(57)【要約】【解決手段】  開放多孔性（６０）を有する気体透過性金型及び金型部分を開示する。前記金型壁（５４）の外面（５２）にあるブラインドベント（５６）は、前記開放多孔性（６０）によって提供される気体透過性を促進すると同時に、一体化した成形面（６２）を可能にする。そのような気体透過性金型の製造方法は、焼結物質から前記金型を形成する工程を含む。前記方法はまた、固体自由成形製造の使用を含み、その後焼結する工程を含むものでもある。また、ＥＰＳビーズ成形において使用するための単一構造（１５０）も開示しており、前記構造は、気体透過性壁（１５６）を有する蒸気室部分（１５２）と気体透過性金型壁（１７２）を有する金型部分（１５４）と、選択的にオープン及び／又はブラインドベント（１８０、１７８）とを有する。そのような単一構造（１５０）を製造する方法は、固体自由成形製造の使用を含むものである。【選択図】      図２Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型又は金型部分として用いる造形品であって、
（ａ）成形面及び外面を有する金型壁と、
（ｂ）前記金型壁内にあって、前記外面と前記成形面間に流体伝達を提供する開放多孔性と、
（ｃ）前記外面から前記金型壁の中に延出する複数のブラインドベントと
を有する造形品。
【請求項２】
請求項１記載の造形品において、前記造形品は、ＥＰＳビーズ用金型又は金型部分である。
【請求項３】
請求項１記載の造形品において、前記造形品は、射出成形金型又は金型部分である。
【請求項４】
請求項１記載の造形品において、前記造形品は、真空成形金型又は金型部分である。
【請求項５】
請求項１記載の造形品において、前記複数のブラインドベントの少なくとも１つのブラインドベントは、円筒形である。
【請求項６】
請求項１記載の造形品において、前記複数のブラインドベントの少なくとも１つのブラインドベントは、前記金型壁の局所的な厚さが約１０％〜約７０％の範囲であるブラインドベント端壁の厚さを有するものである。
【請求項７】
請求項１記載の造形品において、前記ブラインドベント端壁の厚さは、前記金型壁の局所的な厚さが約２０％〜約４０％の範囲にあるものである。
【請求項８】
請求項１記載の造形品において、前記金型壁は、金属、セラミック、ポリマー、及び複合材料から成る群から選択される少なくとも１つを有するものである。
【請求項９】
請求項１記載の造形品において、前記金型壁は、アルミニウム、チタニウム、ニッケル、鉄、及びその合金から成る群から選択される金属を含むものである。
【請求項１０】
請求項１記載の造形品において、前記金型壁は、ステンレス鋼を有するものである。
【請求項１１】
請求項１０記載の造形品において、前記ステンレス鋼は、３１６ステンレス鋼及び４２０ステンレス鋼から成る群から選択されるものである。
【請求項１２】
ＥＰＳビーズ成形に用いる造形品であって、
蒸気室部分と金型部分とを有する単一構造を有しており、
前記蒸気室部分はＥＰＳビーズ成形処理気体に対して不浸透性である外壁を有し、
前記金型部分は金型壁を有し、
前記金型壁は成形面と、外面と、開放多孔性とを有し、
前記開放多孔性は前記外面と前記成形面間に流体伝達を提供するものである、
ＥＰＳビーズ成形に用いる造形品。
【請求項１３】
請求項１２記載の造形品において、前記金型壁は、その外面から前記金型壁の中に延出する複数のブラインドベントを有するものである。
【請求項１４】
請求項１２記載の造形品において、前記金型壁は少なくとも１つのオープンベントを有するものである。
【請求項１５】
請求項１２記載の造形品において、前記外壁は、アルミニウム、チタニウム、ニッケル、鉄、及びその合金から成る群から選択されるものである。
【請求項１６】
請求項１２記載の造形品において、前記外壁は、ステンレス鋼を有する造形品である。
【請求項１７】
請求項１６記載の造形品において、前記ステンレス鋼は、３１６ステンレス鋼及び４２０ステンレス鋼から成る群から選択されるものである。
【請求項１８】
請求項１２記載の造形品において、前記外壁は、凝固溶浸材物質を有するものである。
【請求項１９】
請求項１８記載の造形品において、前記凝固溶浸材物質は、青銅を有する造形品である。
【請求項２０】
請求項１２記載の造形品において、この造形品は、さらに、
前記外壁と前記金型壁間に延出する少なくとも１つの支柱を有するものである。
【請求項２１】
金型又は金型部分として用いる造形品の製造方法であって、
（ａ）開放多孔性を有する金型壁を形成する工程であって、前記開放多孔性は、前記金型壁の外面と前記金型壁の成形面との間に流体伝達を提供するものである、前記金型壁を形成する工程と、
（ｂ）複数のブラインドベントを前記外面に形成する工程と
を有する製造方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、前記金型壁を形成する工程は、焼結物質から前記金型壁を機械加工する工程を含むものである。
【請求項２３】
請求項２１記載の方法において、前記金型壁を形成する工程は、粉末治金法によって前記金型壁を製造する工程を含むものである。
【請求項２４】
請求項２１記載の方法において、前記複数のブラインドベントを形成する工程は、前記複数のブラインドベントの少なくとも１つのブラインドベントを前記外面に機械加工する工程を含むものである。
【請求項２５】
請求項２１記載の方法において、前記金型壁を形成する工程は、前記金型壁を製造するために、固体自由成形製造を使用する工程を含むものである。
【請求項２６】
請求項２５記載の方法において、前記固体自由成形製造は、３ＤＰ法を含むものである。
【請求項２７】
請求項２５記載の方法において、前記固体自由成形製造は、ＳＬＳ法を含むものである。
【請求項２８】
請求項２５記載の方法において、前記固体自由成形製造方法は接合金型壁を製造するものであり、前記方法は前記接合金型壁を高温で焼結させる工程をさらに有するものである。
【請求項２９】
請求項２５記載の方法において、前記固体自由成形製造は、前記金型壁を製造するために、金属、セラミック、ポリマー、及び複合材料から成る群から選択される粉末の少なくとも１つの使用を含むものである。
【請求項３０】
請求項２５記載の方法において、前記固体自由成形製造は、前記金型壁を製造するために、アルミニウム、チタニウム、ニッケル、鉄、及びその合金から成る群から選択される金属の粉末の使用を含むものである。
【請求項３１】
請求項２５記載の方法において、前記固体自由成形製造は、前記金型壁を製造するために、ステンレス鋼粉末の使用を含むものである。
【請求項３２】
請求項３１記載の方法において、前記ステンレス鋼粉末は、３１６ステンレス鋼及び４２０ステンレス鋼から成る群から選択されるものである。
【請求項３３】
請求項２５記載の方法において、前記固体自由成形製造は、前記金型壁を製造するために、約４５ミクロン〜約１０６ミクロンの粒子サイズを有する粉末の使用を含むものである。
【請求項３４】
請求項２１記載の方法において、前記複数のブラインドベントの少なくとも１つのブラインドベントは、円筒形である。
【請求項３５】
請求項２１記載の方法において、前記複数のブラインドベントの少なくとも１つのブラインドベントは、前記金型壁の局所的な厚さが約１０％〜約７０％の範囲であるブラインドベント端壁の厚さを有するものである。
【請求項３６】
請求項２１記載の方法において、前記ブラインドベント端壁の厚さは、前記金型壁の局所的な厚さが約２０％〜約４０％の範囲にあるものである。
【請求項３７】
ＥＰＳビーズ成形に用いる造形品を製造する方法であって、
前記造形品は蒸気室部分と金型部分とを含む単一構造を有しており、
前記方法は、
固体自由成形製造により前記単一構造のプリフォームを製造する工程
を有するものである、方法。
【請求項３８】
請求項３７記載の方法において、この方法は、さらに、
前記プリフォームを高温で焼結させる工程を有するものである。
【請求項３９】
請求項３８記載の方法において、この方法は、さらに、
前記蒸気室部分の外壁を凝固可能な液体で浸潤させる工程を有するものである。
【請求項４０】
請求項３９記載の方法において、この方法は、さらに、
前記浸潤させた凝固可能な液体を凝固させる工程を有するものである。
【請求項４１】
請求項３９記載の方法において、前記凝固可能な液体は、融解青銅を有するものである。
【請求項４２】
請求項３７記載の方法において、前記金型部分は金型壁を有するものであり、前記金型壁は外面と、成形面と、開放多孔性とを有し、前記開放多孔性は前記金型壁の外面と前記金型壁の成形面との間に流体伝達を提供するものである。
【請求項４３】
請求項４２記載の方法において、前記プリフォームを製造する工程は、複数のブラインドベントを前記金型壁の外面の中へ形成する工程を含むものである。
【請求項４４】
請求項４３記載の方法において、前記複数のブラインドベントの少なくとも１つのブラインドベントは、円筒形である。
【請求項４５】
請求項４３記載の方法において、前記複数のブラインドベントの少なくとも１つのブラインドベントは、前記金型壁の局所的な厚さが約１０％〜約７０％の範囲であるブラインドベント端壁の厚さを有する造形品である。
【請求項４６】
請求項４３記載の方法において、前記ブラインドベント端壁の厚さは、前記金型壁の局所的な厚さが約２０％〜約４０％の範囲にあるものである。
【請求項４７】
請求項４２記載の方法において、前記プリフォームを製造する工程は、前記金型壁を通り抜けた少なくとも１つのオープンベントを形成する工程を含むものである。
【請求項４８】
請求項４２記載の方法において、前記造形品は、前記外面と前記金型壁間に延出する少なくとも１つの支柱を有するものである。
【請求項４９】
請求項４２記載の方法において、前記固体自由成形製造は、前記金型壁を製造するために、金属、セラミック、ポリマー、又は複合材料から成る群から選択される少なくとも１つの粉末の使用を含むものである。
【請求項５０】
請求項４２記載の方法において、前記固体自由成形製造は、前記金型壁を製造するために、アルミニウム、チタニウム、ニッケル、鉄、及びその合金から成る群から選択される金属の粉末の使用を含むものである。
【請求項５１】
請求項４２記載の方法において、前記固体自由成形製造は、前記金型壁を製造するために、ステンレス鋼粉末の使用を含むものである。
【請求項５２】
請求項５１記載の方法において、前記ステンレススチール鋼粉末は、３１６ステンレス鋼、４２０ステンレス鋼から成る群から選択されるものである。
【請求項５３】
請求項４２記載の方法において、前記固体自由成形製造は、前記金型壁を製造するために、約４５ミクロン〜約１０６ミクロンの粒子サイズを有する粉末の使用を含むものである。
【請求項５４】
請求項３７記載の方法において、前記固体自由成形製造は、３ＤＰ法を含むものである。
【請求項５５】
請求項３７記載の方法において、前記固体自由成形製造は、ＳＬＳ法を含むものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体透過性金型及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金型は２若しくはそれ以上の対合する部分から成り、この部分を接合することにより金型空洞部が形成され、この空洞部内で成形可能な物質より造形品が成形される。気体透過性金型は、成形作業中に気体が金型空洞部に流出入することが可能である。通常、気体流に対する金型の透過性は、金型に提供された成形面の選択された部分にわたって分布している複数の通気孔によって実現される。例えば、発泡ポリスチレン（ｅｘｐａｎｄｅｄ  ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ：ＥＰＳ）の様な発泡ポリマービーズから造形品を製造するための金型は、前記ポリマービーズが更に発泡して結合するように、前記金型内に蒸気を導くための複数の通気孔を含む。射出成形用金型は、射出成形工程中に閉じ込められた空気が前記金型から流出するようにするための通気孔を含む。例えば熱成形プラスチックシートに用いられるような真空成形金型は、前記金型と前記プラスチックシートの間を真空にするための通気孔を含み、前記プラスチックシートは前記金型の表面に対して成形されている。
【０００３】
気体透過性金型にその様な通気孔を作製する最も一般的な方法は、例えば、機械的、電気的、光学的、または化学的方法によって穴を開ける（ｐｕｎｃｈ）又はドリルで穴を開ける（ｄｒｉｌｌ）など、金型表面上にある種の穿孔する工程を行うことである。ＥＰＳビーズ金型の場合、従来の通気孔の製造は、主軸径が約０．１６ｃｍ〜約０．６４ｃｍの肩穴を開ける工程から成る。このような肩穴を開けた後、溝が彫ってある末端表面を有する円筒形金物を前記穴に圧入させ、更にその後、前記成形面を機械加工して、確実に前記金物が前記金属表面と同一平面になるようにする。
【０００４】
従来の通気孔製造方法は、費用と時間がかかる方法である。更に、それらの方法では、通気孔の設置領域はその通気孔を製造するために使用される金型がアクセスし易い領域に制限される。別のアクセス不可能な領域に通気孔が必要な場合、前記所望領域にアクセスできるようにその造形品を切断し、１つ或いは複数の通気孔を取り除いた切断部分を作製し、更にその後取り除いた領域を前記造形品に再統合する必要である。別の欠点は、成形面に対する通気孔の配置が、使用される穿孔技術及び各通気孔が設置されている表面部分へのアクセスのし易さによって制限されことである。表面の形状が曲がっているか或いは複雑になっているか、又はアクセスが限られるような場所には、通気孔が最適ではない配置となる傾向がある。例えばレーザー又は化学的に穴を開けるなどの技術が使用される場合、小径流体伝導通気孔の配置は、通常、その造形品表面に対してほぼ垂直となるように限定される。
【０００５】
同時継続特許出願であるＲｙｎｅｒｓｏｎらによって２００３年９月１１日日付で提出された米国特許出願第６０／５０１，９８１号、及びＲｙｎｅｒｓｏｎらによって２００３年９月１１日付けで提出された米国特許出願第６０／５０２，０６８号に記載されているような当技術分野の近年の進歩においては、金型そのものが微粒子物質から層のように作られるようにｉｎ  ｓｉｔｕで形成される通気孔を有する気体透過性の金型を作製するために、固体自由成形製造が使用されている。本願明細書及び添付の請求項において使用される「固体自由成形製造方法」という用語は、有用な３次元の造形品をもたらすあらゆる方法に言及するものであり、１回で造形品の１層の形状を粉末から連続的に成形する工程を含む。固体自由成形製造方法は「積層製造方法」としても当業者に周知である。特定の造形品を少量生産するために一層ずつ作る方法が使用される場合、そのような方法は、「ラピッドプロトタイピング方法」又は「迅速生産」としても当業技術分野においてしばしば言及される。固体自由成形製造方法は、造形品の物理的及び／又は機械的特性を高めるための、１若しくはそれ以上の形状形成後の作業を含むものであっても良い。好ましい固体自由成形製造方法は、３次元印刷（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ：３ＤＰ）方法、及び選択的レーザー焼結（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：ＳＬＳ）方法を含む。３ＤＰ法の例は、２０００年３月１４日付で提出されたＳａｃｈｓによる米国特許第６，０３６，７７７号明細書において見出される。ＳＬＳ法の例は、１９９１年１２月３１日付で提出されたＢｏｕｒｅｌｌによる米国特許第５，０７６，８６９号明細書において見出される。
【０００６】
また別の最近の進歩において、従来の通気孔の使用を排除した気体透過性金型の生産技術が発展してきている。このような金型は、開放多孔性を有する部分的に焼結された物質の塊から機械加工される。本願明細書及び添付の請求項において使用される「開放多孔性」という用語は、物質の中を通り抜けて流体伝達を提供できるように内部連結された前記物質中の多孔性に言及するものである。このような金型における開放多孔性によって、気体が金型壁を通って金型の空洞部の中及び外へ通過することが可能となる。成形面から通気孔を除去することには利点がある。そのような金型から作られるある造形品は、成形面にある通気孔から生じる結節又は模様がない。別の利点は、例えばＥＰＳビーズ成形などの金型用微粒子物質の作業に関して、前記微粒子の流出又は通気孔への目詰まりなどを懸念することなく、あらゆる微粒子サイズの使用が可能なことである。
【０００７】
このような先行技術の開放多孔性金型に対する欠点は、その気体透過性が、主に金型壁の厚さ、多孔性の目の粗さ及び量に依存していることである。多孔性であることによって金型が弱くなるため、その壁の厚さは、固体物質が使用された場合にあるべき厚さより厚くなければならないが、壁の厚さが厚くなることにより気体透過性が減少することになる。増加した壁の厚さを補うために、多孔性の目の粗さ及び量を増加させることもある。ある用途においては、強度と透過性の操作可能な均衡を達成することが可能であるが、別の用途においては不可能である可能性がある。更に、操作可能な均衡を達成することにより、成形面における多孔性の目が粗くなるために、成形面の滑らかさを犠牲にする場合がある。
【発明の開示】
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、滑らかであり通気孔がない成形面を有する気体透過性金型及び金型部分を含むものであり、先行技術における悩みであった金型壁の厚さ、開放多孔性の目の粗さ及びその量、及び気体透過性の制限された相互依存性の欠点を克服するものである。これらの気体透過性金型及び金型部分は、開放多孔性を有する金型壁を有しており、前記開放多孔性における気体透過性はブラインドベントによって増大するものである。本願明細書及び添付の請求項において使用される「ブラインドベント」という用語は、金型壁の外面におけるくぼみに言及し、前記くぼみの隣接領域における金型壁を通り抜ける気体透過性を実質的に増大させるものである。ブラインドベントは、従来の通気孔と類似した大きさ及び形であっても良いが、必ずしもその必要はない。しかしながら、全ての場合において、ブラインドベントは、従来の通気孔とは異なり成形面まで通り抜けて伸びているものではない。
【０００９】
ブラインドベントを使用することには幾つかの利点がある。その１つは、成形面が途切れていないことであり、つまり、オープンベントが金型又は金型部分の成形面を横切る場所にある成形品の表面上に結節及び通気孔の模様が形成されるという問題が回避されることである。別の利点は、ブラインドベントによって、開放多孔性の目の粗さを抑えることが可能であり、これによって、気体透過性を犠牲にすることなく滑らかな成形面が得られることである。第三の利点は、金型又は金型部分の気体透過性を損なうことなく、壁の厚さがを厚くすることが可能であり、これによって、先行技術の開放多孔性の気体透過性金型及び金型部分で可能であるものより、より丈夫且つ強固な金型または金型部分を提供することが可能である。
【００１０】
本発明はまた、その様な気体透過性金型及び金型部分を製造する方法を含むものである。本発明の好ましい実施形態において、その様な方法は、固体自由成形製造の使用を有するものであり、更に前記固体自由成形製造中に気体透過性金型又は金型部分の中にブラインドベントが作製された、開放多孔性を有する前記気体透過性金型及び金型部分を作製するために、焼結する工程を有するものである。本発明はまた、前記金型又は金型部分が開放多孔性を有する焼結された塊から機械加工され、更に１若しくはそれ以上のブラインドベントが前記金型又は金型部分の外面に形成される実施形態を含む。
【００１１】
本発明はまた、気体透過性ＥＰＳ金型部分が、蒸気室を有する単一構造の一部となっている実施形態を含む。蒸気室は、気体透過性ＥＰＳ金型部分を取り囲むプレナムとなっている。蒸気室は、この蒸気室の空洞部に気体を選択的に出し入れするための１若しくはそれ以上の引き込み口部を含み、前記蒸気室の壁はそれ自体が気体透過性となっている。しかしながら、前記気体透過性ＥＰＳ金型部分は、開放多孔性を有する。前記気体透過性ＥＰＳ金型部分の気体透過性は、１若しくはそれ以上の通気孔によって増大されても良いが、必ずしも増大する必要はなく、前記通気孔は、オープンベント、ブラインドベント、又はその組合わせであっても良い。本願明細書及び添付の請求項において使用される「オープンベント」という用語は、金型の外面からその成形面まで、金型壁を通り抜けて途切れずに伸びた通気孔に言及する。本発明はまた、その様な単一構造を製造する方法を含み、前記単一構造は固体自由性形製造によって作製される。その様な方法において、前記蒸気室は、凝固可能な液体を染み込ませることによって気体透過性が作られるものである。本発明の前記単一構造の実施形態は、蒸気室を使用することにより、成形作業中に発生する外部及び内部に向かう力に対する気体透過性金型を強くする。一方、蒸気室が気体透過性金型部分と一体化していない場合、気体透過性金型部分の外部方向への力に対してのみ補強することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この項目では、当業者が本発明を十分実施できるように、本発明の好ましい実施形態の一部を詳細に説明する。しかしながら、本願明細書において説明されている限定された数の好ましい実施形態は、添付の請求項に記載された本発明の範囲を決して限定するものではない。
【００１３】
本発明は、例えばＥＰＳビーズ成形、射出成形、真空成形など、気体透過性金型が使用される全ての用途のための気体透過性金型をその実施形態の中に含む。同様に、本発明は、そのような気体透過性金型全ての製造方法をその実施形態の中に含む。しかしながら、説明図を明確且つ簡潔にするために、ＥＰＳビーズ成形のための気体透過性金型に関連する好ましい実施形態のみを説明する。同様に、固体自由成形製造を使用した本発明の方法は、例えば３ＤＰ、ＳＬＳなど任意の固体自由成形製造方法を用いて実施され得るものであるが、３ＤＰ法を使用した好ましい実施形態のみを説明する。
【００１４】
図１を参照すると、従来のＥＰＳビーズ成形システム２において、部分的に広がったＥＰＳビーズ４は、射出成形用ポート（図示せず）を通りぬけて閉鎖されたＥＰＳビーズ金型６に充填される。前記金型６は、第１の金型部分８と第２の金型部分１０とから成る。前記第１の金型部分壁１４の外面１２及び第１の蒸気室１６によって、第１の蒸気室空洞部１８が規定される。同様に、前記第２の金型部分壁２２の外面２０及び第２の蒸気室２４によって、第２の蒸気室空洞部２６が規定される。流入法によって、蒸気２９が第１導入口２８を通って第１の蒸気室空洞部１８に導入される。前記蒸気２９は、複数存在する第１の通気孔３０を通って第１の部分壁１４に導入され、金型空洞部３２中にある多量のＥＰＳビーズ４を通過し、第２の金型部分壁２２に複数存在する第２の通気孔３４を通過し、第２の蒸気室２６に導入された後、第２の導入口３６を通って外に出る。前記蒸気２９がＥＰＳビーズ４を加熱することにより、このＥＰＳビーズ４内でペンタンなどの発泡剤が前記ＥＰＳビーズ４を更に膨張させて、その後、前記ＥＰＳビーズ４は融解されて金型６によって規定された形になる。前記蒸気工程が完了した後、前記膨張ＥＰＳビーズ４から形成された成形品は、第１及び第２の蒸気室空洞部１８及び２６を真空にすること、及び／又は前記金型６の外面１２及び２０に噴霧ノズル（図示せず）を通じて水を噴霧することにより冷却される。その後金型６を開き、成形品を取り除く。ＥＰＳビーズ成形作業は、１９９５年１０月３日付で提出された米国特許第５，４５４，７０３号明細書においてより詳細に説明されている。
【００１５】
図２Ａを参照すると、本発明の好ましい実施形態に従った、ブラインドベント５６を有する気体透過性ＥＰＳ金型の金型壁５４の外面５２の一部である５０が示されている。図２Ｂは、平面２Ｂ〜２Ｂに沿った前記５０部分の部分図を示したものである。金型壁５４は開放多孔性６０（点々によって示されている）を有しており、この開放多孔性６０は外面５２と成形面６２の間の流体伝達を提供するものであり、これによって蒸気が成形面６２によって部分的にその使用が規定されている金型空洞部に出入りすることが可能となる。ブラインドベント５６は、外面５２から金型壁の厚さ６６の深さ６４まで伸びており、これは、ブラインドベント５６の下底７０と成形面６２の間にブラインドベント端壁の厚さ６８を残している。
【００１６】
本発明の実施形態において、前記ブラインドベントは、金型壁の気体透過性において実質的に局所的な改善を提供するいかなる幾何学的構造を有するものであっても良く、更に１つの気体透過性金型又は金型部分は、異なる幾何学構造の通気孔を含むものであっても良い。図３Ａ〜３Ｃは異なる幾何学的構造のブラインドベントを有する本発明の好ましい実施形態を示したものである。図３Ａを参照すると、全体的に参照番号８６で表記されるブランドベントを複数有する気体透過性金型壁８４の外面８２の平面部分８０が示されている。前記複数のブラインドベントの中で、８６が第１であり、第２及び第３のブラインドベントは外面８２との交差部分が円形である８８、９０、及び９２であり、第４のブラインドベント９４は外面８２との交差部分が細長い楕円形として規定され、第５のブランドベント９６は外面８２との交差部分が三角形として規定され、第６のブラインドベント９８は外面８２との交差部分が四角形として規定され、更に第７のブラインドベント１００は外面８２との交差部分が長方形として規定されているものである。図３Ｂは、外面８２に対して垂直である平面３Ｂ〜３Ｂに沿った金型壁８４の断面図を示している。図３Ｂは、第１のブラインドベント８８が正確な円筒形であり、第２のブラインドベント９０が半球形状であり、更に第３のブラインドベント９２が円錐形であることを明らかにしている。図３Ｂはまた、第４のブラインドベント９４が平行な側壁１０２及び１０４、及び半径の下底１０６を有し、第５のブラインドベント９６の傾斜壁１０８及び１１０が先端頂点１１２で交わっており、第６のブラインドベント９８の平行壁１１４及び１１６が平面下底１１８で途切れており、更に第７のブラインドベント１００の向かい合った壁１２０及び１２２が平面下底１２４で半径状に交わっていることを明らかにしている。
【００１７】
本発明の実施形態において、ブラインドベント端壁の厚さ、すなわち、ブラインドベントの内側の末端と成形面との間の金型壁の厚さは、いかなる厚さであっても良く、或いは金型表面に対して完全に平行な下底を有していないブラインドベントの場合、変動する厚さであっても良く、そのようなブラインドベント端壁の厚さは、ブラインドベントの内部末端と成形面との間の金型壁部分を、多孔性金型又は金型部分の使用期間中、原型に保ち、更に持続性を保持するのに十分な局所的構造完全性を提供するものである。前記ブラインドベント端壁の厚さは、全てのブラインドベントで同じであっても良く、或いは透過性金型又は金型部分のためにブラインドベントの間で異なるものであって良い。例えば、図３Ａを参照すると、第８、第９、第１０のブラインドベント１２６、１２８、１３９が示されており、これあの全ては正確な円筒形である。図３Ｃは、外面８２に対して垂直である平面３Ｃ〜３Ｃに沿った金型壁８４の断面図を示している。図３Ｃを参照すると、第８及び第９のブラインドベント１２６及び１２８に関連した金型壁の厚さ１３２及び１３４は同じであり、第１０のブラインドベント１３０に関連した金型壁の厚さ１３６はこれらと異なることが見られる。
【００１８】
本発明の実施形態において、金型壁の厚さ、開放多孔性の目の粗さ及び量、ブラインドベントの数、分布、及び幾何学的構造、及びブラインドベント端壁の厚さ又は気体透過性金型又は金型部分の厚さは、特定の金型又は金型部分に必要な気体透過性及び強度を考慮することにより決定される。全体的に、これらのパラメーターは、先行技術の開放多孔性金型及び金型部分に当てはまる当業者の原理と知識を適用することにより決定される。しかしながら、これらの実施形態は、気体透過性金型または金型部分全体の気体透過性が開放多孔性及びブラインドベントが寄与する気体透過性を合わせたものであることに留意しなければならない。オープンベントも存在するこれらの実施形態において、気体透過性に対するオープンベントの寄与もまた考慮しなければならない。ブラインドベントの内部末端と成形面との間の金型壁物質は、気流に対してはいくらか抵抗性があるが、その抵抗性は、実質的にはブラインドベントから離れた領域にある完全な金型壁の厚さの抵抗性より少ないものである。最適なブラインドベントの幾何学的構造及びブラインドベント端壁の厚さは、多孔質媒体を貫通するときの基本的な機構及びその流出入の化学を一緒にした液体流解析を考慮することにより決定されるものであっても良い。例えば、流れの効果は開口部の形状によって影響されることは、液体輸送の当業者においては周知であり、更に最終的に前記媒体に囲まれたブラインドベント及び多孔性物質は、相互に連結した開口部の一連のネットワークとして見なすことが出来る。
【００１９】
熟練したの実践者であれば、気体透過性金型又は金型部分が使用される成形作業中に予期される圧力差異の範囲を超えた厚さの機能として、様々な量及び目の粗さのレベルの開放多孔性を有する所望の金型壁物質の気体透過性を測定することにより、本発明の実施形態の製造に誘導される可能性がある。同様の誘導が、厚さの機能として様々な量及び目の粗さのレベルの開放多孔性を有する所望の金型壁物質の機械的な強度を試験することにより得られる。破壊応力（ｍｏｄｕｌｕｓ  ｏｆ  ｒｕｐｔｕｒｅ：ＭＯＲ）の４点負荷試験によって、そのような機械的強度の有用な方法が提供される。ブラインドベントがない気体透過性金型又は金型部分の値より機械的強度が実質的に減少しないように、ブラインドベントの数、分布、及び幾何学的構造を選択することが好ましいが、必ずしもその必要はない。
【００２０】
１若しくはそれ以上のブラインドベントを使用する本発明の全ての実施形態において、ブラインドベント端壁の厚さは、金型壁の局所的な厚さ、すなわち、ブラインドベントが設置されている金型壁の厚さが約１０％〜約７０％の間の範囲にあることが好ましい。より好ましくは、前記ブラインドベント端壁の厚さは、前記金型壁の局所的な厚さが約２０％〜約４０％の範囲であり、最も好ましくは、前記金型壁の局所的な厚さが約３０％である。
【００２１】
前記金型又は金型部分は、金型若しくは金型部分を使用する用途に関して、金型製造に適した当業者に周知のいかなる物質をも含み得るものである。例えば、前記金型物質は、金属、セラミック、ポリマー、又は複合材料を含むものであっても良い。好ましくは、前記金型物質は、アルミニウム、チタニウム、ニッケル、又は鉄、或いはこれらの金属を１若しくはそれ以上含む合金から成る群から選択される。最も好ましくは、前記金型物質は例えばグレード３１６又は４２０のステンレス鋼粉末である。
【００２２】
本発明はまた、１若しくはそれ以上のブラインドベントを含む気体透過性金型及び金型部分の製造方法を含む。その様な方法の実施形態の一部において、開放多孔性を有する気体透過性金型又は金型部分は、先行技術の方法における開放多孔性を有する適切な物質の塊或いはそのほかの形態のものから機械加工される。ブラインドベントは、例えば機械加工によって、金型又は金型部分の機械加工間或いはその後の何れかにおいて、気体透過性金型又は金型部分の外面中に形成される。
【００２３】
その様な方法の別の実施形態において、前記気体透過性金型又は金型部分は、粉末治金方によって、最終的な形状或いは最終的な形状に近い形状に押圧及び焼結され、その後機械加工される。これらの実施形態において、前記ブラインドベントの一部又は全ては、前記粉末治金法の間に直接形成されるものであっても良く、或いは例えば機械加工などの後に形成されるものであっても良い。
【００２４】
本発明はまた、開放多孔性を有する気体透過性金型又は金型部分が、固体自由成形製造、及びその後の焼結によって製造される実施形態の方法も含むものである。これらの実施形態のそれ程好ましものでない一部においては、前記自由成形製造の後、前記焼結工程の前或いは後に１若しくはそれ以上のブラインドベントが形成されるが、より好ましい実施形態においては、前記固体自由成形製造工程の間に金型若しくは金型部分中に１若しくはそれ以上のブラインドベントが構築される。
【００２５】
好ましくは、固体自由成形製造として３ＤＰ法が使用される。前記３ＤＰ法は、概念的にインクジェット印刷と同様である。しかしながら、前記３ＤＰ法は、インクの代わりに粉末を敷いた最上層の上に結合剤を堆積させる。この結合剤は、製造される金型又は金型部分の３次元的電気表示の２次元的切片に従って、粉末層上に印刷される。全ての金型又は金型部分が製造されるまでこの層は次々と印刷される。前記粉末は、金属、セラミック、ポリマー、又は複合材料を含むものであっても良い。好ましくは、前記粉末は、アルミニウム、チタニウム、ニッケル、又は鉄、或いはそれらの金属を１若しくはそれ以上含む合金の群から選択される。最も好ましくは、前記粉末は、例えばグレード３１６または４２０のステンレス鋼粉末であり、−１４０メッシュ／＋３２５メッシュの粒子サイズを有する。前記結合剤は、少なくとも１つのポリマー及び炭水化物を含むものであっても良い。好ましい結合剤の例は、１９９１年１２月３１日付で提出されたＢｏｕｒｅｌｌらによる米国特許第５，０７６，８６９号明細書、及び２００３年７月１日付で提出されたＬｉｕらによる米国特許第６，５８５，９３０号明細書において提供される。
【００２６】
印刷工程の後の気体透過性金型又は金型部分は接着された造形品であり、前記造形品は全体的に約３０〜６０以上の容量パーセントの粉末から成るものであり、粉末の充填密度によっては約１０容量パーセントの結合剤から成っており、残りは空間となっている。印刷された金型又は金型部分はやや壊れやすいものである。その後印刷された金型又は金型部分は高温で焼結され、その物理的及び／又は機械的特性が高められる。例えば、使用された粉末が−１４０米国メッシュ（１０６ミクロン）／＋３２５米国メッシュ（４５ミクロン）の粒子サイズを有する３１６ステンレス鋼粉末である場合、前記焼結は、５０容量パーセントの水素／５０容量パーセントのアルゴン雰囲気下、８１５トール、１２３５℃において１時間、１分あたり約５℃の加熱及び冷却速度において行われる。
【００２７】
気体透過性ＥＰＳビーズの金型部分の製造は、本発明の実施形態の好ましい方法に従ってこれから説明する。まず、前記金型部分の３次元的電気表示をＣＡＤファイルとして作製し、その後ＳＴＬ形式ファイルに変換する。次に、金型部分が有するブラインドベントの合金を３次元的電気表示することによってＣＡＤファイルが作製される。その後、前記ブラインドベントの合金のＣＡＤファイルはＳＴＬ形式ファイルに変換される。
【００２８】
当業者であれば、金型部分及びブラインドベントＣＡＤファイルをそれぞれ作成する上で、その両者の次元は、例えば収縮などいかなる次元的変化も考慮に入れるように調節されなければならないことを考慮し、そのような調節は次の焼結工程の期間中に行われる可能性がある。例えば収縮を補うために、最終直径０．０４６ｃｍの円筒形ブラインドベントは０．０７１ｃｍの直径を有して印刷されるように設計されていても良い。２つのＳＴＬ形式ファイルは、各ブラインドベントが金型部分の所望の位置になることを確認するために比較される。ＳＴＬファイルに対して、いかなる望ましい補正又は変更が行われても良い。その後、前記２つのＳＴＬ形式ファイルは、例えば２進減算演算などのブール演算を行う適切なソフトウェアプログラムを用いて組み合わせ、金型部分の３次元表示からブラインドベントの３次元表示を差し引く。そのようなプログラムの例は、ベルギー，Ｌｅｕｖｅｎ，ＮＶ，Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅから市販されているＭａｇｉｃｓ  ＲＰソフトウェアである。望ましい補正又は変更は、例えばブラインドベントを必要としない領域からブラインドベントを除去するなど、得られる電気表示に対して行われても良い。
【００２９】
ファイルを組み合わせる工程によって、所望のブラインドベント合金を含む金型部分の３次元電気ファイルがもたらされる。この電気ファイルを２次元スライスで表示された金型部分を含む別の電気ファイルに変換するために、従来のスライシングプログラムが使用される。この電気ファイルの誤差を調べることにより任意の望ましい補正又は変更が行われても良く、その後前記ファイルは３ＤＰ加工装置で作動し、金型切片の印刷されたバージョンが作られる。そのような３ＤＰ加工装置の例は、ペンシルバニア州、Ｉｒｗｉｎ  １５６４２、Ｅｘｔｒｕｄｅ  Ｈｏｎｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＰｒｏＭｅｔａｌ（登録商標）Ｍｏｄｅｌ  ＲＴＳ  ３０ユニットである。
【００３０】
前段落において開示した固体自由成形製造装置によって利用可能な気体透過性金型部分の電気表示を発生させる方法は、そのような電気表示を作るための多くの方法の中のわずか１つにすぎない。使用される正確な方法は設計者の判断次第であり、金型部分の複雑さ及び大きさ、ブラインドベントの大きさ及び数、利用可能なコンピューター処理設備、及び電子ファイルを処理するために利用可能な計算時間などの因子に依存する。例えば、ある場合においては、気体透過性金型部分の３次元電気表示の一環としてブラインドベントを初期ＣＡＤファイル中に含むことは迅速に行われる場合がある。別の場合においては、ブラインドベント配列のＳＴＬファイルと金型部分のＳＴＬファイルとを組み合わせる前に、この２つのファイルを比較する工程を除去することが望ましい場合がある。
【００３１】
本発明はまた、気体透過性ＥＰＳビーズ金型部分及び蒸気室が単一構造である実施形態も含む。前記単一構造における前記気体透過性金型部分部分は開放多孔性を有し、更にその金型壁の気体透過性は、オープンベント又はブラインドベント、或いはそれら２つの組み合わせである１若しくはそれ以上の通気孔によって増大していてもよいが必ずしもその必要はない。前記単一構造の前記蒸気室部分は、ＥＰＳビーズ成形作業中に使用される気体の処理に対しては不浸透性である。
【００３２】
図４は、単一蒸気室／気体透過性金型部分構造１５０の断面を示している。単一構造１５０は、蒸気室部分１５２、及び気体透過性金型部分部分１５４を有する。前記蒸気室部分１５２は、凝固可能な液体で浸潤させた壁１５６を有しており、これによってＥＰＳビーズ成形処理期間に使用される気体に対して前記壁が不浸透性になる。前記蒸気室部分１５２は、蒸気室空洞部１６０に気体を導入する処理のため、更に前記空洞部から気体を除去する処理のために、気体導入口１５８を有する。前記蒸気室部分１５２はまた、成形処理中に気体透過性金型部分部分１５４を冷却するために使用され得る制御可能な水の噴出（図示せず）を挿入するための水導入口１６２を有する。支柱１６４は、蒸気室部分の外壁１５９と気体透過性金型部分部分の金型壁１７２の外面１６６との間に伸びている。前記支柱１６４によって、金型空洞部１６８への内部的な力及び前記空洞部からの外部への力の両方に対して、蒸気室部分１５２が金型壁１７２を強化することが可能となる。前記支柱１６４は、好ましくは強度を高めるために、壁１５６のように浸潤されている。
【００３３】
気体透過性金型部分部分１５４の金型壁１７２の辺縁１７０は、蒸気室部分１５２と交差する。辺縁１７０近辺の金型壁１７２は溶浸材１７４をある程度含むが（点々ない網掛けで示す）、全体的に金型壁１７２は開放多孔性１７６（点々で示す）を有する。好ましくは、金型壁１７２はまた、複数のブラインドベント１７８を有し、これらは外面１６６からら内部に広がり、前記開放多孔性１７６によって与えられる気体透過性を増大させる。金型壁１７２はまた、１若しくはそれ以上のオープンベント１８０を有して更なる気体透過性を提供するものであっても良い。しかしながら、オープンベント１８０は成形面１８２の連続性を中断するため、成形された造形品の表面に欠陥をもたらすため、オープンベント１８０はブラインドベント１７８よりは望ましいものではない。
【００３４】
本発明はまた、単一蒸気室／気体透過性金型部分構造を製造するための実施形態の方法を含む。これらの実施形態において、前記単一構造は、固体自由成形製造によって構築される。その後前記単一構造は焼結されることにより、使用するために必要なレベルまで気体透過性金型部分部分が強化される。その後、前記単一構造は、気体透過性金型部分部分は全体的に侵溶剤がないことを維持しながら、侵溶剤が蒸気室部分に浸潤するように、凝固可能な液体溶浸材の存在下で加熱される。その後、前記単一構造が冷却されることにより前記侵溶剤が固化する。表面をきれいにするために、又は前記単一構造の構築を別の方法で仕上げるために、光機械加工が使用される場合がある。
【００３５】
好ましい実施形態において、使用される前記粉末は、約−１４０米国メッシュ（１０６ミクロン）／＋３２５米国メッシュ（４５ミクロン）の範囲の粒子サイズを有する３１６ステンレス鋼又は４２０ステンレス鋼のいずれかが使用され、前記侵溶剤は青銅であり、より好ましくは約９０重量％の銅及び約１０重量％の錫を含む青銅である。しかしながら、前記粉末は、あらゆる適切な金属、セラミック、ポリマー、又は複合材料を含むものであって良い。好ましくは、前記粉末は、アルミニウム、チタニウム、ニッケル、又は鉄、或いはこれらの金属を１若しくはそれ以上含む合金の群から選択される金属である。前記侵溶剤は、好ましくは前記粉末を十分に湿潤させる融解金属又は金属合金であり、前記粉末の軟化点以下で液体であり、更にＥＰＳビーズ成形処理期間中に単一構造が到達することが予期される最高処理温度より高い室温で凝固するものである。
【００３６】
本発明の実施形態の一部のみを記載したが、本発明の請求項に記載された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に対して多くの変化及び変更が行われることは当業者には明らかである。本願明細書において参照した全ての米国特許及び米国特許明細書は、本願明細書に全て記述しているように、この参照により本願明細書に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
本発明の特徴及び利点の重要な点は、添付の図面を参照することによって、より理解される。しかしながら、これらの図面は図示する目的のためのみに設計されたものであって、本発明の限界を定義付けするものではないことが理解される。
【図１】図１は、先行技術であるＥＰＳビーズ金型システムの断面である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の好ましい実施形態に従った気体透過性金型の一部の上面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示した気体透過性金型の金型壁の断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の好ましい実施形態に従ったものである異なる幾何学的構造のブラインドベントを有する気体透過性金型の一部の上面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａにおける平面３Ｂ〜３Ｂに沿った気体透過性金型の金型壁の断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａにおける平面３Ｃ〜３Ｃに沿った気体透過性金型の金型壁の断面図である。
【図４】図４は、本発明の好ましい実施形態に従ったものである蒸気室の単一構造及び気体透過性金型部分の断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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