(57)【要約】注型品の製造方法は、多孔性粉末品を犠牲模型として使用することを含む。前記多孔性粉末品は、ラピッドプロトタイピングプロセスを使用して作成されることが望ましい。前記多孔性粉末品は、溶融金属が注入される鋳型のための犠牲模型として使用される。ある実施形態では、前記多孔性粉末品にセラミックコーティングを提供する工程を含む。多孔性粉末品を使用した鋳型および模型の作成方法も開示される。前記多孔性粉末品を有する前記粉末は金属、セラミック、またはサーメットであってよい。その他の実施形態では、前記粉末と鋳造金属とが複合材料を形成する。また、多孔性粉末品を有する犠牲鋳型模型およびそのような犠牲模型を有する鋳型も開示される。【課題】  【解決手段】
2005536353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
注型品を製造する方法であって、
ａ）多孔性粉末品を作成する工程と、
ｂ）前記多孔性粉末品を犠牲模型として使用することにより鋳型を作成する工程と、
ｃ）前記鋳型へ溶融金属を注入する工程と
を有する製造方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、この方法は、さらに、
立体形状作成技術によって前記多孔性粉末品を作成する工程を有するものである。
【請求項３】
請求項２の方法において、前記立体形状作成技術は、三次元印刷および選択的レーザー焼結法から成る群から選択されるものである。
【請求項４】
請求項１の方法であって、この方法は、さらに、
前記多孔性粉末品にセラミックコーティングを提供する工程を有するものである。
【請求項５】
請求項４の方法において、前記多孔性粉末品はポリマー粘結剤を有し、前記方法はさらに、前記多孔性粉末品にセラミックコーティングを提供する工程の後、前記ポリマー粘結剤から前記多孔性粉末品を非結合にする工程を有するものである。
【請求項６】
請求項５の方法であって、この方法は、さらに、
前記多孔性粉末品を非結合にする工程の後、前記多孔性粉末品を保存する工程を有するものである。
【請求項７】
請求項１の方法であって、この方法は、さらに、
前記鋳型を加熱する工程を有するものである。
【請求項８】
請求項７の方法であって、この方法は、さらに、
前記鋳型を加熱する工程の後、前記鋳型を保存する工程を有するものである。
【請求項９】
請求項１の方法であって、この方法は、さらに、
前記注入する工程の直前に、前記鋳型を加熱する工程を有するものである。
【請求項１０】
請求項７の方法において、前記鋳型を加熱する工程および前記注入する工程のうち少なくとも１つは保護された状態で行われるものである。
【請求項１１】
請求項１０の方法において、前記保護された状態は、水素、窒素、およびアルゴンのうち少なくとも１つを含むものである。
【請求項１２】
請求項１の方法において、前記多孔性粉末品はポリマー粘結剤を有し、前記方法はさらに、前記注入する工程の前に、前記ポリマー粘結剤から前記多孔性粉末品を非結合にする工程を有するものである。
【請求項１３】
請求項１の方法であって、この方法は、さらに、
前記注入する工程から冷却した時点で前記粉末と前記溶融金属とが結合して複合材料を形成するように、前記多孔性粉末品の前記粉末と前記溶融金属とを選択する工程を有するものである。
【請求項１４】
請求項１の方法であって、この方法は、さらに、
前記鋳型へ前記溶融金属を注入する前記工程の結果として前記溶融金属が少なくとも部分的に前記粉末を溶かすように、前記多孔性粉末品の前記粉末と前記溶融金属とを選択する工程を有するものである。
【請求項１５】
請求項１の方法において、前記多孔性粉末品を作成する工程により、結果として前記多孔性粉末品が３０％〜４０％の範囲の相対密度を有するものである。
【請求項１６】
請求項１の方法において、前記多孔性粉末品を作成する工程は、前記多孔性粉末品が金属粉末、セラミック粉末、およびサーメット粉末から成る群の中の少なくとも１つを有するようにすることを含むものである。
【請求項１７】
鋳型を製造する方法であって、
ａ）多孔性粉末品を作成する工程と
ｂ）前記多孔性粉末品を犠牲模型として使用することにより鋳型を作成する工程と
を有する製造方法。
【請求項１８】
請求項１７の方法において、前記多孔性粉末品は立体形状作成技術によって作成されるものである。
【請求項１９】
請求項１８の方法において、前記立体形状作成技術は、三次元印刷および選択的レーザー焼結法から成る群から選択されるものである。
【請求項２０】
請求項１７の方法であって、この方法は、さらに、
前記多孔性粉末品にセラミックコーティングを提供する工程を有するものである。
【請求項２１】
請求項２０の方法において、前記多孔性粉末品はポリマー粘結剤を有し、前記方法はさらに、前記多孔性粉末品にセラミックコーティングを提供する工程の後、前記ポリマー粘結剤から前記多孔性粉末品を非結合にする工程を有するものである。
【請求項２２】
請求項２１の方法において、前記非結合にする工程は保護された状態で行われるものである。
【請求項２３】
請求項２２の方法において、前記保護された状態は、水素、窒素、およびアルゴンのうち少なくとも１つを含むものである。
【請求項２４】
請求項２１の方法であって、この方法は、さらに、
前記多孔性粉末品を非結合にする工程の後、前記多孔性粉末品を保存する工程を有するものである。
【請求項２５】
請求項１７の方法において、前記多孔性粉末品を作成する工程により、結果として前記多孔性粉末品が３０％〜４０％の範囲の相対密度を有するものである。
【請求項２６】
請求項１７の方法において、前記多孔性粉末品を作成する工程は、前記多孔性粉末品が金属粉末、セラミック粉末、およびサーメット粉末から成る群の中の少なくとも１つを有するようにすることを含むものである。
【請求項２７】
犠牲鋳型模型は多孔性粉末品を有するものである。
【請求項２８】
請求項２７の犠牲鋳型模型において、前記多孔性粉末品は立体形状作成技術によって作成されるものである。
【請求項２９】
請求項２７の犠牲鋳型模型であって、この犠牲鋳型模型は、さらに、
前記多孔性粉末品表面にセラミックコーティングを有するものである。
【請求項３０】
請求項２７の犠牲鋳型模型において、前記多孔性粉末品は３０％〜４０％の範囲の相対密度を有するものである。
【請求項３１】
請求項２７の犠牲鋳型模型において、前記多孔性粉末品は金属粉末、セラミック粉末、およびサーメット粉末から成る群の中の少なくとも１つを有するものである。
【請求項３２】
請求項２７の犠牲鋳型模型において、前記多孔性粉末品はポリマー粘結剤を有するものである。
【請求項３３】
鋳型は多孔性粉末品を犠牲模型として有するものである。
【請求項３４】
請求項３３の鋳型において、前記多孔性粉末品は立体形状作成技術を使用して作成されたものである。
【請求項３５】
請求項３３の鋳型であって、この鋳型は、さらに、
前記多孔性粉末品の表面にセラミックコーティングを有するものである。
【請求項３６】
請求項３３の鋳型において、前記多孔性粉末品は３０％〜４０％の範囲の相対密度を有するものである。
【請求項３７】
請求項３３の鋳型において、前記多孔性粉末品は金属粉末、セラミック粉末、およびサーメット粉末から成る群の中の少なくとも１つを有するものである。
【請求項３８】
請求項３３の鋳型において、前記多孔性粉末品はポリマー粘結剤を有するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
本出願は、２００２年８月２０日申請の米国仮出願番号第６０／４０４，６４２号に対して優先権を主張する。その全体がこの参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、鋳型を利用した金属および複合材料の鋳造方法に関し、この鋳型が多孔性粉末品を犠牲模型として有するものである。さらに、本発明は、前記鋳型および模型自体だけではなくそのような鋳型および模型の製造方法に関連する。好ましくは、前記多孔性粉末品はラピッドプロトタイピングプロセスによって製造されることが望ましい。
【背景技術】
【０００３】
鋳造物または注型品は、単に溶融金属を鋳型の中で凝固させることによって製造される製品である。注型品は、それが注入される鋳型の形状を採る。注型品は多くの産業製品および消費者製品でコンポーネントとして使用されている。
【０００４】
使用される鋳型のタイプは、主に選択される鋳造法に依存する。金属鋳造が始まってから今日に至るまで、前記溶融金属が鋳造される最も一般的な鋳造媒体は群を抜いて砂であった。鋳型は他の物質から作成されてもよく、例えば、金型、グラファイト型、および石膏型などが存在する。多くの場合、模型は鋳造物が形成される鋳型の作成のために使用される。何百回あるいは何千回となく再使用される模型もあれば、前記鋳型作成プロセス中に破壊される一回使用の模型もある。
【０００５】
多数の鋳造法が知られているが、それぞれ特有の長所と欠点がある。それらの鋳造法には、砂鋳造法、インベストメント鋳造法、重力あるいは低圧金型鋳造法、高圧ダイカスト法、チクソモールド法、遠心鋳造法、石膏またはシェル鋳造法、圧搾鋳造法などが含まれる。
【０００６】
多くの場合、鋳型作成は費用と時間を要する仕事である。鋳型または鋳型のための模型は、熟練職人によって機械で精密に仕上げられる場合があり、時には複雑で高価な自動機械プロセスを使用する場合もある。鋳造プロセスでは鋳型または模型を作成する必要があるので、最初の注型品を配達するまでに長い時間がかかることが多い。例えば、インベストメント鋳造法では、最初の鋳造を準備するのに３ヶ月かかる場合もある。ダイカスト法および金型鋳造法では、さらに長い準備期間が必要で６ヶ月近くかかる場合もある。しかし、最初のアイディアから最終コンポーネントまでデザインが数回変更される場合もあるので、新製品の設計者にはいよいよ短い所要時間が要求されてきている。
【０００７】
設計者は、新規デザインの三次元模型を早急に得るためにラピッドプロトタイピングを使用してもよい。用語「ラピッドプロトタイピング」とは、比較的短時間にコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データから物理的モデルを構築する技術分野を指している。当業界内では、ラピッドプロトタイピングは「立体形状作成技術」としても知られている。ラピットプロトタイピング方法は、「三次元プリンタ」として言及されることもある、なぜならこれにより設計者がコンピュータファイルからデザインの具体的な（単なる二次元の図面ではなく）三次元プロトタイプを敏速に作成することを可能にするからである。ラピットプロトタイピングによって製造されたモデルには多くの用途がある。例えば、このモデルは同僚または顧客にアイディアを伝えるための優れた視覚補助となる。また、ラピットプロトタイピング方法で作られた蝋モデルは失蝋法鋳造法の模型として使用されている。ラピットプロトタイピング方法は、プロトタイプ作成に非常に適しているが、当業者は、ラピットプロトタイピング方法の製品は単にプロトタイプであることに止まらないことを理解するであろう。
【０００８】
商業的に利用可能なラピットプロトタイピングシステムの２つの例としては、三次元印刷（３ＤＰ）および選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ）がある。このプロセスでは両方とも層ごとに物理的モデルを積み上げ、ポリマー粘結剤で結合した粉末の三次元成品を製造する。このようなプロセスでは、他の方法では製造できない通路のような複雑な内部機能を有するオブジェクトを作成することが可能である。前記３ＤＰプロセスは、概念的にはインクジェット式印刷に似ている。ただし、３ＤＰプロセスでは、インクの代りにポリマーグルーを溶着する。望ましいオブジェクトの三次元コンピュータ表示の二次元スライスに従って、このポリマーグルーが粉末層の上にプリントされる。前記ＳＬＳプロセスは、ポリマーコーティング粉末粒子を融合して成品を作り上げる。コンピュータ駆動レーザービームが各粉末層をスキャンして、隣接粒子のポリマーコーティングを融合し融解成品の形態で粒子を結合する。
【０００９】
前記３ＤＰおよびＳＬＳプロセスでは、粉末充填密度に拠り通常約３０〜６０までの容量パーセントの粉末、１０容量パーセントの粘結剤、そして残余が空きスペースで構成される多孔性粉末品を製造する。これらプロセスのどちらかで製造された多孔性粉末品はやや脆弱なので、機械的性質を改善した充分に密度の高い部品を生産するために通常熱プロセスが施される。通常の熱プロセスは、非結合工程と、粉末焼結工程と、焼結品に二次的溶融金属を染み込ませる工程とから成る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、約８０％未満の相対密度を有する多孔性粉末品を犠牲鋳造模型として使用することを考えている。相対密度はパーセントで表され、前記多孔性粉末品が実際に有する密度の、前記成品が多孔またはポリマー粘結剤を含まない場合の密度に対する比率である。完全な密度の成品は１００％の相対密度を有する。前記成句「多孔性粉末品」で使用される前記用語「多孔」は前記粉末物が完全な密度でないことを示している。好ましくは、前記多孔性粉末品が例えば３０〜４０％の低い相対密度を有し、これによりそれに相応した多量の溶融金属が鋳型に注がれることが許容されるものである。
【００１１】
本発明のある実施形態では、ラピットプロトタイピング技術と従来の鋳造法とを併用して、短い準備期間で注型品を作成できるようにする。このような実施形態では、ポリマー粘結剤で結合された粉末から成る多孔性粉末品がラピットプロトタイピング技術で製造される。鋳型は前記多孔性粉末品を犠牲模型として使用して作成するが、その場合、前記多孔性粉末品は鋳造フラスコの中で鋳物砂に囲まれている。フラスコアセンブリは前記多孔性粉末品のポリマー粘結剤を取り除くまたは分解するために加熱される。溶融金属が前記多孔性粉末品を含有する前記鋳型に注入され、そこで、前記多孔性粉末品は前記溶融金属の温度に応じて溶解または部分溶解し、次に前記溶融金属と共に凝結して注型品を形成する。ある好適な実施形態では、前記多孔性粉末品を前記鋳物砂で囲む前にセラミックコーティングを施す。
【００１２】
また、多孔性粉末品はその他のプロセスで製造されてもよい。このようなプロセスの例としては、プレス成形法、冷間静水圧プレス法および鋳型中でのばら砂焼結法（ｔｈｅ  ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  ｏｆ  ｌｏｏｓｅ  ｐｏｗｄｅｒ  ｉｎ  ａ  ｆｏｒｍ）を含むが、これに限定されるものではない。ラピットプロトタイピング以外で作成された多孔性粉末品を犠牲鋳造模型として使用しても、最初のデザインから鋳造までの時間を短縮しない場合もあるが、それにも関わらず、多孔性粉末品のこのような使用は、従来には知られていなかった鋳型の作成方法を提供する。
【００１３】
前記多孔性粉末品は犠牲鋳造模型として使用され、それはその周りに形成される前記砂型またはセラミックシェルの形状を決定する。従来の犠牲鋳造模型のように、前記多孔性粉末品は、本質的にその一回使用中に破壊される。しかし、従来の犠牲鋳造模型とは異なり、その構成物質である前記粉末は前記注型品の構成部分となる。場合によっては、前記多孔性粉末品を収容する前記鋳型に注入される前記鋳造溶融金属によって、前記多孔性粉末品の前記粉末は全部または部分的に溶解されて、混合または合金化する。前記粉末が前記鋳造溶融金属との複合材料を形成する場合もある。
【００１４】
犠牲模型として多孔性粉末品を有する鋳型を製造する方法も考慮されている。そのような方法は、例えばラピットプロトタイピングを用いて多孔性粉末品を作成する工程と、その多孔性粉末品を犠牲模型として使用して鋳型を作成する工程とを含む。ある実施形態では、前記多孔性粉末品にセラミックコーティングを提供する工程を含む。
【００１５】
また、多孔性粉末品を有する鋳型および犠牲模型も本発明で考慮されている。
【００１６】
多孔性粉末品を犠牲模型として作成するためのラピッドプロトタイピングプロセスを利用する本発明の実施形態では、通路などの複雑な形状および内部機能を有する注型品を、場合によっては、前記鋳型の中に中子の挿入を必要とせずに注入できる利点がある。
【００１７】
本発明のもう１つの利点は、ある実施形態では均質の微細構造を有する注型品を作成でき、これを冶金的熱処理を通して硬化できることである。これに対して、従来の浸潤ラピットプロトタイピング品は一般には均質でもなく硬化可能でもない。
【００１８】
開示および請求された主題に固有のその他の特徴および利点は、当業者にとって、後続に目下の好適な実施形態の詳細な説明および付属図面から明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
この項では、本発明の目下の好適な複数の実施形態を、当業者が本発明を実施できるように充分に詳細な説明を行う。
【００２０】
本発明の好適な実施形態は、複雑で精密な許容差の注型品を製造するために使用され得る。ある好適な実施例では、ラピットプロトタイピングを使用して多孔性粉末品を作成し、その後それを鋳型を作成する犠牲模型として使用する。このような実施形態で使用されるラピットプロトタイピングは以下の工程を用い得る。
【００２１】
１．設計のＣＡＤモデルを作成する工程。作り上げる成品はコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアを使用してモデル化される。設計者は既成ＣＡＤファイルを使用してもよいし、あるいはプロトタイピング目的のために明示的なファイルを作成することを望んでもよい。
【００２２】
２．ＣＡＤモデルをＳＴＬフォーマットと呼ばれるステレオリソグラフィーファイルフォーマットに転換する工程。前記ＳＴＬフォーマットは、ラピットプロトタイピング業界の標準として採用されている。
【００２３】
３．スライスアルゴリズムプログラムを使用して、前記ＳＴＬコンピュータモデルを多くの薄い横断面層にスライスする工程。複数のこのようなプログラムが利用可能であり、ほとんどのプログラムでは、前記ユーザーが前記モデルのサイズ、場所、および方位を調節できる。
【００２４】
４．ラピッドプロトタイプ機械で前記成品を製造する工程。前記成品の実際構築は、ラピットプロトタイピング機械を使用して実行され、１層ずつ前記成品を構築する工程。
【００２５】
５．前記成品を洗浄し仕上げる工程。これには、前記成品を前記ラピットプロトタイピング機械から取り外し、すべてのばら粉末を取り払う作業を含む。また、前記物品の簡単な清浄または表面処理が必要な場合もある。
【００２６】
本発明のこのような実施形態では、当業者に知られている、多孔性粉末品を製造できる任意のラピッドプロトタイピングプロセスを使用してもよい。特に好ましい２つのこのようなプロセスは３ＤＰおよびＳＬＳである。当然のことながら、当業者には、ラピッドプロトタイピングプロセスで作成された多孔性粉末品がそのユニークな構造的特徴によって他の方法で作成された多孔性粉末品から区別できる。これは他のプロトタイピングプロセスと異なり、ラピッドプロトタイピングプロセスでは前記粉末粒子の形状を変形させり隣接粉末粒子の界面接着を生成したりしないからである。また、ラピッドプロトタイピングプロセスでは、他の方法では製造できない、例えば通路のような内部機能を有する多孔性粉末品を製造することが可能である。
【００２７】
図１Ａ〜Ｄは、従来のラピッドプロトタイピングプロセスによる多孔性粉末品作成の一連の工程を体系的に説明したものである。表示した多孔性粉末品は規格模型２である。これらの図に関して、図１Ａは、規格模型２が部分的に完成しただけの段階における、規格模型２の単一層作成を説明している。部分的に完成した規格模型２がラピットプロトタイピング機械６内部の粉体層４に囲まれている。最左翼フレームでは、ロラー８が前記粉体層４の上表面を平らにして、粉末層１０を部分的に完成した規格模型２の上に分配する。中央フレームでは、プリントヘッド装置１２が粉末層１０の上をスキャンして、部分的に完成した規格模型２のための新しい上層１４を形成する。３ＤＰプロセスでは、前記プリントヘッド装置１２が粉末層１０の中へポリマー粘結剤を噴射して隣接粉末粒子を接着してもよい。ＳＬＳプロセスでは、前記プリントヘッド装置１２が粉末層１０の中へレーザービームを照射して、隣接粉末粒子の前記ポリマーコーティングを融合させてもよい。最右翼フレームでは、前記新しい層１４が完成したのを示している。それから、規格模型２の上に次の粉末層を作成するために粉体層４に粉末追加するのに対応して、粉体層４を支えているピストン１６を下方に支持する。
【００２８】
図１Ｂは、複数層が溶着された後の中間段階にある規格模型２を示している。図１Ｃは、最終層がプリントされた後の規格模型２を示している。図１Ｄは、前記ラピットプロトタイピング機械６の前記粉体層４から取り出された後の仕上がった規格模型２を示している。ここで留意すべきは、規格模型２が内部通路１８、２０を有することである。
【００２９】
ラピットプロトタイピングまたは他の方法で製造された多孔性粉末品は、鋳型のための一回使用の模型として使用される。例えば、前記多孔性粉末品は、従来の失発泡法または失蝋法鋳造法と同様のプロセスで、前記発泡体または蝋模型に代って使用されてもよい。失発泡法または失蝋法はインベストメント鋳造法としても知られており、用語「インベストメント」は、前記使捨ての発泡体または蝋模型が外部セラミック層で覆われていることを示している。従来のインベストメント鋳造法では、貼り付けられたセラミック層は前記発泡体または蝋模型の周りに固いシェルを生成するために作成される。前記発砲体または蝋を取り除くあるいは無くすために、前記コーティング模型が加熱される。前記の残った空のセラミックシェルが鋳造フラスコの中の鋳物砂によって支持されて鋳型を作成する。また、前記セラミックシェルは前記溶融金属が周囲の前記鋳物砂に接触することを防ぐ。
【００３０】
本発明のある実施形態では従来のインベストメント鋳造法が修正され、そこでは、前記犠牲模型の役割をする前記多孔性粉末品が、前記溶融金属の鋳造に先立って取り除かれたり失われたりする代りに、前記鋳造溶融金属と組み合わさって前記注型品を形成する。このような実施形態では、図２Ａ〜Ｆに説明する以下の工程を含んでもよい。
【００３１】
図２Ａに関して、図面に示した記多孔性粉末品は図１Ａ〜Ｄからの規格模型２である。前記規格模型２は、その外部表面および内部通路１８、２０の表面を有するようなあらゆる内部表面にセラミックでコーティングされてセラミックシェル２２を形成する。そのセラミックシェル２２を形成する前記コーティングは、例えばディッピング、スプレー、またはセラミックスラリーを使用した流込みによって、従来のインベストメント鋳造法と同様に適用してもよい。例えば規格模型２のような前記多孔性粉末品の表面に関する前記スラリーのぬれ角は、前記多孔性粉末品に前記スラリーが浸透するのを避けるために、９０度以上であるべきである。前記コーティングの乾燥は、周囲条件あるいは加熱したオーブンなどで得られる条件のような特別乾燥条件下で行われてもよい。前記セラミックは、従来のインベストメント鋳造法で使用されるセラミックを含む、注入される前記溶融金属および前記多孔性粉末品のコンポーネント物質と物理的および化学的に適合する任意のセラミックでよい。
【００３２】
図２Ｂに関しては、前記セラミックコーティング規格模型２が、ベント式鋳造フラスコ２６内部で鋳物砂２４に囲まれている。例えば規格模型２の通路１８、２０のような特定多孔性粉末品の複雑な形状のために、一部領域に前記鋳物砂２２が簡単には流れていかない場合がある。振動テーブルの使用によって、前記規格模型２の周囲およびその内部通路１８、２０のような場所への前記鋳物砂２４の流入および適切な圧縮（コンパクション）を促進できる。前記規格模型２または前記セラミックコーティング２２を歪めずに前記鋳物砂２４を詰めるように注意しなければならない。前記セラミックコーティング規格模型２を前記鋳物砂２４で囲む前に、前記規格模型２の前記粉末金属スケルトン２９に前記溶融金属を導入する場所で、前記セラミックコーティング２２の一部を取り除いてスプルー２８を設置する。また、前記多孔性粉末品に前記溶融金属を配布するのために湯口および／または湯道を利用してもよい。ある実施形態では、前記多孔性粉末品が統合された湯口および／または湯道を有するように設計および構築される。
【００３３】
前記鋳物砂２４を適切に詰めた後には、オーブンまたは空気トーチのような予熱手段３２によって、前記規格模型２の前記粘結剤の一部または全部が蒸発または分解によって除去される温度まで前記フラスコアセンブリ３０が予熱される。この非結合プロセス中に発生するガスおよび蒸気は、前記スプルー２８および使用されている任意の湯口と湯道を通って出て行ってもよい。また、前記予熱プロセスは、前記鋳造プロセス中の前記溶融鋳造金属の熱損失を減少させる。前記予熱プロセスは空気中で行ってもよいが、前記多孔性粉末品の前記金属粉末の前記表面条件が前記鋳造プロセスに最適になるように管理された状態で行われることがより望ましい。例えば、保護された状態を使用して予熱中に前記金属粉末が酸化するのを防止してもよい。このような保護された状態の例には、水素、窒素、アルゴン、およびその組み合わせが含まれる。
【００３４】
図２Ｃに関しては、前記フラスコアセンブリ３０が予熱された後に、溶融金属３４が前記スプルー２８を通して前記規格模型２の中に注入される。前記溶融金属３４は前記粉末スケルトン２９を溶かして前記規格模型２の形状に成る。ある実施形態では、前記溶融金属３４は前記スケルトン２９の粉末を完全に溶かし、他の実施形態では、前記粉末の全部または一部が前記溶融金属３４と複合材料を形成する。前記予熱工程と同じように、前記鋳造工程は空気中または保護された状態で行われてもよい。
【００３５】
図２Ｄに関しては、前記フラスコアセンブリ３０が前記溶融金属３４を凝結するために冷却される。
【００３６】
図２Ｅに関しては、前記の凝固した鋳造規格３６が前記鋳物砂２４から取り出され、前記セラミックコーティング２２および前記スプルース２８が前記鋳造規格３６から取り除かれる。
【００３７】
図２Ｆに関しては、前記スプルー鋳造３８が前記鋳造規格３６から取り除かれる。それから前記鋳造規格３６は清浄し且つ点検され得る。
【００３８】
図２Ａ〜Ｆの前記説明では、前記溶融金属の鋳造工程が前記多孔性粉末品から粘結剤を取り除く前記予熱工程の直ぐ後に行なわれたが、これらの工程は立て続けに行われる必要はない。第一に、当然のことながら、粘結剤除去工程は、前記粘結剤の前記溶融金属との有害反応を防止するために前記多孔性粉末品から粘結剤を除去しなければならない場合のみに必要であることである。ある実施形態では粘結剤除去工程は必要とされないが、それは、コンパクション圧力を適用した機械的インターロッキングまたは接触点溶接によって前記粉末が接着されるプロセスで前記多孔性粉末品が形成される場合のように、前記多孔性粉末品が粘結剤を殆どまたは全く含んでいないからである。第２には、前記粘結剤除去工程が使用される場合には、前記鋳造工程以前の任意時に行ってもよいことを理解されたい。例えば、セラミックコーティングを使用するある実施形態では、前記粘結剤の除去は前記鋳造フラスコに前記コーティング多孔性粉末品を配置する前でもよい。このような実施形態では、前記コーティング多孔性粉末品は、粘結剤除去後から前記鋳造フラスコに配置されるまでの期間しばらく保存されてもよい。ある実施形態では、前記粘結剤除去の後で前記鋳造フラスコ全体が保存され、その後、鋳造に先立って予熱されてもよい。第３には、粘結剤の除去または分解あるいは前記鋳物砂またはセラミックコーティングの乾燥のために予熱が必要な場合を除いて、予熱を行う必要があるのは、時期尚早の凝結の問題を防ぐためあるいは鋳型充填を促進するためである。
【００３９】
本発明のある実施形態では、前記多孔性粉末品の前記粉末は金属粉末であり、前記鋳造溶融金属によって完全に溶かされ混合または合金化する。このような実施形態では、前記溶融金属が前記多孔性粉末品の前記金属粉末を溶かすのに充分な過熱量を有することが重要である。前記溶融金属から前記砂への熱伝達がないと想定した場合、このような場合前記溶融金属の温度と前記フラスコアセンブリの前記予熱温度との関係は、以下のように簡単に表される。
【００４０】
【数１】
2005536353.tif 000003
【００４１】
ここで、
Ｔphは、フラスコアセンブリの予熱量で、これには多孔性粉末品が含まれる。  
Ｔmpは、粉末物質の溶解温度。  
Ｃppは、粉末物質の特定熱。  
Ｈmpは、粉末物質の融合熱。  
Ｔmmは、溶融金属の溶解温度。  
Ｔohは、溶融金属の過熱温度。  
Ｃpmは、溶融金属の特定熱。  
【００４２】
本発明のある実施形態では、その上に形成されるセラミックシェルなしで、前記多孔性粉末品が鋳型の模型として使用される。このような実施形態ではセラミックシェル使用の実施形態のようにスムースな表面を製造しない場合があり、鋳型作成中に前記多孔性粉末品を歪めないように、鋳型リリース剤、追加的清浄および更なる注意を必要とする場合があるが、セラミックシェルの製造と除去費用を倹約することできる。しかし、コーティングは鋳造する前の前記多孔性粉末品の構造的完全性を保護するのに役立つので、セラミックコーティングの前記使用が望ましい。
【００４３】
前記選択した成品形成プロセスと適合する任意タイプの粉末を使用して、前記多孔性粉末品を作成してもよい。前記粉末タイプは、使用される前記鋳造金属および前記注型品に望ましい属性に基づいて選択される。多くの場合、選択される粉末は単一金属または金属合金であるが、セラミック粉末およびサーメットを使用してもよい。例えば、前記粉末は鉄あるいは低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼、工具鋼、またはステンレス鋼などの鉄鋼を含む鉄合金である。また、前記粉末は、ニッケル、ニッケル合金、アルミニウム、アルミ合金、チタニウム、チタン合金、銅、銅合金、マグネシウム、マグネシウム合金、亜鉛、亜鉛合金、金属間化合物、耐熱性金属、または耐熱性金属合金でもよい。前記粉末に耐熱性金属、セラミック、またはサーメットを含むほとんどの実施形態では、前記粉末と前記鋳造金属は複合構造を有する注型品を形成する。
【００４４】
前記粉末は、任意タイプの粒子形状を有してもよい。ただし、前記多孔性粉末品の相対密度が例えば３０〜４０％の範囲内の低さであることが望ましく、不規則形粉末に伴う低い充填密度が結果として前記多孔性粉末品に低い相対密度をもたらすような場合には、球状形よりも不規則形の粉末の方が望ましい。
【００４５】
前記鋳造金属は、鋳造を行い易い任意の金属でよい。前記鋳造金属の溶解温度は、前記多孔性粉末品の粉末の溶解温度よりも高くても低くてもよい。ある実施形態では、前記鋳造金属と前記多孔性粉末品の粉末とは同じまたは同じような複合材料でもよい。例えば、前記鋳造金属が非合金アルミニウムで前記粉末がアルミ合金であってもよい。
【実施例１】
【００４６】
実例
近年、鋳造工場には新しい鋳造設計をより速いペースで紹介するという商業的圧力があった。このため、新しい設計が概念からプロタイプ段階を通って産業的製造に入るために利用できる時間が少なくなってきた。以下の机上の実験例は、本発明の実施形態の応用を説明するものである。
【００４７】
図２Ｆで鋳造規格３６として示したのと同じ設計の規格が、最終構成比が銅９０％錫１０％である銅錫ブロンズから作成されるとする。前記規格が、幅３ｃｍ、高さ１．５ｃｍ、奥行き１ｃｍであるとする。前記規格の三次元モデルのＣＡＤファイルが作成される。前記ＣＡＤファイルはＳＴＰフォーマットファイルに転換される。前記ＳＴＰファイルにスライスアルゴリズムを適用し、３ＤＰプロセスラピットプロトタイピング機械で使用される規格ファイルを作成し、前記規格の多孔性粉末品を製造する。銅８０％錫２０％の構成を有する高度の錫ブロンズ粉末を取得し、１４０メッシュスクリーン（１０６ミクロン開口部サイズ）を通過させ、３２５メッシュスクリーン（４５ミクロン開口部サイズ）の上に置く。米国ペンシルバニア州ＩｒｗｉｎのＥｘｔｒｕｄｅ  Ｈｏｍｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製造のＰＲＯＭＥＴＡＬ  ＲＴＳ  ３００ラピッドプロタイピング機械が、前記規格ファイルと高度錫ブロンズ粉末を利用して、３ＤＰプロセスで相対密度５０％の多孔性粉末品を作成する。
【００４８】
前記ラピッドプロタイピング機械から前記多孔性粉末品を取り出し、余分な粉末を前記多孔性粉末品から取り除く。湯口および湯道が前記多孔性粉末品に取り付けられている。ホウ素窒化物スラリーに前記アセンブリを繰り返し浸けて、前記多孔性粉末品とその湯口と湯道の前記アセンブリにセラミックシェルをコーティングし、且つ形成されたコーティングが乾燥するようにする。前記セラミックコーティングを作成した後、前記アセンブリを鋳造フラスコに配置し、スプルーを前記アセンブリに附着する。前記鋳造フラスコに鋳物砂を追加し、振動テーブルを使用して、前記溶融金属を注入する部分を除いたすべての内部および外部の空洞を埋めて、鋳物砂が前記アセンブリの回りに分配されるようにする。標準コンパクション技術を使用して、前記アセンブリの回りの前記鋳物砂を詰める。
【００４９】
窒素の保護された状態下で前記フラスコアセンブリを約７９０度に加熱して、前記多孔性粉末品から３ＤＰプロセス中に適用された前記ポリマー粘結剤を取り除く。同時に、純粋銅が粘土坩堝の中で誘導加熱によって約１２００度で溶かされる。前記溶融純粋銅は、窒素の保護された状態下にある予熱された前記フラスコアセンブリの前記スプルーの中に注入される。前記溶融純粋銅は前記多孔性粉末品に流入し、その粉末を溶かして合金化しその形に成る。前記鋳造物が凝結および冷却した後に、それを前記鋳物砂から取り出す。前記セラミックコーティングは一掃され、前記スプルー、湯道および湯口は前記規格から取り除かれる。前記規格は銅９０％錫１０％の構成を有し、検査、仕上げ、テスト、および使用することができる状態である。
【００５０】
本発明の少数の実施形態だけを示し説明してきたが、付随する請求項に説明するような本発明の本質と範囲から逸脱することなく、多くの変更と修正を加えることができるのは当業者には明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
本発明の特徴および利点の重要性は、付属図面の参照によってよりよく理解されるであろう。ただし、当然のこととして、これらの図面は説明の目的のためにのみ意図されたものであり、本発明の限定を定義するものではない。
【図１Ａ】図１Ａ〜Ｄは、従来のラピッドプロトタイピングプロセスによる多孔性粉末品作成における一連の工程を説明している。図１Ａは、多孔性粉末品の単一層の作成における３つの工程を説明している。
【図１Ｂ】図１Ａ〜Ｄは、従来のラピッドプロトタイピングプロセスによる多孔性粉末品作成における一連の工程を説明している。図１Ｂは、部分的に完成した段階にある多孔性粉末品を説明している。
【図１Ｃ】図１Ａ〜Ｄは、従来のラピッドプロトタイピングプロセスによる多孔性粉末品作成における一連の工程を説明している。図１Ｃは、最終層がプリントされた後の多孔性粉末品を説明している。
【図１Ｄ】図１Ａ〜Ｄは、従来のラピッドプロトタイピングプロセスによる多孔性粉末品作成における一連の工程を説明している。図１Ｄは、仕上がった多孔性粉末品を説明している。
【図２Ａ】図２Ａ〜Ｅは、図１で説明した多孔性粉末品を利用した方法の一連の工程を説明している。図２Ａは、外部及び内部表面に耐熱性セラミックコーティングが形成された後の多孔性粉末品を説明している。
【図２Ｂ】図２Ａ〜Ｅは、図１で説明した多孔性粉末品を利用した方法の一連の工程を説明している。図２Ｂは、鋳型を形成するために鋳造フラスコ内部で鋳物砂に包まれた図２Ａの多孔性粉末品の予熱を説明している。
【図２Ｃ】図２Ａ〜Ｅは、図１で説明した多孔性粉末品を利用した方法の一連の工程を説明している。図２Ｃは、図２Ｂの鋳型への溶融金属の注入を説明している。
【図２Ｄ】図２Ａ〜Ｅは、図１で説明した多孔性粉末品を利用した方法の一連の工程を説明している。図２Ｄは、図２Ｃで注入された注型品の凝結と冷却を説明している。
【図２Ｅ】図２Ａ〜Ｅは、図１で説明した多孔性粉末品を利用した方法の一連の工程を説明している。図２Ｅは、鋳物砂から取り出された後の図２Ｄの注型品を説明している。
【図２Ｆ】図２Ｆは、スプルーが取り除かれた後の図２Ｅの注型品を説明している。
【図１Ａ】
2005536353.tif 000004
【図１Ｂ】
2005536353.tif 000005
【図１Ｃ】
2005536353.tif 000006
【図１Ｄ】
2005536353.tif 000007
【図２Ａ】
2005536353.tif 000008
【図２Ｂ】
2005536353.tif 000009
【図２Ｃ】
2005536353.tif 000010
【図２Ｄ】
2005536353.tif 000011
【図２Ｅ】
2005536353.tif 000012
【図２Ｆ】
2005536353.tif 000013
【国際調査報告】
2005536353.tif 000014
2005536353.tif 000015