KR20220120565A - 팁 플레이트 및 대응 부싱 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 멜트를 수용하기 위한 부싱용 팁 플레이트에 관한 것으로, 상기 팁 플레이트는 상이한 종류의 여러 섹션들을 포함하고, 본 발명은 유리 섬유를 제조하기 위한 대응 부싱을 더 포함한다.

Description

팁 플레이트 및 대응 부싱

본 발명은 고온 멜트를 수용하기 위한 부싱용 팁 플레이트 및 대응 부싱에 관한 것이다. 용어 "수용" 은 멜트의 모든 종류의 준비, 저장 및 처리를 포함한다. 특히, 부싱 및 그의 팁 플레이트는 유리 섬유, 광물 섬유, 현무암 섬유 등과 같은 섬유의 제조에 사용하기 위한 것이다.

이하에서, 직물 유리 섬유를 포함하는 유리 섬유의 제조 및 제조 장치를 참조하여 선행 기술 및 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 이러한 사용으로 제한되는 것은 아니다.

유리 섬유는 100 년 넘게 부싱에 의해 유리 멜트로부터 제조되어 왔다. 일반적인 개요는 Duesseldorf 에서의 glasstec 2006 exhibition 과 관련하여 HVG Huettentechnische Vereinigung der Deutschen Glasindustrie, Offenbach 에 의해 출판된 "Design and Manufacture of Bushings for Glass Fibre Production" 로부터 파생될 수 있다.

일반적인 부싱은, 직육면체 공간을 종종 제공하며 바닥, 소위 팁 플레이트 및 주변 벽을 포함하는 용융 용기 (도가니) 와 같은 박스로서 특징지어질 수 있다.

일반적인 팁 플레이트는, 상부 표면과 상부 표면에 대해 소정 거리만큼 떨어진 하부 표면 사이의 보디, 및 상부 표면과 하부 표면 사이에 그리고 상기 본체를 통해 연장되는 다수의 노즐을 포함하고, 팁이라고도 불리는 이 노즐을 통해, 대부분의 경우 중력의 영향 하에, 멜트가 부싱을 떠날 수 있다.

노즐이 종종 l-4 mm 의 내경 및 2-10 mm 의 길이를 갖지만, 하나의 팁 플레이트의 노즐의 수는 수천 개까지일 수 있다. 일반적인 팁 플레이트 내의 노즐의 배열은 유리 섬유 플랜트 내의 국부적인 조건에 의존하고 달라진다.

노즐로부터 하방으로 드러나는 유리 섬유의 속도는 분당 약 1000 미터일 수 있고, 심지어 50 ㎛ 미만, 종종 4 내지 35 ㎛ 의 직경을 갖는 매우 얇은 연속 유리 섬유 필라멘트의 형성을 허용한다.

섭씨 1700°까지 될 수 있는, 요구되는 용융 온도를 달성하는 동시에 부싱에서 실질적으로 균일한 용융 온도를 달성하기 위해, 다양한 가열 방법이 개발되었으며, 여기서 소위 직접 저항 가열 [Joule 가열이라고도 함] 이 성공적으로 입증되었다. 이를 위해, 부싱 설계는 대향 벽 세그먼트들에 전기 연결 플랜지들을 포함하는 한편, 전기 에너지는 종종 수냉식 구리 클램프들에 의해 도입된다.

이러한 부싱에 다양한 재료가 사용될 수 있지만, 백금 합금은 고온 저항, 낮은 산화 및 비교적 양호한 강도 때문에 성공적으로 증명되었다.

그럼에도 불구하고, 연속 작동 하에서, (유리 섬유 생산에서 우세하므로) 매우 높은 온도에서 그리고 (팁 플레이트의 상부 상의 유리 멜트에 의해 야기되는) 연속적인 기계적 부하 하에서 팁 플레이트의 강도가 감소할 수 있다는 것이 분명해졌다.

본 발명의 목적은, 공지된 단점들을 가능한 많이 극복하고, 특히 증가된 사용 수명의 팁 플레이트 및 대응 부싱을 제공하고/하거나 높은 균일성 및 품질의 유리 섬유 생산을 허용하는 것이다.

본 발명은 다음의 발견에 기초한다:

위에서 언급한 결점들은 기계적 및/또는 열적 문제에 기초하며, 이 둘은 노즐 기능을 갖거나 개별 노즐을 통합하는 역할을 하는 관통 구멍 (팁) 이 제공된 절삭 (펀칭된) 금속 시트를 특징으로 하는 팁 플레이트의 일반적인 설계로부터 유래한다. 상기 공지된 팁 플레이트의 솔리드 부분, 즉, 각각 관통 구멍 또는 노즐을 제외한 완전한 팁 플레이트는 균일한 재료, 밀도, 크기 및 화학적 성질을 갖는다.

언뜻 보기에는 이 모든 것이 균일한 용융 조건과 기계적 안정성을 달성하는 데 유리한 것처럼 보이지만, 사실은 그 반대이다.

선행 기술을 나타내는 도 1 은 특정 제조 시간 후에 유리 섬유 부싱의 노즐 (NO) 을 갖는 일반적인 팁 플레이트 (TP) 에 걸친 전형적인 온도 분포를 매우 개략적인 방식으로 개시한다.

도 1 에서, 팁 플레이트의 다양한 부분들 및 연관된 구성 요소들의 위치 및 배향의 더 나은 예시를 위해 x-y-z 좌표계가 추가되어 있다. 이 좌표계는 이 문서의 다른 도면에도 유효하다.

도 1a 는 실질적으로 수평인, 작동 위치에 있는 시트형 팁 플레이트의 수직 단면을 나타낸다. 팁 플레이트가 좌표계의 x-y 방향으로 연장되는 한, 벽 (W) 은 팁 플레이트 (TP) 로부터 상향 (z-방향으로) 연장된다. 시트는 그의 상부 표면 (US) 과 그의 하부 표면 (LS) 사이에서 z-방향으로 실질적으로 (생산 공차가 무시됨) 일정한 두께 (d) 를 갖는다. 대향하는 벽 부분들 (W1, W2) 에 배열된 전기 접촉 플랜지들은 FI, F2 로 표시된다.

도 lb 는 상기 팁 플레이트 (TP) 의 개략 상면도이다. 몇몇 노즐이 원 (NO) 으로 표시되어 있다. 점선은 팁 플레이트 (벽 부분 (W1, W2) 에서의) 의 좌측 단부 (E1) 와 우측 단부 (E2) 사이에서 5 개의 섹션 A, B, C, D 및 E 를 식별하며, 섹션 A 및 E 는 최저 보디 온도 (도 1c; T.A) 를 특징으로 하고, 섹션 B 및 D 는 중간 온도 프로파일을 특징으로 하며, 중심 섹션 C 는 모든 섹션 A-E 중 최고 평균 온도 (도 1c: T.C) 를 특징으로 한다. 단부들 (El, E2) 사이의 온도 프로파일 및 온도 차이가 도 lc 에 표시되어 있으며, 이 실시형태에서 최대 온도 차이는 약 30-40 Kelvin 이다.

이러한 온도 변화는 다음을 초래한다:

- 중심 섹션 C 에서의 강도 손실: 유리 멜트의 하중 하에서 팁 플레이트의 이 부분이 과도하게 휘어질 위험이 있음,

- 섹션 A-E 에서의 유리 멜트의 상이한 점도, 그리고 따라서

- 섹션 A-E 의 노즐 (NO) 로부터 인출되는 유리 섬유 필라멘트의 직경과 품질의 변화.

본 발명은 상이한 물리적 특성 및/또는 상이한 화학적 조성의 상이한 섹션을 갖는 팁 플레이트를 상이한 방식으로 제공한다. 용어 "물리적 특성" 은 크기, 치수, 지오메트리, 포어, 포어 분포 등을 포함하는 모든 구조적 변화 및 강도 변화를 가리킨다. 용어 "화학적 조성" 은 팁 플레이트가 만들어진 재료의 모든 변화, 특히 합금의 변화를 가리킨다.

이는 필요한 경우 상이한 기계적 강도 및/또는 상이한 전기 저항 및/또는 상이한 열 전도도의 섹션들로 팁 플레이트를 구성하는 것을 허용한다. 상이한 특성들의 섹션들은 좌표계의 x-y 방향으로 나란히 배열되고; 즉, 대향하는 단부들 사이에서, 또는 각각 일 단부로부터 다른 단부로 향하는 방향으로, 팁 플레이트는 상이한 물리적 및/또는 화학적 특성들의 인접한 섹션들을 제공한다. 이러한 설계는 팁 플레이트의 작은 영역들 내에서 극단적인 (급격한) 변화를 피하기 위해 상이한 특성들의 인접한 섹션들 사이의 매끄러운 전이 구역들 (3-차원) 뿐만 아니라 인접한 섹션들 사이의 날카로운 경계들 (2-차원 면들) 을 포함한다. 용어 "섹션" 은 점근적 작은 영역이나 단지 제조 공차를 가리키는 것이 아니다.

도 1 의 일반적인 팁 플레이트로부터 시작하여, 예를 들어 섹션 C (소위 핫 스팟 섹션) 는 그 섹션에서의 온도를 낮추기 위해 그리고/또는 그 기계적 강도를 증가시키기 위해 새로운 방식으로 재설계될 수 있다.

예를 들어, 각각의 팁 플레이트 (보디) 섹션의 격자 구조 (예를 들어, 그리드형 또는 허니콤 구조) 및 상기 각각의 섹션의 두께 변화에 의해, 더 높은 기계적 강도가 달성될 수 있다. 하나의 옵션은 팁 플레이트의 적어도 하나의 섹션에 대해 (x-y 방향으로 인접한 섹션과 비교하여) 상이한 기계적 특성의 재료를 사용하는 것이다.

부가적으로 또는 대안적으로, 적어도 하나의 섹션은 당업자에게 알려진 소위 Joule 가열 효과에 의해 이 섹션의 각각의 온도를 변경하기 위해 상이한 열 전도도의 재료로 제조될 수 있다.

유사하게, (도 1 의 섹션 A 및 E 로서) 공지된 구성에서 더 낮은 온도를 특징으로 하는 팁 플레이트의 섹션들은 그 섹션에서 생성된 열의 양을 증가시키기 위해 감소된 두께 (z 방향인, 노즐을 통한 금속 멜트의 유동 방향에서 보여짐) 로 설계될 수 있다.

이 특징부들은 팁 플레이트 및 대응 부싱의 맞춤 설계를 생성하도록 결합될 수 있다.

가장 일반적인 실시형태에서, 본 발명은 고온 멜트를 수용하기 위한 부싱용 팁 플레이트에 관한 것으로, 그의 작동 위치에서, 좌표계의 x-y 방향으로 연장되는 상부 표면, 상부 표면에 대한 거리에 있는 하부 표면, 및 이들 사이의 보디, 그리고 적어도 상부 표면과 하부 표면 사이에서 연장되는 다수의 노즐형 관통 개구를 포함하고, 이 개구를 통해 멜트가 좌표계의 z 방향으로 부싱을 떠날 수 있고, 좌표계의 x-y 방향으로 서로 인접하는, 팁 플레이트의 적어도 2 개의 섹션들이 상이한 물리적 특성, 상이한 화학적 조성 또는 둘 다를 갖는다. 팁 플레이트의 개별 섹션은 별개일 수 있거나 서로로의 점진적인 전이를 특징으로 할 수 있다.

용어 "보디" 는 상부 표면과 하부 표면 사이에 팁 플레이트의 부분을 규정하지만, 관통 개구 (노즐, 노즐 영역) 을 포함하지 않는다. 유사하게, 상부 표면 및/또는 하부 표면은 (보디 이외에) 팁 플레이트의 추가적인 섹션들을 나타낸다.

일 실시형태에 따르면, 팁 플레이트의 상부 표면은 상기 관통 개구/노즐을 통해 인출되지 않는 한 부싱 내에 유리 멜트를 유지하기 위해 (관통 개구의 영역을 제외하고) "폐쇄" 표면이다. 즉, 위에서 보여진 바와 같이, 상부 표면은 연속적이고, 노즐들로서 사용되거나 (별개의) 노즐들을 통합하기 위해 제공되는 다수의 관통 개구를 포함하고, 이들의 하부 단부에서 팁 플레이트의 하부 표면을 돌출할 수 있다.

팁 플레이트의 하부 표면 (부싱의 바닥) 은 반드시 폐쇄될 필요는 없다 (상부 표면에 대해 이전에 규정된 바와 같은 의미에서). 이는 새롭고 유리한 패턴으로, 즉 "솔리드" 선행 기술 설계와 비교하여 상이한 구조적 특징으로 상부 표면 아래의 팁 플레이트의 임의의 섹션을 설계할 수 있게 한다.

일 실시형태는 3D 프린팅이라고도 불리는 적층 가공에 의해 적어도 하나의 섹션이 생성되는 팁 플레이트를 제공한다. 적층 가공은, 예를 들어 개별 섹션 또는 섹션들의 물리적 (특히 구조적) 특성을 적응시키기 위해, 거의 무제한의 구조적 특징의 구현을 가능하게 하며, 이는 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.

팁 플레이트는 그 체적의 적어도 50%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 85% 가 적층 가공에 의해 생성되는 방식으로 설계될 수 있으며, 이는 또한 100% 일 수 있다. 하나 이상의 섹션은 개별적으로 제조된 다음, 하나의 공통 팁 플레이트로 (예를 들어, 용접에 의해) 조립될 수 있다. 하나의 공통 적층 가공 공정에서 팁 플레이트 (그 섹션들 전부) 를 제조하는 것이 또한 가능하며, 따라서 하나의 공통 모놀리식 팁 플레이트를 획득하는 것이 가능하다. 양 실시형태는 전술한 바와 같이 맞춤 방식으로 인접한 팁 플레이트 섹션들 사이에 전이 구역을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태는 적어도 하나의 중공 공간을 갖는 상부 표면 아래의 적어도 하나의 섹션을 특징으로 한다. 이러한 중공 공간은 폐쇄된 포어, 아래에서 상부 표면을 향해 연장되는 색 포어 (sack pore) (함몰부), 팁 플레이트 보디 내에서 또는 내로 상부 표면에 실질적으로 평행하게 연장되는 슬릿, 및/또는 임의의 다른 구조적 수단일 수 있다. 이 실시형태는 중공 공간들이 폐쇄된 상부 표면과 폐쇄된 하부 표면 사이에 배열되는 설계를 포함한다.

다른 실시형태에 따르면, 상부 표면 아래의 적어도 하나의 (추가) 섹션은 그리드형 구조, 예를 들어 허니콤 구조와 같은 격자 구조를 특징으로 한다. 다시, 이 실시형태는 또한 폐쇄된 하부 보디 표면으로 구현될 수 있다. 적층 가공은 특정 용도를 위한 개별 팁 플레이트의 맞춤 설계를 가능하게 하는 구조를 허용한다. 대응하는 소프트웨어 프로그램은 저장되고 나중에 임의의 시간에 다시 사용되어 섹션(들) 또는 팁 플레이트의 1:1 카피를 생성할 수 있어서, 심지어 매우 긴 생산 시간에 걸쳐 그리고 새로운 팁 플레이트에 의한 사용된 팁 플레이트의 임의의 교체와는 독립적으로, 0 을 향한 제조 공차로 매우 일정한 제조 조건을 가능하게 한다.

상기한 옵션들은 실질적으로 더 적은 재료가 요구되지만 대응하는 섹션들의 양호한 강도들을 초래한다.

(그리드형 구조와 같은) 감소된 밀도의 구조를 갖는 섹션은 재료 및 비용의 감소를 초래하거나, 그 섹션(들)에서 (솔리드 선행 기술의 구조와 비교하여 더 많은 재료를 필요로 함이 없이) 팁 플레이트의 전체 두께를 증가시키는 데 사용될 수 있으며, 이는 또한 기계적 강도의 증가를 초래한다.

일반적인 팁 플레이트의 사용 수명은 종종 유리 멜트의 하중 하에 부싱 바닥의 변형에 의해 제한된다. 이러한 경우에, 부싱은 새로운 부싱으로 교체되어야 하고, 생산 라인을 중단시키고, 비용을 증가시키며, 새로운 부싱에 의해 상이한 거동의 유리 섬유를 생산할 위험을 증가시킨다. 새로운 설계는 생산된 섬유의 더 긴 사용 수명 및 향상된 품질을 허용한다.

다른 옵션은 좌표계의 x-y 방향으로 적어도 하나의 인접하는 (인접한) 섹션에 비해 적어도 하나의 섹션의 상부 표면과 하부 표면 사이의 거리를 변경하는 것이다. 즉, 이 실시형태는, 적어도 하나의 섹션의 상부 표면과 하부 표면 사이의 거리가 적어도 하나의 인접하는 섹션의 상부 표면과 하부 표면 사이의 거리와 상이한, 팁 플레이트를 특징으로 한다.

인접하는 섹션들은 서로 실질적으로 평행하게 배열될 수 있거나, 실질적으로 동심인 링들로서 배열될 수 있고, 각각의 경우에 로컬 조건들에 따라 인벌류트 프로파일 또는 타원형 형상 또는 임의의 다른 설계를 따르는 경계선들을 가질 수 있다.

보디의 하부 표면은 개시된 바와 같이 (상부 표면에서와 같이) 물리적으로 폐쇄된 표면 또는 중공 구조물 (격자형 구조물, 허니콤 구조물 등 또는 아래로부터 상부 표면으로의 함몰부를 특징으로 하는 구조물) 의 경우에 가상 (상상) 표면일 수 있다.

본 발명에 따른 이러한 모든 옵션은 상당한 재료비 감소를 초래하는데, 이는 상기 부싱 및 그 부품을 위한 일차 금속으로 사용되는, 백금 및 로듐과 같은 고가의 재료 때문에 중요하다.

적어도 2 개의 인접한 섹션들은 요구되는 섹션들에서 유사한 결과들, 즉 상이한 열 전도도 및/또는 상이한 구조적 무결성 (예를 들어, 강도) 을 달성하기 위해 상이한 금속 합금들 및/또는 상이한 열 전도도의 금속 합금들로 제조될 수 있다. 예를 들어, 하나의 섹션은 90m-% 백금 및 10m-% 로듐을 갖는 PtRh 합금으로 제조될 수 있는 반면, 인접한 섹션은 80m% 백금 및 20m% 로듐의 PtRh 합금으로 제조된다.

선행 기술에 따른 금속 시트에서 팁 플레이트의 구조 및/또는 화학적 성질의 변화가 구현하기 불가능하였지만, 새로운 개념은 3D 프린팅 기술 또는 3D 레이저 프린팅이라고도 칭하는 적층 가공에 의해 용이하게 구현될 수 있다.

최종 형상이 다수의 개별 "인쇄" 단계에서 후속적으로 (단계별로) 구축되어 후속 제조 시퀀스들 사이의 레이아웃 (물리적 구조) 을 수정할 수 있기 때문에, 심지어 극단적인 구조, 언더컷, 가장 얇은 격벽 등이 적층 가공에서 실현될 수 있다. 이는 또한 언급된 종류의 부싱에 사용되는 바람직한 금속 및 금속 합금에 대해서도 사실이다.

적층 가공은 다음의 추가적인 이점을 가능하게 한다:

정밀도가 선행 기술에 따른 금속 시트의 제조 (주조, 펀칭) 보다 높다.

더 높은 정밀도 덕분에, 제조 중 재료 손실이 적어진다.

요구되는 재료가 적어져서, 전체 비용이 낮아진다.

3D 프린터는 어디나, 심지어 유리 섬유 제조업체 사이트에도 설치될 수 있다.

부싱 및 그 부품의 외부 디자인의 변화가 필요하지 않고, 즉 본 발명에 따른 팁 플레이트 및 부싱이 선행 기술의 팁 플레이트 및 부싱을 1:1 로 대체할 수 있다.

적층 가공 중 상이한 레이저 강도가 팁 플레이트의 물리적 특성 (구조) 을 더 변화시킬 수 있다.

관통 개구 및/또는 노즐이 적층 가공 동안 원위치 통합될 수 있고, 즉 용접 등 추가적인 제조 단계가 필요하지 않아서, 시간, 비용이 절감되고, 정밀도를 증가시킨다.

치수 그리고 특히 관통 개구 (노즐) 의 단면의 높은 정밀도는 향상된 유리 섬유 치수 및 유리 섬유 특성을 초래한다.

본 발명은 또한, 전술한 바와 같은 팁 플레이트 및 상기 팁 플레이트로부터 하나의 공통 방향으로, 즉 전술한 바와 같은 z 방향에 실질적으로 대응하는 사용 (작동) 위치에서 상향으로 연장되는 벽을 포함하는, 고온 멜트를 수용하기 위한 부싱에 관한 것이다.

팁 플레이트는 상면도에서 직사각형 형상을 가질 수 있고, 그로부터 동일한 방향으로 연장되는 4 개의 벽 세그먼트를 가질 수 있으며, 따라서 멜트를 위한 직육면체 공간을 제한하며, 여기서 벽 세그먼트들은 예를 들어 용접에 의해 또는 가장 바람직하게는, 통상적인 적층 가공 방법에서 팁 플레이트에 단단히 연결된다. 팁 플레이트의 적어도 하나의 섹션 또는 전체 팁 플레이트는 적층 가공에 의해 설계될 수 있지만, 이론적인 구조적 수정이 또한 절삭 등에 의해 실현될 수 있다.

서로 거리를 두고 배열된, 부싱의 적어도 2 개의 벽 세그먼트들은, 비록 다른 가열 방법이 중요하지 않지만, 전형적으로 직류 전류에 의해 부싱 내의 유리 멜트의 가열을 허용하기 위해 전력 공급부에 연결되거나 전력 공급부에 연결될 수 있도록 설계된다.

본 발명의 추가적인 특징은 나머지 본원 명세서뿐만 아니라 종속 청구항들로부터 분명해질 것이다. 이러한 특징들은 명시적으로 배제되거나 기술적으로 쓸모 없지 않다면 결합될 수도 있다.

이하, 첨부된 개략 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1 은 선행 기술을 나타내며, 특정 제조 시간 후에 유리 섬유 부싱의 노즐 (NO) 을 갖는 일반적인 팁 플레이트 (TP) 에 걸친 전형적인 온도 분포를 매우 개략적인 방식으로 개시한다.
도 2 는 본 발명에 따른 팁 플레이트의 실시형태 F-J 를 포함하는, 본 발명에 따른 부싱의 수직 단면도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 팁 플레이트의 도 1 에 따른 측면도 및 상면도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 팁 플레이트의 추가 실시형태의 단면도이다.

도면들에서, 동일한 부분 또는 실질적으로 동일한 기능이나 거동의 부분은 동일한 숫자로 표시된다.

도 2 는 상부 표면 (US) 과 하부 표면 (LS) 을 갖는 직사각형 (저부) 팁 플레이트 (TP) 및 4 개의 측벽 (2 개의 측벽 (W1, W2) 이 표시됨) 을 포함하는 부싱 (BU) 을 나타내고, 상부 표면과 하부 표면 사이에서 팁 플레이트 (TP) 는 대응 노즐 (NO) 로서 설계된 관통 구멍 및 보디 (BO) 를 규정하고, 4 개의 측벽은, 상부 표면 (US) 상에 존재하고 상기 노즐 (NO) 을 통해 그로부터 추출되는 유리 멜트 (GM) 를 위한 공간 (중력에 의한 유동 - 및 유동 방향은 실질적으로 z 방향에 대응하며, 첨부된 좌표계 참조) 을 함께 규정한다.

측벽 (Wl, W2) 및 팁 플레이트 (TP) 는 PtRh 합금 (90m%Pt, 10m%Rh) 으로 제조되고, 서로 용접된다.

팁 플레이트 (TP) 는, 연속 제조 단계에서 다른 하나의 상부에 미세 합금 분말 (입자 100㎛ 미만) 의 하나의 얇은 층을 형성하고 최종 설계에 도달할 때까지 미리 규정된 패턴에 따라 레이저 빔에 의해 분말 재료를 용융시킴으로써, 적층 가공에 의해, 즉 3D 레이저 프린터에서 설계되었다.

도 2 는 특정 유리 멜트, 전력 및 부싱의 전체 크기에 따라, 개별적으로 또는 임의의 조합으로 실현될 수 있는, 팁 플레이트 (TP) 에 대한 가능한 설계의 4 개의 실시형태 (F 내지 J) 를 개략적으로 나타낸다.

섹션 F 의 특징은 다음과 같다:

"폐쇄된" 상부 표면 (US) 아래에는, 지그재그 패턴으로 배열되고 실질적으로 하향으로 "개방된" 얇은 격벽 (PW) 에 의해 규정되는, 격자 구조를 특징으로 하는 섹션이 있고, 즉 본 실시형태에서, 팁 플레이트의 하부 표면 (LS) 은 (상부 표면 (US) 에 대체로 평행한) 가상 표면 (IS) 에 의해 규정되고, 이로부터 함몰부가 상부 표면 (US) 을 향해 z 방향으로 상향 연장된다.

섹션 F 는 기계적 강도가 매우 높지만, 솔리드 섹션에 비해 약 30% 적은 합금 재료를 필요로 한다. 열적 거동은 섹션 F 가 솔리드 플레이트 구조와 비교하여 더 높은 온도를 달성하도록 하는 것이다.

이러한 설계는, 예를 들어, 도 1 의 것과 유사한 팁 플레이트 (TP) 의 핫 스팟 영역 (C) 에서 사용될 수 있다.

섹션 G 는 실질적으로 폐쇄된 하부 표면 (LS) 에 의해 섹션 F 와 상이하여, 상부 표면 (US) 과 하부 표면 (LS) 사이에 두께 dG 가 규정될 수 있다. 섹션 G 의 보디 재료는 폐쇄된 포어 (CP) 를 특징으로 하며, 이는 선행 기술에서 사용된 전체 솔리드 보디 재료 (도 1) 에 비해 이 섹션 G 의 밀도 및 중량을 낮춘다. 상기 포어의 개수 및 크기는 단지 개략적이며, 국부적인 요건에 따라 선택될 수 있다.

섹션 H 는 섹션 G 와 유사하지만 (섹션 H 의 두께 = dG), 그 구조는 서로 병합되어 이 섹션에 스폰지형 구조를 제공하는 포어들을 특징으로 한다.

섹션 J 는 솔리드 팁 플레이트 설계에서 시작하지만, 실질적으로 두께가 감소되어 (dJ = 0.7 dG), 두께 dG 의 솔리드 팁 플레이트 섹션에 비해 30% 의 재료 절감 및 비용 절감은 물론 온도 증가가 가능하다

도 2 의 팁 플레이트의 모든 섹션은 개별적으로 또는 하나의 공통 제조 공정에서 적층 가공에 의해 생성될 수 있다.

일반적으로, 상이한 특성의 섹션들은 표시된 것처럼 x-방향으로뿐만 아니라 대안적으로 또는 추가적으로 y-방향으로 서로를 뒤따를 수 있다.

도 3 은 도 1 의 것과 대체로 동일한 외부 치수의 팁 플레이트 (TP) 를 나타내지만, 도 3 의 팁 플레이트는 적층 가공 (3D 레이저 프린팅) 에 의해 그리고 상이한 섹션들 (A-E) 에서 상이한 구조적 특징들을 갖도록 제조되었다.

도 3a 에 도시된 바와 같이, 섹션 A 및 E 는 수정되었고, 이제 비교적 큰 포어를 특징으로 하여, 밀도를 낮추고 따라서 (도 1 의 실시형태에 따른 것과 동일한 전력의 단서 하에) 그 섹션에서 온도를 증가시킨다. 이 섹션들 A, E 의 전체 (폐쇄된) 다공도는 약 20 부피% 이다.

도 3 의 인접한 섹션들 B, D 는 다시 내부 포어에 의해 도 1 의 섹션들 B, D 와 상이하지만, 섹션들 A, E 에 비해 더 적고 더 작아서, 섹션들 B, D 의 총 (폐쇄된) 다공도는 약 10 부피% 이다.

도 1 및 도 3 의 실시형태들 사이에서 중심 섹션 C 는 변경되지 않았다.

도 3 의 팁 플레이트 (TP) 의 상이한 구조적 특징은, 도 1 의 것과 비교하여, 도 3 의 팁 플레이트 (TP) 가 단부 El 과 단부 E2 (벽 W1, W2) 사이의 실질적으로 일정한 온도 프로파일 (T.A-E 로서 도 3c 에 표시됨), 즉 도 1 의 섹션 C 의 온도와 유사한 온도를 특징으로 한다는 것을 보여준다.

이 온도를 낮추기 위해 (필요하다면), 그리고 따라서 도 3 의 팁 플레이트의 수명 시간을 증가시키기 위해, 이제 전력 공급이 감소될 수 있고, 이는 다시 비용을 절감한다.

도 4a 는 팁 플레이트 (TP) 의 두께만이 W1, W2 의 대향 단부들 사이에서 변화된다는 점에서 도 1 에 따른 선행 기술에 비해 매우 기본적인 개선을 나타낸다. 팁 플레이트의 상부 표면 (US) 의 형상이 도 1 에 따른 것에 대응하지만, 도 4 의 실시형태의 하부 표면 (LS) 은 곡선 방식으로 설계된다. 섹션 A 에서의 두께 dA 는 가장 낮고, 섹션 C 를 향해 실질적으로 연속적으로 증가하며, 두께 dC 는 그 실시형태에서 가장 크고 (dC 는 약 1.5 dA 임), 그 후 섹션 D 및 E 를 향해 다시 감소하고, dD 는 dA 보다 약간 더 크다 (약 15%). 문제없이 맞춤 방식으로 적층 가공에 의해 실현될 수 있는 이러한 수단에 의해, 팁 플레이트 (TP) 내의 온도 분포는 도 4b 에 도시된 바와 같이 균질화될 수 있다.

일반적으로, 이 실시형태는 좌표계의 임의의/모든 방향(들)에서 팁 플레이트의 하부 표면 및/또는 상부 표면의 볼록한 형상 (만곡형, 아치형, 캠버형 형상) 으로 표현된다. 즉, 팁 플레이트는 또한 y-방향으로 (그리고 도시된 바와 같이 x-방향으로도) 만곡된 상부 표면을 특징으로 할 수 있다. 단차가 없는 매끄러운 표면은 그 두께의 변화에 의해 규정되는 이 실시형태의 팁 플레이트 내에서 가장 균일한 온도 분포 및 강도를 달성하기에 바람직하다. 도 2, 도 3 과 관련하여 개시된 바와 같은 본 발명의 추가적인 특징들이 또한 이 실시형태에 통합될 수 있다.

모든 도면의 노즐 (NO) 은 더 나은 예시를 위해 매우 개략적인 방식으로 표시되었다. 전형적으로, 최대 8000 개의 노즐 (팁) 이 하나의 팁 플레이트 내에 배열된다.

새로운 설계의 이점은 다음과 같다:

훨씬 적은 재료를 필요로 하므로, 훨씬 저렴하다.

전체 표면적에 걸쳐 실질적으로 균질한 온도 분포를 초래한다.

치수가 훨씬 더 정확하다.

노즐 (NO) 은 적층 가공 동안 그리고 더 높은 정밀도로 원위치 형성될 수 있다.

표면적당 더 많은 수의 노즐이 통합되어, 표면적당 생산량이 높아질 수 있다.

팁 플레이트의 기계적 강도가 증가하므로, 부싱의 교체는 단지 오랜 사용 수명 후에 요구된다.

일정한 품질.

Claims (15)

1. 고온 멜트 (GM) 를 수용하기 위한 부싱 (BU) 용 팁 플레이트 (TP) 로서, 그의 작동 위치에서, 좌표계의 x-y 방향으로 연장되는 상부 표면 (US), 상기 상부 표면 (US) 에 대한 거리 (d) 에 있는 하부 표면 (LS), 및 상기 상부 표면과 상기 하부 표면 사이의 보디 (BO), 그리고 적어도 상기 상부 표면 (US) 과 상기 하부 표면 (LS) 사이에서 연장되는 다수의 노즐형 관통 개구 (NO) 를 포함하고, 상기 관통 개구를 통해 상기 멜트 (GM) 가 좌표계의 z 방향으로 부싱 (BU) 을 떠날 수 있고, 좌표계의 x-y 방향으로 서로 인접하는, 상기 팁 플레이트 (TP) 의 적어도 2 개의 섹션들 (A-B, B-C, C-D, D-E, F-G, G-H, H-J) 이 상이한 물리적 특성, 상이한 화학적 조성 또는 둘 다를 갖는, 팁 플레이트 (TP).
2. 제 1 항에 있어서,
   적어도 하나의 섹션 (A...J) 이 적층 가공 (additive manufacturing) 에 의해 생성되는, 팁 플레이트 (TP).
3. 제 2 항에 있어서,
   체적의 적어도 50% 가 적층 가공에 의해 생성되는, 팁 플레이트 (TP).
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 상부 표면 (US) 은 상기 관통 개구 (NO) 의 면적을 제외한 폐쇄된 표면인, 팁 플레이트 (TP).
5. 제 1 항에 있어서,
   적어도 하나의 함몰부 (DE) 가 적어도 하나의 섹션 (F) 의 하부 표면 (LS) 으로부터 상기 보디 (BO) 내로 연장되는, 팁 플레이트 (TP).
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 상부 표면 (US) 아래의 적어도 하나의 섹션 (A, B, D, E, G, H) 이 적어도 하나의 중공 공간 (CP) 을 특징으로 하는, 팁 플레이트 (TP).
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 상부 표면 (US) 아래의 적어도 하나의 섹션 (F) 이 격자 구조를 특징으로 하는, 팁 플레이트 (TP).
8. 제 1 항에 있어서,
   적어도 하나의 섹션 (J) 의 상부 표면 (US) 과 하부 표면(LS) 사이의 거리 (dJ) 가 적어도 하나의 인접한 섹션 (H) 의 상부 표면 (US) 과 하부 표면 (LS) 사이의 거리 (dH) 와 상이한, 팁 플레이트 (TP).
9. 제 1 항에 있어서,
   적어도 2 개의 인접한 섹션들이 상이한 금속 합금들로 제조되는, 팁 플레이트 (TP).
10. 제 1 항에 있어서,
    적어도 90 질량% 의 PtRh 합금을 포함하는, 팁 플레이트 (TP).
11. 제 1 항에 따른 팁 플레이트 (TP) 및 상기 팁 플레이트 (TP) 로부터 z-방향으로 연장되는 적어도 하나의 벽 (Wl,2) 을 포함하는, 고온 멜트 (GM) 를 수용하기 위한 부싱 (BU).
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 팁 플레이트 (TP) 는 상면도에서 직사각형 형상을 갖고, 그로부터 동일한 방향으로 연장되는 4 개의 벽 세그먼트들 (W1, W2) 을 가져서, 멜트 (GM) 를 위한 직육면체 공간을 제한하고, 상기 벽 세그먼트들 (W1, W2) 은 상기 팁 플레이트 (TP) 에 단단히 연결되는, 부싱 (BU).
13. 제 11 항에 있어서,
    적어도 2 개의 벽 세그먼트들 (W1, W2) 이 서로 거리를 두고 배열되고 전력 공급부 (F1, F2) 에 연결되는, 부싱 (BU).
14. 제 10 항에 있어서,
    상기 팁 플레이트 (TP) 의 적어도 하나의 섹션 (A...J) 이 적층 가공에 의해 생성되는, 부싱 (BU).
15. 제 10 항에 있어서,
    적층 가공에 의해 생성된 팁 플레이트 (TP) 를 갖는, 부싱 (BU).

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