JP7050451B2 - セラミックスラリーを押し出す装置 - Google Patents

Description

本出願は付加製造に関し、より詳細には、異種性のセラミックスラリーを押し出すための押出機に関する。

付加製造工程において、混合物の液体部分よりも高密度の粒子または繊維を含む、セラミックスラリー等の異種性スラリーは押し出すのが困難である。高密度の材料は、時間と共にスラリー混合物から沈殿する傾向がある。高密度の材料が沈殿すると、スラリー材料が押し出される際に、堆積される材料の密度が変化することが多い。押し出しノズルの直径が、繊維または粒子の特性長さと同じ大きさのときは、繊維または粒子がノズルに詰まりやすく、スラリーが押し出されるのを常に、あるいは完全に妨害する。

セラミック材料の異種性スラリーを押し出すことに関して、この問題を解決するためのこれまでの試みには、スラリーをノズルに通すために、スラリーに印加する際に高圧を用いることが含まれていた。しかしながらこの手法では、より多くの液体が排出されて、ノズル内に高濃度の中実繊維が残るために、堆積の一貫性が失われたり、スパッタリングを引き起こしたりする場合がある。

懸濁した高密度材料を含む、セラミックスラリーの異種性の混合物を押し出すための押出機が必要とされている。押出機は、スラリー混合物に含まれる懸濁材料でノズルが詰まるのを抑制し、かつよく混合された異種性スラリー材料の一貫した流れを供給することが必要とされる。

１つの例には、押し出される材料を収容する容器を備える、押出機が含まれる。押出機は、容器内に配置された分散ブレードと、容器に固定されたノズルを備え、ノズルは、容器の内部に配置される第１の開口部を画定し、容器の外部に配置される第２の開口部を画定し、かつチャネルを画定し、チャネルは、第１の開口部から、ノズルを通って第２の開口部へと延伸して流路を画定し、流路は、第１の開口部から、チャネルを通って第２の開口部へと延伸する。ノズルは、容器の壁を貫通して容器の内部に延伸し、その結果、第１の開口部は壁から離間して配置される。

１つの例には、押出機から異種性スラリー材料を押し出す方法が含まれ、この方法は、押出機の容器の内部で異種性スラリーを混合するステップと、押出機の容器の内部に配置された異種性スラリーを加圧するステップとを含む。この方法は、容器に固定されて、容器の内部で異種性スラリーと流体連通するノズルを介して、容器の内部に収容された異種性スラリーを除去するステップをさらに含む。ノズルは、容器の内部に配置される第１の開口部を画定し、容器の外部に配置される第２の開口部を画定し、かつチャネルを画定し、チャネルは、第１の開口部から、ノズルを通って第２の開口部へと延伸して流路を画定し、流路は、第１の開口部からノズルを通り、チャネルを通って第２の開口部へと延伸する。ノズルは、容器の壁を貫通して容器の内部に延伸し、その結果、第１の開口部は壁から離間して配置される。

これまで述べてきた特徴、機能、および利点は、種々の実施形態において別個独立に達成することができ、あるいは以下の説明および図面を参照してさらなる詳細を見ることができる、さらに別の実施形態で組み合わせることができる。

本開示による、異種性セラミックスラリーを押し出すための押出機の斜視図を示す。 図１の押出機の断面図である。 図２で符号３で示す円内に示されている、図２の押出機の拡大図である。 図２の符号４で示す円内に示されている、図２の押出機の拡大図である。 押出機から異種性スラリー材料を押し出す方法のフローチャートである。

先に述べたように、付加製造において、セラミックスラリー等の異種性の材料を押し出すことは、押し出して堆積させる材料の密度が変化することに基づき、問題が多い場合がある。これは例えば、低密度で高多孔性のセラミック部品の付加製造の場合に当てはまる。セラミックスラリーから低密度で高多孔性の部品を製造するのに付加製造を用いるときは、印刷工程において、材料が押出機から均一に、一貫して、予測可能な方法で押し出される必要がある。セラミックスラリー材料は、異種性の懸濁液の中にあることが多く、懸濁材料は、スラリー内の液体よりも高密度の繊維または粒子を含む。結果的に、押出機内で沈殿した高密度の材料の結合が生じて、セラミックスラリーが押出機からノズルを通って流出するのを遮断し、その結果、例えば、繊維または粒子等の懸濁材料に比べて、不相応な量の液体が押出機から流出する。このため、印刷製造工程において、材料の堆積に一貫性がなくなる場合がある。場合によっては、セラミックスラリー内の懸濁材料が、セラミックスラリーのノズルからの流出を完全に遮断する場合があり、製作者は、工程を停止してノズルを洗浄しなければならない。

図１を参照すると、押出機１０は、この例ではセラミックスラリー等の、押出機１０から押し出される材料を収容する、容器１２を備える。セラミックスラリーは異種性の材料であり、１つの例には、約５０重量％～約８０重量％のシリカ繊維と、約２０重量％～約５０重量％のアルミナ繊維とを含む、セラミック繊維を含有する、水性セラミック繊維スラリーが含まれる。また、重量が結合剤の重量の約０．２５パーセント～約２．５パーセントのキサンタンガム、および水性セラミック繊維スラリーが、粘性のあるスラリーを提供するために加熱される前の、セラミック繊維も含まれ、この粘性は、ノズルを通して押し出して、低密度で高多孔性のセラミック部品を製造するのに適している。

容器１２は、単一構造であるか、または構成部品の組立体であってもよい。図２に見られるように、この例では、容器１２は、チャンバ１４と、頭部部品１６と、底壁１８とを含む、いくつかの組み立て済みの構成部品で構成される。図３に見られるように、頭部部品１６は、第１のクランプ２０で、チャンバ１４に固定される。頭部部品１６のフランジ２２と、チャンバ１４の第１のフランジ２４とは、フランジ２２と第１のフランジ２４との間に配置された、第１のシール２６を有する第１のクランプ２０で、互いに固定される。第１のクランプ２０を解放することによって、使用者は、チャンバ１４にセラミックスラリーを充填できるように、頭部部品１６をチャンバ１４から取り外すことができ、そして動作させるために、頭部部品１６をチャンバ１４に再結合してシールすることができる。図２および図４に示すように、容器１２の壁１８も同様に第２のクランプ２８でチャンバ１４に固定され、壁１８のフランジ３０と、チャンバ１４の第２のフランジ３２とは、第２のシール３４がフランジ３０と第２のフランジ３２との間に配置された状態で、第２のクランプ２８で互いに固定される。第２のクランプ２８を解放することにより、使用者は底壁１８をチャンバ１４から取り外すことができ、この例では、押出機１０の容器１２の底壁１８に固定されたノズル３６を、必要に応じて交換することができる。

容器１２は、図２および図４に示すように、容器１２内に配置された分散ブレード３８を備え、本明細書でより詳細に後述するように、容器１２内で回転してセラミックスラリーを混合し、繊維等の懸濁材料が容器１２内で沈殿するのを抑制する。図１および図２に示すように、混合モーター４０は回転駆動軸４２を備え、これは、容器１２の中に延伸し、軸クランプ４６を用いて、チャンバ１４の内部５０で混合軸４４に結合される。図２および図４に示す分散ブレード３８は、混合モーター４０を作動させると、この例では、１分間に１回転以上、５００回転以下の範囲の回転率で分散ブレード３８に回転が加わるように、混合軸４４に固定される。分散ブレード３８は回転して、セラミック材料内の繊維等の高密度の懸濁材料を、懸濁材料を細断することなく混合する。混合することによって、高密度な懸濁材料がセラミックスラリー内に均一に拡散している状態を維持し、懸濁材料がセラミックスラリーから沈殿するのを抑制する。

図２および図３を参照すると、押出機１０は、回転駆動軸４２の周囲に配置され、かつ混合モーター４０と、容器１２のチャンバ１４の内部５０の一部との間に配置された、シール装置４８をさらに備える。この例では、シール装置４８は、磁性流体軸受である。この例では、このシール配置によってセラミックスラリーが容器１２内に保持されるように維持し、セラミックスラリーがチャンバ１４および容器１２の頭部部品１６から出て回転駆動軸４２に沿って移動することのないように、回転駆動軸４２が、容器１２の内部５０で分散ブレード３８を回転させるようにする。

セラミックスラリー材料は、この例では、押し出しを補助し、かつセラミックスラリー材料を堆積させるために、ノズル３６を通してセラミックスラリーを押し出すのを制御するように、容器１２内で加圧される。付加製造工程にセラミックスラリーを用いる例では、セラミック材料は、液体窒素で冷却された低温銅表面に堆積され、この冷却面にスラリーが堆積する流動率は、材料が凍結して銅表面に飛散することのない、十分な低速で堆積するように制御する必要がある。容器１２は、図３に示すように、空気等の加圧ガスを容器１２の内部５０に導入するための、容器１２の内部５０と流体連通する入口５２を有する。１ポンド毎平方インチ以上、２０ポンド毎平方インチ以下の幅広い圧力から、必要に応じて１つの圧力をガスに印加することができる。

押出機１０は、容器１２に固定された、あるいは容器１２に接触する、機械式振動装置５４をさらに備える。機械式振動装置５４は、容器１２に、そして容器１２内のセラミックスラリー内容物に振動を与えるために作動される。機械式振動装置５４は、この例では、容器１２に、かつ例えば、セラミックスラリー等の異種性スラリーである内容物に、振動を与える空気動力振動器を含む。容器１２に与えられる振動は、この例では、１分間の振動数が、最低５０００以上、最大３４０００以下の範囲にある。この例では、１分間に約１００００回の振動が印加される。振動によって、セラミックスラリー内の懸濁材料が運動し、凝集したり塊になったりしないように維持するのを補助する。

ノズル３６は、前述のように、容器１２に固定され、この例では、図２および図４に示すように、容器１２の底壁１８にも固定される。ノズル３６は、容器１２の内部５０に配置される第１の開口部５６を画定し、容器１２の外側に配置される第２の開口部６０を画定し、かつチャネル５８を画定し、チャネル５８は、第１の開口部５６から、ノズル３６を通って第２の開口部６０へと延伸して流路６２を画定し、流路６２は、第１の開口部５６から、チャネル５８を通って第２の開口部６０へと延伸する。ノズル３６は、第１の開口部５６が壁１８から離間して配置されるように、容器１２の壁１８を貫通して容器１２の内部５０に延伸する。この例では、ノズル３６は、容器１２の壁１８にから延伸して、容器１２の内部５０に延伸する管６６を含む。

前述のように、第１の開口部５６は、図４に示すように底壁１８から離間して配置され、このとき押出機１０は、例えば図１のように、動作位置Ｐにある。異種性の材料、例えばこの例では、液体の密度よりも高密度の繊維等の懸濁材料を含む、セラミックスラリーで作業する場合は、例えば図１に示すように、押出機１０を動作位置Ｐにすると、重力によってスラリー内での高密度な懸濁材料の沈殿が促進され、懸濁材料が底壁１８の方へ導かれて蓄積する。分散ブレード３８を動作させてセラミックスラリーを混合し、機械式振動装置５４でセラミックスラリーを攪拌して、これらの動作により、高密度な繊維の懸濁を維持し、セラミックスラリー内でより均一に分布するように補助する。このような技術により、押し出し工程中に懸濁液から沈殿する繊維の量を低減する。しかしながら、この例では繊維等の高密度の懸濁材料は、押し出し工程中に重力の作用によって沈殿状態に達し、底壁１８の位置に、またはその近くの位置に向かって移動して蓄積する。

ノズル３６の第１の開口部５６が、容器１２の内部５０で底壁１８から離間して配置されると、第１の開口部５６は、有利には、底壁１８、および懸濁液から沈殿して底壁１８に蓄積した繊維等の沈殿した材料から離間される。

その結果、第１の開口部５６は、有利には、押し出し工程中に、沈殿して蓄積した繊維をノズル３６の中に引き込んだり、ノズル３６を通るセラミックスラリーの均一な流れを不必要に遮断したり、あるいはノズル３６を遮断したりしないような、底壁１８に対して離間された位置に配置される。第１の開口部５６を壁１８から離間させて配置することにより、セラミックスラリーの一様でない堆積の発生、およびノズル３６の遮断を軽減する。その結果、高品質な製品が生産され、付加製造工程中にノズル３６を洗浄または置換することに関する、時間および経費のかかる生産の遅れが回避される。

図５に示す、押出機１０から異種性スラリー材料を押し出す方法１００は、押出機１０の容器１２の内部５０に配置された、異種性スラリー材料を混合するステップ１０２を含む。方法１００は、押出機１０の容器１２の内部５０に配置された、異種性スラリーを加圧するステップ１０４をさらに含む。

方法１００は、容器１２に固定され、容器１２の内部５０で異種性スラリーと流体連通するノズル３６を介して、容器１２の内部５０に収容された異種性スラリーを除去するステップ１０６をさらに含む。ノズル３６は、容器１２の内部５０に配置される第１の開口部５６を画定し、容器１２の外側に配置される第２の開口部６０を画定し、かつチャネル５８を画定し、チャネル５８は、第１の開口部５６から、ノズル３６を通って第２の開口部６０へと延伸して流路６２を画定し、流路６２は、第１の開口部５６からノズル３６を通り、チャネル５８を通って第２の開口部６０へと延伸する。ノズル３６は、第１の開口部５６が壁１８から離間して配置されるように、容器１２の壁１８を貫通して容器１２の内部５０に延伸する。

異種性スラリーを加圧するステップ１０４は、異種性スラリーを収容する容器１２の内部５０に、容器１２の入口５２を介して加圧ガスを入れるステップをさらに含む。異種性スラリーを加圧するステップ１０４は、１ポンド毎平方インチ以上、２０ポンド毎平方インチ以下の圧力範囲で、加圧ガスを加圧するステップをさらに含む。

混合するステップ１０２は、モーター４０から容器１２へと延伸する回転駆動軸４２を有する、モーター４０を作動させるステップをさらに含む。混合するステップ１０２は、モーター４０を作動させると分散ブレード３８が容器１２の内部５０で回転するように、混合軸４４を分散ブレード３８に固定した状態で、回転駆動軸４２を混合軸４４に結合することをさらに含む。

異種性スラリーを加圧するステップ１０４は、回転駆動軸４２に沿って、加圧された異種性スラリーを容器１２内に収容することをさらに含み、図３に示すように、回転駆動軸４２の周囲には、シール装置または磁性流体軸受４８が配置される。混合するステップ１０２は、１分間に１回転から５００回転までの範囲で、回転駆動軸４２を回転させることをさらに含む。

押出機１０から異種性スラリー材料を押し出す方法１００は、チャンバ１４と、容器１２のチャンバ１４の内部５０に配置された異種性スラリーとに振動を与える、容器１２のチャンバ１４に関連付けられた機械式振動装置５４を作動させるステップをさらに含む。

押出機１０から異種性スラリー材料を押し出す方法１００は、容器１２のチャンバ１４の中に異種性スラリーを配置するステップをさらに含み、異種性スラリーはセラミックスラリーを含み、セラミックスラリーは複数の繊維を含む。

異種性材料を除去するステップ１０６は、１秒間に２グラム以上、５０グラム以下の流量を含む選択された流量で行われる。

様々な実施形態について述べてきたが、本開示は、それに限定されることを意図するものではない。開示した実施形態に対して変更を加えることができ、これも添付の特許請求の範囲内である。

１０ 押出機
１２ 容器
１４ チャンバ
１６ 頭部部品
１８ 底壁
２０ 第１のクランプ
２２ フランジ
２４ 第１のフランジ
２６ 第１のシール
２８ 第２のクランプ
３０ フランジ
３２ 第２のフランジ
３４ 第２のシール
３６ ノズル
３８ 分散ブレード
４０ 混合モーター
４２ 回転駆動軸
４４ 混合軸
４６ 軸クランプ
４８ シール装置、磁性流体軸受
５０ 内部
５２ 入口
５４ 機械式振動装置
５６ 第１の開口部
５８ チャネル
６０ 第２の開口部
６２ 流路
６６ 管

Claims (20)

1. 混合物の液体部分よりも高密度の粒子または繊維を含む異種性スラリー材料を押し出す押出機であって、
   押し出される材料を収容する容器と、
   前記容器内に配置された分散ブレードと、
   前記容器の底壁に固定されたノズルであって、
   前記ノズルは、前記容器の内部に配置される第１の開口部を画定し、前記容器の外部に配置される第２の開口部を画定し、かつチャネルを画定し、前記チャネルは、前記第１の開口部から、前記ノズルを通って前記第２の開口部へと延伸して流路を画定し、前記流路は、前記第１の開口部から、前記チャネルを通って前記第２の開口部へと延伸し、
   前記ノズルは、前記第１の開口部が前記底壁から離間して配置されるように、前記容器の前記底壁を貫通して前記容器の前記内部に延伸する、ノズルと
   を備える、
   押出機。
2. 前記容器の中に延伸する回転駆動軸を有する、混合モーターをさらに備える、請求項１に記載の押出機。
3. 前記回転駆動軸を混合軸に結合する、軸クランプをさらに備える、請求項２に記載の押出機。
4. 前記分散ブレードが、前記混合軸に固定されている、請求項３に記載の押出機。
5. 前記回転駆動軸の周囲に配置された、シール装置をさらに備える、請求項２または３に記載の押出機。
6. 前記シール装置が、前記混合モーターと、前記容器の前記内部との間に配置されている、請求項５に記載の押出機。
7. 前記シール装置が、磁性流体軸受を備える、請求項５または６に記載の押出機。
8. 前記容器が、加圧ガスを前記容器の前記内部に導入するための、前記容器の前記内部と流体連通する入口をさらに有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の押出機。
9. 前記容器に関連付けられた機械式振動装置をさらに備える、請求項１～８のいずれか一項に記載の押出機。
10. 前記ノズルが、前記容器の前記底壁から、前記容器の前記内部に延伸する管を備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の押出機。
11. 押出機から、混合物の液体部分よりも高密度の粒子または繊維を含む異種性スラリー材料を押し出す方法であって、前記方法は、
    前記押出機の容器の内部で、前記異種性スラリーを混合するステップと、
    前記押出機の前記容器の前記内部に配置された前記異種性スラリーを加圧するステップと、
    前記容器の底壁に固定され、前記容器の前記内部で前記異種性スラリーと流体連通するノズルを介して、前記容器の前記内部に収容された前記異種性スラリーを除去するステップと、
    を備え、
    前記ノズルは、前記容器の前記内部に配置される第１の開口部を画定し、前記容器の外部に配置される第２の開口部を画定し、かつチャネルを画定し、前記チャネルは、前記第１の開口部から、前記ノズルを通って前記第２の開口部へと延伸して流路を画定し、前記流路は、前記第１の開口部から、前記ノズルを通り、前記チャネルを通って前記第２の開口部へと延伸し、
    前記ノズルは、前記第１の開口部が前記底壁から離間して配置されるように、前記容器の前記底壁を貫通して前記容器の前記内部に延伸している、方法。
12. 前記異種性スラリーを加圧する前記ステップが、前記異種性スラリーを収容する前記容器の前記内部に、前記容器の入口を介して加圧ガスを入れるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記異種性スラリーを加圧する前記ステップが、１ポンド毎平方インチ以上、２０ポンド毎平方インチ以下の圧力範囲で、前記加圧ガスを加圧するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 混合する前記ステップが、モーターから前記容器の中へと延伸する回転駆動軸を有する前記モーターを作動させるステップをさらに含む、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 混合する前記ステップが、前記モーターを作動させると分散ブレードが前記容器の前記内部で回転するように、混合軸を前記分散ブレードに固定した状態で、前記回転駆動軸を前記混合軸に結合するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記異種性スラリーを加圧する前記ステップが、前記回転駆動軸に沿って、前記加圧された異種性スラリーを前記容器内に収容するステップをさらに含み、前記回転駆動軸の周囲に磁性流体軸受が配置されている、請求項１４または１５に記載の方法。
17. 混合する前記ステップが、１分間に１回転から５００回転までの範囲で、前記回転駆動軸を回転させることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記容器のチャンバと、前記容器の前記チャンバの内部に配置された前記異種性スラリーとに振動を与える、前記容器の前記チャンバに関連付けられた機械式振動装置を作動させるステップをさらに含む、請求項１１～１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記容器のチャンバの中に、前記異種性スラリーを配置するステップをさらに含み、前記異種性スラリーはセラミックスラリーを含み、前記セラミックスラリーは複数の繊維を含む、請求項１１～１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 除去する前記ステップが、１秒間に２グラム以上、５０グラム以下の範囲の流量で、前記異種性スラリー材料を除去するステップをさらに含む、請求項１１～１９のいずれか一項に記載の方法。

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