本發(fā)明涉及薄壁燒結(jié)部件及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及共燒結(jié)的模塊化結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、通過粉末工藝生產(chǎn)的部件必須進(jìn)行燒結(jié)，以使成形粉末預(yù)成型件能夠固結(jié)成塊狀材料。通過燒結(jié)粉末材料制備部件是眾所周知的，這包括用粉末材料形成部件，通常使用粘合劑使其保持形狀。這被稱為生坯。接下來在稱為脫膠的工藝中部分去除粘結(jié)劑，以提高粉末材料在最終部件中的百分比。一旦去除，該部件就被稱為棕坯；棕坯是準(zhǔn)備進(jìn)行燒結(jié)的坯體。替代地，可以使用如ep3661673a1中所述的非消耗性功能粘結(jié)劑產(chǎn)品來生產(chǎn)粉末壓塊，從而省去生坯階段。

2、通過加熱燒結(jié)棕坯導(dǎo)致粉末材料顆粒聚結(jié)以形成均質(zhì)部件。部件的最終密度取決于加熱時(shí)間和溫度下棕坯的燒結(jié)程度，并用純粉末材料的密度百分比表示。即如果最終部件的密度為粉末材料的密度的一半，則稱為50％密度，而密度與粉末材料的密度相同的部件則稱為100％或完全燒結(jié)。

3、創(chuàng)建生坯的一種方法是使用粉末床加工工藝，例如粘結(jié)劑噴射增材制造(binder-jet?additive?manufacturing)。粘結(jié)劑噴射增材制造的工作原理是分層構(gòu)建組件。將一層粉末材料鋪展在構(gòu)建平臺的整個(gè)區(qū)域上，并在部件的橫截面上將粘結(jié)劑添加至粉末，以將粉末在該橫截面上粘合在一起。添加另一層粉末，并再次在部件的橫截面上將粘結(jié)劑添加到粉末中。粘結(jié)劑將部件所需的后續(xù)層的粉末以及后續(xù)層粘合至前一層。重復(fù)該過程直到部件達(dá)到其全部高度，從而使部件包含在未使用的粉末材料體內(nèi)。未添加粘結(jié)劑的多余粉末仍然可以自由移動(dòng)，必須在燒結(jié)部件之前將其除去，以防止其在燒結(jié)過程中包含在最終部件中。在燒結(jié)過程中，部件被加熱，粉末顆粒聚結(jié)形成最終部件。由于在燒結(jié)過程中減少或去除了粉末顆粒之間的空隙，最終的燒結(jié)部件小于生坯或棕坯。

4、燒結(jié)、特別是燒結(jié)通過粘結(jié)劑噴射增材制造(也稱為粘結(jié)劑噴射)創(chuàng)建的棕坯在尺寸和/或復(fù)雜性方面受到限制。部件越復(fù)雜，能夠使用上述燒結(jié)工藝生產(chǎn)的尺寸就越受限。特別是粘結(jié)劑噴射，其所能制造的部件的物理尺寸在任何一個(gè)方向上都限制在60毫米左右。較大的部件在燒結(jié)過程中會發(fā)生斷裂，其中特征長度上的收縮會生成導(dǎo)致斷裂的應(yīng)力。因此，不可能使用傳統(tǒng)的粘結(jié)劑噴射制造方法來制造較大的物品。

5、這里所說的高分辨率增材制造是指最小壁厚小于0.2毫米，需要使用粉末床制造工藝，如粘結(jié)劑噴射，在這種工藝中，粉末被結(jié)合在一起，形成異質(zhì)散裝材料。當(dāng)使用粉末床制造工藝來制造生坯時(shí)，如果設(shè)計(jì)中存在內(nèi)部空隙，則制造過程需要在初始粉末結(jié)合過程結(jié)束時(shí)用粉末填充這些空隙。要清除這些空隙可能很困難，甚至不可能。在本發(fā)明的方法中，這些內(nèi)部空隙可以移到生坯的表面，然后可以將該生坯結(jié)合到互補(bǔ)的生坯以形成均質(zhì)部件。這減小了可以實(shí)現(xiàn)的最小通道直徑，允許相對較大的空腔具有小孔口和內(nèi)部空腔表面上的復(fù)雜細(xì)節(jié)(它們否則將容納粉末)，因?yàn)榭梢院翢o困難地從開放區(qū)域去除粉末。

6、粉末床粘結(jié)劑噴射技術(shù)(尤其是噴射金屬粉末材料)可以生產(chǎn)出整體部件尺寸相對較小的高分辨率部件。目前的技術(shù)可以生產(chǎn)較大的部件，但如果沒有高成本、復(fù)雜的減材加工或去除多余材料的化學(xué)處理，就無法實(shí)現(xiàn)高分辨率特征。

7、如果存在錯(cuò)綜復(fù)雜的內(nèi)部空腔、特別是如果這些空腔的開口很小、包括內(nèi)部表面細(xì)節(jié)或者形成穿過部件的非線性通道，那么在粘結(jié)劑噴射增材制造工藝之后也難以或者不可能清除多余的粉末。

8、因此，本發(fā)明解決了用增材制造技術(shù)制造高精細(xì)大型部件的兩大主要挑戰(zhàn)：

9、1.允許實(shí)施粘結(jié)劑噴射工藝，以生產(chǎn)尺寸大于燒結(jié)工藝限制條件的部件。

10、2.減少清除粉末的挑戰(zhàn)，允許使用薄截面管和薄壁特征。

11、3.將高分辨率特征與大整體尺寸相結(jié)合。

12、粘結(jié)劑噴射部件的薄壁可被看作小于2毫米，然而，壁也可能是0.45毫米，0.1毫米的非流體保持結(jié)構(gòu)(如散熱用翅片)也是可能的。

13、本發(fā)明方法特別有益的應(yīng)用包括：

14、在液體和氣體之間、兩種液體之間或兩種氣體之間傳遞熱能的高效換熱器。為了達(dá)到高效換熱器所需的熱能傳遞規(guī)模，對于大多數(shù)應(yīng)用而言，熱交換器的最大尺寸將大大超過目前使用粘結(jié)劑噴射所能達(dá)到的尺寸。一個(gè)例子是用于超高旁通比渦輪風(fēng)扇齒輪箱的潤滑油冷卻劑。第二個(gè)例子是冷凝器或蒸發(fā)器等兩相流熱交換器的設(shè)計(jì)。封閉體積的大表面積可促進(jìn)高效相變。

15、該方法還適用于生產(chǎn)高度復(fù)雜的散熱器結(jié)構(gòu)。此例子包括電力電子設(shè)備散熱器、核聚變散熱器和電池冷卻散熱器。

16、熱交換器的效率取決于在一定體積內(nèi)，熱交換器能將多少熱能從一種氣體或液體(在此統(tǒng)稱為流體)轉(zhuǎn)移到另一種流體。影響這一效率的因素包括暴露在流體中的換熱表面的表面積、流經(jīng)芯體的速度和類型以及換熱器的熱質(zhì)量。

17、傳統(tǒng)的熱交換器，特別是換熱器的芯體包括鋁管或其他具有高熱導(dǎo)率的金屬管(流體流經(jīng)這些管)，還包括外表面上的翅片以增加這些管外部的傳熱表面積。這些翅片必須與管連接，翅片和連接處不可避免地會增加熱質(zhì)量，降低流體之間的熱傳遞速度。傳統(tǒng)換熱器的形狀也受到其制造技術(shù)的限制。管本質(zhì)上是直的，制作翅片的片材本質(zhì)上是平的，因此很難如非均勻結(jié)構(gòu)一樣實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀、特別是具有復(fù)合曲率的形狀。此外，這些排列方式也很難實(shí)現(xiàn)流量控制，尤其是管內(nèi)的流量控制。

18、本發(fā)明允許制備出具有新型結(jié)構(gòu)的換熱器，其具有較低的熱質(zhì)量、增大的表面積與體積比并且可以控制每種流體行經(jīng)芯體的流動(dòng)類型和路徑。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，換熱器可以制成任何形狀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的各個(gè)方面和/或?qū)嵤├荚谔峁┮环N由粉末工藝制作部件的改進(jìn)方法。特別是采用粘結(jié)劑噴射增材制造技術(shù)的部件。

2、根據(jù)第一方面，提供了一種制造薄壁燒結(jié)部件的方法，包括：采用粘結(jié)劑噴射增材制造技術(shù)制造多個(gè)子部件，在第一加熱步驟中加熱多個(gè)子部件，以至少部分燒結(jié)所述子部件；組裝所述子部件以形成子部件組件，所述子部件組件具有一個(gè)或多個(gè)結(jié)合界面，相鄰子部件的結(jié)合面在所述結(jié)合界面處交界，在第二加熱步驟中加熱子部件組件以將子部件結(jié)合在一起形成部件。

3、所述子部件包括成形粉末預(yù)型件，所述成形粉末預(yù)型件包括粉末材料和粘結(jié)劑。所述子部件具有外表面，所述外表面包括具有一個(gè)或多個(gè)結(jié)合面的一個(gè)或多個(gè)突出部分，所述結(jié)合面被構(gòu)造為與相鄰子部件的一個(gè)或多個(gè)結(jié)合面中的至少一個(gè)連接。所述子部件還可包括用于在燒結(jié)的部件中、在子部件之間限定出空腔的凹陷部分。

4、在一個(gè)實(shí)施例中，在第二加熱步驟中結(jié)合的燒結(jié)的子部件能夠提供比采用現(xiàn)有技術(shù)工藝可得尺寸更大且更加復(fù)雜的燒結(jié)部件。特別是包括復(fù)雜內(nèi)部細(xì)節(jié)或通道的形狀。

5、選擇性地，第一加熱步驟部分燒結(jié)所述子部件，第二加熱階段進(jìn)一步燒結(jié)所述部件。

6、在一些實(shí)施例中，在第一加熱步驟中部分燒結(jié)子部件有利地允許在保持燒結(jié)部件密度較低的同時(shí)實(shí)現(xiàn)上文列出的優(yōu)勢。

7、選擇性地，第一加熱步驟包括完全燒結(jié)子部件。

8、在一些實(shí)施例中，在第一加熱步驟完全燒結(jié)子部件可以提供在結(jié)合界面處的改進(jìn)精度，并增強(qiáng)緊密接觸以改進(jìn)在第二加熱步驟中子部件之間的結(jié)合。

9、選擇性地，子部件進(jìn)一步包括內(nèi)表面，所述內(nèi)表面限定出第一通道、第一端和第二端；第一通道從所述第一端至所述第二端延伸穿過所述子部件，并且具有從所述第一端延伸到所述第二端的中心軸線a。

10、選擇性地，所述子部件包括在所述第一端處或附近徑向延伸的各子部件的第一突出部分，還包括在所述第二端處或附近徑向延伸的各子部件的第二突出部分，所述突出部分在燒結(jié)的部件中它們各自的結(jié)合面處相嵌合，使得空腔形成垂直于中心軸線a的第二通道。

11、選擇性地，所述第二加熱步驟包括密封所述子部件之間的結(jié)合界面，使得所述第一通道和/或所述第二通道是單獨(dú)流體密封的。

12、在某些實(shí)施例中，密封子部件之間的結(jié)合界面使得界面流體密封可以使第一通道和/或第二通道單獨(dú)流體密封，從而分別提供流體密封的第一和第二流體流動(dòng)路徑。例如，在燒結(jié)部件是流體對流體換熱器的情況下。

13、選擇性地，創(chuàng)建突出部分，所述突出部分具有橫截面限定成多邊形的外部平面，所述外部面為結(jié)合面，有利地，在子部件組件的相鄰子部件的結(jié)合面之間提供閉合界面。

14、選擇性地，該方法包括在所述第二加熱步驟之前使所述子部件部分脫膠的步驟。

15、在一些實(shí)施例中，在第二加熱步驟之前對子部件進(jìn)行脫膠，其中包括在第一加熱步驟之前對部件進(jìn)行脫膠，這樣做的好處是提供了一種具有更高比例粉末材料的燒結(jié)部件，其可改善燒結(jié)部件的性能。

16、選擇性地，其中子部件組件還包括在所述第二加熱步驟之前在所述子部件之間的結(jié)合界面處增設(shè)結(jié)合材料的步驟。進(jìn)一步地，所述結(jié)合材料可選擇性地包括附加的粉末材料或附加的粉末材料與附加的粘結(jié)劑的混合物。

17、在一些實(shí)施例中，添加附加的粉末材料或粉末材料和粘結(jié)劑可提升結(jié)合界面處的結(jié)合強(qiáng)度。

18、選擇性地，其中在組裝子部件以形成子部件組件之前向子部件添加非粉末加工結(jié)構(gòu)。所述非粉末結(jié)構(gòu)為箔結(jié)構(gòu)。

19、在一些實(shí)施例中，加入非粉末加工結(jié)構(gòu)可以改進(jìn)燒結(jié)部件的結(jié)構(gòu)，或帶來功能上的好處，如改善或增加用于傳熱的表面積，或改變燒結(jié)部件周圍或通過燒結(jié)部件的流體流動(dòng)特性。

20、選擇性地，其中添加所述非粉末結(jié)構(gòu)包括用于將所述非粉末結(jié)構(gòu)結(jié)合至所述子部件的補(bǔ)充加熱步驟。

21、選擇性地，在所述第二加熱步驟中對所述子部件之間的結(jié)合界面施加壓縮力。進(jìn)一步選擇性地，所述子部件的結(jié)合面被布置成重力提供所述壓縮力。

22、進(jìn)一步選擇性地，所述子部件組件被布置在工裝中以進(jìn)行第二加熱步驟從而提供壓縮力。所述工裝的熱膨脹系數(shù)小于所述部件的材料，以在結(jié)合界面處提供壓縮力。所述工裝可選擇性地包括防擴(kuò)散涂層，以防止部件粘附至工裝。

23、在某些實(shí)施方案中，在第二加熱步驟期間在結(jié)合界面處提供壓縮力可有利地提高燒結(jié)部件中子部件之間的結(jié)合強(qiáng)度。

24、選擇性地，所述子部件在第一加熱步驟期間被燒結(jié)至全密度的80-100％。

25、選擇性地，所述子部件在第一加熱步驟期間被燒結(jié)至全密度的98-100％。

26、選擇性地，其中所述子部件在第一加熱步驟期間被燒結(jié)至全密度的80-95％。

27、選擇性地，所述子部件在第一加熱步驟期間被燒結(jié)至全密度的95-99％。

28、在其他方面，本發(fā)明試圖提供具有更詳細(xì)且更加復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體薄壁燒結(jié)部件。

29、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了包括燒結(jié)材料的整體、薄壁的換熱芯，其具有：

30、多個(gè)第一通道，每個(gè)第一通道均具有第一端、第二端、內(nèi)表面和外表面；

31、所述內(nèi)表面連接所述第一端和所述第二端；在所述外表面與所述內(nèi)表面之間延伸的壁；

32、每個(gè)第一通道均限定出從第一端延伸到所述第二端的中心軸線a；

33、所述外表面包括位于或靠近所述第一端的第一突出部分和位于或靠近第二端的第二突出部分，

34、所述第一突出部分沿徑向延伸，所述第二突出部分沿徑向延伸，二者分別在結(jié)合界面處與一個(gè)或多個(gè)相鄰子部件連接，以及

35、外表面進(jìn)一步包括在多個(gè)第一通道之間限定出空腔的凹陷部分；其中

36、空腔是垂直于所述中心軸線a的第二通道。

37、選擇性地，所述第一突出部分和所述第二突出部分在它們對應(yīng)的結(jié)合界面處鑲嵌成棋盤狀，所述結(jié)合界面是連續(xù)的，使得所述第一通道和/或所述第二通道分開且流體密封。

38、選擇性地，所述第一通道提供了第一流體流動(dòng)路徑，所述第二通道提供了第二流體流動(dòng)路徑，所述第二流體流動(dòng)路徑與所述第一流體流動(dòng)路徑分開并且與之垂直。

39、選擇性地，每個(gè)第一通道均具有沿著軸線a延伸的多邊形橫截面。

40、選擇性地，一個(gè)或多個(gè)所述第一通道的內(nèi)表面和/或外表面包括用于增加表面積或調(diào)解流體流動(dòng)特性的其他突起，該其他突起比如為翅片、復(fù)雜翅片、突起或三周期極小表面格柵結(jié)構(gòu)。

41、選擇性地包括在所述第一通道和/或所述第二通道內(nèi)分別結(jié)合所述內(nèi)表面或外表面以改進(jìn)熱傳遞或引導(dǎo)流體流動(dòng)的非粉末加工結(jié)構(gòu)。

42、選擇性地，所述非粉末加工結(jié)構(gòu)包括布置在所述第一通道或所述第二通道內(nèi)的多個(gè)箔片。

43、選擇性地，所述換熱芯為蜂窩結(jié)構(gòu)，并且每個(gè)第一通道形成單元，所述蜂窩結(jié)構(gòu)包括多個(gè)不均勻的單元，其布置成通過操縱第二通道中的流體流動(dòng)來增強(qiáng)傳熱。

44、選擇性地，所述第一突出部分徑向延伸并連接到相鄰第一通道的第一突出部分，所述第二突出部分徑向延伸并在結(jié)合界面處連接到相鄰第一通道的第二突出部分。選擇性地，所述第一突出部分和第二突出部分分別連接至相鄰第一通道的一個(gè)或多個(gè)第一和第二突出部分。

45、選擇性地，每個(gè)第一通道均包括在內(nèi)表面和外表面之間延伸的多邊形壁。進(jìn)一步選擇性地包括通過所述第一通道連接的第一孔口和第二孔口，所述第一孔口在第一端處具有第一周緣，所述第二孔口在第二端處具有第二周緣，還包括延伸自所述第一周緣的第一突出部分和從所述第二周緣延伸至結(jié)合界面的第二突出部分，其中所述結(jié)合界面具有多邊形橫截面。

46、選擇性地，所述燒結(jié)材料為可燒結(jié)的純金屬、合金、陶瓷或復(fù)合材料

47、根據(jù)另一方面，提供了整體的薄壁燒結(jié)部件，其根據(jù)本發(fā)明的方法加工而成，由多個(gè)結(jié)合在一起的子部件形成。每個(gè)子部件均具有第一端、第二端和內(nèi)表面以及外表面。每個(gè)子部件還可具有由連接第一端和第二端的內(nèi)表面限定出的第一通道，所述第一通道限定出從第一端延伸至第二端(14)的中心軸線a。

48、所述外表面包括位于或靠近所述第一端的第一突出部分和位于或靠近第二端的第二突出部分，第一和第二突出部分沿徑向延伸，二者分別在結(jié)合界面處與一個(gè)或多個(gè)相鄰子部件連接。外表面進(jìn)一步包括在子部件之間限定出空腔的凹陷部分。凹陷部分可位于第一突出部分和第二突出部分之間。

49、在一個(gè)實(shí)施方案中，包括突出部分和凹陷部分的多個(gè)結(jié)合子部件使燒結(jié)部件有利地具有更復(fù)雜的內(nèi)部細(xì)節(jié)，包括更窄且非線性的內(nèi)部通道。

50、選擇性地，突出部分在它們對應(yīng)的結(jié)合界面處鑲嵌成棋盤狀花紋，使空腔形成垂直于中心軸線a的第二通道。

51、選擇性地，結(jié)合界面密封且連續(xù)，從而使第一通道和/或第二通道分開且流體密封。進(jìn)一步可選地，燒結(jié)部件是換熱器的芯體，其中第一通道被構(gòu)造為提供第一流體流動(dòng)路徑，第二通道被構(gòu)造為提供獨(dú)立且垂直于第一流體流動(dòng)路徑的第二流體流動(dòng)路徑。

52、選擇性地，每個(gè)子部件均具有沿軸線a延伸的多邊形橫截面，有利地在結(jié)合界面處為結(jié)合面提供了好位置，提高了結(jié)合界面的強(qiáng)度。

53、選擇性地，一個(gè)或多個(gè)子部件的內(nèi)表面和/或外表面包括進(jìn)一步的突起(也稱為功能結(jié)構(gòu))，以增加表面積或調(diào)整流體流動(dòng)特性，該其他突起比如為翅片、復(fù)雜翅片、突起或三周期極小表面格柵結(jié)構(gòu)。

54、選擇性地，所述燒結(jié)部件還包括在所述第一通道和/或所述第二通道內(nèi)分別結(jié)合所述內(nèi)表面或外表面以改進(jìn)熱傳遞或引導(dǎo)流體流動(dòng)的非粉末加工結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步選擇性地，所述非粉末加工結(jié)構(gòu)包括布置在所述第一通道和/或所述第二通道內(nèi)的多個(gè)箔片。

55、在一些實(shí)施例中，非粉末加工結(jié)構(gòu)可提高強(qiáng)度，或?yàn)橄驘Y(jié)部件傳熱提供改進(jìn)的表面積。

56、選擇性地，所述燒結(jié)部件為蜂窩結(jié)構(gòu)，每個(gè)子部件形成單元，所述蜂窩結(jié)構(gòu)包括多個(gè)不均勻的單元，其布置成優(yōu)化第二通道內(nèi)的流體流動(dòng)。

57、選擇性地，每個(gè)子部件均包括在內(nèi)表面與外表面之間延伸的多邊形壁，還包括通過所述第一通道連接的第一孔口和第二孔口，第一孔口在第一端處具有第一周緣，第二孔口在第二端處具有第二周緣，還包括延伸自所述第一周緣的第一突出部分和從所述第二周緣延伸至結(jié)合界面的第二突出部分，其中所述結(jié)合界面具有多邊形橫截面。

58、選擇性地，其中粉末材料為可燒結(jié)的純金屬、合金、陶瓷或復(fù)合材料