KR20180033250A - 세라믹 필터 및 그 필터를 형성하는 방법 - Google Patents

세라믹 필터 및 그 필터를 형성하는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180033250A
KR20180033250A KR1020187005165A KR20187005165A KR20180033250A KR 20180033250 A KR20180033250 A KR 20180033250A KR 1020187005165 A KR1020187005165 A KR 1020187005165A KR 20187005165 A KR20187005165 A KR 20187005165A KR 20180033250 A KR20180033250 A KR 20180033250A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cages
filter
dimensional
layer
adjacent
Prior art date
Application number
KR1020187005165A
Other languages
English (en)
Inventor
로버트 앨런 게이지
브래들리 토마스 윌리스
데이비드 앤드류 노리스
샤넌 프레데릭 포사이드
요르그 크로커
Original Assignee
에이에스케이 케미칼스 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에이에스케이 케미칼스 엘엘씨 filed Critical 에이에스케이 케미칼스 엘엘씨
Publication of KR20180033250A publication Critical patent/KR20180033250A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/20—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of inorganic material, e.g. asbestos paper, metallic filtering material of non-woven wires
    • B01D39/2068—Other inorganic materials, e.g. ceramics
    • B01D39/2093—Ceramic foam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/30—Producing shaped prefabricated articles from the material by applying the material on to a core or other moulding surface to form a layer thereon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B7/00—Moulds; Cores; Mandrels
    • B28B7/34—Moulds, cores, or mandrels of special material, e.g. destructible materials
    • B28B7/342—Moulds, cores, or mandrels of special material, e.g. destructible materials which are at least partially destroyed, e.g. broken, molten, before demoulding; Moulding surfaces or spaces shaped by, or in, the ground, or sand or soil, whether bound or not; Cores consisting at least mainly of sand or soil, whether bound or not
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/06—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
    • C04B38/0615—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances the burned-out substance being a monolitic element having approximately the same dimensions as the final article, e.g. a porous polyurethane sheet or a prepreg obtained by bonding together resin particles
    • C04B38/062—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances the burned-out substance being a monolitic element having approximately the same dimensions as the final article, e.g. a porous polyurethane sheet or a prepreg obtained by bonding together resin particles the burned-out substance being formed in situ, e.g. by polymerisation of a prepolymer composition containing ceramic powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C04B2235/6026—Computer aided shaping, e.g. rapid prototyping

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Filtering Materials (AREA)
  • Casting Support Devices, Ladles, And Melt Control Thereby (AREA)

Abstract

용탕 및 그와 같은 것을 여과하기에 유용한 필터 소자는 전구체 또는 적어도 두 개의 층(20)들을 갖는 형판(10)으로부터 만들어진다. 각각의 층은 서로 고정되는 관계로 연결된 3차원 기하학적 케이지(22)들로부터 조립된다. 일부 실시예들은 층을 에워싸는 주변 부재(26)를 포함한다. 이러한 경우에, 공간적으로 분리된 고정된 관계로 층들을 지탱하기 위하여 스페이서 부재(28)들은 주변 부재들에 걸쳐있을 수 잇다. 다른 실시예들에 있어서, 인접하는 층들에 적어도 일부의 케이지들은, 공간적으로 분리된 관계를 제공하도록, 고정된 관계로 연결될 수 있다. 케이지들은 기하학적 입체의 모서리들에 기반하는 패턴으로 연결된 어느 한 물질의 선형 세그먼트들로부터 구축될 수 있다. 형판은 3차원 인쇄와 같은 자동화 기술에 의해서 형성될 수 있다. 폴리머로 제조되는 경우, 필터 소자를 제공하기 위하여 전구체는 세라믹 슬러리로 코팅되고 하소된다.

Description

세라믹 필터 및 그 필터를 형성하는 방법
본 발명은 필터 수단을 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 세라믹 물질로, 그리고 특히 3차원 인쇄 기술을 사용하여 필터 수단을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이러한 필터는 주조 공정에서 용탕(molten metal)으로부터 찌꺼기(dross), 개재물(inclusions) 및 그와 같은 것을 걸러내는데 유용하다. 본 발명은 또한 이 방법에 의해 형성된 필터에 관한 것이다.
[관련 출원에 대한 교차 참조]
이 출원은 우선권을 주장한 2015년 7월 22일에 출원된 미국의 가출원 62/195372의 정규출원이다. 상기 가출원은 여기에 기재된 것과 같이 참조로서 본 출원에 포함된다.
용탕을 부을 때, 금속 내 일부 불순물들은 고체 상태로 남아있게 된다. 이들 불순물들 중 일부는 용탕이 대기 중 산소에 노출되어 형성된 금속 산화물일 것이다. 다루게 될 금속의 온도 때문에 그리고 산화물 기반 불순물이 세라믹 물질에 달라붙으려는 것이 드러나는 친화성 때문에, 이들을 제거하기 위해 세라믹 필터를 사용하는 것은 일반적이다. 알루미늄과 알루미늄 합금의 반응하는 성질은 그것들이 여과를 요하는, 원치 않는 산화물들을 형성하기 쉽게 만든다.
세라믹 필터는 또한 물을 여과하는 데에도 유용하다. 그러나, 소결시킨 세라믹 파우더와 같은, 세라믹 파우더를 물 필터로 형성하는데 유용한 기술들은, 물 필터가, 용융 상태를 보존하기 위해 빠르게 용탕을 통과시키는 것이 필요한 훨씬 커다란 유동 영역에서보다는, 미크론 수준에서 물질들을 제거하려고 하기 때문에, 용탕을 위한 필터를 제조하는 데에는 도움이 되지 않는다.
이 분야에 있어 최근 업적 중 한 예는, 비록 이것이 여전히 해결해야 할 중요한 문제가 있어 보이지만, 통찰력이 있다. Schlienger의 US 8,794,298에서는, 좋은 여과를 위해서 요구되는 복잡한 경로들을 갖는 세라믹 필터를 제공할 필요성이 기술되어 있다. 본 발명자들은 여기에 종래기술로서 세라믹 슬러리에 발포 폴리스티렌의 구체들을 침투시키는 것이 알려져 있음을 밝힌다. 슬러리에 불을 지피면, 폴리스티렌은 타서 없어지고, 앞서 구체들이 차지했던 기공들의 구불구불한 유동 경로를 지지하는 무작위-지향된 끈들(ligaments)의 망이 남는다. 이 기술의 단점은 일부 구체들의 가까운 근접성이 사용 중 깨질 수 있는 연약한 끈들을 생기게 하여, 실제로 필터가 개재물의 근원이 되는 것을 초래한다.
US 8,794,298에 기술된 부적당한 다른 기술은, 비록 본질적으로 기공들이 부족한 경로이지만, 간극들이 경로를 제공하게 되는 세라믹 또는 폴리머 입자들의 충전 베드(packed bed)이다. US 8,794,298에서 교시하는 해결책은, 기공 크기, 비틀림 및 끈들의 최소 직경이 미리 결정되어 있는, 3차원으로 “설계되고 전자적으로 정의된 기하학적 구조”를, 비록 이것들의 어떠한 세부사항도 제공되지 않았지만, 제공하는 것이다. 형판(template)으로서 3차원의 기결정된 기하학적 구조를 사용하기 위하여, US 8,794,298은 세라믹 물질을 함유하며 광중합이 가능한(photopolymerizable) 수지의 선택적 레이저 활성화에 의하여 그물 망을 형성하는 스테레오리소그래피(stereolithography) 기술을 사용하는 것을 기술한다. 그리고 폴리머-세라믹 합성 망은, 태우는 것을 포함한, 알려진 기술들에 의해 세라믹으로 환원된다.
상호 연결된 기공들을 갖는 3차원의 그물형 골격 구조를 갖는 세라믹 필터 소자를 제조하기 위한 다소 최근의 기술은, Tanuma의 US 6,203,593에 교시된 바에 따른, 세포막이 없는 그물형 합성 수지 폼을 세라믹 슬러리에 함침시키는 것이다. US 6,203,593의 각각의 경우에, 그물형 수지 폼은 세라믹에 함침되기 전에 원통형으로 형성되어서, 제공되는 모든 세라믹 필터 소자들이 가로막는 것이 없는 축방향 유동 경로를 갖고 모든 필터링 활동은 원통형 소자의 방사 방향의 유동에 의해 일어난다. 이는 그물형 폴리머 폼으로 세라믹 슬러리의 침투를 달성하는데 많은 어려움이 있음을 시사한다.
따라서, 용탕을 부을 때 불순물들을 제거하기 위한 세라믹 필터 소자를 제공하는 종래기술은 필터 소자가 비틀림과 구조적 안정성의 적절한 균형을 갖는 것에 충분한 이점을 가지지 못한다.
상기한 및 다른 단점들은 아래에 보다 상세하게 기술되고 도시된 장치 및 방법에 의해 해결된다.
상기 단점들 중 일부는 용탕을 여과하기 위한 장치의 전구체에 의해 해결된다. 본 장치는 필터 소자의 적어도 두 개의 층들을 가지고, 필터 소자의 각각의 층은 서로 고정된 관계로 연결된 복수의 3차원 기하학적 케이지(cage)들을 포함한다.
일부 실시형태에서, 필터 전구체의 각 층은 그 층을 에워싸는 주변 부재를 더 포함한다. 이들 실시형태 중 일부에서, 한 쌍의 인접 층들의 주변 부재들에 걸치는 복수의 스페이서 부재들이 구비되어, 상기 층들을 공간적으로 분리되어 고정된 관계로 지지한다.
다른 실시형태에서, 상기 층들은 어느 한 층의 복수의 3차원 기하학적 케이지들을 인접 층의 3차원 기하학적 케이지와 연결하는 것에 의하여 공간적으로 분리되어 고정된 관계로 지지된다.
필터 전구체들 중 많은 수에서, 각각의 3차원 기하학적 케이지들은 기하학적 입체(geometric solid)의 모양으로 서로 연결된 물질의 복수의 선형 세그먼트들을 포함하고, 각각의 선형 세그먼트는 기하학적 입체의 모서리를 나타낸다.
특히, 각각의 3차원 기하학적 케이지들은 부분적으로 절단된 8면체의 모양으로 배치된 어느 한 물질의 20개의 선형 세그먼트들을 포함할 수 있다. 이러한 모양은 상단과 하단의 사각면 및 8개의 사다리꼴면을 가지고, 사다리꼴면들의 가장 긴 모서리들은 상단과 하단의 사각면들 사이에 적도(equator)를 정의한다. 적도는 4개의 모서리와 4개의 꼭짓점을 갖는다.
부분적으로 절단된 8면체 모양을 사용할 경우, 층을 가로질러 평행한 관계로 배치되고 층을 복수의 열로 세분하는, 복수의 선형 지지 부재들도 구비될 수 있다. 각각의 인접하는 선형 지지 부재들의 쌍 사이에서, 즉, 각각의 열에서, 부분적으로 절단된 8면체 모양을 갖는 복수의 케이지들은 열을 정의하는 각각의 선형 지지 부재들과 적도에서 연결된다.
이 배치에 있어서, 부분적으로 절단된 8면체 모양을 갖는 케이지들은 각각의 인접 케이지들로부터 공간적으로 분리된 관계로 각각의 열을 따라 배치될 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에서는, 케이지들은 그와 인접한 각각의 케이지들과 연결되어 각각의 열을 따라 배치될 수 있다.
다른 실시형태에서, 각각의 3차원의 기하학적 케이지들은 6개의 사각면들과 8개의 팔각면들을 갖는 완전히 절단된 8면체 모양으로 배치된 어느 한 물질의 36개의 선형 세그먼트들을 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 각각의 완전히 절단된 8면체 케이지들은 모서리-대-모서리 방식으로 인접하는 완전히 절단된 8면체 케이지들과 연결될 수 있고, 또는 대안적으로, 각각의 완전히 절단된 8면체 케이지들은 개별 케이지들의 사각면들을 기반으로 하여, 면-대-면 방식으로 인접하는 완전히-절단된 8면체 케이지들과 연결될 수 있다.
본 발명 개념의 필터 전구체는 바람직하게는 3차원 프린터의 인쇄 헤드를 통해 압출하기에 적합한 열가소성 물질로 형성된다. 열가소성의 경우에, 선호되는 물질은 아크릴로니트릴-부타다이엔-스티렌(ABS) 폴리머이다.
이 경우에 있어서, 전구체를 세라믹 슬러리로 코팅하고 하소(calcine)시킴으로써 전구체는 필터로 바뀐다.
이를 실행하는 방법은 컴퓨팅 장치 상에 청구항 제1항에 따른 필터 전구체의 3차원 모델을 생성하는 것이다. 이 모델은 3차원 프린터 상의 인스트럭션 세트(instruction set)로서 구현될 수 있다. 그리고 인스트럭션 세트는, 3차원 프린터를 사용하여, 인스트럭션 세트에 따른 층상(layer by layer) 공정으로 물질을 용착하여 필터 전구체를 구성하고, 특히 사용된 물질이 폴리머인 경우, 구성된 필터 전구체를 세라믹 슬러리로 코딩하고 코팅된 필터 전구체를 하소하는데 유용하다.
사용된 물질이 세라믹이면, 내화성 물질의 필터를 제공하기 위하여 전구체를 하소시키는 것만으로도 충분할 수 있지만, 코팅은 필터의 비틀림(tortuosity)을 증가시키는데 유용할 수 있다.
개시된 발명들의 보다 나은 이해는 이하 상세한 설명 및 첨부 도면을 판독하는 것으로부터 획득하게 될 것이며 동일한 참조 문자들은 동일한 부분들을 지칭한다:
도 1은 필터 소자 형판(template)을 위에서 본 사시도;
도 2는 세라믹 슬러리로 코팅되고 하소된 후의 도 1의 형판을 위에서 본 사시도;
도 3a는 절단된 양극 꼭지점들을 갖는 기하학 8면체를 정면에서 본 사시도;
도 3b는 모든 꼭지점이 절단된 기하학적 8면체를 정면에서 본 사시도;
도 4는 도 1의 형판의 한 층의 일부를 위에서 본 평면도;
도 5는 도 1 형판의 제1 대안 층의 일부를 위에서 본 평면도;
도 6은 도 1의 형판의 제2 대안 층의 일부의 사시도이다.
3차원 인쇄 기술의 발전은 층 플라스틱 용착(LPD) 기술에 있어서 모델을 정밀하게 구축하는 것을 가능하게 해준다. 3차원 프린터 제조사 중 하나는 폴란드의 ZortraxTM이다. 일반적인 Zortrax 인쇄 장치에서, 스티렌-부타디엔-아크릴로니트릴(ABS) 공중합체와 같은 폴리머 수지의 필라멘트는 로봇으로 제어되는 팔의 단부에 압출기를 통해 정밀한 방식으로 가열된 플랫폼으로 공급되어, 층층이 쌓는 방식으로 기결정된 모델에 따라 구조물을 구축한다.
“인쇄”될 물체의 컴퓨터 모델이 있다면, 이 3차원 인쇄는 다른 알려진 기술을 이용하여 달성될 수 있다. 2010년 이래로, 미국재료시험협회(ASTM)는 소위 “적층 가공 기술(additive manufacturing technologies)”을 일곱 가지로 분류하는 한 세트의 표준들을 개발해온 것으로 알고 있다. 그것은 1) 광중합; 2) 재료 분사; 3) 결합제 분사; 4) 재료 압출; 5) 분말 베드 융합; 6) 다층 라미네이션; 및 7) 집속 에너지 용착;이다.
광중합에서, 액상 광경화성 수지의 컨테이너는 광원, 일반적으로 레이저에 의해 선택적으로 경화 또는 굳어진다. 이 유형에 가장 흔한 기술은 스테레오리소그래피, 즉 SLA라 불리는 공정에서 자외선 광원을 사용한다. 이 카테고리 내에 다른 기술들은 클립(continuous liquid interface production), 즉 CLIP, FTI(film transfer imaging) 및 SGC(solid ground curing)이다.
재료 분사는, 잉크젯 프린팅과 유사한 방식으로 작은 직경의 노즐을 통해 재료의 액적을 적용하되, 층층이 쌓는 방식으로 적용하고 UV 광으로 경화된다. 이 기술의 제공자는 StratasysTM이다.
결합제 분사는 두 개의 재료를 사용한다. 분말 기초 재료는 빌드 챔버 내에 같은 층들에서 깔려있다. 분사 노즐을 통해 적용되는, 액상 결합제는 기초 재료를 원하는 물체의 모양으로 “접착”한다. 일단 완료되면, 남는 기초 분말은 보통 빛에 의해 경화된, 인쇄 물품에서 쓸어낸다. 통상의 기초 분말은 금속 분말일 수 있다. 이 기술의 제공자는 ExOneTM이다.
재료 압출에 가장 일반적으로 사용되는 방법은 용착조형공정(fuseddeposition modelling), 즉 FDM이다. 플라스틱 필라멘트 또는 금속 와이어는, 흐름을 켜고 끌 수 있는 압출 노즐을 통과한다. 노즐은 물체가 구축되는 테이블 위에 컴퓨터 모델에 의하여 3차원으로 움직인다. 사용되는 주 플라스틱들은 스티렌-부타디엔-아크릴로니트릴(ABS) 또는 폴리락트산(PLA)이다. 용어 FDM은 Stratasys의 등록상표로서, 용어 FFF(fusedfilament fabrication)가 대신해서 자주 사용된다.
분말 베드 융합은 선택적 레이저 소결(selective laser sintering), 즉 SLS라는 그에 가장 흔한 기술로서 전형적인 예를 보여준다. 여기서, 고출력 레이저는 선택 재료의 작은 입자들을, 층층이, 3차원으로 융합한다. 분명하게, 레이저는 인쇄하고자 하는 물체의 컴퓨터 모델에 의해 지향된다. 대표적인 입자들은 플라스틱, 금속, 세라믹 또는 유리일 수 있다.
다층 라미네이션에 있어서, 시트 형태의 재료는 외력에 의해 함께 묶여 있다. 시트들은 금속, 종이 또는 폴리머일 수 있다. 금속 시트들은 초음파 용접으로 묶인 다음 CNC 밀링될 수 있다. 종이 시트들은 통상 접착제로 붙여진다. 이 기술의 선두 기업은 Mcor TechnologiesTM이다.
카테고리들 중 마지막은 집속 에너지 용착(directed energy deposition)이다. 여기서, 다축 로봇 팔은, 에너지 원이 녹이는 곳인 표면 상으로 금속 분말 또는 와이어를 용착시키는 노즐이 향하게 한다. 대표적인 에너지 원은 레이저, 전자 빔 또는 플라즈마 아크를 포함할 수 있다. 이 기술에 속한 기업은 SciakyTM이다.
도 1은 본 발명의 개념을 구현한 일 실시예의 세라믹 필터를 만들기 위한 조립된 형판(10)의 위에서 본 사시도를 도시한다. 조립된 형판의 일반적인 실시예는 서로간에 고정된 기결정된 관계로 배치된 3차원 기하학적 케이지들(22)의 둘 이상의 층들(20)을 포함한다. 아래에 보다 상세하게 설명될 것으로서, 각각의 층(20)은 인접하는 개별 케이지들(22), 지지 부재(24), 주변 부재(26) 또는 이들의 몇몇 조합과 연결되는 것에 의해 제자리에 지탱되는 개별 케이지들(22)을 갖게 된다. 일반적으로, 각각의 3차원 기하학적 케이지(22)는 폴리머, 또는 일부 경우에 있어서는 세라믹 물질의 복수의 선형 세그먼트들을 포함한다. 세라믹 물질이 사용될 때, 세라믹 물질은 인쇄 헤드, 특히 3차원 프린터의 인쇄 헤드로부터 압출될 수 있는 것이다. 3차원 인쇄 방법에 있어서, 형판(10)은 인접 층들(20)이 직접 서로 연결되도록 구축될 수 있으나, 이것은 본 발명의 개념에 필수적인 측면으로 여기지 아니하며, 그래서 개개의 층들은 별개의 공정 또는 방법에 의해서 구축되고 인접 층들과 연결될 수 있다. 도시된 실시예에서, 형판(10)은 원형의 주변 부재(26)로 경계를 이루는 층들(20)을 갖는다. 개개의 주변 부재들(26)은 스페이서 부재들(28)에 의해 간격을 둔 관계로 연결된다. 도시된 실시예에 있어서, 모든 구조 소자들, 즉 케이지들(22), 지지 부재들(24), 주변 부재들(26) 및 스페이서 부재들(28)은, 폴리머이든 세라믹이든, 동일한 물질로 구성된다.
도 1이 형판(10)에 사용된 층(20)의 어느 한 특정 실시예를 개시하지만, 본 발명의 개념에 유용한 것으로 알려진 층(20)의 대안적 실시예들이 있는 것은 명백하다. 이런 이유로, 몇몇 이 실시예들의 보다 상세한 설명이 아래에 보다 자세히 기술된다.
도 2는 도 1과 동일하게 전면에서 본 사시도로, 도 1의 형판으로부터 생산되는 완성된 필터(110)를 도시한다. 이 필터(110)의 완성은 형판이 폴리머로 구성된 경우엔 필수적이나, 형판이 세라믹 물질로 구성된 경우엔 바람직할 뿐 필수는 아니다. 형판을 완성 필터(110)로 변환하기 위하여, 형판은 세라믹 슬러리로 코팅되고 하소되어, 필터로서 용탕에 노출되기 적합한 세라믹 물질의, 전반적으로 무작위이지만 대부분이 연속적인 표면(112)이 되게 한다. 이러한 세라믹 슬러리로 코팅하는 것에 의해 제공되는 장점은 슬러리로부터 적용된 세라믹이 필터 내 닫힌 용적을 증가시키고 또한, 그렇지 않았다면 규칙적이었을 구조에 현저한 크기의 무작위성을 부여하여, 제품에 고도의 비틀림을 제공한다.
이 관점에서, 본 발명의 개념을 실현하는 필터들에 하나의 구조 소자로서 “3차원 기하학적 케이지들”의 사용에 대한 참조가 이루어졌다. 일반적으로, 기능하는 3차원 기하학적 케이지들은 정다면체의 모양을 갖는 프레임 또는 케이지가 될 것이다. 특히 유용한 그러한 정다면체는 8면체 또는 8면체로부터 도출된 구조체이다. 잘 알려진 바와 같이, 8면체는, 12개의 모서리와, 3개의 대립하는 쌍들로 배치된, 이 쌍들은 다른 쌍들과 수직하는 관계에 있는, 6개의 꼭짓점을 갖는 플라톤의 입체 중 하나이다. 이는 8개의 면이 있고, 각각은 정삼각형이다. 만약 대립하는 한 쌍의 꼭지점이 절단된 경우, 도 3a에 사시도로 도시된 바와 같은 입체가 획득된다. “부분적으로 절단된 8면체”로 칭하게 될 이 구조체(40)는 상단과 하단의 사각면(42)(도 3a에선 이중 하나만 보인다) 및 8개의 사다리꼴면(44)(도 3a에는 이중 4개가 보인다)을 갖는다. 이것은 사각면(42)과도 교차하지 않는 4개의 모서리들(48)로 정의된 “적도”(46)를 갖는다. 절단 후 남아있는 4개의 꼭짓점들(50)은 적도(46) 상에 위치된다.
만일 부분적으로 절단된 8면체(40)의 4개의 남아있는 꼭지점들(50)이 절단되면, 도 3b에 사시도로 도시된 구조체(60)가 얻어진다. 이 구조체(60)는 “완전히 절단된 8면체”라고 언급될 것이다. 이것은 14개의 면을 가지며, 6개는 사각면(62)(도 3b에는 이중 3개가 보인다)이고 8개는 육각면(64)(도 3b에는 이중 4개가 보인다)이다. 여기에는 동일한 길이의 총 36개의 모서리들(68)이 있고, 이 모서리들은 총 24개의 꼭지점들에서 만난다. 6개의 사각면(62)은 3개의 대향하는 사각면의 쌍들로 배치된다. 이들 쌍들 중 어느 것을 기반으로 하더라도, “적도”(66)는 사각면들의 쌍으로 정의되는 평면에 평행한 4개의 모서리들(68)에 의해 정의된다. 완전히 절단된 8면체는 3차원 공간을 모자이크식의 작은 단위로 쪼갤 수 있는(tessellate) “공간 채움” 입체(space-filling solid)이다.
기하학적 입체의 모서리들을 정의한 선형 세그먼트들로부터 구축되는 다른 기하학적 케이지들은, 통상적으로 20개의 정삼각면을 갖는 20면체까지 유용하고 포함할 수 있다. 더 많은 모서리와 꼭지점을 갖는 보다 복잡한 구조체를 구성하고 사용하는 것이 가능하지만, 증가된 여과 능력으로부터의 이익의 증가분은 크게 줄어든다.
또한, 주어진 층에서 동일한 3차원 기하학적 케이지들을 사용하는 것이 선호되는 것으로 여겨지지만, 주어진 층 내에 상이한 크기와 모양의 3차원 기하학적 케이지들을 사용하는 것, 또는 인접하는 층들 간에 크기와 모양을 변경하는 것이 가능하고 어떤 상황에서는 유리할 수 있다.
이 정의들을 적소에 두고서, 이제 주의를 도 4로 돌리면, 여기서 도 1에 도시된 층(20)을 위에서 본 평면도는 세부사항을 더 잘 이해할 수 있게 해주는 확대된 모습으로 도해된다. 이 경우에, 각각의 케이지(22)는 도 3a의 부분적으로 절단된 8면체의 모서리들의 위치에 있는 선형 세그먼트들의 열린 프레임으로, 형성된다. 사각면(142)은 명확하게 보이고, 4개의 사다리꼴면들(144)도 그러하다. 각각의 케이지(22)의 두 개의 꼭지점(150)은 지지 부재들(24)과 연결되고 나머지 두 개의 꼭지점들은 인접 케이지의 한 꼭지점과 연결된다. 이 디자인의 변형들에 있어서, 케이지들(22)은 지지 부재들(24)을 따라서 더 멀리 떨어져서 인접 케이지들(22)이 서로간에 접촉하지 않게 할 수 있다. 이것은 공극률 및/또는 비틀림의 측면에서 유연성을 갖게 해준다. 간격을 두는 것을 넘어서, 지지 부재들(24)은 케이지들(22)의 인접하는 열들이 사각형이나 삼각형 간격으로 배치되는 것을 가능하게 해준다.
위에서 본 평면도로서, 도 5는 도 1에 따른 장치(10)를 위한 층(220)을 제공하는 다른 배치를 도시한다. 이 상황에서, 층(220)은 완전히 절단된 8면체의 방식으로 모양이 난 선형 소자들인 케이지들(260)을 포함하고, 인접 케이지들(260)은 상부 사각면(262)과 관련하는 케이지의 적도를 정의하는 인접 모서리들을 따라 연결된다. 다시 한번 더 언급하자면, 이 그림은 층의 한 부분일 뿐이고, 다만 어떻게 하면 주변 부재가 함께 포함될 수 있는 필수적인 평면 시트에서 층이 완전히 구축될 수 있는지를 보여준다. 층(220)은 사각면들(262)을 연결해서 이의 위 또는 아래에 인접하는 층(220)과 직접 부착될 수 있고, 또는 층들은 도 1과 같이, 스페이서 부재들에 의해서 이격될 수 있다.
도 6에는, 케이지들(260)을 배열하는 추가적인 방식이 사시도로 도시된다. “모서리 대 모서리”로 연결하는 것 대신에, 이 케이지들(260)은, 한 쌍으로 마주하는 사각면들(262)을 이용하며, “면 대 면”으로 맞춰 연결된다. 이것은, 이해를 쉽게 하기 위하여 작은 부분으로만 표시된, 한 층의 다른 실시예(320)를 제공한다.
몇몇 상황에서, 조립될 필터의 공극률에 변화를 주기 위하여, 케이지들을 구성하는데 사용되는 폴리머 또는 세라믹의 선형 세그먼트들의 직경을 변경하는 것이 유리할 수 있다.
일단 필터를 위한 기본 구조가 결정되면, 3차원 인쇄 기술 및 장치를 이용하여 형판의 구성을 가능케 해주는 컴퓨터 모델이 작성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시되고 기술되었으며, 이 기술분야의 통상의 기술자는 많은 변형과 개조가 기술된 본 발명에 영향을 줄 수 있으며 여전히 청구된 본 발명의 범위 내에 있다는 것을 알아차리게 될 것이다. 그래서, 위에 언급된 구성요소들 중 많은 수는 동일한 결과를 제공하며 청구된 본 발명의 정신의 범위 안에 있는 다른 구성요소들로 변경 또는 치환될 수 있다. 그러므로, 청구범위에 의해서 나타낸 본 발명에 따라서만 본 발명을 한정한다.

Claims (17)

  1. 여과를 위한 장치의 전구체(10)로서,
    필터 소자의 적어도 두 개의 층(20)들을 포함하며,
    필터 소자의 각각의 층은 서로 고정된 관계로 연결된 복수의 3차원 기하학적 케이지(22)를 포함하는, 필터 전구체.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 층(20)은 상기 층을 둘러싸는 주변 부재(26)를 더 포함하는, 필터 전구체.
  3. 제2항에 있어서,
    한 쌍의 인접하는 층들의 주변 부재들에 걸쳐있는 복수의 스페이서 부재(28)로서, 상기 층들을 공간적으로 분리되어 고정된 관계로 지지하는 스페이서 부재(28)를 더 포함하는 필터 전구체.
  4. 제1항에 있어서,
    한 쌍의 인접하는 층들의 복수의 3차원 기하학적 케이지(22)들이 서로 고정된 관계로 연결되어 상기 층들을 공간적으로 분리되어 고정된 관계로 지지하는, 필터 전구체.
  5. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 3차원 기하학적 케이지는 기하학적 입체의 형태로 서로 연결된 물질의 복수의 선형 세그먼트들을 포함하고, 각각의 선형 세그먼트는 상기 기하학적 입체의 한 모서리를 나타내는, 필터 전구체.
  6. 제5항에 있어서,
    각각의 3차원 기하학적 케이지는 상단과 하단의 사각면과 8개의 사다리꼴면을 갖는 부분적으로 절단된 8면체의 모양으로 배치된 물질의 20개의 선형 세그먼트를 포함하고, 상기 사다리꼴면의 가장 긴 모서리들은 상단과 하단의 사각면들 사이의 적도를 한정하고, 상기 적도는 4개의 모서리와 4개의 꼭지점을 갖는, 필터 전구체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 층을 가로질러 평행한 관계로 배치되고 상기 층을 복수의 열로 세분하는 복수의 선형 지지 부재(24)를 더 포함하며, 각각의 인접하는 선형 지지 부재들의 쌍 사이에서, 각각의 열에서 부분적으로 절단된 8면체 모양을 갖는 복수의 케이지들이 상기 열을 한정하는 각각의 선형 지지 부재들과 상기 적도에서 연결되는, 필터 전구체.
  8. 제7항에 있어서,
    각각의 열을 따라 배치된 부분적으로 절단된 8면체의 모양을 갖는 케이지들은 각각의 인접하는 케이지들로부터 공간적으로 분리된 관계에 있는, 필터 전구체.
  9. 제7항에 있어서,
    각각의 열을 따라 배치된 부분적으로 절단된 8면체의 모양을 갖는 케이지들은 각각의 인접하는 케이지들과 연결되는, 필터 전구체.
  10. 제5항에 있어서,
    각각의 3차원 기하학적 케이지들은 6개의 사각면과 8개의 사다리꼴면들을 갖는 완전히 절단된 8면체의 모양으로 배치된 물질의 36개의 선형 세그먼트들을 포함하는, 필터 전구체.
  11. 제10항에 있어서,
    각각의 완전히 절단된 8면체 케이지들은 인접하는 완전히 절단된 8면체 케이지들과 모서리-대-모서리 방식으로 연결되는, 필터 전구체.
  12. 제10항에 있어서,
    각각의 상기 완전히 절단된 8면체 케이지들은, 각각의 케이지의 사각면들에 기초하여, 인접하는 완전히 절단된 8면체 케이지들과 면-대-면 방식으로 연결되는, 필터 전구체.
  13. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물질은 3차원 프린터의 인쇄 헤드를 통해 압출하기에 적합한 열가소성 폴리머인, 필터 전구체.
  14. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물질은 3차원 프린터의 인쇄 헤드를 통해 압출하기에 적합한 슬러리 형태의 세라믹인, 필터 전구체.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 폴리머는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 폴리머인, 필터 전구체.
  16. 용탕(molten metal)을 여과하기 위한 필터로서,
    세라믹 슬러리로 코팅되고 하소된 제1항에 따른 필터 전구체를 포함하는 필터.
  17. 용탕을 여과하기 위한 필터(110)를 제조하는 방법으로서,
    컴퓨팅 장치 상에서, 제1항에 따른 필터 전구체의 3차원 모델을 생성하고, 상기 3차원 모델을 3차원 프린터 상의 인스트럭션 세트로 구현하는 단계;
    상기 3차원 프린터를 사용하여, 상기 인스트럭션 세트에 따른 층상 공정으로 재료를 용착하여 상기 필터 전구체(10)를 구성하는 단계;
    상기 구성된 필터 전구체를 세라믹 슬러리로 코팅하는 단계; 및
    상기 코팅된 필터 전구체를 하소시키는 단계;를 포함하는 필터 제조 방법.
KR1020187005165A 2015-07-22 2016-07-21 세라믹 필터 및 그 필터를 형성하는 방법 KR20180033250A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562195372P 2015-07-22 2015-07-22
US62/195,372 2015-07-22
PCT/US2016/043391 WO2017015489A1 (en) 2015-07-22 2016-07-21 Ceramic filter and method for forming the filter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180033250A true KR20180033250A (ko) 2018-04-02

Family

ID=56684733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187005165A KR20180033250A (ko) 2015-07-22 2016-07-21 세라믹 필터 및 그 필터를 형성하는 방법

Country Status (10)

Country Link
EP (1) EP3325428B1 (ko)
JP (1) JP6839169B2 (ko)
KR (1) KR20180033250A (ko)
CN (1) CN107848900B (ko)
CA (1) CA2992848C (ko)
ES (1) ES2752577T3 (ko)
HU (1) HUE046346T2 (ko)
MX (1) MX2018000874A (ko)
PL (1) PL3325428T3 (ko)
WO (1) WO2017015489A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200019285A (ko) * 2018-08-08 2020-02-24 한국생산기술연구원 이중 벽 구조를 구비하는 3d 조형체의 3d 프린팅 방법
KR102387451B1 (ko) * 2021-06-04 2022-04-15 창원대학교 산학협력단 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10780493B1 (en) * 2016-12-20 2020-09-22 Renaissance Services, Inc. Three-dimensional printing of engineered, on-demand, ceramic filters for castings
JP7410637B2 (ja) * 2018-05-29 2024-01-10 住友ゴム工業株式会社 三次元構造物
JP7389024B2 (ja) * 2018-06-05 2023-11-29 株式会社アーケム 多孔質構造体、多孔質構造体の製造方法、及び、３ｄ造形用データ
JP7389025B2 (ja) * 2018-06-05 2023-11-29 株式会社アーケム 多孔質構造体、多孔質構造体の製造方法、及び、３ｄ造形用データ
WO2019235545A1 (ja) * 2018-06-05 2019-12-12 株式会社ブリヂストン 多孔質構造体、多孔質構造体の製造方法、及び、３ｄ造形用データ
WO2019235547A1 (ja) * 2018-06-05 2019-12-12 株式会社ブリヂストン 多孔質構造体、多孔質構造体の製造方法、及び、３ｄ造形用データ
US11052332B2 (en) 2018-07-23 2021-07-06 Caterpillar Inc. Filtration media produced using additive manufacturing
US11058977B2 (en) 2018-07-23 2021-07-13 Caterpillar Inc. 3D printed staged filtration media packs
JP6691951B2 (ja) * 2018-11-12 2020-05-13 株式会社ブリヂストン 多孔質構造体、多孔質構造体の製造方法、及び、３ｄ造形用データ
EP3892438B1 (en) * 2018-12-03 2023-09-20 Archem Inc. Resin foamed body
EP3892447A4 (en) * 2018-12-03 2022-08-31 Bridgestone Corporation POROUS STRUCTURE, METHOD FOR MAKING POROUS STRUCTURE, AND PADDING MATERIAL FOR SEAT SHEET
JP2022521182A (ja) * 2019-02-15 2022-04-06 コーニング インコーポレイテッド 押出ダイ及びその製造方法
DE102019107161A1 (de) * 2019-03-20 2020-09-24 Herding Gmbh Filtertechnik Filterelement und Verfahren zur Herstellung eines Filterelements
DE102022201617A1 (de) 2022-02-16 2023-08-17 Technische Universität Bergakademie Freiberg, Körperschaft des öffentlichen Rechts Filterelement für eine Strömungsberuhigung und/oder Reinigung einer beim Gießen erhaltenen Schmelze sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Filterelements
CN114433873B (zh) * 2022-02-25 2023-06-06 鑫精合激光科技发展（北京）有限公司 一种增材制造方法
CN115206558B (zh) * 2022-07-07 2024-04-19 中国核动力研究设计院 基于多层错排点阵结构的燃料组件下管座及过滤体和应用

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5913887B2 (ja) * 1979-10-30 1984-04-02 株式会社ブリヂストン 溶融金属用濾過材
WO1999022861A1 (en) * 1997-11-05 1999-05-14 Molecular Geodesics, Inc. Biomimetic materials for filtration, chemical processing and detoxification
EP0927568B1 (en) * 1997-11-18 2004-04-28 Bridgestone Corporation Ceramic filters, filtering arrangements and methods of filtering molten metal
CA2239443A1 (en) * 1998-06-03 1999-12-03 Molecular Geodesics, Inc. Biomimetic materials
JP2004025276A (ja) * 2002-06-27 2004-01-29 Shinichi Ushigome 高温用セラミックフィルターおよびそれを用いる溶融金属の濾過方法
TW200719941A (en) * 2005-09-05 2007-06-01 Vesuvius Crucible Co Filter device for molten metal filtration and method for producing such filters
CN101117295A (zh) * 2007-09-04 2008-02-06 佛山市非特新材料有限公司 一种制备泡沫陶瓷过滤器的方法及用该方法制备的过滤器
JP2010069427A (ja) * 2008-09-19 2010-04-02 Panasonic Corp フィルタ部材およびそれを用いた除湿装置
GB201107087D0 (en) * 2011-04-28 2011-06-08 Airbus Operations Ltd A flame trap cartridge, flame arrestor, method of preventing flame propagation into a fuel tank and method of operating an aircraft
JP5803316B2 (ja) * 2011-06-17 2015-11-04 ソニー株式会社 構造物の製造方法
US10532303B2 (en) * 2013-03-15 2020-01-14 Pyrotek Incorporated Ceramic filters
CA2915409A1 (en) * 2013-06-24 2014-12-31 President And Fellows Of Harvard College Printed three-dimensional (3d) functional part and method of making

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200019285A (ko) * 2018-08-08 2020-02-24 한국생산기술연구원 이중 벽 구조를 구비하는 3d 조형체의 3d 프린팅 방법
KR102387451B1 (ko) * 2021-06-04 2022-04-15 창원대학교 산학협력단 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터
WO2022255601A1 (ko) * 2021-06-04 2022-12-08 창원대학교 산학협력단 3차원 격자구조를 가진 미세입자 포집 필터

Also Published As

Publication number Publication date
HUE046346T2 (hu) 2020-03-30
CA2992848C (en) 2023-08-01
EP3325428A1 (en) 2018-05-30
CN107848900B (zh) 2021-05-14
JP2018528850A (ja) 2018-10-04
PL3325428T3 (pl) 2020-01-31
CN107848900A (zh) 2018-03-27
WO2017015489A1 (en) 2017-01-26
EP3325428B1 (en) 2019-09-04
JP6839169B2 (ja) 2021-03-03
MX2018000874A (es) 2018-08-15
CA2992848A1 (en) 2017-01-26
ES2752577T3 (es) 2020-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20180033250A (ko) 세라믹 필터 및 그 필터를 형성하는 방법
JP6500047B2 (ja) 積層造形法のための方法及び接続支持体
JP7119035B2 (ja) セラミックフィルタ
US10744713B2 (en) Methods and breakable supports for additive manufacturing
KR102611302B1 (ko) 적층 제조를 위한 다층 파라미터-가변 융합 및 증착 전략들
CN110035845A (zh) 脱粘加速的增材制造零件
JP6270353B2 (ja) 三次元造形体およびサポート形成方法
CN110049838A (zh) 具有热弯曲材料供给的增材制造
US20170232682A1 (en) Methods and surrounding supports for additive manufacturing
US20210197462A1 (en) Topographic build plate for additive manufacturing system
TW201637827A (zh) 用於從無機材料製作透明３ｄ部件的積層製造處理
WO1998019843A1 (en) Improved truss structure design
DE102018111517A1 (de) Verfahren zum Steuern der Verzerrung beim 3D-Drucken
JP7020617B2 (ja) 三次元的な物体を付加的に製造するための方法
JP2017132181A (ja) 三次元造形物の製造方法
JP2021054090A (ja) 三次元造形物の造形ステージ、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法
JP2022171650A (ja) 光学構成要素の積層造形
US10537939B2 (en) Method of manufacturing a honeycomb structure for an electronic device
US20180078888A1 (en) Ceramic filter and method for forming the filter
JP6826321B2 (ja) 三次元造形物の造形ステージ、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法
US10414065B2 (en) Method for manufacturing honeycomb structure, apparatus for manufacturing honeycomb structure, and honeycomb structure
US20240009626A1 (en) Spiral sheet product and method of manufacturing the same via additive manufacturing
DE202017104240U1 (de) Vorstufe für einen keramischen Filter und keramisches Filter
EP3476570A1 (en) Method and apparatus for making tangible products by layer wise manufacturing
US20230182400A1 (en) Support structure generation for 3d printed objects

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right