게는 내부 벽체의 공칭 두께의 1.25 x 이상이다. 바람직하게는, 표피의 두께는 내부 벽체의 공칭 두께의 약 2.0 x 이하, 더욱 바람직하게는 내부 벽체의 공칭 두께의 약 1.5 x 이하이다. 일부 바람직한 실시양태에서, 벽체의 두께는 내부 벽체의 공칭 두께의 약 1.3 x 이상, 더욱 바람직하게는 내부 벽체의 공칭 두께의 1.4 x 이상이다.
다이 코어는 마운팅 플레이트 상의 플랜지와 협력하여 다이 코어를 압출 시스템 내의 제위치에 보유지지하도록 적합화된 다이 코어의 주변부 주위의 플랜지를 추가로 포함할 수 있다. 상기 플랜지는 바람직하게는 마운팅 플레이트 플랜지와 협력하도록 오목하게 된 다이 코어의 압출 면에 대해 평행한 표면을 갖는다.
다이 코어는 연장된 기간 동안 기능적 형상을 유지하여 다이 코어의 빈번한 교체를 회피할 수 있는 재료로 구성된다. 복잡한 기하구조의 다이 코어는 제조비용이 값비싸며, 따라서 연장된 기간 동안 다이 코어를 활용하고, 다이 코어를 사용하여 상당한 양의 세라믹 벌집형 전구체 재료를 제조하는 것이 바람직하다. 이는 미터 또는 피트 단위의 형성된 세라믹 전구체의 선형 길이로 측정될 수 있다. 원하는 수명 동안 형상을 유지할 수 있는 임의의 재료가 사용될 수 있다. 대표적인 재료에는 경화 공구강, 탄화텅스텐, 스테인리스강 등이 포함된다. 더욱 바람직하게는, 재료는 경화 공구강, 탄화텅스텐 등이다.
다이 코어는 또한 다이 코어를 압출 시스템 내의 제위치에 보유지지하는 기능을 하는 마운팅 플레이트를 포함한다. 상기 마운팅 플레이트는 또한 외부 표피 유동 표면을 형성한다. 표피 유동 표면은 다이 코어의 외부 핀과 협력하여 표피의 외부 표면을 형성한다. 표피 유동 표면은 통상적으로 외부 핀의 표면에 의해 형성된 평면에 대해 평행하다. 마운팅 플레이트는 압출 장치에 다이를 고정하기 위한 마운팅 특징부를 포함한다. 상기 마운팅 특징부는 압출 동안 다이를 제위치에 보유지지하기에 충분한 강도를 제공해야 한다. 마운팅 플레이트는 또한 압출된 재료가 다이 코어의 유출 표면으로부터 유출되는 것을 가능하게 하도록 적합화된 중심 개구부를 포함한다. 개구부의 주변부 주위에는 다이 코어의 플랜지와 함께 작용하여 다이를 제위치에 보유지지하도록 적합화된 플랜지가 존재한다. 2개의 플랜지는 조립할 때 서로 맞물릴 수 있거나, 또는 플랜지들 사이에 중간 부품이 위치할 수 있다. 일부 실시양태에서, 표피 유동 표면은 마운팅 플레이트 개구부의 주변부 주위에, 압출 방향에 대해 평행하고 다이 코어 유출 표면에 대해 수직으로 배치된다. 마운팅 플레이트의 마운팅 특징부는 다이를 제위치에 보유지지하고 압출 동안 적용되는 압력을 견딜 수 있는 임의의 마운팅 특징부일 수 있다. 대표적인 마운팅 특징부에는 볼트 구멍, 나사식 볼트 구멍, 및 외부 잠금 링 시스템 등이 포함된다. 마운팅 플레이트는 언급된 기능을 수행하는 것을 가능하게 하는 임의의 재료로 구성될 수 있다. 이는 단일 재료일 수 있거나, 2종의 재료를 포함할 수 있거나, 또는 상이한 재료의 2종의 부품을 포함할 수 있다. 표피 유동 표면은 표피를 형성하는데 사용되는 압출가능 재료가 유동에 대한 최소량의 저항성으로 유동하는 것을 가능하게 하는 재료로 구성된다. 마운팅 플레이트는 하기 재료들 중 1종 이상을 포함할 수 있다: 스테인리스강, 탄화텅스텐 및 탄화티타늄 등. 한 실시양태에서, 마운팅 플레이트는 단일 재료를 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 마운팅 플레이트는 적어도 2종의 부품을 가지며, 그 중 1종은 압출가능 재료와 접촉하는 교체할 수 있는 유동 표면을 형성한다. 가장 바람직하게는, 마운팅 플레이트는 스테인리스강, 탄화텅스텐, 탄화티타늄, 가장 바람직하게는 스테인리스강을 포함한다. 유동 표면은 사용시 유동에 대해 저항성이 되지 않는 재료로부터 제조된 코팅 또는 삽입물일 수 있다.
한 실시양태에서는, 마운팅 플레이트는 플랜지의 내부 표면과 외부 슬롯 사이에 배치되며, 표피 유동 표면을 제공하는 삽입물을 포함할 수 있다. 마운팅 플레이트 또는 삽입물의 표피 유동 표면은 유동 채널로부터의 압출가능 재료를 표피 슬롯으로 집중시키도록 적합화된 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조에는 챔퍼(chamfer), 단일 또는 다중 반경부 등이 포함될 수 있다. 마운팅 플레이트의 삽입물 상에 유동 표면이 형성되는 경우, 삽입물은 바람직하게는 스테인리스강, 탄화텅스텐, 탄화티타늄 또는 세라믹 재료로부터 형성되며, 탄화텅스텐, 탄화티타늄이 더욱 바람직하다.
다이는 추가로 압출가능 재료의 유동을 표피 형성 슬롯으로 집중시키도록 적합화된 구조를 도입하기 위한 내부 브레이커 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 내부 브레이커 플레이트는 마운팅 플레이트와 다이 코어의 플랜지들 사이에 배치될 수 있다. 다이는 특히 표피 슬롯으로의 압출가능 재료의 유동을 제어하도록 적합화된 압출물 유입 표면 상의 브레이커 플레이트를 포함할 수 있다. 삽입물 또는 내부 브레이커 플레이트의 첨가를 수용하도록 다이를 조정하기 위해, 스페이서 플레이트가 첨가될 수도 있다.
세라믹 벌집형 전구체의 표면 주위에 허용가능한 표피를 형성하기 위해, 표피에 사용되며 표피 슬롯을 통해 처리되는 압출가능 재료의 양은 벽체 슬롯을 통해 처리되는 것보다 더 많다. 이러한 양의 차이는 표피 층의 형성에 문제를 야기할 수 있다. 표피 슬롯을 통한 압출가능 재료의 유동에 대한 저항성은 또한 허용가능한 표피 층의 형성에 문제를 발생시킬 수 있다. 표피 유동 표면에 사용되는 재료는 압출가능 재료의 유동에 대해 낮은 저항성을 제공할 필요가 있다. 이에 따라, 상대적으로 평활하거나 평활해질 수 있는, 즉 낮은 표면 조도를 갖는 재료가 표피 유동 표면을 형성하는 마운팅 플레이트 또는 마운팅 플레이트의 표면으로서 사용하기에 바람직하다. 압출 동안 표면 조도를 유지하거나 (증가시키지 않거나) 또는 표면 조도의 감소를 겪는 마운팅 플레이트 또는 표피 유동 표면을 위한 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 약 100 내지 500 미터 압출 후에는, 표피 형성 표면의 표면 조도는 비교적 일정해져야 한다. 이러한 시점 후, 정점 밀도(density of summit)로 규정시에 표면 조도는 약 0.0025 피크/㎛2 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.0022 피크/㎛2 이하, 가장 바람직하게는 약 0.0013 피크/㎛2 이하이어야 한다. 표피 유동 표면과 다이 코어 재료 표면 사이의 표면 조도 차이는 바람직하게는 약 10 퍼센트 이상, 더욱 바람직하게는 약 25 퍼센트 이상이다. 표피 유동 표면과 다이 코어 재료 표면 사이의 표면 조도 차이는 바람직하게는 약 95 퍼센트 이하, 더욱 바람직하게는 약 90 퍼센트 이하이다.
본 발명의 다이는 연마성 압출가능 재료를 압출하기에 유용한 압출 시스템에 사용될 수 있다. 이러한 시스템에 대해서는 관련 기술분야에 널리 공지되어 있으며, 압력 하에 재료를 다이를 통해 통과시키는, 재료를 압출하기 위한 압출기가 포함된다. 대표적인 압출 시스템에는 스크류 및 램(ram) 기반의 압출기가 포함된다.
본 발명의 다이는 압출가능 재료, 바람직하게는 연마성 압출가능 재료를 압출하여 세라믹 벌집형 필터 전구체를 제조하기 위한 방법에 사용된다. 바람직하게는, 세라믹 벌집형 전구체는 다수의 벽체 및 압출 방향으로의 통로를 포함하며, 편평한 외부 표면을 갖는 압출 방향에 대해 수직인 평면에서 다각형 형상을 나타낸다. 더욱 바람직하게는, 단면 형상은 직사각형 또는 정사각형, 가장 바람직하게는 정사각형이다. 바람직한 실시양태에서, 세라믹 벌집형 전구체는 조립되어 세라믹 벌집형 분절체의 어레이를 제조하는 분절체로서 사용되도록 설계된다. 일부 실시양태에서, 이들 어레이는 원형 또는 타원형과 같은 상이한 단면 형상을 형성하도록 성형된다.
방법에 있어서, 압출가능 재료는 관련 기술분야에 공지된 바와 같은 전구체 재료를 혼합함으로써 제조되며, 예를 들어 본원에 참조로 포함되는 EP 1 657 039 B1을 참조한다. 압출가능 재료는 압출기를 통해 통과된 다음, 압력 하에 다이를 통해 압출되어 연속 벌집형 생성물을 형성한다. 압출 후, 괴상체는 절단되어 원하는 길이의 세라믹 벌집형 필터 전구체를 형성한다. 활용되는 유량 및 압력은 크기 및 장비 의존성이며, 압출 기술분야의 기술자라면 방법에 적절한 파라미터를 결정할 수 있다. 절단 장치는 세라믹 벌집형 전구체의 벽체를 붕괴시키지 않는 임의의 절단 시스템일 수 있다. 형성된 세라믹 벌집형 전구체는 건조된 후, 유기 물질을 제거 (연소 제거)하기 위한 조건에 적용되고, 세라믹 구조체를 형성하기 위해 나머지 재료를 소결하기 위한 조건, 및 임의로 형성된 세라믹 구조체의 구조를 변경 또는 개선하기 위한 공정에 적용될 수 있으며, 예를 들어 본원에 참조로 포함되는 US 2010/0218 472 A1을 참조한다.
도 1은 압출물 유출 표면 (13)에서 본 다이 코어 (10)를 나타낸다. 나타낸 것은 압출물 유출 표면 (13)을 향하여 돌출된 다수의 핀 (11)이다. 핀 (11)은 다수의 벽체 형성 슬롯 (12) 및 표피 형성 슬롯 (16)을 형성한다. 또한 나타낸 것은 다이 코어 (10)의 주변부 주위의 플랜지 (14)이다. 도 2는 압출 공급 측 (24)에서 본, 도 1의 다이 코어와 함께 사용되도록 적합화된 마운팅 플레이트 (20)를 나타낸다. 나타낸 것은 미도시 다이 코어 (10)를 수용하기에 적합화된 마운팅 플레이트 (20) 내의 개구부 (21)이다. 마운팅 플레이트 (20)는 다이 코어 (10) (미도시)를 압출기 (미도시)에 보유지지하기 위한 플랜지 (22)를 갖는다. 개구부 (21)의 내부 표면은 표피 유동 표면 (23)을 형성한다. 압출 공급 표면 (24) 상에는, 압출기 (미도시)에 다이를 고정하기 위한 볼트를 수용하기에 적합화된 수많은 구멍 (25)이 존재한다.
도 3은 본 발명의 다이 조립체 (30)의 중심을 통과하는 단면도이다. 나타낸 것은 서로 맞물린 각 플랜지 (14) 및 (22)를 사용하여 마운팅 플레이트 (20)와 함께 조립된 다이 코어 (10)이다. 나타낸 것은 압출가능 재료를 핀 (11) 주변의 벽 유동형 슬롯 (12) 및 표피 유동형 슬롯 (16)으로 유동시키도록 적합화된 유동 경로 (구멍) (15)이다. 마운팅 플레이트 (20)의 표피 유동 표면 (23)이 나타나 있다. 도 4는 표피 슬롯 (16) 및 표피 형성 표면 (13)을 나타내는 도 3 단면도의 일부이다. 또한 나타내는 것은 압출가능 재료 유동 경로 (15), 다이 코어 (10) 및 마운팅 플레이트 (20)이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시양태의 표피 슬롯 및 표피 형성 표면을 나타내는 단면도이다. 첨부되는 것은 45도의 챔퍼 형태의 유동 증강재 (53)를 갖는 내부 브레이커 플레이트 (51)이다. 또한 나타내는 것은 외부 브레이커 플레이트 (52)이다. 이는 예시적인 것이다.
도 6은 표피 슬롯 (16) 및 표피 유동 표면 (23)을 나타내는 본 발명의 다이 조립체의 제2 실시양태 (30)의 중심을 통과하는 단면도이다.
도 7은 상이한 재료의 2종의 다이 코어의 압출 공급 표면을 나타낸다. 첫번째 코어 (71)는 다수의 공급 구멍을 나타낸다. 공급 구멍 (73) 주변의 재료는 광택성이며, 이는 다이 코어가 스테인리스강으로 제조되고, 압출 과정을 통해 스테인리스강 표면이 연마되어 표면 조도가 감소되기 때문이다. 다이 코어 (72)는 경화 공구강으로 구성되며, 연마성 압출가능 재료 압출의 결과로서의 증가된 표면 조도로 인하여 공급 구멍 (74) 주변의 재료가 무광택성 외관을 갖는다.
도 8은 경화 공구강의 표피 유동 표면을 갖는 마운팅 플레이트 (20)가 구비된 압출기 (84)의 압출 다이 (30)에서 유출되는 압출된 벌집형 세라믹 필터 전구체 (81)를 나타낸다. 표피 (82)는 수많은 부분 박리 (83)를 나타낸다. 마운팅 플레이트 (20)는 경화 공구강으로부터 제조된다. 또한 나타내는 것은 다이 (30)를 압출기 (84)에 보유지지하는 볼트 헤드 (26)이다. 도 9는 무광택성 표피 (92)를 갖는 컨베이어 (93) 상의 압출 절단된 세라믹 벌집형 전구체 (91)를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다이를 사용하여 제조된 압출 괴상체 (81)가 절단 장치 (101)에 의해 절단되어 압출 벌집형 전구체 (91)가 형성되는 것을 나타낸다.
상기 출원에 언급된 모든 숫자 값들은 임의의 하위 값과 임의의 상위 값 사이에 2 단위 이상의 간격이 존재한다는 전제 하에, 하위 값으로부터 상위 값까지 1 단위 증분의 모든 값들을 포함한다. 예로서, 성분의 양, 또는 예컨대 온도, 압력, 시간 등과 같은 공정 변수의 값이 예를 들어 1 내지 90, 바람직하게는 20 내지 80, 더욱 바람직하게는 30 내지 70인 것으로 언급되는 경우, 본 명세서에서 이는 15 내지 85, 22 내지 68, 43 내지 51, 30 내지 32 등과 같은 값들이 명시적으로 열거되는 것을 의미한다. 1 미만인 값의 경우, 1 단위는 경우에 따라 0.0001, 0.001, 0.01 또는 0.1인 것으로 간주된다. 이들은 구체적으로 의미하는 것의 단지 예로써, 본 출원에서는 유사한 방식으로, 열거된 최저치와 최고치 사이의 숫자 값들의 모든 가능한 조합이 명시적으로 언급된 것으로 간주되어야 한다. 다르게 언급되지 않는 한, 모든 범위는 양 말단점 및 말단점들 사이의 모든 숫자를 포함한다. 범위와 연계된 "약" 또는 "대략"의 사용은 범위의 양 말단에 적용된다. 따라서, "약 20 내지 30"은 적어도 열거된 말단점을 포함하여, "약 20 내지 약 30"을 포괄하고자 하는 것이다. 조합을 기술하는 "~로 본질적으로 구성되는"이라는 용어는 확인된 요소, 성분, 부품 또는 단계, 및 조합의 기본적이고 신규한 특징에 실질적으로 영향을 주지 않는 다른 요소, 성분, 부품 또는 단계를 포함할 수 있다. 본원에서 요소, 성분, 부품 또는 단계의 조합을 기술하는 "포함하는" 또는 "비롯한"이라는 용어의 사용은 그 요소, 성분, 부품 또는 단계로 본질적으로 구성되는 실시양태도 고려한다. 다수의 요소, 성분, 부품 또는 단계는 단일의 통합된 요소, 성분, 부품 또는 단계로 제공될 수 있다. 다르게는, 단일의 통합된 요소, 성분, 부품 또는 단계가 별개 다수의 요소, 성분, 부품 또는 단계로 분할될 수도 있다. 요소, 성분, 부품 또는 단계를 기술하는 단수형의 개시는 추가의 요소, 성분, 부품 또는 단계를 배제하고자 하는 것은 아니다.

Claims (16)

  1. a) 압출가능 재료로부터 벌집형 구조체를 형성하기 위해 압출가능 재료를 다수의 슬롯에 및 다수의 핀 주위에 유동시키도록 적합화된 다수의 유동 경로를 갖는 다이 코어이며, 여기서 상기 벌집형 구조체는 외부 표면 주위에 압출 방향으로 표피를 갖고, 상기 슬롯은 벌집형 구조체의 벽체를 형성하기 위한 벽체 슬롯, 및 벌집형 구조체 주위에 표피를 형성하기 위해 다이 코어의 주변부 주위에 배치된 표피 슬롯을 포함하고, 상기 다이는 압출물 유입 표면 및 압출물 유출 표면을 갖는 것인, 다이 코어;
    b) 압출가능 재료가 다이 코어를 통해 통과하여 다이 코어에서 유출되는 것을 가능하게 하도록 적합화된 개구부, 다이 코어를 제위치에 마운팅하여 보유지지하도록 적합화된 외측 부분, 및 다이 코어를 안착시키고, 압출가능 재료가 표피 슬롯으로부터 유동하여 벌집형 구조체의 외부 표면 주위에 표피를 형성하는 것을 가능하게 하도록 적합화된 표피 슬롯을 부분적으로 형성하도록 배치된 개구부의 주변부 주위의 플랜지를 갖는, 다이 코어를 압출 시스템에 보유지지하도록 적합화된 마운팅 플레이트
    를 포함하며; 여기서 다이 코어 및 표피를 형성하는 마운팅 플레이트의 표면은 상이한 마모 특성을 갖는 상이한 재료로 구성된 것인, 물품.
  2. 제1항에 있어서, 표피를 형성하는 마운팅 플레이트의 표면이 정점 밀도로 규정시에 다이 코어 재료의 표면 조도보다 약 10 퍼센트 더 작은 표면 조도를 나타내는 것인 물품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다이 코어가 경화 공구강, 탄화텅스텐, 탄화티타늄을 포함하고, 마운팅 플레이트가 스테인리스강, 탄화텅스텐, 탄화티타늄을 포함하는 것인 물품.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 다이 코어가 경화 공구강을 포함하며, 표피를 형성하는 마운팅 플레이트의 표면이 스테인리스강, 탄화텅스텐, 탄화티타늄 또는 세라믹 재료를 포함하는 것인 물품.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 마운팅 플레이트가 외부 표면 상에 배치된 코팅을 갖는 것인 물품.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 마운팅 플레이트가 외부 표피 표면을 형성하는 유동 표면 상에 배치된 코팅을 가지며, 여기서 상기 코팅은 금속, 금속 합금, 중합체 및 세라믹 재료 중 1종 이상을 포함하는 것인 물품.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 마운팅 플레이트가 압출가능 재료와 접촉하는 별도의 부품을 포함하는 것인 물품.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 마운팅 플레이트가 압출가능 재료와 접촉하는 별도의 부품을 포함하며, 여기서 상기 별도의 부품은 스테인리스강, 탄화텅스텐 또는 탄화티타늄을 포함하는 것인 물품.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 마운팅 플레이트가 외부 표면 상에 배치된 코팅을 가지며, 여기서 상기 코팅은 약 0.0002 인치 (0.005 mm) 내지 약 0.005 인치 (0.013 mm)의 두께를 나타내는 것인 물품.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 10,000 미터의 벌집형 구조체를 압출할 수 있는 물품.
  11. 압출 장치 및 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 물품을 포함하며, 압출가능 재료를 다이 코어를 통해 압출하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 압출되는 벌집형 괴상체를 원하는 길이로 절단하는 절단 장치를 추가로 포함하는 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 따른 압출 시스템을 제공하고, 연마성인 압출가능 재료를 다이 코어를 통해 압출하여 벌집형 구조체를 형성하는 것을 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 압출된 벌집형 구조체를 원하는 길이로 절단하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 마운팅 플레이트가 압출가능 재료와 접촉하는 별도의 부품을 포함하는 것인 방법.
  16. 제13항에 있어서, 압출가능 재료와 접촉하는 마운팅 플레이트의 별도의 부품이 스테인리스강, 탄화텅스텐 또는 탄화티타늄 중 1종 이상을 포함하는 것인 방법.
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