用於製造具有多個孔隙的材料的預製坯及其製造方法
2023-09-10 02:56:40
專利名稱：用於製造具有多個孔隙的材料的預製坯及其製造方法
技術領域：
本發明涉及材料的設計和製造，更具體來說，涉及用於在任何材料，特別是工程材料中產生孔隙、細孔或空腔的預製坯。
背景技術：
本發明一般涉及在材料中形成多個有組織的孔隙的性能，也涉及負荷結構及可提供在可安全承載的應力和所需材料量間更好的平衡的結構。
一般來說，採用多種現有的發泡技術可在材料中形成孔隙。這些發泡技術所生產的材料具有無組織的孔隙，即，孔隙是隨機定位及隨機設置的。另外，在這些材料中的許多孔隙不是封閉的—它們與相鄰的孔隙相互連通。
因此，現有的方法不能生產具有封閉的孔隙和/或位於其內正確位置上的孔隙的材料。目前的技術也不能使孔隙具有精確的預定尺寸及基本上自閉合的形狀。
在應力控制材料(stress steering material)中具有有組織的不相互連通的孔隙是特別重要的。應力控制材料可使作用在結構上的力基本上分解成壓力。
具有對稱布置的孔隙的這種應力控制材料已經研製出來，它利用含有孔隙的新穎結構將作用在材料上的大部分應力分解成壓應力。這種新穎結構公開在美國專利第5,615,528號、第5,660,003號和第5,816,009號中，這些專利文件的內容與本說明書中用作參考(上述每個專利與本申請具有共同的所有者)。每個上述專利描述了在整個基材中採用了均勻、對稱排列的許多孔隙，這樣形成的材料結構可將作用在其上的力基本分解成壓應力而不是拉應力。
美國國家航空和宇宙航行局(NASA)和其它有關科學組織的研究已經確認，在材料中的孔隙越接近均勻及孔隙的布置越接近對稱，材料的有效抗拉強度就越大。因此，發泡材料及孔隙度為一要素的其它材料的製造廠商一直在尋求一種批量生產的方法，以便在材料中的預定部位上定位預定尺寸的細孔或孔隙，從而使材料形成精確的三維形態，以便使其有效抗拉強度最佳化。
但是，使用傳統的製造技術使這種孔隙在材料中三維對稱布置不過是一種費力、成本高昂的工作。因此，由在材料中設置這些關鍵的孔隙的難度，在上述專利中公開的多孔材料，包括應力控制材料的廣泛應用和認可一直受到妨礙。
因此，人們需要一種材料、方法和/或系統，使包括孔隙的帶有預定形態的材料，包括上述受專利保護的應力控制材料能夠更易於製造。
發明內容
因此，本發明提供用於在任何材料中形成有組織的vorasity(以預定布置定位的孔隙)的方法和設備。採用這種新穎的方法和設備形成的孔隙可以是任何尺寸、形狀和間隔的，也可以相互連通的或每個孔隙也可以是完全封閉的。
另外，在特定材料中孔隙的間隔可以是對稱的和/或非對稱的，以便得到需要的材料物性。因此，為了實現按照上述專利中公開的材料的應力控制，孔隙必須以特定的對稱配置布置。
因此，採用按照本發明的獨特和新穎構件和方法可以製造包括孔隙的帶有預定形態的材料，包括上述取得專利的應力控制材料，所述應力控制材料利用多個對稱排列的、均勻孔隙以便將結構上受到的力主要地分解成壓應力而不是拉應力。
按照本發明的預製坯、帶孔隙結構的實例，以及製造設備和方法也公開在一個相應的臨時申請中，該臨時申請是由本申請的相同申請人同時提出並共同擁有的，題為「用於製造具有多個孔隙的材料的預製坯及其製造方法」，2001年5月17日提交的美國臨時申請第60/291,904號的全部內容在本說明書中用作參考。
在本發明的推薦實施例中，採用預製坯件或變形工藝或這兩者將孔隙結合在材料中。孔隙可採用公知的製造方法在材料中形成。
因此，本發明的目的是提供一種用於形成多個孔隙的構件材料。
本發明的另一個目的是提供一種將多個孔隙賦予材料中的方法。
因此，在本發明的一個方面中，用在工程材料中形成多個孔隙的帶珠的預製坯包括多個相鄰設置的珠。
在本發明的另一方面中，用於在工程材料中形成多個孔隙的帶珠的預製坯的製造方法包括將預製坯材料擠出第一開口以產生擠壓的預製坯材料，以及砑光擠壓的預製坯材料以便在其上形成多個相鄰設置的珠。
在本發明的另一個方面中，用於在工程材料中形成多個孔隙的塗覆的、帶珠的預製坯的製造方法包括向模具提供擠壓塗覆材料的第一流，在第一流中提供帶珠的預製坯，其中帶珠的預製坯是用塗覆材料塗覆的，以及從一個開口擠壓帶有帶珠的預製坯的第一流以形成絲束(tow)。
在本發明的另一方面中，用於生產具有多個孔隙的工程材料的方法包括將多個帶珠的預製坯引入第一材料源，用第一材料塗覆所述多個帶珠的預製坯，使被塗覆的預製坯形成預定形狀，以及固定這種形狀。
在本發明的另一個方面中，使用連鑄設備生產包括多個有組織的孔隙的工程材料的方法包括將具有多個相鄰設置的珠的帶珠的預製坯引入基體材料，材料基體保持在第一容器中，將基體材料引入一個具有預定距離的空間中，從而形成一個具有基本等於該距離的預定厚度的產品。
在本發明的另一個方面中，用於形成內部具有多個有組織的孔隙的複合物的方法包括將第一孔隙的第一矩陣設置在第一疊層上，並將第一分層和第二疊層組合起來。
在本發明的另一個方面中，組合成複合材料的疊層包括一種具有在第一側面上的多個凹部的結構，所述凹部相應於在疊層第二側面上的多個凸起。
在本發明的另一個方面中，一種具有多個有組織的孔隙的工程材料的製造方法包括將具有多個間隔開來的珠的帶珠的預製坯引入熔融材料的連續鑄造中。
在本發明的另一個方面中，具有多個有組織的孔隙的工程材料的製造方法包括在下述製造工藝的任何一種中引入具有一串相鄰設置的珠的帶珠的預製坯添加物製造、原子式的製造(atomistic manufacturing)，分層製造包括熔融沉澱模製、立體光刻、光學製造、固體基礎(地面)養護、等離子噴鍍成形、蒸汽澱積。
變形和成形，包括塊體變形工藝包括壓印模鍛造、開式模具鍛造、精壓、穿孔、壓制陰模法、捻縫和磨邊、滾鍛、直接擠壓、間接擠壓、靜液力擠壓及冷擠壓，薄板成形方法包括剪切、膨凸成型、橡膠成形、高能高速成型法、超塑性成形、深拉、壓花，材料去除，包括切削、磨削、電火花加工、噴水加工、磨料噴射加工、化學加工和電化學加工及磨削，鑄造，包括永久鑄模，包括薄殼鑄造、壓力鑄造、夾物模壓、離心鑄造及滲透鑄造；可消耗模鑄包括真空鑄造、陶瓷模鑄造、石膏模鑄造、殼模鑄造和砂型鑄造、凝膠鑄造、噴射鑄造、壓縮造型、傳遞模塑法、夾物造型，顆粒材料加工，包括燒結、冷等靜壓及熱等靜壓，以及組裝和接合加工，包括摩擦攪動焊接、電阻焊接、爆炸焊接、硬焊和軟焊、電弧焊和雷射焊接。
參閱附圖和下面對本發明的詳細說明可更好地理解上述方面。
圖1表示由按照本發明的預製坯形成的應力控制結構的第一閉孔構造，其中所有的用圖形表示的TRDs在其各自的中心具有一個孔隙。
圖2表示由按照本發明的預製坯形成的應力控制結構的第二開孔構造，其中每隔一個用圖形表示的TRD被除去。
圖3表示由按照本發明的預製坯形成的應力控制結構的第二綜合開孔、閉孔構造，其中用圖形表示的TRDs在其各自的中心具有一個孔隙。
圖4表示由按照本發明的預製坯形成的應力控制結構的第四綜合開孔、閉孔構造，其中用圖形表示的TRDs在其各自的中心具有一個孔隙。
圖5A表示一串類似於按照本發明的預製坯的珠。
圖5B表示按照本發明第一實施例的帶珠的絲預製坯的示意圖。
圖6A表示按照本發明第一實施例的帶珠的絲預製坯的示意圖，具有以第一間隔定位的單一尺寸的珠。
圖6B表示按照本發明第一實施例的帶珠的絲預製坯的示意圖，具有在較小尺寸的珠之間的間隔開來的較大尺寸的珠。
圖6C表示按照本發明第一實施例的帶珠的絲預製坯的示意圖，具有在較小尺寸的珠間相鄰設置的較大尺寸的珠。
圖7A表示按照本發明第一實施例的帶珠的絲預製坯的示意圖，其中各絲水平地成組布置在層壓材料中。
圖7B表示按照本發明的第一實施例的帶珠的絲預製坯的示意圖，其中各絲斜向成組布置在層壓材料中。
圖7C表示按照本發明第一實施例的帶珠的絲預製坯的示意圖，其中各絲水平地成組布置在層壓材料中，使用了兩種不同尺寸的珠。
圖7D表示按照本發明的第一實施例的帶珠的絲預製坯的示意圖，其中與圖7C類似，只是各絲是斜向布置的。
圖8表示按照本發明第一實施例的帶珠的絲預製坯的示意圖，表示在材料內加工前的絲的珠，圖中珠呈橢圓形，因而可形成適當形狀的球形孔隙。
圖9表示工程材料的橫剖圖，所述工程材料是通過將按照本發明第一實施例的多條絲組合在一起製成的。
圖10表示工程材料的橫剖圖，所述工程材料是通過將按照本發明第一實施例的多條絲組合在一起製成的。
圖11A表示使用按照本發明第一實施例的絲預製坯的圓柱形牽引繩。
圖11B表示使用按照本發明第一實施例的絲預製坯的方柱形牽引繩。
圖12A表示通過組合多個圖11A所示繩而製成的層製品。
圖12B表示通過組合多個圖11B所示繩而製成的層製品。
圖13A表示如圖11A所示的多條繩組合以形成織品。
圖13B表示如圖11B所示的多條繩組合以形成織品。
圖13C表示多條繩和層製品組合以形成織品。
圖13D表示多個層製品。
圖14表示帶珠的絲和底板排列成層製品/織品。
圖15表示用於製造按照本發明的帶珠的絲預製坯的第一擠壓/紡制方法。
圖16表示用於製造按照本發明的帶珠的絲預製坯的第二擠壓方法。
圖17表示用於製造按照本發明的帶珠的席片預製坯的第一擠壓方法。
圖18表示用於製造按照本發明的帶珠的席片預製坯的第二擠壓方法。
圖19表示用於製造按照本發明的繩的第一擠壓方法。
圖20表示用於製造按照本發明的繩的第二擠壓方法。
圖21表示使用按照本發明的預製坯席片製造層製品的第一擠壓方法。
圖22表示使用按照本發明的預製坯席片製造層製品的第二擠壓方法。
圖23表示按照本發明的預製坯通過連鑄法生產材料。
圖24-25表示按照本發明的預製坯用於通過擠壓法生產層製品或織品。
圖26表示按照本發明第二實施例的帶有第一凹坑組織的織構化材料。
圖27表示按照本發明第二實施例的帶有第二凹坑組織的織構化材料。
圖28表示按照本發明第二實施例的帶有第三凹坑組織的織構化材料。
圖29表示能夠使用按照本發明第一和第二實施例的預製坯材料製造的各種結構。
具體實施例方式
作為有組織孔隙材料前體的帶珠的預製坯按照本發明的帶珠的預製坯是用於結合在材料中的前體構件，用於形成預定的對稱或非對稱定位的或其它有組織孔隙或細孔，以便例如形成一種具有有組織的vorasity的材料。這種材料的一個實例是用於將施加的負荷主要分解成壓應力的應力控制材料。這種三維應力控制結構的兩維橫截面表示在圖1-4中。
這種預製坯可以是消耗性的(即，引導性的)、永久性的或其組合。在消耗性的預製坯中，形成空隙的珠材料在結合在基材內之後的某點上，一般是在進一步加工過程中被消除。在永久性的預製坯中，珠材料留在孔隙中，不過它也可以在加工過程中以某種方式被改變或改造。
預製坯的珠可以為任何形狀或尺寸的，以便根據需要製造需要的工程材料，可以是中空的或實心的，或其組合形式的。一般來說，珠被成形以便產生的孔隙在加工後具有特定的孔隙體積和/或形狀。
帶珠的預製坯最好製成兩種形式之一絲和席片狀，其中任一種形式都可以是剛性的或撓性的。這些預製坯可通過分別向絲和席片施加塗層而進一步組裝成繩和層製品。
按照本發明的絲2的預製坯類似於一串珠子(圖5A)，包括一串4間隔開來的珠6(圖5B)。間隔可以是非對稱的，但一般是有組織的和/或對稱的，具有預定距離的模式。另外，珠可以是相同尺寸的、隨意尺寸的、或者(也)可以是如圖6A-6C所示的特定形狀的珠的重複模式。
席片8是組合的絲2的兩維陣列，如圖7A-7D所示，不過它們也可以按照其它方式組合多個珠來形成兩維陣列。如圖所示，珠的垂向及水平間隔一般是有組織的、預定距離及模式的。
圖8所示的帶珠的絲具有橢圓形的珠。珠的形成形狀使得在結合在一特定材料中時，孔隙以及因而珠本身(如果珠是永久性的)在加工後最終呈球形。藉助於這種類型的絲的加工可以是鑄造加工，其中高溫和/或軋制影響預製坯的形狀，因而不管預製坯是否為消耗性的，將影響孔隙的形狀。
席片和絲可組合成織品，例如形成圖9-10所示的橫剖面，具有孔隙12和14(圖9)及孔隙16(圖10)。如圖14所示，這種織品層製品可以包括席片8和絲2的交替的層，使表面材料11覆蓋頂部和底部。
繩18(圖11A-11B)是通過一般採用一種基體材料(例如，熱固性樹脂)3來塗覆絲2而形成的。類似地，層製品20基本是通過下述方式形成的，即，用基體材料塗覆席片，或也可以通過組合多條繩2來製造(圖12A-12B)，或也可以通過塗覆多條布置成陣列的絲的組合物來製造。
繩和層製品，以及絲和席片，也可以包括切割和定位導向物(如凹槽、凸起)，因而它們可易於切割、布置和組合，在中間和最終產品材料中具體應用。
中間和最終產品可以用繩和層製品的複合物22來製造(圖13A-13D及圖14)。例如，一種方式是，複合織品可以通過紡織、針織及其它方式將多條繩、多個層製品或其組合組裝在一起而製成。
複合物，包括織品，可以是連續的(例如，帶)和斷續的，並且可以為中間材料及最終產品而製造。例如，複合物可以製成塊坯、方坯、板坯、片坯等(見圖29)。
本專業技術人員懂得，材料(例如，應力控制結構)的孔隙模式可以通過紡織、編織及針織繩結和在織品中，從而在兩個不同的水平上得到這種結構的優點。另外，珠和塗層的結構和材料可由應力控制結構(即帶孔隙的結構)構成，從而可在三個水平上得到應力控制結構的優點。
因此，使用金屬、塑料、陶瓷和各種合金、混合物及其複合物，對於本發明的繩、層製品及織品來說存在多種可能和潛在的基體。替代材料包括半導體、紡織品、紙及生物材料。
由預製坯構件形成的孔隙可以用來容納智能結構中使用的智能材料。具體來說，例如，傳感器、致動器、MEMs及其它器件可以被結合在橋梁的結構件或飛行器的翼的孔隙中，以便提供與構件/橋梁的性能相關的信息，或在結構上引起內力以改變其形狀或改變構件特性(例如，改變飛行器的翼的形狀而形成更大升力)。為了將上述器件結合在終端產品內，器件可以用來替代絲或席片中的一個或多個珠，或者結合在一個或多個珠內。
按照本發明的預製坯是使用傳統的方法生產的。因此，申請人已經提供了一個可用於生產按照本發明的預製坯的製造方法的詳盡目錄，其實例表示在圖15-18中，其包括金屬的各種鑄造、變形及成形方法；塑料的吹模方法、壓塑(冷/熱)、傳遞模塑法、冷壓法、噴射鑄造法、反應性注壓法、熱成形法、旋轉模塑法及發泡模塑法；陶瓷的壓縮鑄造法、粉漿澆鑄法、等靜壓法、等離子噴鍍成形法、滾軋法、噴射鑄造法及凝膠鑄造法；以及複合物的滲透鑄造法、繞絲法及等靜壓法。
生產按照本發明的新穎的預製坯的一個實例表示在圖15中，並描述如下。
絲如圖15和圖16所示，絲可以藉助紡制方法31生產，在這種方法中，通過具有許多小孔34的模具32擠壓材料。其後藉助成形軋制36或最好藉助在線拉制38及用壓花輥40在絲上的砑光操作而加入珠。控制使絲變細，從而增加了絲的抗拉強度以待進一步加工。成品的絲被收集在卷取軸39上。絲也可以藉助圖16中所示的旋轉擠壓法來生產。
席片席片一般是以擠壓帶鑄件開始，藉助圖17-18所示的壓花輥(最好象對絲所進行的那樣)砑光而形成珠。如圖所示，材料被擠出擠壓模具42，以便形成沒有珠的材料席片。然後以兩維陣列進入砑光操作，藉助壓花輥40形成珠。但是，可以用帶珠的絲來形成席片，將多條絲組織成網格，或者將多條絲適當排列在帶有擠壓基體材料的陣列中。後一種方法類似於連續的預製坯鑄造(見下文)。基體材料可以包括加強材料，也可以是複合物。
繩繩一般以帶珠的絲開始，一般在擠壓操作中在線形成，例如，用擠壓基體材料塗覆絲，如圖19和20所示。這種方法通常用於線和纜的塗覆。擠壓塗覆材料43在一個模具本體44中施加在帶珠的絲2上。絲通過一根心管46被引入模具本體。導向末端48對準模具52的開口50內的帶珠的絲2。然後未固結的繩可在線被疊合(或以其它方式組織)並熔合、接合或粘合以形成其它預製坯和結構如層製品和織品。
層製品層製品一般以席片(或絲/繩)開始，一般在擠壓操作中在線形成，如圖21-22所示，例如，用擠壓基體材料塗覆席片。象繩那樣，塗覆材料可以含有加強材料，也可以是另一種形式的複合物。塗覆材料也可以多層地施加，可以是在功能方面分級的材料，並以分層結構組織起來。
象繩那樣，未固結的層製品可以被疊合併熔合或以其它方式被粘合以形成複合物，其它預製坯和結構如織品。這些組合可以通過層間連接件或機械緊固件(例如搭扣配合或舌及槽)機械地形成，或者可以通過粘合劑、熔接及焊接(例如，超聲焊、微波焊、rf焊、感應加熱焊接)而結合起來。值得注意的是，在結合過程中，消耗性的預製坯一般就被消除掉了。
塑料基體預製坯層製品可以在其表面稍許熔化以實現固結。除了被加熱以外，疊合的金屬基體預製坯層製品可以承受壓縮軋制以改善固結及最終產品的質量。
按照本發明的層製品和織品例如可以在圖24所示的擠拉工藝(pultrusiom Process)。圖23所示的連鑄工藝及圖25所示的連續擠壓工藝中使用絲和席片製成。
因此，所有上述製造按照本發明的預製坯的工藝可以是連續的或批量生產的工藝，可以自動生產高質量、均勻一致的連續或斷續的預製坯。
按照本發明的絲、席片、繩、層製品及織品可以用於以多種附加製造工藝來生產材料，包括應力控制材料。為方便起見，本申請人提供下述可使用按照本發明的預製坯的製造方法的目錄。
附加製造(additive manufacturing)原子式製造(atomistic manufacturing)分層製造，包括熔化沉澱造型、立體光刻、光學製造、固體基礎(地面)硬化、等離子噴鍍成形、噴塗、蒸汽澱積；變形和成形塊體變形方法，包括壓印模鍛造、開式模具鍛造、精壓、穿孔、壓制陰模法、捻縫和磨邊、滾鍛、直接擠壓、間接擠壓、靜液力擠壓及冷擠壓；薄金屬板成形方法，包括剪切、臌凸成型、橡膠成形、高能高速成形、超塑性成形、深拉、壓花；材料去除，包括切削、磨削、電火花加工、噴水加工、磨料噴射加工、化學加工和電化學加工及磨削；鑄造永久模鑄，包括薄殼鑄造、壓力鑄造、夾物模壓、離心鑄造及滲透鑄造；
可消耗的模鑄，包括真空鑄造、陶瓷模鑄、石膏模鑄、殼模鑄造和砂型鑄造；凝膠鑄造、噴射鑄造、壓縮造型、傳遞模塑法、夾物造型；顆粒材料加工燒結、冷等靜壓及熱等靜壓；以及組裝和接合加工摩擦攪動焊接、電阻焊接、爆炸焊接、硬焊及軟焊、電弧焊接和雷射焊接。
下面的實例描述的是在連續製造方法中預製坯的使用。
利用預製坯的連續製造—連續鑄造按照本發明的預製坯適用於生產工程材料，採用連續材料製造方法，即，連續(預製坯)鑄造和連續擠壓製造方法。連續預製坯鑄造採用兩種早已形成的用來鑄造連續材料帶的製造方法—擠壓(pultrusion)和連續鑄造。
傳統上，這些製造方法生產具有不變橫截面的材料，其形狀包括圓形、矩形、管形、板形及結構產品。在本發明中，這些方法經過改變，以便包括預製坯夾具(preform fixtures)，其用於傳輸絲和/或席片，使其與基體材料(以及可選用的連續加強物如纖維)適當對準。這些夾具也可以用來形成預製坯/基體組合物的外廓。
連續預製坯鑄造的生產流，從將預製坯引入熔化材料至工程產品的輸出，可以是不中斷的。無論主材是什麼，初始的原料都是流體(或熔體)熔化的金屬、單體溶液、造型塗料(slips)及漿液。鑄造後的工藝，取決於基體材料的選擇，是不同的，陶瓷被燒結，而金屬一般是軋制。
下面是連續鑄造方法的一個實例。在這種連續鑄造方法中，例如，如圖23所示，一連續席片(和/或絲)被送入鑄造設備57的澆口盤60，其中熔融材料59和席片通過一個水冷的連續模具62從澆口盤流出。連續模具一般決定所形成材料的厚度和/或側面，而不是長度，並且取決於所需要的材料流，可以豎直、水平或傾斜設置。
然後席片/材料複合物從一個排放架63流下並被冷卻。鑄件通過在線的加熱及施加機械力(例如，平整冷軋64，再加熱66)，使其形成需要的形狀、尺寸、物理性質及表面質量而進一步加工成最終的形式。上述在線應用包括平整冷軋、再加熱/冷卻等。在這樣的加工之後，一個調整尺寸區域67使材料板調整至特定的尺寸，再用切斷炬65(或其它適於特定鑄造材料的切斷裝置)將板切成多件。
由於鑄造(例如溫度)和鑄造後加工(例如，軋制)兩者的潛在的嚴苛情形，包含在這種鑄造方法中的按照本發明的帶珠的預製坯的尺寸，形狀、對準及組成可被構成及組織，以備加工引起的變化，從而在最終產品中形成需要的孔隙陣列。為此目的，預製坯的特性最好基本與連續加工方法的機械相匹配。
雖然預製坯可以被組織以備極度(或塊體)變形加工，但是，它們同樣適於例如幾乎網狀的鑄造或薄板鑄造。
雖然金屬是連鑄方法中使用的公知材料，但是，通過基本的帶材鑄造方法的變化也可實現塑料和陶瓷的連續鑄造。例如，液體的樹脂材料(通常是丙烯酸漿)被澆在由襯墊隔開的兩條水平連續帶之間。襯墊擋住液體的樹脂，並限定帶的厚度。一種類似的方法可用來生產金屬和陶瓷帶，以及所有三種基本材料即金屬、塑料和陶瓷的混合物或合金的組合帶。使用這種方法，按照本發明的層製品和織品通過使用預製坯夾具來補充或替代襯墊可以容易地被製造。
按照本發明的預製坯也可以在成型鑄造中製成可消耗的模型。通過鑄造製成的產品的單件或分段的模型或樣板用於建立型腔的形狀和尺寸。雖然模型的基體材料是可消耗的，但是，這些模型含有按照本發明的帶珠的預製坯(其可以是消耗性的或永久性的)。在可使用可消耗的預製坯模型的鑄造方法中有泡沫溶失法鑄造和熔模鑄造，這將在下文描述。
在傳統的泡沫溶失法鑄造中，模型是由可消耗的聚苯乙烯(EPS)珠製成的。當熔融金屬澆入模具中時，它取代蒸發了的EPS模型。帶有結合有帶珠的絲和/或席片的聚苯乙烯(PS)基體的預製坯可在這種方法中使用，以便形成工程產品。這些模型可以做為PS預製坯板開始。
PS預製坯板可使用PS溶液為原料通過連續的預製坯鑄造或連續的擠壓方法製成。通過將發泡劑引入PS溶液或熔體，然後將其與帶珠的絲和/或席片結合以形成連續的帶，從而可以形成坯板。連續帶可在其間帶有特定間隙的帶或板間通過，同時發泡劑使帶膨脹以充滿間隙，使帶的尺寸固定。這種PS連續帶可被冷卻並切成板。取決於其後的鑄造過程，板可以是部分地或充分地膨脹的。
帶珠的絲和/或席片在PS溶液或熔體中排布，以便使膨脹程度與最終產品中需要的孔隙陣列的幾何形狀相和諧。
對於高生產運轉來說，板可以轉換成在加熱模或模具內的EPS預製坯模型，過多的材料從板燒掉以便使每個板符合需要的模型的形狀。例如，板可以在加熱模中被膨脹以符合模腔的形狀，或者一個過尺寸的板可以在加熱的模具內鑄造成需要的形狀。對於較短的運轉來說，使用傳統的木材加工設備可從板切出模型形狀，如果必要，這些形狀可以用膠組裝形成最後的模型。
壓力鑄造是鑄造和鑄造的綜合。在這種方法中，鍛造的意思是將未固結的原料擠壓或壓製成預定的形狀。在壓力鑄造中，按照本發明的鑄坯原料放置在預熱的模具的底部中。然後，加熱的上模下降，在原料固結的整個過程中施加壓力。採用這種方法，在遠遠低於冷、熱鍛造所需的壓力下可以產生複雜的形狀。因此，繩和層製品可在熱量和壓力下固結，並被模具形成最終的產品，同時帶珠的預製坯形成孔隙形狀可被保留(不過，這些預製坯可以在這個過程中被消耗掉)。
這種在擠壓過程中對鑄造原料的熱機械加工產生鍛造的微結構，這可提高延展性，優於原來的鑄造微結構。在這種方法的一個類似的實施例中，液體(或觸變材料)受迫圍繞模內的預製坯模型。觸變材料可消除將精確量的熔融金屬引入模具的需要，這是由於固態基體材料塊被使用，並被加熱成半固態(液態加固態)。
由於觸變材料的性質，可象固體那樣被機械地處置，但是，由於在受攪動或擠壓時可象液體那樣流動，因而在低的壓力下可被成形。這種材料的附加優點在於，不存在紊流，因而減少了氣體的吸收和俘獲。另外，由於這種材料已部分地固化，因而減少了固化收縮及相關的不合乎需要的孔隙度。例如，半固態金屬以粘稠方式流動，使薄的鑄件部分可被迅速填充，而不致產生液態金屬通常出現的噴射及噴濺。
擠拉雖然連續預製坯鑄造方法可以用來形成由塑料、金屬和陶瓷構成的中間和最終產品，但是，塑性樹脂一般是擠拉中使用的基體材料。對於連續生產不變橫截面積的複合材料如圓形、矩形、管狀、板、片及結構產品來說，擠拉是一種有成本效益的自動方法。但是，最近的創新已使帶有變化的橫截面積的複合材料可進行擠拉製造。
擠拉可用於製造含有按照本發明的預製坯的層製品和織品(圖24)。因此，在擠拉系統中設置夾具73，以便使帶有基體材料的預製坯與需要的產品的輪廓和構造相一致。
在本發明中，如圖24-25所示，擠拉一般包括一個纖維供應系統69、一個樹脂槽74、預製坯夾具/加熱模具76、同步拉出器78和一個切斷裝置80(例如割炬、鋸等)。一或多束連續絲2(或席片，和/或織品)通過供應夾具73被引導，使預製坯與基體材料對準，並使構件組合的輪廓形成需要的形狀。然後，複合物可被拉過一或多個(固定或浮動的)加熱模具76，以便使基體材料進一步成形、密實及固化，並消除消耗性的絲、席片和/或織品。其後，製成的材料被冷卻，並被切成段，以便進一步製成中間或最終產品。
連續擠壓連續擠壓可以同擠拉共同使用(如圖25所示的擠壓設備31)，以形成一個連續的過程，以使預製坯通過擠壓形成，並使用擠拉組織成最終的產品。(如前所述)擠壓是一種迫使材料的連續流進入一個成形工具(模具)，或進入某些其它的隨後成形過程，以便形成按照本發明的絲、席片及層製品。
因此，可以通過用基體材料對帶珠的絲及席片進行擠壓後的塗覆，或通過在擠壓後使帶附加織構(texture)而形成層製品。在後一種情形中，帶可以通過(例如)砑光形成的圖案而有織紋，或者通過(例如)有選擇的雷射燒毀切除。
批量加工批量加工技術也可用於製造按照本發明的預製坯，以及工程中間貨品及消費產品，包括那些具有應力控制結構的產品。這種批量加工包括附加製造(additive manufacturing)(AM)及顆粒製造技術。前者只是批量加工，而後者也可以是一種連續的方法。
AM提供在一個步驟的過程中將實際的孔隙、與孔隙相對的前體結合在構造中的能力。附加製造是涉及通過在計算機控制下自動疊加二維材料層而形成三維物體的一系列方法，優點在於，結構的幾何複雜度幾乎不對製造過程產生影響。在這一系列方法中有目前稱為快速原型開發和固定自由形式製造(Rapid Prototyping and Solid FreeformFabrication)或分層製造的方法等。其包括純附加方法，例如，選擇性雷射燒結(Slective Laser Sintering)和雷射金屬沉積(Laser MelalDeposition)，以及混合方法如形狀沉積製造法(Shape DepositionManufacturing)，它涉及材料沉積和去除操作兩者。
AM方法在不中斷的程序中，逐層地複製預製坯。例如，按照本發明的織品可以形成為一系列交錯層的實心物質和含有珠(消耗性的或永久性的)或實際孔隙的層。
AM在本發明協同使用的一個吸引人及有力的特徵在於使產品可具有變化的宏觀及微觀結構的能力。因此，這種技術可以用於將實際孔隙和預製坯材料結合在織品中，並製成異質的和分層的構造。
採用三維列印的AM技術也可以被採用，這提供了生產按照本發明的中間織品和最終織品的可能性，以便用塑料、金屬和陶瓷粉末製成功能性部件及產品。
顆粒製造技術(粉末冶金)是一種將細粉末材料(金屬、塑料及陶瓷等)混合，壓製成(密實的)所需形狀，然後在受控的氣氛中加熱以粘合顆粒的接觸表面並形成需要的性質。適當尺寸、形狀和定位的按照本發明的絲和席片可以被結合在這種方法中，用粉末材料圍繞預製坯並使這種組合物密實地形成「未加工的(green)」織品，以便隨後燒結成最終的工程產品。這種方法的一個優點是組合的材料在燒結前及燒結過程中保持其形狀的能力。在燒結過程中，「未加工的」織品可加熱至剛好低於基體材料的熔點、剛好低於其液態熔體點。因此，緻密性不會使其形狀松垮。因此，孔隙空間將被保留，這是由於緻密的顆粒只是稍許熔化並粘合形成最終的產品。當然在燒結的過程中，任何消耗性的預製坯可被消除掉。
對於高公差產品來說，燒結的產品被再次壓制，這一般可使產品更為精確，具有更好的表面光潔度。例如，孔隙也可以在油槽中被浸透。這種方法很類似於上述的連續鑄造。只是基體材料是粉末而不是熔體。
顆粒技術也可以用來形成織品，以便在泡沫溶失及熔模鑄造中用作可消耗的模型，以在擠壓鑄造中用作預製坯。當然顆粒技術是各種陶瓷和聚合物樹脂加工技術包括陶瓷和塑料帶鑄造的基礎。
顆粒應力控制結構的對稱性和伴隨的孔隙的正交對準使得可以採用大範圍的下述的製造方法來製造工程材料、構件、產品和結構。這些方法中的哪種方法最佳地適於製造顆粒產品要考慮到若干基本因素，包括產品的幾何形狀、材料特性及經濟性。
作為帶孔隙的應力控制結構的前體的結構化材料工程結構，包括應力控制結構中的孔隙也可以通過將一種構造結合在層製品上而形成。這種構造的實例表示在圖26-28中。如圖所示，凹坑78被施加在材料表面上。這種凹坑可以涉及到材料的整個厚度，凹坑存在於一個面上(即，淺的空穴)，相應於在材料另一面的突出區域。
一般來說，為了採用結構化方法產生按照本發明的優選的對稱性孔隙，取決於要在最終工程產品中實現的孔隙陣列。構造的模型可被結合在層製品的一個或兩個表面中。這種結構化方法也可以對帶的切斷和層製品的疊放給予導向裝置，從而使層製品更容易地組裝成複合物和最終產品(如上面詳述的繩和層製品)。
構造(textures)也可以通過壓印和切除(即，除去材料)而添加在層製品上。為了減少對材料的需求，採用壓印在層製品表面上賦予按照本發明的需要的構造。壓印使層製品的材料重新分布，因而並不(象切除那樣)浪費材料。因此，在層製品表面上的孔隙前體可以是下述情形的結果(1)局部的材料壓縮，使材料形成不在平面上的再分布(例如，鑄造凹陷)或(2)層製品材料在平面內的再分布(例如型軋(shaperolling))。
在一個優選實施例中，在構造的壓印過程中使用觸變層製品材料。當薄片狀材料被加熱至「軟的(green)」狀態，使材料本身易於再分布時，層製品被壓印。在連續的鑄造或造型方法中，在金屬、塑料和陶瓷的鑄造過程中，這是容易在現場實現的。因此，金屬如鋁和鋼(例如，箔)可在熱軋程序結束時在線壓印；塑料可以例如在塑料膜鑄造過程中在線壓印；陶瓷在帶材鑄造中帶處於軟的未燃燒狀態時可在線壓印。
當然，當例如通過選擇的雷射燒毀或化學蝕刻除去層製品以形成構造模型時，保證材料的再分布並不是一個關注的因素。
使帶狀鑄件構造化以形成帶圖案的層製品的一個優點是使用熱量、壓力及保壓時間來固結帶材以形成包括許多層的單體複合結的能力(各層可以有不同的基本組成以產生例如功能分級的產品)。當帶材仍熱時作為帶材鑄造線的延續，拉拔未固結的帶材並使其構造化可以改善上述優點。
由構造化的層製品構成的複合物一般最好使用機構的和粘合劑接合及焊接來形成。構造化的金屬尤其是這樣，不過，金屬可被加熱及壓縮以實現固結。另一方面，構造化的陶瓷層製品則必須進行燒結。
構造化的塑料層製品也可以使用微波、超聲波、rf及感應技術進行焊接。感應加熱焊接使用塑料中的金屬填料移過磁場產生的熱量來加熱塑料。
雖然已經結合上述的製造材料、方法及系統描述了本發明的系統，但是，本專業技術人員顯然懂得，未在本說明書中提到的其它材料、方法和系統也可使用/製成本發明。
已經結合目前優選的實施例描述了本發明，顯然也可以在結構上進行各種變化而並不違背權利要求書所限定的本發明的實際精神。
權利要求
1.用於在工程材料中形成多個孔隙的帶珠的預製坯，它包括多個相鄰定位的珠。
2.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述珠間隔開預定距離。
3.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述珠在結合在最終材料內之前被定徑(sized)。
4.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述多個珠沿一條線布置，形成絲。
5.如權利要求4所述的帶珠的預製坯，其特徵在於還包括施加在所述絲上的塗層。
6.如權利要求4所述的帶珠的預製坯，其特徵在於多條絲交織成織品。
7.如權利要求4所述的帶珠的預製坯，其特徵在於多條絲組合形成鑄件原料。
8.如權利要求4所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述絲是基本連續的。
9.如權利要求4所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述絲是斷續的。
10.如權利要求2所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述多個間隔開來的珠沿多條線布置，形成多條絲。
11.如權利要求10所述的帶珠的預製坯，其特徵在於還包括施加在所述絲上的塗層。
12.如權利要求11所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述絲布置在兩維陣列中，並用所述塗層塗覆，形成一個層製品。
13.如權利要求10所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述絲包括第一組絲和第二組絲，所述第一組絲具有第一尺寸的多個第一珠，所述第二組絲具有第二尺寸的多個第二珠。
14.如權利要求10所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述絲各包括一個用於布置所述絲的導向裝置。
15.如權利要求14所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述導向裝置包括切割導向裝置。
16.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述多個珠布置在一個柵格上，形成席片。
17.如權利要求16所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述席片包括用於與一個第二席片適當組裝的疊合導向裝置。
18.如權利要求16所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述席片包括切割導向裝置。
19.如權利要求16所述的帶珠的預製坯，其特徵在於還包括施加在所述席片上的塗層，形成一個層製品。
20.如權利要求19所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述層製品是基本連續的。
21.如權利要求19所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述層製品是斷續的。
22.如權利要求19所述的帶珠的預製坯，其特徵在於多個層製品被布置以形成鑄件原料。
23.如權利要求19所述的帶珠的預製坯，其特徵在於多個層製品被組合以形成複合物。
24.如權利要求23所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述複合物包括一個織品。
25.如權利要求19所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述鑄件包括加強材料。
26.如權利要求19所述的帶珠的預製坯，其特徵在於每個所述層製品包括穿孔以利於所述層製品之間的材料流動。
27.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述帶珠的預製坯是基本剛性的。
28.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述帶珠的預製坯是基本撓性的。
29.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述多個珠是變化尺寸的。
30.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述多個珠尺寸基本相擬。
31.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述多個珠具有特定形狀。
32.如權利要求31所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述形狀包括幾何形狀。
33.如權利要求32所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述幾何形狀是球形。
34.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述多個珠是基本中空的。
35.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述多個珠是基本實心的。
36.如權利要求1所述的帶珠的預製坯，其特徵在於所述多個珠包括基本實心珠和基本中空珠的混合。
全文摘要
一種帶珠的預製坯包括用於在工程材料中形成多個孔隙的多個相鄰定位的珠。帶珠的預製坯可以由絲(一串珠)和席片(兩維和三維陣列的珠)構成。絲和席片可被塗覆，分別形成繩和層製品，然後組裝成複合材料。這種預製坯可以使用新穎的製造設備和方法生產，並在公知的製造方法中結合在任何材料中以生產多孔結構，包括應力控制結構，上述材料例如包括金屬、塑料、陶瓷、紡織品、紙及生物材料。
文檔編號E04C2/34GK1877043SQ20061009368
公開日2006年12月13日 申請日期2002年5月17日 優先權日2001年5月17日
發明者查爾斯·R·歐文斯 申請人:查爾斯·R·歐文斯