LV15390B - Dobu minisfēru konstrukcija un tās izgatavošanas paņēmiens - Google Patents

Abstract

1. Konstrukcija, kas sastāv no savstarpēji saistītām dobām metāla minisfērām ar diametru D, kuras satur vismaz vienu caurejošu atveri, turklāt viena vai vairākas no minētajām minisfērām neobligāti ir aizpildītas ar šķidrumu, atšķiras ar to, ka minētās atveres diametrs d ir diapazonā no 0,01 D līdz 0,30 D. 2. Dobu minisfēru konstrukcijas saskaņā ar 1. pretenziju izgatavošanas paņēmiens, kas ietver šādus secīgus soļus: a) dobu minisfēru ar diametru D sagatavošana; b) dobu minisfēru izvietošana telpā citu virs citas; c) vismaz vienas caurejošas atveres izveidošana minisfēras sieniņā ar lāzera stara iedarbību, turklāt atveres diametrs d ir diapazonā no 0,01 D līdz 0,30 D; d) dobu minisfēru savienošana ar lāzermetināšanu, uzsildot minisfēru kontakta zonu caur atveri minisfēras sieniņā. 3. Paņēmiens saskaņā ar 2. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka tas ietver šādus secīgus soļus: a) dobas minisfēras pildīšana ar šķidrumu: ūdeni, polimēru maisījumu vai eļļām; b) аtveru hermetizācija, lai nepieļautu šķidruma noplūdi no minisfēru dobumiem, izmantojot hermetizējošu lodēšanas pastu uz metāla pulvera bāzes. 4. Paņēmiens saskaņā ar 2. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka tas ietver minisfēras sieniņas atveres hermetizāciju ar viegli kūstošu materiālu, kurā kušanas temperatūra ir zemāka par minisfēru materiāla kušanas temperatūru.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS [001] Izgudrojums attiecas uz mašīnbūves, pulvermetalurģijas un aditīvās ražošanas (no angļu valodas Additive Manufacturing) tehnoloģijām, tā lietošanas joma ir lidmašīnu, automobiļu, ķīmiskās rūpniecības iekārtu un sadzīves tehnikas detaļu izgatavošana no kompozītmateriāliem.

Zināmais tehnikas līmenis [002] Ir zināmas konstrukcijas no dobām metāliskām vai keramiskām minisferām, kas ir savstarpēji līmētas vai metinātas [1]. Šīs konstrukcijas raksturo viegla masa un tām piemīt augsta īpatnējā izturība. Trūkums ir zema materiāla spiedes stiprība, kas ierobežo lietošanu.

[003] Ir zināmas konstrukcijas no dobām, slāņainām, metāliskām minisferām, kas ir savstarpēji sastiprināta ar konstrukciju un tās ir impregnētas ar vara sakausējumu [2]. Šīm konstrukcijām piemīt augstāka termiskā stabilitāte nekā līmētām konstrukcijām. To trūkums ir samazināta gāzu un šķidrumu caurlaidība, kas ierobežo lietošanu.

[004] Ir zināmas konstrukcijas, kas ietver ar gāzi pildītas dobās minisferas [3]. Konstrukcijām paredz plašu lietojumu enerģētikas jomā, bet nav zināmas šādu konstrukciju efektīvas ražošanas tehnoloģijas.

[005] Ir zināmas konstrukcijas no metāliskām minisferām, kas ir pildītas ar metāla vai keramikas pulverveida materiālu, tad tās ir saķepinātas, veidojot slāņaini izvietotu minisferu bloku [4]. Šādai konstrukcijai piemīt paaugstināta karstumizturība. Tās trūkumi ir samazināta porainība un gāzu un šķidrumu caurlaidība, kas ierobežo lietošanu.

[006] Ir zināmas konstrukcijas no metāliskām minisferām, kas ir veidotas, saķepinot tās kopā savā starpā [5]. Trūkumi ir samazināta porainība, kā arī samazināta gāzu un šķidrumu caurlaidība.

[007] Ir zināmas konstrukcijas no dobām minisferām, kurās, pirms veidot konstrukciju, ievietota cieta viela [6]. Minisferu izmēri ir no 500 pm līdz 10 mm. Ir iespējams izveidot konstrukcijas ar mainīgām termofizikālām īpašībām un spējām absorbēt vibrācijas, mainot cietā kodola novietojumu minisferas dobumā. Trūkums ir tās izgatavošanas sarežģītība, jo nepieciešams piestiprināt cietu kodolu pie minisferas sienas.

[008] Ir zināmas arī konstrukcijas no perforētām dobām metāliskām minisferām, kas savā starpā ir saķepinātas vai salīmētas [7]. Šāds risinājums, ieskaitot pašu konstrukciju un to veidošanas paņēmienu, ir pieņemts par prototipu. Minisferu termiskās apstrādes laikā perforācijas caurumi veidoti minisferu sienu mikroeksplozijas no iekšpuses dēļ. Perforācijas caurumi ir nepieciešami, lai aizpildītu iekšējo sfēras tilpumu ar matricas materiālu, kas var būt gāze, šķidrums vai pulveris. Izvēloties pildmateriālus ar nepieciešamām siltuma īpašībām, iespējams mērķtiecīgi ietekmēt konstrukcijas kopējo siltumvadītspēju un siltuma kapacitāti. Tomēr prototipam ir trūkums: perforācijas caurumi ir neregulāri pēc formas un izmēra, un to izvietojums uz minisferas virsmas ir haotisks. Tas neļauj izveidot regulāra rakstura savā starpā savienotu minisferu struktūru.

Izgudrojuma mērķis un būtība [009] Izgudrojuma mērķis ir izveidot jaunu dobu minisferu konstrukciju ar paplašinātām funkcijām, tai skaitā, akustiskā trokšņa absorbcija, vibrācijas slāpēšana, kontrolēta siltuma kapacitāte un siltuma padeve, kā arī šo īpašību kombinācija. Izgudrojuma kompozītmateriālu konstrukcija veidota no regulāri izvietotām doba metāla minisferām, kuras īpašību modificēšana notiek, mainot minisferu telpisko izvietojumu un iekšējo pildījumu. Izgudrojuma mērķis ir arī piedāvāt dobu minisferu konstrukcijas izgatavošanas paņēmienu, izmantojot lokālo iedarbību uz minisferu saskares vietām.

[010] Izgudrojuma konstrukcija sastāv no minisferām, kas atšķiras no prototipa ar to, ka minisferu sieniņas satur vismaz vienu caurejošu atveri, kuras diametrs d ir diapazonā no 0,01D<d<0,3D, kur D - minisferu diametrs. Minisferas var aizpildīt ar zemas viskozitātes šķidrumu, kas var būt polimēru un sāļu ūdens šķīdums vai eļļa. Atveres iespējams aizvērt ar viegli kūstošu materiālu, kura kušanas temperatūra ir zemāka par minisferu materiāla kušanas temperatūru.

[011] Izgudrojuma dobu minisferu konstrukcijas izgatavošanas paņēmiens ietver šādus secīgus soļus: a) dobu minisferu sagatavošana (piemēram, 10-100 pm biezo metāla slāni uzputinot uz sfērisku daļiņu ar diametru 3-5 mm, kas ir izgatavota no putupolistirola ar secīgu tās izkušanu sildīšanas dēļ); b) dobu minisferu izvietošana telpā, tas ir, citu virs citas; c) vismaz vienas caurejošas atveres izveidošana minisferas sieniņā ar lāzera stara ietekmi; d) dobu minisferu savienošanu ar lāzera metināšanu, uzsildot minisferu kontakta zonu caur atveri minisferas sieniņā.

[012] Dobās minisferas var izgatavot no metāliskā materiāla (tai skaitā ar magnētiskām īpašībām) vai keramikas. Dobās minisferas var būt daudzslāņu minisferas, kur iekšējais apvalks var būt no metāla vai keramikas, bet uz virsmas ir uzsmidzināts cits metāls.

[013] Izgudrojums ir skaidrots ar šādiem zīmējumiem:

1. zīm. Dobu minisferu konstrukcijas izgatavošanas shēma ar lāzera palīdzību, kas izdedzina minisferu no vienas puses: I pozīcija - pirmās (1) un otrās (2) minisferas pozicionēšana; II pozīcija - pirmās minisferas (1) sienas perforēšana ar lāzeru staru; III pozīcija - pirmās (1) un otrās (2) minisferas savienojums ar kontakta zonas sildīšanu ar lāzera staru. D ir minisferas diametrs, d ir atveres diametrs minisferas sieniņā. Bultiņa apzīmē lāzera staru.

2. zīm. Dobu minisferu konstrukcija, izveidota ar lāzera palīdzību, kas izdedzina minisferas (1) un (2) no divām pretējām pusēm. Bultiņa apzīmē lāzera staru.

3. zīm. Dobu minisferu konstrukcija, izveidota ar lāzera palīdzību, kas izdedzina minisferas (1) un (2) no četrām pusēm. Bultiņa apzīmē lāzera staru.

4. zīm. Dobu minisferu konstrukcija, izveidota ar lāzera palīdzību, turklāt minisfera (1) ir piestiprināta pie plāksnes (3) no vienas puses. Bultiņa apzīmē lāzera staru.

5. zīm. Dobu minisferu konstrukcija, izveidota ar lāzera palīdzību, turklāt minisfera (1) ir piestiprināta pie plāksnes (3) no abām pusēm. Bultiņa apzīmē lāzera staru.

6. zīm. Dobu minisferu konstrukcija, kur mazākās minisferas (1) ir piestiprinātas pie lielākas minisferas (2) no vairākām pusēm.

7. zīm. Konstrukcijas ar pildītām minisferām izgatavošanas shēma: I pozīcija - perforētas minisferas (1) aizpildīšana ar šķidrumu; II pozīcija - hermetizējošas lodēšanas pastas uzklāšana uz perforēta cauruma; III pozīcija - caurumi minisferas (1) ir aizlodēti ar lāzera palīdzību, tādējādi saglabājot šķidro vai cieto fāzi minisferas iekšienē uz ilglaicīgu periodu. Bultiņa apzīmē lāzera staru.

Izgudrojuma realizācijas piemēri

1. piemērs:

[014] Konstrukcija no divām tērauda minisferām ar diametru D = 3 mm un sienas biezumu 150 pm (1. zīm.). Minisferas (1) un (2) ir novietotas viena uz otras tā, lai veidotos virsmu kontakts (I pozīcija). Uz minisferu (l) iedarbojas ar lāzera impulsu ar intensitāti 200-250 mJ ar impulsa ilgumu 0,10-0,15 sekundes un lāzera stara platumu 0,4 mm, kas ir pietiekams, lai iegūtu caurejošu atveri ar diametru d = 0,4-0,5 mm minisferas sienā (1) (II pozīcija). Lāzera stara darbības virziens iet pa iedomātu līniju, kas iet caur minisferu centriem. Pēc atveres izveidošanas minisferā (1) lāzera pozīciju saglabā nemainīgu tā, lai nākamais lāzera stara impulss sasniedz kontaktpunktu starp minisferām (1) un (2). Nākamais lāzera stara impulss caur atveri minisferā (1) iedarbojas uz minisferas kontaktpunktu starp sfērām (1) un (2), sasilda to un veic minisferu (1) un (2) metināšanu (III pozīcija).

2. piemērs:

[015] Konstrukcija no trim (2. zīm.) vai vairākām (3. zīm.) tērauda dobām minisferām ar diametru 5 mm. Konstrukcijas izgatavošanas paņēmiens atšķiras no 1. piemēra ar to, ka lāzera iedarbība nav vienpusīga, bet ir veikta no abām pusēm. Turklāt lāzera starojums ir virzīts gar minisferas asīm.

3. piemērs:

[016] Konstrukcija no dobām minisferām, kas ir izgatavotas saskaņā ar 1. vai 2. piemēru, bet pēc caurejošu atvēru izveides minisferas (1) piemetina pie plakanās plāksnes (3), turklāt minisferas (1) izvieto no vienas plāksnes (3) puses (4. zīm.) vai no abām plāksnes (3) pusēm (5. zīm.).

4. piemērs:

[017] Konstrukcija no dobām minisferām, kas ir izgatavota saskaņā ar 2. piemēru, bet minisferu (2), kas ir izvietota konstrukcijas centrā, izgatavo ar ievērojami lielāku diametru (10 mm) nekā minisferas (1) diametrs (3 mm). Minisferas (1) izvieto pa minisferas (2) aploci (6. zīm.). Šāda veidā var izveidot liela izmēra telpiskas konstrukcijas.

5. piemērs:

[018] Konstrukcija no dobām minisferām, kas ir izgatavota saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 4. piemēram, bet dobās minisferas (1) ir pildītas ar šķidrumu: ūdeni, polimēru maisījumu vai eļļām (7. zīm., I pozīcija). Pildīšanu veic, piemēram, konstrukciju iegremdējot tvertnē ar šķidrumu un radot tajā hidraulisko spiedienu. Atveru hermetizācijai, lai nepieļautu šķidruma noplūdi no minisferu dobumiem, uz atverēm uznes hermetizējošu lodēšanas pastu uz metāla pulvera bāzes (11 pozīcija). Tad uz atveri iedarbojas ar impulsa lāzeru, lai lokāli sasildītu cietlodēšanas pastu, kas pēc šis iedarbības sacietē (III pozīcija). Lodēšanas pastas vietā uz atveres virsmu ir iespējams uznest izkausētu viegli kūstošu materiālu, kas sacietē istabas temperatūrā, piemēram, ātri sacietējošus epoksīda sveķus.

Izmantotie informācijas avoti

1. Петров M.A. и др. Современные методы получения полых металлических микросфер. Известия Московского государственного технического университета МАМИ. №2/том 2/201 с.144-150.

2. Davoine С., Popoff F., Gotzfried A., Raffray A., Ruquetz J. A new cellular material made with ball chains. No: Cellular materials - Cellmat 2010. 27-29.10.2010, Dresden, 2025. Editors: Dr. Gunter Stephani, Cornelia Muller Fraunhofer Institute for Manufacturing and Advanced Materials IFAM, Branch Lab Dresden.

3. ONERA. Method for preparing a cellular material based on hollow metal beads. Rafray A., Auffray N., Bouchet R., Josso P., Lozat J., Marcadon V. Method for preparing a cellular material based on hollow metal beads. W02009150314 A3.

4. Marcadon V., Passily B., Davoine C., Gotzfried A., Leroy F-H. No: Proceedings ICEM 2010, 14th Int. Conf. Experimental Mechanics.Vol. 6., 2010. ISBN 978-3-319-41766-0.

5. Miyoshi R., Yoshimura H., Mihara Y. Consolidation of metallic hollow spheres structure by electrical heating. No: Cellular materials - Cellmat 2010. 27-29.10.2010, Dresden, pp.27-33. Editors: Dr. Gunter Stephani, Cornelia Muller Fraunhofer Institute for Manufacturing and Advanced Materials IFAM, Branch Lab Dresden.

6. Ochsner A., Augustin C. Multifunctional Metallic Hollow Spheres Structure. Manufacturing, Properties and Application. Springer. 2009. ISSN 1612-1317.

7. Hosseini S.M.H., Merkel M., Ochsner A. Finite element simulation of the thermal conductivity of perforated hollow sphere structures (PHSS): Parametric study. Materials Letters. 2009, 63(13-14), pp. 1135-1137.

Claims (4)

1. PRETENZIJAS

   1. Konstrukcija, kas sastāv no savstarpēji saistītām dobām metāla minisferām ar diametru D, kuras satur vismaz vienu caurejošu atveri, turklāt viena vai vairākas no minētajām minisferām neobligāti ir aizpildītas ar šķidrumu, atšķiras ar to, minētās atveres diametrs d ir diapazonā no 0,01 D līdz 0,30 D.
2. 2. Dobu minisferu konstrukcijas saskaņā ar 1. pretenziju izgatavošanas paņēmiens, kas ietver šādus secīgus soļus:

   a) dobu minisferu ar diametru D sagatavošana;

   b) dobu minisferu izvietošana telpā citu virs citas;

   c) vismaz vienas caurejošas atveres izveidošana minisferas sieniņā ar lāzera stara iedarbību, turklāt atveres diametrs d ir diapazonā no 0,01 D līdz 0,30 D;

   d) dobu minisferu savienošana ar lāzermetināšanu, uzsildot minisferu kontakta zonu caur atveri minisferas sieniņā.
3. 3. Paņēmiens saskaņā ar 2. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka tas ietver šādus secīgus soļus:

   a) dobās minisferas pildīšana ar šķidrumu: ūdeni, polimēru maisījumu vai eļļām;

   b) atveru hermetizācija, lai nepieļautu šķidruma noplūdi no minisferu dobumiem, izmantojot hermetizējošu lodēšanas pastu uz metāla pulvera bāzes.
4. 4. Paņēmiens saskaņā ar 2. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka tas ietver minisferas sieniņas atveres hermetizāciju ar viegli kūstošu materiālu, kurā kušanas temperatūra ir zemāka par minisferu materiāla kušanas temperatūru.