(57)【要約】プロトタイプの射出成型されたパーツを作製する方法および装置が開示される。溶融堆積造形のために用いられるタイプの押出し機は、生産用熱可塑性材料を、等温プロセスにおける低圧力下で、加熱された非伝導性プラスチック鋳型ツール中にゆっくりと注入する。鋳型ツールは、溶融堆積造形または別の迅速プロトタイプ形成技法によるＣＡＤ描画から構築され得る。本発明を用い、射出成型されたプロトタイプパーツが、オフィス環境にいるエンジニアによって２４時間以内にこのパーツのデジタル表示から作製され得る。
2005523178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトタイプのプラスチック射出成型されたパーツを作製する方法であって：
鋳型空洞を規定する非伝導性のプラスチック鋳型ツールを提供する工程；
該鋳型空洞中に、プラスチック材料の液化リボンを、該材料が該空洞を満たすまで、５０００ｐｓｉより少ない圧力で注入する工程；
該鋳型空洞中で該プラスチック材料を硬化し、プロトタイプパーツを形成する工程、を包含する、方法。
【請求項２】
前記鋳型の材料が、押出しヘッドを用いて前記鋳型空洞中に注入される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記注入する工程の前に、前記鋳型ツールを、ほぼ押出し温度まで加熱する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記注入の圧力が、２０００ｐｓｉより少ない、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記注入の圧力が、５００ｐｓｉより少ない、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記注入の圧力が、２０ｐｓｉより少ない、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法の方法であって、前記注入する工程の前に、前記鋳型ツールを、１０トン以下のクランプ力で固定物にクランプする工程をさらに包含する、方法。
【請求項８】
前記注入する工程が、断熱プロセスである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
プロトタイプのプラスチック射出成型されたパーツを作製する方法であって：
鋳型空洞を規定する非伝導性のプラスチック鋳型ツールを提供する工程；
該鋳型空洞中に、材料の液化リボンとして、熱可塑性材料を、該生産用熱可塑性材料が該空洞を満たすように、５０００ｐｓｉより少ない圧力で注入する工程；および
該鋳型空洞中で該生産用熱可塑性プラスチック材料を冷却し、プロトタイプパーツを形成する工程、を包含する、方法。
【請求項１０】
所望のプロトタイプパーツを表すコンピューターファイルデータに基づき、迅速プロトタイプ形成技法を用いて前記鋳型ツールを構築する工程をさらに包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記鋳型ツールが、溶融堆積造形機械中で構築される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記構築する工程および前記注入する工程が、同じ溶融堆積造形機械中で実施される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記注入する工程が、溶融堆積造形機械中で実施される、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記鋳型の材料が、融解押出し機を用いて前記鋳型空洞中に注入される、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記融解押出し機が、フィラメントポンプを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記融解押出し機が、ピストンポンプを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法であって、スプルーを、前記鋳型ツールに、該スプルーの分与端部が前記鋳型空洞中に向くように位置決めする工程；および該スプルーの入口端部を前記溶融押出し機の分与先端に取り付ける工程をさらに包含し、ここで、前記熱可塑性材料が、該溶融押出し機から、該スプルーを経由して該鋳型空洞中に注入される、方法。
【請求項１８】
前記注入する工程の間に、前記押出し機中で超音波エネルギーが誘導され、熱可塑性物質のチキソトロピック流れを生成する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記注入する工程の前に、前記鋳型ツールを、ほぼ押出し温度まで加熱する工程をさらに包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項２０】
前記注入する工程の前に、前記鋳型空洞の表面を放出剤で被覆する工程をさらに包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項２１】
請求項９に記載の方法であって、前記注入する工程の間に前記鋳型空洞中の圧力をモニターし、そして応答して前記注入圧力を調節する工程をさらに包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項２２】
前記注入の圧力が、２０００ｐｓｉより少ない、請求項９に記載の方法。
【請求項２３】
前記注入の圧力が、５００ｐｓｉより少ない、請求項９に記載の方法。
【請求項２４】
前記注入の圧力が、２０ｐｓｉより少ない、請求項９に記載の方法。
【請求項２５】
請求項９に記載の方法の方法であって、前記注入する工程の前に、前記鋳型ツールを、１０トン以下のクランプ力で固定物にクランプする工程をさらに包含する、方法。
【請求項２６】
冷却する工程の間に、前記鋳型ツール上の一定圧力を維持し、前記プロトタイプツールおよび前記鋳型ツールの収縮を補償する工程をさらに包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項２７】
前記プロトタイプパーツが、前記鋳型空洞中で室温に近似する温度まで冷却される、請求項９に記載の方法。
【請求項２８】
請求項９に記載の方法であって、前記注入する工程の前に、前記鋳型ツールの表面を、蒸気で平滑化する工程をさらに包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項２９】
前記熱可塑性材料が、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル、アモルファスポリアミド、ポリエステル、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ナイロン、ＰＥＥＫ、ＰＥＡＫ、およびそれらのブレンドからなる群から選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項３０】
前記プラスチック鋳型ツールが、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル、アモルファスポリアミド、ポリエステル、ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニレンエーテル、ナイロン、ＰＥＥＫ、ＰＥＡＫ、ポリ（２−エチル−２−オキサゾリン）、およびそれらのブレンドからなる群から選択される熱可塑性物質を少なくとも５０重量％を含む熱可塑性材料から形成される、請求項９に記載の方法。
【請求項３１】
前記鋳型ツールを形成する熱可塑性物質が、ポリフェニレンスルホンをベースにした樹脂を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記鋳型ツールを形成する熱可塑性物質が、ポリフェニレンスルホンをベースにした樹脂を含み、そして前記注入される熱可塑性物質がＡＢＳである、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記注入する工程が、減圧の補助を用いて実施される、請求項９に記載の方法。
【請求項３４】
前記注入する工程が、断熱プロセスである、請求項１に記載の方法。
【請求項３５】
プロトタイプのプラスチック射出成型されたパーツを作製する方法であって：
鋳型空洞を規定する非伝導性で透明のプラスチック鋳型ツールを提供する工程；
該鋳型空洞中に、感光性ポリマーの液化リボンを、この材料が該空洞を満たすまで、５０００ｐｓｉより少ない圧力で注入する工程；
該ポリマーを光に曝すことによって該ポリマーを鋳型空洞内で硬化し、それによって該成型されたプロトタイプパーツを形成する工程、を包含する、方法。
【請求項３６】
前記注入する工程の前に、前記鋳型ツールを、ほぼ押出し温度まで加熱する工程をさらに包含する、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記ポリマーが、融解押出し機を用いて前記鋳型空洞中に注入される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記注入圧力が、５００ｐｓｉより少ない、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記注入圧力が、２０ｐｓｉより少ない、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記注入工程が、断熱プロセスである、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
プロトタイプのプラスチック射出成型されたパーツを作製する方法であって：
鋳型空洞を規定する非伝導性のプラスチック鋳型ツールを提供する工程；
一緒に反応するとき、熱硬化性樹脂を形成する２つ以上の反応体材料を提供する工程；
該反応体材料を一緒に混合する工程；
該反応体材料を、押出し機から該鋳型空洞に、５０００ｐｓｉより少ない制御圧力で材料の液化リボンとして、該反応体材料が該空洞を充填するように注入する工程；
該鋳型空洞中で該反応体材料を加熱し、成型されたプロトタイプパーツを形成する工程；および
該鋳型空洞中で該成型されたプロトタイプパーツを冷却する工程、を包含する、方法。
【請求項４２】
前記注入圧力が、５００ｐｓｉより少ない、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記注入圧力が、２０ｐｓｉより少ない、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記注入工程が、断熱プロセスである、請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、射出成型される目的物のプロトタイプ形成に関し、そしてより詳細には、プラスチックの射出成型されたプロトタイプパーツを迅速に作製するためのオフィスに適合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な射出成型プロセスでは、プラスチックが、高圧力で、極度に迅速に、熱伝導性金属鋳型中に注入される。成型されたパーツは、迅速に所定温度まで冷却され、その温度で鋳型から取り出され得る。次いで、このパーツは、別のパーツが作製され得、しかもこのバーツが鋳型上で（収縮格差に起因して）動けなくならないように、鋳型から迅速に排出される。大きなパーツの冷却は固定物上で続ける。生産用射出造形（ｍｏｄｅｌｉｎｇ）の目的は、短いターン・アラウンドタイムで大量の高品質パーツを生産することである。各成型パーツの作製のために、３０秒またはそれより少ないサイクル時間が代表的である。
【０００３】
代表的な射出成型プロセスで三次元目的物を生産するために、この三次元目的物の所望の形状に相補的である空洞を有する鋳型ツールを準備することが必要である。この鋳型ツールは、一般に、２つの対向する半分からなり、これらは一緒に対合して鋳型空洞を規定する。この鋳型ツールは、通常、熱い液体が鋳型中に注入されるとき、高温および圧力に耐え得るスチールまたはその他の金属から機械加工される。使用において、この鋳型ツールは、射出成型機械のフレーム中に挿入され、そして鋳型内部で生成される圧力に抵抗するために高いクランプ力でその場に保持される。鋳型ツールを調製するために必要な時間および熟練は、両者とも顕著である。機械加工は、熟練した職人によってなされなければならず、そしてそれを通って成型材料が注入されるスプルー、ベント、冷却ラインおよびイジェクターピンの組み込みを含む。代表的には、このプロセスは、高いコストで、外部製造供給元に注文を行うこと、そして配達のために数週間または数ヶ月待つことを含む。
【０００４】
従来の金属鋳型製造にともなう出費および長い準備期間を受忍する前に、生産パーツに類似の特徴を有するパーツのプロトタイプを生産することが所望される。目的は、パーツ性能の緊密な予測を可能にするように、所望の最終製造パーツの特徴に十分近い特徴を有するプロトタイプを生産することである。種々の付加的なプロセス迅速プロトタイプ形成（ＲＰ）技法が、パーツの設計ステージにおいてプロトタイプパーツを作製するために一般に用いられている。これらの迅速プロトタイプ形成技法は、溶融堆積造形（ＦＤＭ）、立体リソグラフィー（ＳＬＡ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、積層オブジェクト製造（ＬＯＭ）およびジェット技法を含む。これらの付加的なプロセス技法は、パーツ設計の適合、形態および機能を評価するために有用なプロトタイプを生成し、予備的なパーツ認可を得、そして製品開発を加速する。しかし、最終の生産パーツの強度は、これらの迅速プロトタイプ形成技法によっては模写されない。これらの付加的プロセスは、均一な射出成型されたパーツの内部応力構造とは異なる内部応力構造を生じる、層、階層応力点および空隙を生成する。さらに、これらのプロセスで用いられる多くの材料は弱い。
【０００５】
プロトタイプの射出成型パーツを作製するための用いられる鋳型ツールを生成するために種々の方法が開発されており、これらは、「ブリッジツーリング」または「テンポラリツーリング」と称され得る。これら方法の多くは、迅速プロトタイプ形成技法、特に、立体リソグラフィーを利用する。例えば、米国特許第５，４３９，６２２号は、次に圧縮不能材料で補強され、そして熱伝導性材料で被覆される鋳型シェルを形成するために、立体リソグラフィーの使用を記載する。米国特許第５，９８９，６７９号は、立体リソグラフィーによって形成された目的物内の空洞中に強化材料を注入することによって形成される鋳型ツールを記載する。米国特許第５，９５２，０１８号は、立体リソグラフィーによって形成される鋳型ツール内の排出バルブを含む鋳型ツールを記載する。米国特許第５，６４１，４４８号は、立体リソグラフィーにより生産されるプラスチック鋳型シェル上に金属被覆を堆積することによって鋳型ツールを作製することを記載する。
【０００６】
射出成型以外のプロセスで使用するための鋳型を生成するための迅速プロトタイプ形成の使用もまた、公知である。例えば、米国特許第６，０７３，０５６号は、減圧キャストパーツを形成するために用いられる、立体リソグラフィーまたは溶融堆積によって構築される鋳型を記載する。米国特許第６，１０３，１５６号は、熱硬化性物質を、迅速プロトタイプ形成技法によって形成された鋳型中に注ぐことによるプロトタイプパーツの作製を記載する。
【０００７】
プロトタイプ鋳型ツールを生成するためのマスター鋳型パターンとして、迅速プロトタイプ形成プロセスで形成されたパーツを用いる技法もまた公知である。例えば、米国特許第５，１８９，７８１号は、スプレー金属鋳型を作製するためのパターンとして、プロトタイプパーツの使用を記載する。米国特許第５，７０７，５７８号は、マスター鋳型として立体リソグラフィーによって生成されたプロトタイプを用いる。
【０００８】
Ｓｗｉｆｔｏｏｌ（登録商標）として知られる市販プロセスは、エポキシ鋳型を生成するためのパターンとして、迅速プロトタイプ形成技法によって作製され得る、プロトタイプパーツを用いる。このプロセスは数日を要する。３Ｄ  Ｋｅｌｔｏｏｌ（登録商標）として知られる別の市販プロセスは、金属粉末焼結プロセスにおいて、数日の期間でブリッジツーリングを作製し、これは、立体リソグラフィーによって作製されたマスターパターンから開始する。ＡＩＭ（登録商標）と呼ばれるなお別の市販のシステムは、ＵＶ感受性材料を用いる立体リソグラフィーにより鋳型ツールを構築する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
オフィス環境に適合する、小数のプロトタイプ射出成型パーツを生成する、より迅速で、使用が容易な、かつ低コストの方法に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（発明の簡単な要約）
本発明は、迅速プロトタイプ形成技法を用いて構築され得る非伝導性プラスチック鋳型ツールを用い、プロトタイププラスチック射出成型パーツを作製するための方法および装置である。このプロトタイプパーツは、好ましくは、生産パーツの強度の評価を可能する、生産用熱可塑性材料から作製される。この生産用熱可塑性物質は、等温条件下、ゆっくりとした低圧力プロセスで、押出し機によって鋳型ツールの鋳型空洞中に注入され、プロトタイプパーツを形成する。この押出し機は、フィラメントポンプ（すなわち、ＦＤＭヘッド）、ピストンポンプ、スクリューポンプ、またはその他の押出し機であり得る。このプロトタイプパーツは、ほぼ室温まで鋳型空洞中で冷却される。この鋳型ツールを形成する生産用熱可塑性物質およびプラスチックは、冷却に際し、ほぼ同じ収縮特徴を有するように選択される。溶融堆積迅速プロトタイプ形成機械は、この注入を実施するために用いられる装置であり得る。
【００１１】
好ましい実施形態では、この鋳型ツールは、溶融堆積造形技法によって作製される。１つの実施形態では、この鋳型ツールは、２つ以上の部分で構築され、ここで、熱で固化可能な非伝導性材料の層が、鋳型形状を表すコンピューターファイルデータに従う所定のパターンで堆積される。各鋳型部分は、鋳型表面、対合表面、およびこの鋳型表面および対合表面を支持するベースを含む。一緒になってこの鋳型部分は、鋳型空洞を規定する。代替の実施形態では、この鋳型ツールは、可溶性材料から作成され、そして単一片の構成を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明を用い、射出成型プロトタイプパーツが、オフィス環境にいるエンジニアによって２４時間以内にこのパーツのデジタル表現から作製され得る。この設計エンジニアは、ＣＡＤファィルからプロトタイプを構築するために迅速プロトタイプ形成が、設計エンジニアにどのように力を与えたかと同様に、ＣＡＤファイルから射出造形パーツを構築するために力を与える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（詳細な説明）
本発明の方法および装置は、好ましくは迅速プロトタイプ形成技法を用いて構築される非伝導性プラスチック鋳型ツールを用いて、プロトタイプ射出成型パーツを構築する。注入は、溶融堆積造形機械で用いられるタイプの押出し機から、材料の液化リボンを押出すことによりなされる。押出された材料は、低速度および低圧力で鋳型ツールの鋳型空洞中に注入される。鋳型空洞が充填された後、従って、プロトタイプパーツが生成されて鋳型ツールの内部が冷却される。プロトタイプパーツは、好ましくは、生産用熱可塑性材料から作製され、これは、生産パーツの強度の評価を可能にする。溶融堆積造形機械は、プロトタイプ射出成型装置のために用いられ得る。
【００１４】
製造射出成型プロセスとは対照的に、本発明は、低圧力、低流速および遅いサイクル時間を用い、非強化プラスチック鋳型ツールの使用を可能にし、そしてオフィス使用に適合する安全プロセスを提供する。本発明を用いて、オフィスに適した環境でエンジニアによって、射出成型されたプロトタイプが、約２４時間以内に所望のプロトタイプパーツタイプのデジタル表現から形成され得る。
【００１５】
図１は、本発明を実施する際の使用における、例示の鋳型ツール１０の２つの半分を示す。この例示の鋳型ツールは、本出願と同じ譲受人に譲渡され、あたかも本明細書中に完全に提示されるように参考として援用される、２００３年４月４日に出願された「階層堆積ブリッジツーリング」と題する、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／      合の主題である。鋳型ツール１０の第１の部分１２は、所望のプロトタイプの第１の半分の形状に対応する、窪んだ鋳型表面１４を含む。鋳型ツール１０の第２の部分１６は、所望のプロトタイプ成型された部分の第２の半分の形状に対応する、窪んだ鋳型表面１８を含む。鋳型部分１２および１６の各々は、図２に示される対合表面１７とベース２０を有し、これは、鋳型表面１４および１８ならびに対合表面１７を支持する。この鋳型部分１２および１６の対合表面１７が図２に示されるように一緒に対合されるとき、鋳型表面１４および１８は鋳型空洞１９を規定し、これは、所望のプロトタイプパーツの形状を有している。内部空洞を有するプロトタイプの成型されたパーツのために、この鋳型ツール１０は、鋳型コアをさらに備える。
【００１６】
鋳型部分１２および１６の各々はまた、スプルーチャネル２２、ベントチャネル２４、および４つの整列穴２６を含む。このスプルーチャネル２２は、鋳型ツール１０の最終アセンブリ挿入されるスプルーの配置を可能にし、鋳型空洞１９中に溶融されたプラスチックの注入のための経路を提供する。ベントチャネル２４は、鋳型ツール１０がアセンブルされるとき、鋳型空洞１９からガスを排出するための通路をともに形成する。
【００１７】
整列穴２６は、ネジまたはピンを受け、これは、鋳型ツール１０のアセンブリ中で、鋳型ツール部分１２および１６をともに整列し、かつ保持する。鋳型ツール１０はまた、必要に応じて、注入プロセスの間に冷却剤の流れを導入するための冷却ラインを含み得る。
【００１８】
代替の実施形態では、鋳型ツールは、可溶性の造形材料から作製され、そして単一片の構成を有する。この可溶性材料は、鋳型ツールがプロトタイプパーツが形成された後このパーツから溶解され得るので、単一片の構成を可能にする。対照的に、不溶性材料から形成される鋳型ツールは、鋳型部分を機械的に脱係合することによりプロトタイプパーツから取り出される。適切な可溶性造形材料は、カルボン酸および可塑剤を含むベースポリマーを含むアルカリ可溶性材料である。ベースポリマーは、第１のコモノマー（これはカルボン酸を含む）、および第１のコポリマーと重合され溶融堆積造形に適切な熱および強靭性性質を提供する第２のコモノマーを含む。好ましいベースポリマーは、第１のコモノママーとしてメタクリル酸、およびアルキルメタクリレート（例えば、メチル、エチル、プロピルまたはブチルメタクリレート、およびそれらの組み合わせ）、好ましくはメチルメタクリレートを第２のコモノマーとして含む。この酸を含有する第１のコモノマーの所望の量は、ベースポリマーの１５〜６０重量％である。このベースポリマーは、造形プロセスのために所望される流体力学的性質を達成するために可塑性が与えられる。最も好ましくは、このアルカリ可溶性熱可塑性材料は、約８４重量％と７４重量％との間のベースポリマーを含み、そして約１６重量％と２６重量％との間の可塑剤を含み、そして２３０℃で１．２ｋｇの負荷の下、約５ｇ／１０分と１０ｇ／１０分との間の溶融流れ指数を有している。このアルカリ可溶性材料から作製される鋳型ツールは、このパーツを含む鋳型ツールをアルカリ浴中の配置することにより、プロトタイプパーツから除去される。このアルカリ可溶性造形材料は、同時係属中の米国特許出願第１０／０１９，１６０号および対応する国際出願ＰＣＴ／ＵＳ００／１０５９２号（ＷＯ００／６２９９４として公開）の主題であり、これは、本明細書に完全に提示されるように参考として本明細書に援用される。
【００１９】
本発明における使用のための鋳型ツールは、好ましくは、この鋳型ツールを表現するコンピューターファイルデータから、溶融堆積造形によるような、迅速プロトタイプ形成プロセスによって構築される。このコンピューターファイルデータは、所望のプロトタイプ成型パーツに関して利用可能な情報から由来する。例えば、代表的には、このパーツは、コンピューター支援設計（ＣＡＤ）システムを用いて設計され、そしてこのパーツの概要に関して対応する情報は、所望のパーツを規定するＣＡＤファイルから誘導可能である。コンピュータープログラムは、所望のパーツ形状の逆として、所望のパーツの概要に従って鋳型部分を設計する。例えば、Ｍｏｌｄｆｌｏｗ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なソフトウェアは、この様式で鋳型部分を設計する。さらなるソフトウェアプログラムは、鋳型部分のコンピューター表示を、水平階層に「スライス」する。
【００２０】
溶融堆積造形は、本発明の鋳型ツールのような三次元目的物を、この鋳型ツールを表示するコンピューターファイルデータに従い、所定のパターンで、溶融造形材料を押出すことによって層に構築する。造形機械は、造形材料の道筋を、層ごとに押出し、押出された道筋の各々は、スライスの高さに等しい厚さを有する。押出された材料は、先に堆積された材料に溶融され、そして温度が下がると固化し、鋳型部分を形成する。この鋳型部分は、造形機械中で同時に、または一度に構築され得る。好ましい実施形態では、鋳型部分１２および１６は、溶融堆積造形機械Ｓｔｒａｔａｓｙｓ（登録商標）Ｔｉｔａｎ（登録商標）ＦＤＭ（登録商標）上でポリフェニルスルホン樹脂から構築される。
【００２１】
スプルーチャネル２２、ベントチャネル２４および整列穴２６は、好ましくは、それらが構築されるとき、鋳型部分１２および１６中に形成される。これは、鋳型ツール１０を表示するコンピューターファイルデータ中にこのような特徴を含めることによりなされ得る。あるいは、スプルーチャネル、ベントチャネルおよび／または整列穴は、それらが構築された後で、鋳型部分１２および１６中に機械加工され得る。例示の鋳型ツール１０中に示されるチャネル２２および２４、ならびに整列穴２６は、このような特徴の配置および設計の１つの例に過ぎない。代替の設計は、チャネル２２および２４の垂直配向を含み、そして鋳型部分１２および１６の一方または他方にある単一のスプルーチャネルまたはベントチャネルを形成する。
【００２２】
鋳型ツール１０におけるベントチャネルの必要性は、鋳型ツール１０が、鋳型空洞１９からガスを排出するに十分な開放セルマトリックスを提供する固有の多孔性を有するように道筋の押出しパターンを制御することによって避けられ得る。制御された多孔性の溶融堆積造形は、米国特許第５，６５３，９２５号中に教示されている。
【００２３】
例示の鋳型ツール１０は、少なくとも１つのプロトタイププラスチック射出成型パーツを生成するように、射出成型プロセス温度および圧力を維持する非伝導性熱可塑性材料から形成される。例示の熱可塑性物質は、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル、アモルファスポリアミド、ポリエステル、ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、ポリフェニレンエーテル、ナイロン、ＰＥＥＫ、ＰＥＡＫ、ポリ（２−エチル−２−オキサゾリン）、およびそれらのブレンドからなる群から選択される熱可塑性物質を少なくとも５０重量％を含む。この熱可塑性樹脂は、当業者によって理解され得るように、種々の充填剤、添加剤を含み得る。溶融堆積造形による鋳型ツールを生成する際の使用のために特に好ましい熱可塑性物質は、ポリフェニレンスルホンベースの樹脂である。
【００２４】
図３は、プロトタイプパーツを作製するプロセスにおける、本発明による例示の迅速プロトタイプ射出成型装置３０を示す。この装置は、分与先端部３４を有する押出しヘッド３２、材料供給源３２、コントローラー３８、造形エンベロープ３９、および中空スプルー３５を備える。鋳型ツール１０は、アセンブルされ、そして装置３０中に位置決めされる。鋳型ツール１０のアセンブルの前に、鋳型表面１４および１８が、鋳型ツール１０から完成したパーツの除去を容易にする放出剤とともに生成される。適切な放出剤は、乾燥膜潤滑剤、および当業者によって認識されるその他を含む。鋳型ツール１０は、造形エンベロープ３９中に取り付けられる。スプルー３５は、スプルーチャネル２２中に、スプルー３５の分与端部が、鋳型空洞１９中に向くように配置される。このスプルー３５は、その頂部端部に、下方に面する押出しヘッド先端部３４と対合するように設計された入口３７を有する。このスプルー入口３７は、押出しヘッド先端部３４を受容し、かつそれに取り付けられ、それによって押出しヘッド３２から鋳型空洞１９中への流れ経路を提供する。好ましくは、断熱材が押出しヘッド先端部３４のために提供され、その結果、この先端部３４は、プロトタイプパーツが形成されるとき、その溶融を引き起こさない。また、圧力トランスデューサー（図示せず）が、鋳型空洞中の圧力をモニターするためにこのスプルー中に配置され、その結果、所定の圧力が維持され得る。
【００２５】
装置３０は、溶融堆積造形機械であり得る。しかし、溶融堆積造形とは異なり、本発明のプロセスは、押出しヘッドの並進運度を含まないことを理解すべきである。この押出しヘッド３２は、熱可塑性材料を受容する任意のタイプであり得、そして低流速および低圧力で、分与先端部を通じて溶融状態にある材料を分与する。適切な押出しヘッドは、溶融堆積造形のために開発されており、そして液化（ｌｉｑｕｉｆｉｅｒ）ポンプ、ピストンポンプおよびスクリューポンプを含む。三次元造形のために開発されたこれら押出しヘッドの各々は、固形形態の熱可塑性物質の供給原料を受け、そして押出しのために所望の温度まで熱可塑性材料を加熱する。
【００２６】
例示の実施形態では、この押出しヘッド３２は、コントローラー３８によって制御される速度で、材料供給源３６から成型されたプロトタイプパーツを生成するために、生産用熱可塑性材料の供給を受ける。例示の実施形態の押出しヘッド３２が、液化ポンプである場合、材料供給源３６は、糸巻きされた可撓性の繊維を含み、そして押出しヘッド３２は、この繊維を制御された速度で押出しヘッド中に進めるための１セットの供給ローラーを保持する。液化ポンプは、例えば、米国特許第６，００４，１２４号中に開示されている。例示の実施形態の押出しヘッド３２がピストンポンプである場合、材料供給源３６は、バッチプロセスで供給される熱可塑性材料の円筒形供給ロッドを含む。ピストンポンプ押出しヘッドは、米国特許第６，０６７，４８０号に開示されている。例示の実施形態の押出しヘッド３２がスクリューポンプである場合、材料供給源３６は、熱可塑性材料のペレットを含む。スクリューポンプ押出しヘッドは、例えば、米国特許第５，３１２，２２４号に開示されている。２段階押出しヘッドもまた、当該技術分野で公知であり、そしてまた本発明の実施において用いられ得る。押出しポンプは、米国特許第５，７６４，５２１号に開示され、そこでは、材料供給源３６から受容される供給原料は、種々の形態をとり得る２段階プロセス中で加圧される。
【００２７】
押出しヘッド３２は、米国特許第５，１２１，３２９号に開示されるような、分与ヘッド出口においてチキソトロピック流れを生成するための超音波バイブレーターを含み得る。超音波エネルギーは、生産用熱可塑性物質の流速を増加しながら、注入圧力を減少し得る。
【００２８】
プロトタイプパーツの生産のために、生産用熱可塑性物質は、材料供給源３６から押出しヘッド３２に提供され、これは、この生産用熱可塑性物質を、押出し温度まで加熱し、そしてスプルー３５を通じ、鋳型空洞１９中に、溶融した押出し材料３３を分与する。本発明で用いられ得る生産用熱可塑性物質は、制限されずに、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル、アモルファスポリアミド、ポリエステル、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ナイロン、ＰＥＥＫ、ＰＥＡＫ、およびそれらのブレンドを含む。この生産用熱可塑性物質は、勿論、種々の充填剤、添加剤などを含み得る。鋳型ツールプラスチックの収縮特徴は、生産用熱可塑性物質の収縮特徴に一致し、これは、アモルファス熱可塑性物質を用いることによって達成され得る。また、この生産用熱可塑性物質は、鋳型ツールを形成するプラスチックの熱屈曲温度より低い熱屈曲温度を有さなければならず、その結果、この鋳型ツールは、その形状を維持する。
【００２９】
図４は、溶融堆積造形により作製された鋳型ツールを用いる、本発明によるプロトタイプ射出成型パーツを生産する例示の方法を要約するフローダイヤグラムである。ステップ４０では、ＣＡＤツールを用いて鋳型ツールを表現するコンピューターファイルデータを生成する。このデータは、ステップ４２において、溶融堆積造形機械に提供される。ステップ４４において、鋳型ツールは、コンピューターファイルデータによって規定される層に、溶融堆積造形機械中で構築される。ステップ４６では、鋳型ツールの鋳型表面および／または対合表面は平滑化され、鋳型ツールの形成で意図されずに生成されたリッジを取り除く。
【００３０】
好ましい実施形態では、この平滑化は、蒸気平滑化プロセスでなされ、これは、本願と同じ譲受人に譲渡され、そして本明細書にあたかも提示されるように参考として本明細書中に援用される、２００３年４月４日に出願された、「階層堆積造形のための平滑化方法」と題する、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／    の主題である。この同時係属中の出願に開示されるように、この鋳型ツールの表面は、蒸気発生器中に鋳型ツールを配置し、そしてそれを、所望の表面仕上げが得られるまで、溶媒の蒸気に曝すことによって平滑にされ得る。溶媒は、鋳型ツールを形成する材料と適合するように選択される。適切な溶媒は、目的表面で、この材料と、この材料を軟化しそして流動するように反応する。広範な範囲のアモルファス熱可塑性物質との使用のための好ましい溶媒は、塩化メチレンである。当業者によって認識されるその他の適切な溶媒は、例えば、ｎ−プロピルブロミド溶液（例えば、Ａｂｚｏｌ（登録商標））、ペルクロロエチレン、トリクロロエチレン、およびＶｅｒｔｒｅｌ（登録商標）の名の下で販売されるヒドロフルオロカーボン流体である。蒸気平滑化はまた、鋳型ツールの表面をシールするために供される。上記の同時継続中の出願に教示されるように、特定の鋳型特徴が、上記平滑化ステップの前に、溶媒マスキングについて、または予備的歪みについて同定され得、そしてこの鋳型ツールを表現するコンピューターファイルデータは、これら特徴を同定するデータを含み得る。あるいは、平滑化は、液体溶媒を付与することによりなされ得る。その他の代替の平滑化技法は、サンダー仕上げ、研磨、および熱アイアニングを含む。
【００３１】
鋳型ツールの鋳型表面は、次いで、ステップ４８において、放出剤で被覆される（可溶性鋳型ツールは、放出剤が不要であるかも知れない）。適切な放出剤は、乾燥膜潤滑剤、および当業者によって認識されるその他を含む。必要であれば、ステップ４８の前に、スプルーおよびベントチャネルならびに整列穴が鋳型ツール中に機械加工される。ステップ５０において、鋳型ツールは、任意の伝導性充填材料または層の付加なしに、本発明によるプロトタイプ射出成型装置中でアセンブルされる。この鋳型ツールを構築するために用いられる溶融堆積造形機械は、プロトタイプ射出成型装置としてもまた用いられ得る。
【００３２】
ステップ５０では、スプルーが鋳型ツール中に位置決めされ、そして押出しヘッドの分与先端部に取り付けられる。鋳型は、クランプまたはその他の手段を用いて固定物にクランプされ、それをその場に保持し得る。約１０トンに等しいか、またはそれより以下のクランプする力が、この注入するプロセスのオフィス適合性を確実にする。次いで、鋳型ツールは、ステップ５２で、所定温度まで加熱される。
【００３３】
次に、ステップ５４で射出成型が実施される。生産用熱可塑性物質が、成型装置の押出しヘッドから、低速度および低圧力で、鋳型ツール中に注入される。超音波バイブレーターが押出しヘッド中で用いられる場合、熱可塑性物質のチキソトロピック流れが注入される。注入の間に、好ましくは、鋳型空洞またはスプルー中に配置される圧力トランスデューサーによるように、圧力がモニターされる。システムコントローラーは、このトランスデューサーからの圧力読み取り値に基き、押出し流速を調節し得、標的範囲内に圧力を維持する。この標的圧力は、代表的には、５０００ｐｓｉより小さく、そして５００ｐｓｉより少なく、２０ｐｓｉ（ほぼゼロ圧力）程度まで低くセットされ得る。
【００３４】
鋳型空洞を充填することは、代表的には、約１〜２時間を要する。この時間の間に、鋳型および生産用熱可塑性物質の温度は、ほぼ一定に維持される。なぜなら、プラスチック鋳型は、高温耐性を有する熱断熱材であるからである。例示の実施形態では、鋳型ツールは、ステップ５４の前に加熱され、等温状態を提供する。当業者に認識されるように、種々の技法が、鋳型を加熱するために用いられ得る。温度センサーが、鋳型空洞中に配置され得、そして、次に、熱可塑性物質の流れ、鋳型ツール、および／または構築環境の温度が、等温状態を維持するため、必要に応じて調節され得る。鋳型ツールの温度を、ほぼ、生産用熱可塑性物質の押出し温度に維持することは、生産用熱可塑性物質の未成熟固化を防ぎ、その結果、鋳型空洞は、プロトタイプパーツが固化する前に、完全に充填され得る。しかし、いくつかの材料およびパラメーターは、鋳型の予備加熱する必要性なくして等温条件を提供し得ることを理解すべきであり、その場合、ステップ５２は省略され得る。また、全体の鋳型を加熱するよりもむしろ、鋳型空洞および内部鋳型表面を加熱することが所望され得る。
【００３５】
注入工程５５の間（およびその前）に、鋳型ツールを減圧し得る。これは、例えば、鋳型ツールを減圧チャンバー中に配置することによりなされ得る。この減圧は、鋳型ツールおよびスプルーから、鋳型またはベントの多孔性により、ガスを除去する。この減圧は、注入材料を鋳型空洞に引くことを支援する。この減圧はまた、通常の大気圧条件の下で達成されも得るより、より完全に、かつ一致して鋳型空洞を充填することを容易にし、空隙のないパーツを得る。
【００３６】
鋳型空洞が充填されるとき、鋳型空洞中への材料の注入は終了し、そしてステップ５６において、プロトタイプパーツは、鋳型ツール中で冷却される。冷却は、１〜２時間を要する。冷却の間に、鋳型ツールに圧力が配置され得、鋳型ツールおよびプロトタイプパーツの収縮を補償する。所望であれば、この冷却プロセスの速度を上げるために能動的冷却が用いられ得る。また、冷却の間、鋳型空洞中の圧力のモニタリングが継続され得る。鋳型ツール中の冷却は、プロトタイプパーツが室温に到達するまで継続され得るか、またはこのパーツは、それが実質的に冷たいとき除去され得る。
【００３７】
本発明の方法を用い、プロトタイププラスチック射出成型パーツは、２４時間の時間期間内に生産され得る。５０までのプロトタイプ射出成型パーツが、４８時間以内に生産され得る。
【００３８】
本発明を実施する際の使用のための鋳型ツールは、堆積造形プロセスによって構築される熱可塑性物質鋳型に限定される必要はないことを理解すべきである。むしろ、注入プロセスと適合する任意の非伝導性プラスチック鋳型ツールが利用され得、例えば、立体リソグラフィーによって形成される鋳型ツール、熱硬化性物質鋳型ツール、および機械除去可能なプロセス（例えば、ＣＡＭ／ＣＮＣ）によって形成される鋳型ツールを含む。鋳型ツールを形成するプラスチック材料は、種々の充填材、添加剤などを含み得る。
【００３９】
本発明を、好適な実施形態を参照して記載してきたが、本発明は、請求項によって規定される。当業者は、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、形態および詳細における変更がなされ得ることを認識する。
【００４０】
例えば、１つの実施形態では、鋳型ツールは透明であり、そして感光性ポリマーを用いてプロトタイプパーツを形成する。この感光性ポリマーは、鋳型空洞中に注入され、そして光に曝すことにより硬化される。別の実施形態では、熱硬化反応射出成型技法が採用される。２つ以上の反応体材料が一緒に混合され、熱硬化性樹脂を形成し、これが、鋳型ツール中に注入される。この樹脂は、硬化され、鋳型ツールに熱を付与することにより、プロトタイプパーツを形成する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、溶融堆積造形により生成される、本発明との使用のための例示の鋳型ツールの２つの鋳型部分の平面図である。
【図２】図２は、図１の線２−２に沿ってとった、図１の２つの鋳型部分の断面図である。
【図３】図３は、本発明による迅速プロトタイプ形成射出成型機械の一部が断面の概略図である。
【図４】図４は、溶融堆積造形によって作製された鋳型ツールを用いる、本発明によるプロトタイプ射出成型されたパーツを作製するプロセスのフローダイヤグラムである。
【図１】
2005523178.tif 000003
【図２】
2005523178.tif 000004
【図３】
2005523178.tif 000005
【図４】
2005523178.tif 000006
【国際調査報告】
2005523178.tif 000007
2005523178.tif 000008