(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）成形されるべき形状を有するマトリックスを提供する工程と、
（ｂ）（ｉ）スプレーガンがマトリックスの表面の上方を移動方向へ前後にパスしかつパスとパスとの間に移動方向と交差するステップ方向にシフトするようにマトリックスに対してスプレーガンを動かし、かつ、各パスの際に金属をスプレーガンからスプレー方向に噴射し、
（ｉｉ）少なくとも幾つかの連続するパスの際に金属が２つのスプレー方向から前記マトリックスの同じ領域に十字状パターンで被着されるようにパスとパスとの間でスプレー方向を変えるようにパスとパスとの間にスプレーガンを回転させて、被着金属によりマトリックスにシェルを形成することにより、
スプレーガンから金属を溶融液滴としてスプレーして金属を前記マトリックスに被着する被着工程と、
（ｃ）シェルをマトリックスから取り出す工程とを備えることを特徴とする型の製造方法。
【請求項２】
前記シェルは厚さが少なくとも３ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シェルは長さおよび幅寸法が少なくとも０．５ｍであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記シェルは厚さが少なくとも８ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記シェルは少なくとも１ｍ2の面積を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記金属は少なくとも４００℃の融点を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記金属は少なくとも１０００℃の融点を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記金属は鉄、ニッケル、亜鉛、アルミニウムおよび銅よりなる群から選ばれる１つ以上の成分金属の少なくとも５０％を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記金属は鉄およびニッケルよりなる群から選ばれる１つ以上の成分金属の少なくとも５０％を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属は少なくとも１０％のニッケルを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属は３０％乃至５５％のニッケルと、４５％乃至７０％の鉄とを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
シェルに含浸を行うことにより前記シェルを封止する工程を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記シェルに含浸を行う前記工程はシェルに重合体材料を含浸させる工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記シェルに含浸を行う前記工程は金属を前記シェルにめっきする工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記金属をスプレーする前記工程は前記マトリックスを９５℃よりも低い表面温度に保持して行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記マトリックスは重合体材料から形成されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記金属を溶融液滴としてスプレーする前記工程は前記金属をアークスプレーすることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記金属を溶融液滴としてスプレーする前記工程は前記金属をプラズマスプレーすることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記被着工程は、第１の組の条件を使用して前記金属の初期層を前記マトリックスに被着する第１の段階と、前記第１の組とは異なる第２の組みの条件を使用して前記シェルの残りを被着する第２の段階とを含み、前記第２の組の条件は、前記第１の組の条件よりも高い電力損を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記被着工程は、第１の組の条件を使用して前記金属の初期層を前記マトリックスに被着する第１の段階と、前記第１の組とは異なる第２の組みの条件を使用して前記シェルの残りを被着する第２の段階とを含み、前記第２の段階における前記表面の上方での前記スプレーガンの動きの速度は、前記第１の段階における前記表面の上方での前記スプレーガンの動きの速度よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記被着工程は、第１の組の条件を使用して前記金属の初期層を前記マトリックスに被着する第１の段階と、前記第１の組とは異なる第２の組みの条件を使用して前記シェルの残りを被着する第２の段階とを含み、該被着工程は前記第２の段階後に更に前記第１の組の条件の下で行われる第３の段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記被着工程の後にシェルを徐々に冷却する工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記被着工程はマトリックスの形状を有するキャビティ面と該キャビティ面から突出する複数のリブとを形成するように行われ、前記方法は前記徐々に行われる冷却工程の後に前記リブを取り出す工程を更に備えることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記型の製造方法において複合部品を形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
（ａ）成形されるべき形状を有するマトリックスを提供する工程と、
（ｂ）（ｉ）スプレーガンがマトリックスの表面の上方を移動方向へ前後にパスしかつパスとパスとの間に移動方向と交差するステップ方向にシフトするようにマトリックスに対してスプレーガンを動かし、かつ、各パスの際に金属をスプレーガンからスプレー方向に噴射し、
（ｉｉ）少なくとも幾つかの連続するパスの際に金属が２つのスプレー方向から前記マトリックスの同じ領域に十字状パターンで被着されるようにパスとパスとの間でスプレー方向を変えるようにパスとパスとの間にスプレーガンを回転させて、被着金属によりマトリックスにシェルを形成することにより、
スプレーガンから金属を溶融液滴としてスプレーして金属を前記マトリックスに被着する工程と、
（ｃ）シェルをマトリックスから取り出す工程とにより製造した型。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、金属の熱スプレー(thermal spraying)により工具を成形加工する技術に関する。
複合材料の成形およびレイアップのような工業プロセスにおいては、製造されるべき物品に特有の形状を有する工具が必要となる。例えば、複合物品は、所望の物品の形状に対応する内部形状を有する型(mold)において形成することができる。小形部品の成形加工の工具はしばしば、従来の機械加工技術を使用して、中実の金属から機械加工される。これらの技術は、１メートル以上の寸法を有する著しく大形の型の場合には実用的ではない。数多くの産業、特に、航空宇宙産業においては、機体における複合構造材料の普及の高まりに伴い、大形の型の必要性が増している。機体に使用される複合部品は、取り付けおよび仕上げに関する過酷な基準を満たさなければならないとともに、複雑な湾曲面を有することがしばしば要求される。更にまた、炭素繊維強化グラファイト複合体のようなある種の特に有用な複合体は、比較的高温で成形しなければならない。熱膨張係数が低いニッケル合金から形成される型は、これらの材料を成形するのに好まれている。これらの金属の中実ブロックから大形の型を機械加工するのに要するコストは、著しく高いものとなる。
部品の形状に対応する形状を有するマトリックスを準備し、このマトリックスに金属を被着して工具を形成することにより工具を得るために、種々の提案がなされてきた。例えば、工具は、工具を形成する金属を十分な厚さになるまでマトリックスに電着させる電鋳として知られている方法により製造することができる。電鋳は、緩慢であり、コストを要し、しかも大形工具には実用的ではない。更にまた、ステンレス鋼およびある種のニッケル含有合金のような、工具形成に有用な多くの金属は、容易には電鋳することができない。
マトリックスに対する金属の熱スプレーにより工具を成形加工することも提案されている。本明細書において使用されている「熱スプレー」("thermal spraying")なる語は、金属を加熱して金属を溶融金属の液滴に変えるとともに、この液滴を中実のマトリックスにスプレーし、被着させた液滴を凝固させる方法を云うものである。熱スプレーには、例えば、金属を炎に通して溶融して液滴を形成するフレームスプレー、金属を電気アークに通して溶融させるアークスプレーおよび金属を熱プラズマと接触させて溶融させるプラズマスプレーが含まれる。１９８１年４月２８−３０日に開かれた第２６回ナショナルＳＡＭＰＥシンポジウム(26th National SAMPE Symposium)（第３７４−３８７頁）に掲載のThorp等の「スプレー金属複合工具形成」(Spray Metal Composite Tooling)と題する論文および１９８２年に開かれた第２７回ナショナルＳＡＭＰＥシンポジウム（第８５４−８６４頁）に掲載のThorp等の「大形のスプレー金属複合工具形成」(Large Sprayed Metal Composite Tooling)と題する経過報告には、カークサイトとして知られる比較的低融点の金属をプラスチックコーティング石膏マンドレルにスプレーし、次いで、スプレーしたカークサイトの外側にハニカム複合支持体を被着し、マンドレルを取り除くことによる、大形のガラス繊維−エポキシ複合物品を製造する工具の形成が記載されている。Society of Manufacturing Engineersの１９９３年のテクニカルペーパＰＥ９３−１６５に掲載のMartyniakの論文である「プロトタイプおよび限定製造、射出および吹込成形用のスプレー金属工具」(Prototype and Limited Production, Spray Metal Tools for Injection and Blow Molding)と題する論文には、亜鉛をマトリックスに噴霧し、噴霧した亜鉛シェルに構造補強エポキシを裏打ちすることによるプラスチック型の形成が記載されている。Garnerの米国特許第３，７８４，４５１号には、亜鉛またはアルミニウムシェルのようなスプレー金属シェルに重合体樹脂を含浸させるとともに、電気めっきすることにより平滑面を得るようにした、噴霧亜鉛の型のような噴霧金属型を製造する方法が開示されている。米国特許第５，１８９，７８１号には、コンピュータ駆動の中実モデリング技術による、熱スプレー用のマトリックスの成形加工が開示されている。しかしながら、これらの場合にも、スプレー金属は、合金化された亜鉛組成物のような比較的低融点の材料である。Putzの米国特許第４，７７７，００２号には、水溶性の分離層を最初にコーティングした型コアに鋼をスプレーし、スプレーした鋼の層に支持体を被着し、次いで、水溶性の層を溶解して支持体と鋼層とを分離することにより型を製造する別の方法が開示されている。
Milovich等の米国特許第５，０７３，５８９号には、スプレー金属の工具を約７５０℃以下の温度で使用するための裏打ち樹脂が記載されている。裏打ち樹脂組成物は、金属シェルの後面に配置される。金属シェルは、錫、亜鉛、アルミニウムまたは鋼合金のような金属をマトリックスまたはパターンにスプレーすることにより形成される。Society of Manufacturing Engineersの１９８９年のペーパＴＥ−８９−５０７に掲載のMilovichの「金属で表面処理した複合工具の形成」(Metal-Faced Composite Tooling)と題する論文には、「スプレー金属工具の形成」が、ある形態で、あるいは「最近４０年間に亘り実質上全ての航空宇宙産業の製造者による」他の形態で試行されてきたと記載されているとともに、「成功が得られなかったのは、従って、産業界に受け入れられなかったのは、不十分な材料と、このほとんど未知の分野の特徴である不十分な加工技術の開発とによるのではなく、基本的な材料特性が不十分であることによるものであった」と記載されている。この論文には更に、錫／亜鉛合金（４５５°Ｆの融点）からニッケル合金（約２７００°Ｆの融点）に亘る種々の金属の熱膨張係数の測定が報告されているとともに、アルミニウム青銅からの実演用工具の形成が報告されている。カリフォルニア州、パサディナで１９９３年１月１８−１９日に開かれたTooling for Composites 93のSME会議で発表されたMilovichの「工具形成用のアンバー／表面処理複合体の形成と分析」(Fabrication and Analysis of Invar/Faced Composites for Tooling Applications)と題する論文には、アンバーと呼ばれるニッケル合金をモノリシックグラファイトマトリックスに熱スプレーすることにより、この合金の薄肉の試験プレートを形成することが記載されている。この論文には、熱スプレー後のアンバーの収縮により生ずる寸法変化を小さくするように薄く形成しなければならないと報告されている。
しかしながら、本技術分野におけるこのような努力および他の努力にも拘わらず、本発明が完成されるまでは、金属の熱スプレーにより高い成形温度の大形の複合物品を成形加工するのに適した工具を提供することは実用的ではなかった。特に、航空宇宙産業において使用されるような大形の複合部品の形成に必要とされる強度特性を有する大形の比較的厚肉のシェルの成形加工用の工具を成形加工するための真に満足することができる方法は、見出すことはできなかった。更に、ステンレス鋼およびニッケル合金のような比較的高融点の金属においてこのような大形で厚肉のシェルを形成することは特に困難なものであった。かくして、本発明の完成前は、金属の熱スプレーにより工具を成形加工する技術における更なる改良に対する、満たされたことのない有意の要望があるとともに、工具自体における改良においても同様のことが待望されている。
発明の概要
本発明の一の観点においては、型を製造する方法が提供されている。本発明のこの観点に係る好ましい方法は、成形されるべき形状を有するマトリックスを提供する工程を有している。マトリックスは、容易に機械加工することができる重合体組成物または注型可能な多成分重合体組成物のような従来の材料から形成することができる。本発明のこの観点に係る方法はまた、スプレーガンがマトリックスの上方を移動方向に前後に移動即ちパスするようにスプレーガンをマトリックスに対して動かしながら、溶融状態にある金属をスプレーガンからスプレーすることにより金属をマトリックスに被着する工程を備えている。スプレーガンは、パスとパスとの間に移動方向と交差するステップ方向にシフトする。溶融金属は、スプレーガンからスプレー方向に噴射される。最も好ましくは、この方法は、スプレー方向を変化させるようにパスとパスとの間にガンを回転させる工程を有する。マトリックスに対するスプレーガンの動きは、連続するパスの際に金属がオーバーラップ領域に被着されるように制御される。かくして、連続するパスの少なくとも幾つかの際に、金属は、２つのスプレー方向からマトリックスの同じ領域に十字状のパターンで被着される。被着された金属は、マトリックスにシェルを形成する。被着後に、シェルはマトリックスから取り外される。
本発明のこの観点に係る好ましい方法によれば、マトリックスの形状を精確に再現する実質上あらゆる所望のサイズの強靱な厚肉のシェルを形成することができる。これらのシェルは、種々の物品を製造するための型として使用することができる。本発明は所望の実質上あらゆるサイズまたは肉厚のシェルを製造するのに使用することができるが、望ましくは約３ｍｍを越える肉厚、より好ましくは約８ｍｍ以上の肉厚の、比較的厚肉の自立シェルを形成する場合に特に有用である。更に、本発明に係る好ましい方法は、約０．５ｍｍ以上の長さおよび幅寸法を有するとともに、少なくとも約１平方メートルの面積を含む大形のシェルを形成する場合に特に有用である。本発明のこの観点に係る好ましい方法は、実質上あらゆる金属から型を成形加工するのに使用することができる。しかしながら、本発明の方法は、約４００℃を越える融点を有する金属から型を形成するのに特に有用であり、この方法により、約１０００℃を越えるようなはるかに高い融点を有する金属から型を形成することもできる。鉄、ニッケル、亜鉛、アルミニウムおよび銅よりなる群から選ばれる１つ以上の成分金属を含む金属を使用することができる。
本発明方法は、ステンレス鋼からおよびニッケル−鉄合金のようなニッケル合金から型を成形加工する場合に適用するのが特に好ましい。例えば、約３０％乃至約５５％、より好ましくは、約３６％乃至約５０％のニッケルを含むニッケル−鉄合金は、低い熱膨張係数を有し、高温で使用されるべき大形の型に特に望ましい材料である。これまでは、熱スプレーによりこれらの材料から大形で、厚肉の強靱な型を成形加工することは実用的でなかった。本発明は何らの操作理論により限定されるものではないが、十字状にオーバーラップするスプレーパターンをはじめとするスプレー工程において使用される特定の技術は、スプレーされた金属のシェル即ちスプレー金属シェルの耐そりおよびゆがみ性を高めることができるものと考えられる。
本発明の方法は、スプレー金属を２段階以上で、最も好ましくは３段階で被着する工程を含むことができる。第１および第３段階においては、スプレー金属は、熱スプレーガンにおける電力損(power dissipation)を比較的低くして、かつ、マトリックスの上方でのスプレーガンの動きの速度を比較的遅くして、比較的緩慢に被着される。第２の段階においては、スプレー金属は、スプレーガンにおける電力損を大きくし、かつ、表面上方のスプレーガンの動きを一層迅速にして、より大きい速度で被着される。第１の段階の際に使用される条件によれば、表面の輪郭を微細に複製することができるとともに、マトリックスを過熱することなくマトリックスに隣接して緻密な金属層を形成することができる。第２段階において使用される条件によれば、金属を迅速に被着することにより厚肉で強靱なシェルを形成することができる。シェルは、所望により、「吸い上げ性」または「非吸い上げ性」の型に形成することができる。型成分に関して本明細書において使用されている「吸い上げ性」なる語は、成分が成形操作において放出される揮発物を散逸させるのに十分なガス透過性を有することを意味するものであり、一方、「非吸い上げ性」なる語はシェルがこの程度のガス透過性を持たないことを意味する。シェルに非吸い上げ性を持たせるために、シェルに、重合体材料を含浸させることができ、あるいは無電解めっきまたは電気めっきによりシェルに被着することができるニッケル合金のような金属を含浸させることができる。これに代えて、あるいは更には、シェルに、テトラフルオロエチレン、フッ素化エチレンプロピレン、パーフルオロアルコキシエチレンよりなる群から選ばれるモノマのホモポリマおよびコポリマのような重合体材料を含浸させることができる。
本発明の別の観点によれば、スプレーにより被着した金属のシェルにおいてはこれまで得ることができなかった特性の組み合わせを有するスプレー被着金属から形成される金属シェルが提供されている。本発明のこの観点に係る好ましいシェルには、少なくとも約０．５メートルの長さと幅の寸法を有し、少なくとも約３ｍｍの厚さを有し、かつ、少なくとも５００℃以上、好ましくは少なくとも約１０００℃の融点を有するスプレー被着金属から形成されるシェルが含まれる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施例において使用されるマトリックスとシェルとを示す概略断面図である。
図２は、図１の実施例におけるスプレーガンの動きおよびスプレー有効範囲を示す線図である。
図３は、図１−２の実施例に従って形成されたシェルの線図である。
図４は、成形操作にある図３のシェルを示す線図である。
好ましい実施例の詳細な説明
本発明の一実施例に係る方法は、成形されるべき部品の形状を有するキャビティ領域１２を有するマトリックス１０を利用するものである。マトリックス１０はまた、キャビティ領域１２を画成するエッジ領域１４と、エッジ領域１４およびキャビティ領域１２から突出する側壁１６とを有している。側壁１６は、最も望ましくは約３°−５°以上の抜き勾配を有している。好ましくは、エッジ領域１４は、幅が約２インチ（５ｃｍ）以上である。マトリックス１０は、約２２０°Ｆ（１０４℃）以下あるいはそれ以上で有効な構造強度を有する材料から形成するのが望ましい。ミシガン州、シャーロットに所在するAdtech CorporationによりEL-325HTTCエポキシ複合工具コンパウンドなる表示が付されて販売されているコンパウンドのような高温エポキシ複合工具コンパウンドを使用することができる。かかるエポキシは、混合し、次いで成形のために注型し、硬化することができる２成分系として商業的に提供されている。あるいは、この混合物は、注型してブロックを形成し、次いで所望の形状に機械加工することができる。他の適宜の材料として、ニューヨーク州、アードスレイに所在するCiba-Geigy Corporationおよびミシガン州、ランシングに所在するRen Plastics, Inc.により商標REN SHAPEが付されて販売されているものがある。材料REN SHAPEは一般に、型の所望の形状に機械加工することができるボードまたは予備成形加工された成形体として提供されている。アルミニウムもしくは真鍮のような金属またはグラファイトをはじめとする他の容易に成形可能なまたは機械加工可能な材料も使用することができる。キャビティ領域の所望の形状はコンピュータデータとして得ることができ、マトリックスは従来のコンピュータ制御の工作機械を使用して所望の形状に機械加工することができる。上記したエポキシ材料のような重合体材料は、従来の繊維質強化剤で強化することができる。
熱電対のような温度感知プローブ１８が、型の表面に隣接して、キャビティ領域のマトリック１０に埋め込まれる。温度感知プローブは、オペレータがその後の処理の際にマトリックス表面の温度を監視することができるように、従来の読み取り装置２０に結合されている。マトリックス１０は、ステンレス鋼のテーブル２１のような支持構造体に保持して安定にするのが望ましい。
スプレー金属を被着させるのに、ロボット２４（図２）に結合された熱スプレーガン２２が使用される。熱スプレーガン２２は、従来のプラズマスプレーガンまたはアークスプレーガンとすることができる。例えば、ウイスコンシン州、アップルトンに所在するMiller Thermal, Inc.によりモデルBP 400 Arc Spray Systemの表示が付されて販売されているタイプのスプレーガンがある。ガンBP400は、一対のワイヤを連続的に前進させながら、電位を印加してアークをワイヤ間に当てるように構成されている。ワイヤは連続的に溶融し、溶融した金属は噴霧され、圧縮空気の流れのような圧縮気体の流れにより基板に吹き付けられる。スプレーガンには、ガンの前部から延びるスプレー方向２４に沿った方向を向く比較的狭い円錐状パターンをもって高速で金属の液滴と気体のスプレーを方向づけるように構成された高速エアキャップが装着されている。
スプレーガン２２は、従来の技術を使用してプログラム化可能な従来の産業ロボットに取着される。ロボット２６は、以下に記載の態様でガンを動かすようにプログラム化される。ガン２２はまた、処理において使用されるべきワイヤ源（図示せず）および液滴を噴射させるための圧縮空気のような圧縮気体源に接続される。ガン２２により使用されるワイヤは、所望の金属シェルと同じ組成を有する。使用することができる金属には、２０００、３０００、５０００、６０００または７０００シリーズのアルミニウム合金のようなアルミニウム合金がある。ステンレス鋼をはじめとする広範囲の鉄含有金属も使用することができる。首尾よく使用することができるステンレス鋼合金の中には、タイプ３０３、３０４、４１５および１５．５がある。上記したように、著しく低い熱膨張係数を有する仕上げられた型を得るのに、ある種の鉄−ニッケル合金が特に有用である。約３０％乃至約５５％のニッケルを含むとともに、約４５％乃至約７０％の鉄を含む鉄とニッケルの合金が、この目的のためには特に好ましい。最も好ましい合金には、約３６％のニッケルを含む合金が含まれる。かかる合金の中には、上記したMiller Thermal Inc.が「ニッケル３６」の表示を付して販売している合金およびアンバー３６と呼ばれる材料が含まれる。ウエストバージニア州、ハンティントンに所在するINCO Alloys InternationalがNilo 36 Filler材料の表示を付して販売しているタイプのニッケル含有合金も使用することができる。Nilo充填材は、約３６．２９％のニッケルと、６１．４７％のＦｅと、１．１４％のＣｏと、０．２６％のＴｉと、０．０９％のＳｉと、０．５２％のＭｎと、０．２３％のＣとを含む。上記したINCO Alloys Internationalから入手することができ、約４０．７２％のＮｉと５８％のＦｅとを含むNilo36金属コアと呼ばれる合金も使用することができる。更に、５０％ニッケル−５０％アンバー合金も使用することができる。
マトリックス１０の表面には、金属の被着に先だって、上記したAdTech Corporationから入手することができるエポキシ高温表面コートのような適宜のシーラントをコーティングすることができる。金属被着処理の際には、ロボット２６は、ガンが各パスの際に矢印２８で示す移動方向へ動くとともに、パスとパスとの間にステップ方向３０にシフトするように、ガン２２をマトリックス１０の表面上方で動かす。ロボット２６は、ガンのスプレー出口をマトリックス１０の表面から所定の離隔距離をもって保持する。ロボットはまた、交互に行われるパスの方向に対してスプレー方向を変えるようにガン２２を回転させる。かくして、一の組のパスにおいては、ガンは図２において実線２２で示すように方向づけられ、このスプレー方向が第１のスプレー方向２４である。第１の組とは別の組のパスにおいては、ガンは図２において破線２２’で示すように配置され、スプレー方向は第２のスプレー方向２４’となる。これらの動きの全ては、マトリックス１０の表面に射突するスプレー金属が一連のオーバーラップするストリップとして被着されるように互いに調整される。例えば、第１のパスにおいては、ガン２２は実線で示すように配向されるとともにスプレー金属は第１のスプレー方向２４へ向けられ、金属はガンが図２において上方を向く移動方向へ移動するとストリップ３２ａとしてマトリックス１０に射突する。次のパスにおいては、スプレーの方向は第２のスプレー方向２４’となり、ガンは図２において下方を向く反対の移動方向へ移動し、スプレー金属はストリップ３２ａとオーバーラップするストリップ３２ｂとしてマトリックスに射突する。この処理が継続することにより、次のパスは第２のスプレー方向２４となり、ストリップ３２ｂとオーバーラップするストリップ３２ｃが被覆される。各パスにおいて、被着金属は前回のパスで被覆されたストリップの幅の約半分を覆う。ガンの移動速度は、一般に、分当たり１２００乃至２６００インチである。
この処理が続くと、金属は２つのスプレー方向へ十字状パターンで被着される。この操作パターンは、キャビティ領域１２およびエッジ領域１４の全表面に亘って繰り返され、被着金属がこれらの領域の全てに行き渡るように側壁まで達する。被着金属は、マトリックスの方を向くとともにマトリックスの形状を複写したキャビティ面３５を有するシェル３７を形成する。シェルはまた、マトリックスの側壁を越えて延びるとともに、面３５から突出するリブ３３を有している。スプレー処理の際には、温度監視センサ１８とインジケータ２０は、マトリックスの温度をチェックするのに使用される。スプレー条件は、マトリックスの温度がマトリックスの使用温度を越えないように、好ましくは約２００°Ｆ（９５℃）以下に保持されるように制御される。
スプレー処理は３段階で行われる。第１の段階では、第１の組のスプレー条件が使用される。第１のスプレー条件には、スプレーガンのアークにおける電力損を第１の比較的低レベルにすること、従って、金属の被着速度を比較的低くすることと、移動方向２８の線速度を第１の比較的低い速度にするとともにガンへのワイヤの供給速度を低くすることが含まれる。かかる第１段階の条件は、所定の厚さ、一般的には、約０．０３０−０．０６０インチ（約０．７５ミリ乃至約１．５ｍｍ）の厚さの金属がマトリックスに形成されるまで保持される。第２の段階においては、電力損、ワイヤ供給速度および移送速度が第１段階よりも大きく設定される。第３段階で使用される条件は、電力損を比較的高くした点を除いて、第１段階の条件と同様にするのが望ましい。第１段階の条件によれば、マトリックス表面に微細で緻密な金属コーティングが形成され、一方、第２段階の条件によれば被着金属を迅速に形成することができる。特定のスプレー条件は使用される特定のスプレーガンおよび被着される金属により幾分変わるが、３６％ニッケル−６４％鉄合金に関しては下記の条件が満足することができることがわかった。
0003707795.tif 000002
第２段階の条件の下での被着は、所望の厚さのほとんど全てが形成されるまで継続される。実質上あらゆる厚さのシェルを、被着を所望の時間続けることにより形成することができる。好ましくは、シェルは、被着処理において、少なくとも約３ｍｍ、より好ましくは少なくとも約８ｍｍ、最も好ましくは約１３ｍｍ（１／２インチ）以下の厚さに形成される。
被着が終了すると、被着金属シェルは、マトリックスから取り出される前に、徐々に、望ましくは少なくとも数時間に亘って、より好ましくは一層長い時間をかけて冷却に供される。例えば、制御温度環境において２乃至６週間かけて約１５０℃から約２０℃に冷却し、次いで、室温で数日間更に冷却を行うのが、著しく大形の型の場合に特に好ましい。このように徐々に冷却を行うと、金属シェルを取り出す場合にシェルを安定にするとともに、そりをなくし易いと考えられる。更に、本発明は何らの操作理論に限定されるものではないが、一体金属３３がマトリックスの壁面１６に沿ってモールドのキャビティ面３５から突出しているので、冷却の際および冷却直後のそりに対して金属シェルを安定にするものと考えられる。シェルをマトリックスから取り出した後は、リブ３３を取り除き、シェルを最終の型としての形態で得る。マトリックス１０と当初接触していたシェルのキャビティ面３５は、マトリックスの形状を正確に模写し、しかも良好な表面仕上げを有する。好ましくは、表面仕上げは、典型的には約１２５マイクロインチの表面粗さまたは円滑度の仕上げまで研磨することにより高められる。研磨後は、成形面には、ポリマを含浸させあるいはニッケルのような金属を電気めっきまたは無電解めっきにより含浸させることができる。適宜の重合体コーティングには、テトラフルオロエチレン、フッ素化エチレンプロピレン、パーフルオロアルコキシエチレン、アクリルビニリデンフロライドおよびアミドよりなる群から選ばれるモノマのホモポリマおよびコポリマが含まれる。これらは、従来のコーティングおよび含浸技術により被着することができる。使用することができる重合体材料には、ニュージャージー州、リンデンに所在するGeneral Magnaplate Corporationから登録商標LECTROFLUORが付されて販売されている相乗コーティングがある。非吸い上げ性の型が所望される場合には、仕上げられた含浸シェルは真空一体試験に合格すべきである。
完成されたシェルは、典型的には、型として使用するのに十分な構造強度を有する。しかしながら、構造強度を更に高めるために、シェルは、キャビティ面３５とは反対側のシェル３７の面に重合体補強材３９を流延させあるいはレイアップすることにより補強することができる。補強材３９は、金属素子を更に組み込むことができ、あるいは流延しまたはレイアップしたポリマ内にハニカムその他の補強構造体を組み入れてもよい。補強構造体はまた、シェルの表面を冷却または加熱する冷却および加熱チューブのような素子を含むことができる。この方法の変形例においては、冷却および加熱チューブ、中実の金属補強素子および他の金属介在物は、金属被着処理の際に埋め込むことができる。かくして、かかる介在物は、別の金属層が介在物の上に形成されるように、一部が仕上げられたシェルに配置することができる。
仕上げられた型は、物品４１のような複合物品を形成するのに使用することができる。この型は、同様の方法により形成された整合型４３とともに使用することができる。上記方法に従って成形加工された型は、実質上あらゆる材料を形成するのに使用することができる。しかしながら、これらは、炭素繊維およびグラファイト複合体を形成するのに特に有用である。かかる複合体は、機体を形成するために航空宇宙産業において使用される。かかる複合体は、一般には、約３５０°Ｆ（１７７℃）の温度で硬化される。上記のようにして成形加工されたニッケル合金の型は、数メートル更には数十メートルの寸法を有する著しく大形の片としてこれらの材料を形成するのに使用することができる。
上記した処理に従って形成された金属シェルは、成形以外の目的にも使用することができる。
上記した構成についてのこれらのおよび他の変更および組み合わせを、本発明から逸脱することなく利用することができるので、好ましい実施例についての上記説明は請求の範囲に記載の本発明を限定するものではなく例示するものとして理解されるべきである。
【図１】
0003707795.tif 000003
【図２】
0003707795.tif 000004
【図３】
0003707795.tif 000005
【図４】
0003707795.tif 000006