(57)【要約】【課題】金型、ダイ、及び関連した工具のほぼ全体形状をスプレー形成製造するためのシステムを提供する。【解決手段】本システムは、溶融金属、金属合金、又はポリマー等の液体材料を、高温高速のガスによって噴霧し、微細な液滴にし、パターン（３４）に付着する。噴霧されたインフライト液滴をチャンバ（５１）内の急冷ガスによって急冷することによってヒートシンクを提供し、これによって過冷却され且つ部分的に凝固された液滴をインフライト中に形成できる。噴霧された液滴を、粉体、ホイスカー、又はファイバ等の固体粒子と組み合わせることによって複合材料を形成できる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型、ダイ、及び関連した工具のほぼ全体形状をスプレー形成製造するためのシステムにおいて、
入口端、出口端、及び長さ方向軸線を備えた流路を持つノズル、
前記ノズル流路と流体連通した、金型を形成できる液体材料を収容した液体リザーバであって、前記液体は、加圧されたリザーバ内で加圧され、前記リザーバから、前記ノズル流路で終端する導管を通して、前記入口端と前記出口端との間に前記ノズル長さ方向軸線と近接して注入される、液体リザーバ、
高温の噴霧ガスを、高亜音速から超音速の範囲の流速で、前記ノズル流路を通して前記入口端から前記出口端まで流し、前記流路に注入された前記液体を噴霧して噴霧された液体からなるプルームにし、このプルームを、前記噴霧された液滴のインフライト冷却を制御するために温度及び組成が制御された急冷ガスを収容したチャンバに差し向けるための手段、及び
冷却された噴霧された液滴をパターンに差し向け且つ付着させ、金型を形成するための手段を含む、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記急冷ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴン、酸素、空気、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ノズル及び前記リザーバを独立して加熱するための手段を更に含む、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ノズルと前記パターンとの間の相対的移動を提供するための手段を更に含む、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、金型を形成できる複数の液体材料が前記ノズル流路に別々に注入される、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ノズル流路は、前記入口端と前記出口端との間に配置されたチョーク部分まで先細になっており、このチョーク部分と前記出口端との間で末広がりになっている、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記液体材料は前記ノズル流路に前記長さ方向軸線と近接して前記流路の前記入口端と前記チョーク部分との間に注入される、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記液体材料は、前記ノズル流路に前記長さ方向軸線と近接して前記流路の前記チョーク部分と前記出口端との間に注入される、システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記液体材料は溶融金属である、システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記液体材料は固体粒子を含む溶融金属である、システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記溶融金属は、錫、アルミニウム、亜鉛、及び銅からなる群から選択される、システム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記液体材料は溶融金属合金である、システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムにおいて、前記溶融金属合金は、鋼、青銅、及び真鍮からなる群から選択される、システム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記液体材料はポリマー溶液である、システム。
【請求項１５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記液体材料は固体粒子を含むポリマー溶液である、システム。
【請求項１６】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記液体材料を前記ノズル流路に注入するための前記手段は、前記液体リザーバを加圧することによって行われる、システム。
【請求項１７】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ノズル流路は直線状の横断面形状を有する、システム。
【請求項１８】
金型、ダイ、及び関連した工具のほぼ全体形状をスプレー形成製造するためのシステムにおいて、
入口端、出口端、及び長さ方向軸線を各々備えた流路を各々有する複数のノズル、
前記ノズル流路の各々と流体連通した、金型を形成できる液体材料を収容した液体リザーバであって、前記液体は、加圧されたリザーバ内で加圧され、前記リザーバから、前記ノズル流路で終端する導管を通して、前記入口端と前記出口端との間に前記ノズル長さ方向軸線と近接して注入される、液体リザーバ、
高温の噴霧ガスを、高亜音速から超音速の範囲の流速で、前記ノズル流路の各々を通して前記入口端から前記出口端まで流し、前記流路に注入された前記液体を噴霧して噴霧された液体からなるプルームにし、このプルームを、前記噴霧された液滴のインフライト冷却を制御するために温度及び組成が制御された急冷ガスを収容したチャンバに差し向けるための手段、及び
冷却された噴霧された液滴をパターンに差し向け且つ付着させ、金型を形成するための手段を含む、システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記ノズル及び前記リザーバを独立して加熱するための手段を更に含む、システム。
【請求項２０】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記ノズルと前記パターンとの間の相対的移動を提供するための手段を更に含む、システム。
【請求項２１】
請求項１８に記載のシステムにおいて、金型を形成できる複数の液体材料が前記ノズル流路に別々に注入される、システム。
【請求項２２】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記ノズル流路は、前記入口端と前記出口端との間に配置されたチョーク部分まで先細になっており、前記チョーク部分と前記出口端との間で末広がりになっている、システム。
【請求項２３】
請求項２２に記載のシステムにおいて、前記液体材料は前記ノズル流路に前記長さ方向軸線と近接して前記流路の前記入口端と前記チョーク部分との間に注入される、システム。
【請求項２４】
請求項２２に記載のシステムにおいて、前記液体材料は、前記ノズル流路に前記長さ方向軸線と近接して前記流路の前記チョーク部分と前記出口端との間に注入される、システム。
【請求項２５】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記液体材料は溶融金属である、システム。
【請求項２６】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記液体材料は固体粒子を含む溶融金属である、システム。
【請求項２７】
請求項２６に記載のシステムにおいて、前記溶融金属は、錫、アルミニウム、亜鉛、及び銅からなる群から選択される、システム。
【請求項２８】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記液体材料は溶融金属合金である、システム。
【請求項２９】
請求項２８に記載のシステムにおいて、前記溶融金属合金は、鋼、青銅、及び真鍮からなる群から選択される、システム。
【請求項３０】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記液体材料はポリマー溶液である、システム。
【請求項３１】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記液体材料は固体粒子を含むポリマー溶液である、システム。
【請求項３２】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記液体材料を前記ノズル流路の各々に注入するための前記手段は、前記液体リザーバを加圧することによって行われる、システム。
【請求項３３】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記ノズル流路は直線状の横断面形状を有する、システム。
【請求項３４】
金型、ダイ、及び関連した工具のほぼ全体形状をスプレー形成製造するためのシステムにおいて、
入口端、出口端、及び長さ方向軸線を備えた流路を持つノズル、
前記ノズル流路と別々に流体連通した複数のリザーバであって、これらのリザーバのうちの少なくとも一つのリザーバが、金型を形成できる液体材料を収容しており、前記液体は、加圧されたリザーバ内で加圧され、前記リザーバから、前記ノズル流路で終端する導管を通して、前記入口端と前記出口端との間に前記ノズル長さ方向軸線と近接して注入される、液体リザーバ、
高温の噴霧ガスを、高亜音速から超音速の範囲の流速で、前記ノズル流路を通して前記入口端から前記出口端まで流し、前記流路に注入された前記液体を噴霧して噴霧された液体からなるプルームにし、このプルームを、前記噴霧された液滴のインフライト冷却を制御するために温度及び組成が制御された急冷ガスを収容したチャンバに差し向けるための手段、及び
冷却された噴霧された液滴をパターンに差し向け且つ付着させ、金型を形成するための手段を含む、システム。
【請求項３５】
請求項３４に記載のシステムにおいて、前記複数のリザーバのうちの少なくとも一つのリザーバは固体粒子を収容し、これらの固体粒子は前記ノズル流路に前記入口端と前記出口端との間に前記流路長さ方向軸線と近接して注入され、前記注入された固体粒子は、これによって、注入された液体材料と混合し、パターン上に共付着して金型を形成する、システム。
【請求項３６】
請求項３５に記載のシステムにおいて、前記固体粒子はエーロゾルに同伴され、前記流路に注入される、システム。
【請求項３７】
請求項３４に記載のシステムにおいて、前記複数のリザーバは、金型を集合的に形成できる本質的に異なる液体材料を収容する、システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は、２０００年６月１２日に出願された米国特許出願第０９／５９２，００３号の優先権を主張する
本発明は、ダイ及び金型を製造するための方法に関し、更に詳細には、ダイ、金型、及び関連した工具を製造するため、噴霧された溶融状態の液滴をパターン上に付着させて急速に凝固するための少なくとも一つの形成プロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
急速原型製作技術における最近の関心の拡がりが、今日の市場の再構築によって促進されている。グローバルな市場における競争で成功を収めるためには、設計概念を、従来よりも安価な費用で、原型製作段階から製造段階に迅速に移すことができることを必要とする。現在、寸法精度が高い原型部品のプラスチック又は鑞でできたモデルを選択的レーザー焼結、立体リトグラフィー、及び他の方法で製造できることが現実となっている。原型部品を工学的材料（即ち実際に使用される材料）から急速に製造することが当該産業の主な目的である。金型やダイ等の特別の工具を急速に製造できる方法が、射出成形、ブロー成形、圧縮成形、打ち抜き、及びダイキャスト等の従来の製造技術とともに使用した場合にこの目的を達成する。
【０００３】
現在、従来の機械加工方法によって製造した複雑な金型、ダイ、及び関連した工具は高価であり、製造に時間がかかる。費用は数千ドルを優に越え、製造には、寸法精度が高く且つ公差が数ミル又はそれ以下の金型を製造する数カ月に及ぶ労力を必要とする。
【０００４】
従来の機械加工方法には様々な欠点があるため、ダイを製造するための熱スプレー形成プロセスが開発された。このプロセスにより、石膏又は金属鋳造体上の金属層付着物を使用してダイシェルを形成する。ワイヤ又は粉体の供給原料を使用するこれらの従来のプロセスは、現在、毎秒約１５ｇの最大スプレー速度に制限されている。従来の熱スプレープロセスは、質量中央値直径がほぼ１００μｍ程度の大きさであり、液滴の大きさの分布が比較的広い、比較的大きな液滴を発生する。液滴の大きさが大きく、付着速度が低く、及び従来のスプレープロセスと関連した熱含量により、付着した液滴の凝固が比較的に劣悪な微小構造、劣悪な機械的特性、多孔質付着物、及び限られた材料選択をもたらす。低炭素鋼、表面硬化鋼、及びステンレス鋼を含む最も高強度の金属は融点が高く、そのため、従来のスプレー技術を使用しようとする場合、パターンに使用される材料の選択が制限され、又はパターンを高温の金属から保護するためにパターンに保護コーティングを設けることを必要とする。更に、従来の熱スプレー技術は、比較的高価な金属粉体又はワイヤの形態の供給原料を必要とし、材料の選択を制限する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、噴霧された液滴の飛行中冷却即ちインフライト冷却を制御することによって、パターン上に付着させた液滴の温度及び凝固を制御することによって、金型、ダイ、及び関連した工具を製造するための改良スプレー形成システムを提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、噴霧された液滴が通過するチャンバ内に収容された急冷ガスの温度及び組成を制御することによって、金型、ダイ、及び関連した工具を製造するための即ち形成システムを提供することである。
【０００７】
本発明のこの他の目的、利点、及び新規な特徴は、本の以下の説明を検討し且つ実施することによって当業者に明らかになるであろう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の及び他の目的を達成するため、本発明のスプレー形成システムは、優れたパターン表面仕上げを備えた全形金型（ｎｅｔ　ｓｈａｐｅ　ｍｏｌｄ）、ダイ、及び他の工具を、液滴の大きさ、速度、熱含量、フラックス、及び流れパターンの付着状態を制御することによって製造するための方法を提供する。スプレー形成した金型、ダイ、又は他の工具の品質は、スプレーの上述の特性（例えば、液滴の大きさ、速度、液体画分等）と基材の特性（例えば、表面仕上げ及び滑らかさ、温度、温度拡散率、及び熱伝導率）との相互作用を反映するということもまた理解されよう。スプレー形成用のパターンとして使用する上でポリマーが理想的である。これは、ポリマーの熱伝導率が非常に低く、優れた表面仕上げを備えた複雑な形状に形成できるためである。しかしながら、ポリマーは、それらの最大使用温度がセラミックス等の多くの他のパターン材料よりも低いということにより、制限される。来入金属液滴は長時間に亘って流体のままであるため、これらの液滴を互いに融着でき、パターンの表面を良好に複製できる。これらの条件は、スプレーされた液滴の相対的熱物理的特性、例えば表面張力、密度、及び粘度、及び噴霧された液滴の熱含量及び固体画分で決まる。付着物の初期層を形成する液滴の形態は、制御された方法でパターンの表面と一致しなければならず、急速に凝固する。固体画分が低い高度に過冷却された小さな液滴は、両基準を満たすことができ、本発明の技術によって製造できる。これらの液滴の高い付着速度は、高度に稠密な付着物を形成するのを補助する。
【０００９】
本願のスプレー形成技術によれば、高温高速のガスが流れるノズル内に液体を供給し又は吸引するシステムが提供される。液体は、液体形態の任意の材料であってもよいが、しかしながら、液体は、好ましくは、溶融状態の金属又は金属合金、又は溶液の形態の又は溶融状態のポリマーである。ガスが液体を噴霧して微細な液滴にし、次いで、これらの液滴が、複製されるべきパターンに向かって差し向けられる。噴霧された液滴は全体に球形であり且つ大きさが均等であり、代表的には５０μｍ以下である。噴霧された液滴が小さく且つ大きさが均等であるため、パターンを良好に複製できる。これは、例えば、付着物及びパターンの表面粗さが同様であることにより確かめられる。パターンに伝達される熱量は、スプレー内での及びパターンでの高い対流冷却のため、溶融金属開始材料よりも遙に低い。噴霧された液滴はパターンに向かう飛行中に急速に急冷される。これは、スプレージェットによって同伴されたスプレーチャンバ内の比較的低温のガスへの対流熱伝達によって行われる。同伴は、噴霧された液滴に対してヒートシンクを提供し、これによって過冷却の部分的に凝固した液滴を飛行中に形成できる。飛行中の噴霧された液滴を急速に急冷するため、温度及び組成が制御された急冷ガスを通してスプレープルームを差し向けることができる。噴霧された液滴の急冷速度を更に高めるため、急冷ガスは、スプレージェットと接触したときにガスになる最初は極低温の液体の形態であってもよい。急冷ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴン、酸素又は空気、又はこれらのガスの任意の組み合わせであってもよい。
【００１０】
スプレー形成された付着物の分析によれば、付着させた材料がほぼ理論的密度であり、優れた機械的特性を備えているということが示された。本システムは、噴霧された液滴と相互に混合された固体粒子を含むエーロゾルをスプレーできる。粒子を噴霧された液滴とともにスプレーすることによって、複合金型が形成される。形成された複合金型は、金属又はポリマーのマトリックス複合材料である。
【００１１】
本発明の別の実施例では一種類以上の液体材料をスプレーできる。これは、ノズルに一つ以上の制御された供給を行うことによって、又は別の態様では、一つ以上のノズルを設けることによって行われる。別々の液体の各々を噴霧し、パターン上に共付着し、機能的に傾斜した付着物及び／又はクラッド付着物を形成する。
【００１２】
本発明を添付図面に例示する
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、幾つかの図面に亘って同じエレメントに同じ参照番号を付した添付図面を参照し、本発明の好ましい実施例を説明する。図１は、本発明のスプレー形成装置１０を示す。この装置１０は、ガス入口部分１４を持つスプレーノズル１２を有する。ガス入口部分１４は、チョーク部分１６まで先細になり、次いで出口部分１８まで外方に末広がりになっている。好ましくは、ノズルは、先細形状（即ち、ノズル流路がその入口端からノズルの出口端に配置されたチョーク部分まで先細になった形状）又は先細／末広がり（ド　ラヴァル）形状を持つ直線状ノズル（即ち、垂直対称平面がノズルの中心をその長さに沿って通るノズル）であるか或いは、アルヴァレツ等に付与された米国特許第４，９１９，８５３号の方法に従って設計されている。ガス、スプレーされた液体、及びノズルの温度が独立して制御される。抵抗加熱、誘導加熱、電子衝撃加熱等の従来の加熱方法を適用できる。ノズルに進入するガスの温度は、ノズルに連結されたガスヒーター２０によって制御される。好ましくは、ノズルに進入する噴霧ガスの温度は、２０℃乃至２０００℃である。スプレーされた材料が噴霧前に凝固しないようにノズル温度を十分高い温度に維持することが重要である。従って、ノズル１２用の加熱エレメント２１が設けられる。
【００１４】
液体がノズルのチョーク部分の近くで液体リザーバ２４から供給され又は吸引されるように、供給アッセンブリ２２が位置決めされている。しかしながら、本発明の変形例では、液体は、チョーク部分の近く以外の位置で流路の長さ方向軸線と近接して終端する導管３８を通して圧力供給され、又は吸引される。例えば液体は、流路入口とチョーク部分との間又はチョーク部分と流路出口端との間に供給できる。
【００１５】
リザーバ内の不活性雰囲気は、ガス入口２６を通して提供できる。ガス入口は、リザーバ内に正圧を提供するのにも使用される。不活性雰囲気は、雰囲気の汚染による有害作用を制限する。加圧液体供給を提供することによって、ノズルを通る高い噴霧ガス圧力を使用でき、液体材料の更に大きな押出量が可能である。加圧液体供給を使用することの別の大きな利点は、作動特性（即ち温度、速度、液滴の大きさ分布）を従来の技術よりも良好に制御できるということである。
【００１６】
液体材料が適正な温度に制御された状態を維持するため、リザーバを加熱エレメント２５で加熱する。熱電対２８がリザーバ内の液体材料の温度を計測する。リザーバからノズルへの液体の流れは、ストッパロッド３０を使用することによって制御される。このストッパロッドの位置も、液体供給速度の部分的制御を提供する。リザーバからの液体の流れは、更に、ノズルガス流量（ノズル圧力）によって制御される。
【００１７】
好ましくは、使用されたガスは、スプレーされた材料と適合性であり、一般的には、スプレーされる液体と反応しない、又はスプレー装置と反応しないアルゴン、窒素、ヘリウム、空気、酸素、及びネオン等のガスを含む。しかしながら、場合によっては、スプレーされた材料の特性を改善するようにスプレーされた材料と所定の態様で反応する噴霧ガスを使用するのが望ましい。例えば、低炭素鋼のアルミニウム合金を窒素ガスで噴霧すると、鋼の微小構造を優れたものにする粒界ピン止め箇所として作用するアルミニウムナイトライド微粒子を形成する。液体は、高温のガスを高亜音速から超音速の範囲の流速で搬送するノズルに一つ又はそれ以上のオリフィスを通して供給され又はノズル内に吸引される。好ましくは、使用されるガスの量を最少にして十分に噴霧が行われる流速が使用される。更に、好ましくは、流路入口での噴霧ガスの圧力は、１００ｋＰａ乃至７００ｋＰａの範囲内にある。ガスは液体をばらばらにし即ち分解し、結果的に発生した液滴を高度に指向性の二相（又は多相）流をなして同伴する。ガスによる噴霧中、液体を凝集する表面張力に打ち勝つ空力学的力の作用によって液滴をばらばらにし、比較的微細な液滴にする。液体の粘度及び密度もまた、噴霧挙動に影響を及ぼすが、代表的には、二次的な役割を果たすに過ぎない。粘度は、液体とガスとの間の界面接触領域の量に影響を及ぼすことによって、噴霧の程度及びスプレーパターンの両方に影響を及ぼす。粘性の液体は、形状の変化を低粘度の液体よりも効率的に抑え、そのため、流れ条件の所与の組について、均等なスプレージェットを発生するのが比較的困難である。液体の密度は、液体がガスからの運動量の移行にどのように応答するのかに影響を及ぼす。軽量の液体はガスジェット中で更に迅速に加速する。比較的低速で噴霧が行われるため、分解効率が低下する。
【００１８】
噴霧された液滴はパターン３４に差し向けられ、急速に冷却した噴霧された材料の付着物がパターン上に形成される。パターン３４とスプレー形成装置１０との間の相対移動のための手段（例えば、図５のパターンマニピュレータ３５）が設けられていてもよい。本願のスプレー形成装置を使用することにより、パターン材料を広範に選択できる。例えば、パターンは、ガラス、粘土、鑞、ポリマー、木材、金属、セラミックス、紙等の材料から形成できる。成形が容易であり、滑らかな表面仕上げを提供し、スプレーの温度に破損せずに耐えることができる材料が本発明で特に有用である。これは、本発明のシステムに従ってスプレーされた液滴の大きさが微細であり揃っており、パターンの表面の細部に亘る詳細及び表面粗さを複製できるためである。立体リトグラフィー、選択的レーザー焼結、溶融付着モデリング、積層体製造法、等の急速原型制作法（固体を用いない成形品加工法）が非常に有用である。これは、これらの方法によりパターンを急速に製造できるためである。これらの方法で現在使用されている材料を、錫を基材とした合金や亜鉛を基材とした合金等の低融点合金で使用するための工具パターンとして直接使用でき、又は工具鋼等の高融点合金で使用するためのセラミックや石膏でできた工具パターンを製造するのに使用できる。
【００１９】
本願のスプレー形成技術によってスプレーできる材料には、純粋な溶融金属（例えばアルミニウム、亜鉛、又は銅等）、錫合金、アルミニウム合金、亜鉛合金、銅合金、鋼、青銅、真鍮、ステンレス鋼、工具鋼、等を含む金属合金が含まれる。
【００２０】
液体金属は、メタノール、水、及びアセトン等の一般的な液体と比べると、粘度がかなり高く、高密度であり、及び表面張力が非常に高いことを特徴とする。これらの特性及び固有の高温必要条件により、液体金属の噴霧は、大部分の液体よりも遙に困難である。そのため、液体金属スプレー形成ノズルは、ガスから金属に運動エネルギを十分に伝達して良好なガス／金属連結を提供するように設計される必要がある。本発明の方法で使用する直線状ドラヴァル（ｄｅ　Ｌａｖａｌ）ノズルでは、液体金属は流路に小さな軸線方向速度で進入する。液体金属は、そこで、高速高温の不活性ガスと接触する。液体金属をその分解中に亘って液体状態に維持するのを補助するため、並びにガス流路に進入するときに液体金属が凝固しないようにするのを補助するため、高温のガスが使用される。最初、比較的大きな液滴又はシートが形成され、次いで、局部的流れパターン、流速、装填質量、ガス及び液体金属の物理的特性で決まる様々な機構による二次的噴霧が加えられる。
【００２１】
高速の流れ内での液滴の分解の力学は極めて複雑である。歴史的には、ウェーバー数（Ｗｅ）が分解傾向の有用な予測値であった。ウェーバー数は、表面張力に対する慣性力の比であり、以下の等式によって表される。
【００２２】
【式１】
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【００２３】
ここで、ρはガスの密度であり、Ｖは流れ場と液滴との間の初期相対速度であり、Ｄは液滴の初期直径であり、σは液滴の表面張力である。液滴は、ウェーバー数が臨界値を越えるまで分解しない。ノズルを出るとき、二相（又は多相）流は比較的低温の周囲ガスを同伴する。本発明で使用できる周囲ガスの例には、窒素、アルゴン、空気、酸素、及びその任意の組み合わせが含まれる。これは、噴霧された液滴に対してヒートシンクを提供し、過冷却状態、液状、固体状、半固体状の液滴母集団を発生する。本願に亘って使用されているように、「過冷却状態」という用語は、転移を実際に生ぜずに平衡相転移が起こる温度以下に冷却することと理解される。噴霧された液滴で過冷却が起こると、核生成現象が延期され、これは液滴の大きさが減少し冷却速度が上昇するに従って高まる。幾つかの箇所で、全ての核生成場所からの転移潜熱の遊離による液滴中の熱解放速度は、環境への熱伝達速度よりも大きく、液滴の温度が上昇する。一つ以上の金属、セラミック、又はポリマーを共付着（ｃｏｄｅｐｏｓｉｔｅ）するのに、多数のノズル、又は単一のノズルに設けた多数の供給ポートを使用できる。
【００２４】
図２に示すように、粒子強化金属又はポリマーマトリックス複合材料をスプレー形成する場合、固体粒子２３を含有するエーロゾルを供給ライン２７を通してノズルに供給し、溶融金属又はポリマーとともにスプレーすることもできる。例えば、炭化珪素粒子又はファイバで強化したアルミニウム等の金属マトリックス複合材料を本発明の技術によってスプレー形成できる。第２供給ポートを使用し、セラミック材料を導入できる。強化相を溶融金属の進入位置の上流でエーロゾルの形態でノズルに供給する。粒子は、ノズルに室温で又は室温近くの温度で進入するが、噴霧ガスによって所望温度まで急速に加熱される。液化温度以上に加熱した液体金属をノズルに吸引し又は圧力供給し、噴霧し、強化相と共付着する。ガス及び液体金属の温度を制御することにより、マトリックス／粒子湿潤−界面反応の程度を制御できる。基材への多相流の走行時間は千分の一秒の単位であり、液滴冷却速度は１０３ Ｋ／秒以上である。基材マトリックスに衝突したとき、凝固速度が早いことが期待され、ゆっくりと冷却した鋳造複合材料で観察されることが多い巨視的解離効果を大幅に制限する。従って、この方法は、多くの粒子強化金属マトリックス複合材料製造方法で経験する二つの大きな問題、即ちマトリックス／粒子界面反応及び湿潤の制御の問題、及びマトリックスと強化相との間の密度差によって生じる不均等な混合の問題をなくす。金属及びセラミックの幾つかの組み合わせについて、セラミック粒子を坩堝に加え、同じ供給ポートを通してノズルに供給できる。この方法は、金属及びセラミックが極端な方法で反応しないことを必要とし、金属及びセラミックの密度差のため、セラミックが溶融体に均等に分配された状態を維持するために溶融金属を強力に攪拌することを必要とする。
【００２５】
溶融状態の又は過疎化したポリマーを供給することによって、ノズルにエーロゾルの形態で供給されたポリマー粉体を飛行中（ｉｎ−ｆｌｉｇｈｔ）溶融即ちインフライト溶融することによって、又は更に代表的にはポリマーを適当な溶剤に溶解して溶液をスプレーすることによって、ポリマーを本発明を使用してスプレーできる。高温のガスは、噴霧された液滴からの溶剤の飛行中蒸発を容易にし、溶剤の残りを所定パターンで蒸発する。金属と同様に、ポリマーをセラミックと共付着してポリマーマトリックス複合材料を形成できる。
【００２６】
ノズル／供給アッセンブリは、大きさの分布幅が狭い非常に微細な液滴のスプレーを発生するように設計されている。これらの条件は、液滴の温度、慣性、及び流れパターン並びに結果的に得られた液滴の巨視的構造を制御する上で最大の融通性を提供する。図３は、本発明の変形例を示す。この実施例は、液体オリフィス（即ちノズル流路に進入する前に液体が流れるオリフィス）がノズルの末広がり区分にノズルの出口近くに配置されている点で、図１に示す装置と異なる。これとは対照的に、図１では、オリフィスはノズルのスロートの上流に配置されている。図１及び図３に示す装置では、液体は、ガスの速度が一般的に最高であるノズル流路の長さ方向軸線の近くで終端するチューブ３８を通って流路に進入する。これにより、液体を噴霧する上での動圧が最大になり、多くの場合、最も微細な噴霧液滴を提供する。更に、流路の長さ方向軸線の近くで液体を供給することによって、本発明は、噴霧された液滴が流路の側壁で凝集するという従来のスプレー形成技術の欠点をなくす。液滴が流路の側壁に凝集すると、更に大径の液滴がパターンに向かって差し向けられることとなる。この状況を更に改善するため、本発明の変形例では、流路出口の近くで液体を流路に供給する。スプレーノズルは、液体オリフィスが流路の長さに沿った様々な位置に、及びノズルの流路内の様々な位置に配置されるように設計され、形成され、作動される。更に、ノズルは、単一のスリット形状液体オリフィス又はノズルの幅に亘る一組のチューブを使用するように設計され形成され、及び作動される。従って、図１及び図２は、二つの例として提供されたものであって、技術範囲を限定するものではない。
【００２７】
パターンに当たる前の噴霧された液滴の飛行中冷却の程度は、液滴の加熱、液滴の大きさ、噴霧ガス温度、噴霧ガスの熱伝導率及び温度拡散率、ノズル−パターン距離、急冷ガス（即ち、ノズルの外側でスプレープルームに同伴されるガス）の温度特性及び熱特性、及び他のファクタで決まる。図４は、ノズルを出た後のガスジェットの冷却に急冷ガスが及ぼす影響を示すグラフである。図４に示すデータは、高温（約５００℃）のアルゴンガスを１３７ｋＰａ（２０ｐｓｉａ）乃至１６５ｋＰａ（２４ｐｓｉａ）の範囲の様々なノズル入口圧力でスプレーノズルを通して流すことによって得られる。ノズルを出た後のガスジェットの温度をノズルの出口平面からの距離に対してプロットした。室温のアルゴンガスがジェットに同伴され、ジェットのガスの温度をノズルからの距離が増大するにつれて低下する。この冷却効果は、噴霧された液滴を冷却するためのヒートシンクを提供し、これによって、過冷却の部分的に凝固した液滴を空中で形成できる。図４のＡ、Ｂ、及びＣは、形状についてのパラメータ（図４）、及び図４の曲線を描くのに使用された経験的に得られたデータ（図４のＢ及びＣ）を示す。７個の熱電対（ＴＣ＃１乃至ＴＣ＃７）が、ガスジェット内に、ノズルの出口の下流で、図４のＢに示す距離で間隔が隔てられている。
【００２８】
図５は、ノズルチャンバ５０及びスプレーチャンバ５１内に収容された本発明のノズルアッセンブリを示す。スプレーチャンバ内では、噴霧された液滴がパターンに向かって差し向けられる。本発明は、スプレーチャンバ５１内に収容された急冷ガスの温度、圧力、及び組成を制御することによって、噴霧された液滴の冷却速度を、液滴がパターンに衝突する前に精密に制御できる。低温の急冷ガスは、液滴を急速に冷却するが、予熱した急冷ガスは液滴の冷却速度を低下する。急冷ガスには、スプレープルームを急冷するために液化窒素タンクから直接注入された極低温のガスが含まれる。他の実施例では、極低温に冷却されたヘリウムガスを急冷ガスとして使用する。別の態様では、室温の又は５００℃以下に加熱した不活性ガス（例えばアルゴン、ヘリウム、等）を急冷ガスとして使用する。更に、スプレーチャンバ５１には観察用窓４０及び破裂ディスク４４が設けられている。噴霧された液滴が付着するパターンの温度を制御するため、パターン誘導炉が設けられていてもよい。
【００２９】
本発明を良好に理解するため、スプレー形成技術を例示する以下の例を提供する。
実験的研究
スロートの横幅が１７ｍｍのベンチスケールのノズルを、代表的には、約１のガス−金属質量比（工具鋼について）で作動すると、ノズルスロート幅１ｍ当たり約４Ｋｇ／ｓの金属押出量が得られる。
【００３０】
一つの研究では、複雑な形状を持つセラミックパターン上にＰ−２０工具鋼をスプレー形成することにより、５Ｋｇの重さの金属製金型が約３分間で製造された。パターンの微細な引っ掻き傷を含む表面特徴が良好に複製された。金型の機械的特性（強度、硬度、当）は、強制的に予備硬化させた商業的材料を機械加工することによって形成された金型に匹敵し、この金型は、匹敵する数のプラスチック製射出成形部品を製造することがわかった。
【００３１】
スロートの横幅が１７ｍｍのベンチスケールのノズルを、代表的には、約１０のガス−金属質量比（錫について）で作動すると、ノズルスロート幅１ｍ当たり約５００ｇ／ｓの金属押出量が得られる。
【００３２】
一つの研究では、複雑な形状を持つ低密度ポリエチレンパターン上に錫をスプレー形成することにより、２５０ｇの重さの金属製金型が約５分間で製造された。リザーバ内の溶融金属の温度が、パターンの融点（〜１００℃）を大幅に越える３００℃であるにも拘わらず、パターンは損傷しなかった。パターンの微細な引っ掻き傷を含む表面特徴が良好に複製された。付着物／パターン界面での金型の表面は鏡面をなし、山−谷表面粗さが約２６ｎｍ以下であることを示す。ポリ（メチルメタクリレート）、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、及びポリスチレンを含む様々な他のプラスチックでできたパターンもまた、ポリイミド及びポリエーテルイミド等の最新の高温ポリマーが備えているような良好な結果をもたらす。
【００３３】
この実験研究で観察される付着させた列理構造は等軸（ｅｑｕｉａｘｅｄ）であり、微小な列理の大きさの範囲が非常に狭く（〜６乃至１５μｍ）、従来の成形品で見られる大きな列理よりも遙に微細である。アルキメデスの原理を使用した水の押し退け量によって計測した付着密度は、代表的には、スプレー条件に応じて、理論値の８８％乃至９７％の範囲内にある。
【００３４】
付着物の製造に使用される溶融金属を非常に微細に噴霧する。非凝集粉体を収集し、３００μｍ、２５０μｍ、２１０μｍ、１５０μｍ、１２５μｍ、９０μｍ、７５μｍ、６３μｍ、５３μｍ、３８μｍ、２５μｍ、１８μｍ、１５μｍ、１０μｍ、及び５μｍの微細なメッシュスクリーンを通して湿式又は乾式の篩分けで分析する。１２５μｍよりも大きい粒子はほとんど観察されなかった。図６は、粉体の大きさに対する計数値頻度分布（ｃｏｕｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を与えるヒストグラムプロットである。このプロットは、粉体粒子の約８５％の直径が５μｍ以下であるということを示す。平均粒径は、４μｍであると計算される。図７は、同じ錫粉体試料についての粉体の大きさに対する質量頻度と関連したヒストグラムプロットを示す。このプロットでも、篩の大きさ範囲について正規化してある。図６と比較すると、この分布は、質量が比較的大きな粒子が比較的少数であるということによって与えられた質量計量ファクタ（これは、ｄ３ であり、ｄは粉体粒子の直径である）の重要性を反映する。粉体の質量中央値直径、容積平均値直径、及びソーター（Ｓａｕｔｅｒ）平均値直径は、２３μｍ、３１．３μｍ、及び２３．３μｍである。形状の標準分布は１．５であり、これは、スプレープルームでの液滴の大きさの分布が狭いということを意味する。ＳＥＭ分析は、ほぼ全ての粒子が球形であったということを示す。同様のスプレー条件を使用し、半球形錫シェルをスプレー形成する。これには、膨張させた部分バルーンをパターンとして、バルーンを破裂させることなく使用する。
【００３５】
別の例として、アルミニウムを３％、銅を１１％、そして残りが亜鉛である公称組成のＧＭＲ３１１形成ダイ（カークサイト（Ｋｉｒｋｓｉｔｅ））合金を、ポリ（メチルメタクリレート）（即ちルーサイト（ルーサイト（Ｌｕｃｉｔｅ）は登録商標である）及びプレキシグラス（プレキシグラス（Ｐｌｅｘｉｇｌａｓｓ）は登録商標である））パターンを使用して複雑な形状にスプレー形成する。合金を６００℃まで加熱し、融点が約８０℃のパターン上に付着させ、パターンの表面特徴を極めて良好に複製した自立金型を、パターンを損傷することなく形成する。低温のヘリウム及び窒素、並びに室温のアルゴンが急冷ガスとして使用されてきた。スプレー−形成金型は重量が約７００ｇであり、約１０分間以内に形成される。更に、この材料でできた複雑な金型が、子供の砂場用玩具等の低密度ポリエチレンパターンを使用してスプレー形成されてきた。更に、亜鉛を基材としたダイキャスティング合金である合金３（亜鉛、及びアルミニウム４％）をスプレー形成し、低密度ポリエチレンパターンを使用して自立金型を形成してきた。
【００３６】
優れた表面特徴を備えており且つ形状が良好に複製された自立工具を本発明の装置及び方法を使用して製造するため、他の高融点合金のスプレー形成が良好に行われてきた。付着させた低炭素鋼（ＳＡＥ１００８）試料の切片の付着状態の顕微鏡写真は、列理構造が、平均粒径が１６μｍの近等軸（ｎｅａｒ−ｅｑｕｉａｘｅｄ）フェライトであるということを示す。この高度に精密な付着時粒径は、商業的低炭素鋼ホットバンド（ｈｏｔ　ｂａｎｄ）に見られるのと同様である。スプレーノズルは、ノズル入口のところで計測して２０６ｋＰａ（３０ｐｓｉａ）の絶対静圧で作動する。単相流れ条件では、小型のピトー管プローブを使用してガス流場をマップアウト（ｍａｐｐｅｄ　ｏｕｔ）する。結果によれば、この駆動圧力により発生した超音速流状態では、衝撃波面が金属供給位置近くの末広がり区分に置かれるということが示される。ガス−金属質量比は、代表的には約１０である。ガス及び液滴の温度はノズルを出た後に急速に低下する。これは、スプレープルームが低温のアルゴンを同伴するためである。ガス及び液滴の速度は、ノズルを出た後に低下し、大きな液滴は、それらの慣性のため、抗力の効果に対する応答が低い。鋼を約１６００℃まで誘導加熱し、約１０００℃まで加熱したアルゴン又は他の不活性ガスを使用して噴霧する。アルキメデスの原理を使用した水の押し退け量によって計測した付着時密度は、理論的密度の８８％乃至９７％の範囲内にあり、代表的には９６％である。
【００３７】
本発明のシステムによって製造した切片にしたアルミニウム合金６０６１工具の局限引張強度は、１６６ＭＰａ（２４ｋｓｉ）であると計測される。これは、精錬され且つ焼鈍された商業的材料の局限引張強度を約３３％向上する。この強度の向上は、恐らくは、列理構造の改良による。この材料は、ノズルの出口から約７．８７ｃｍのところに置いた普通のガラスを含む様々なパターン材料に良好に付着された。アルゴンガスを噴霧ガスとして使用し、急冷ガスを室温に又は略室温に維持した。金属質量押出量は、代表的には、ノズルスロート幅１ｍ当たり１８５ｇ／ｓであった。液体金属をその液化温度よりも約１００℃高い温度まで加熱し、噴霧ガスを約７００℃まで加熱する。スプレーノズルは、ノズル入口で計測して約２０６ｋＰａ（３０ｐｓｉａ）の絶対圧力で作動される。
【００３８】
本発明のシステムを使用して製造された切片にされた粒子強化金属マトリックス複合材料工具のエッチングが施されていない研磨された顕微鏡写真は、アルミニウム合金６０６１マトリックスに埋め込まれた炭化珪素粒子が均等に分配されていることを示す。様々なスプレー形成実験についてマトリックスの酸溶解によって決定された粒子の体積分率は４％乃至１５％である。これよりも高い又は低い体積分率が可能である。上文中に記載したのと同様のマトリックススプレー条件を使用して複合材料を製造した。Ａｒ／ＳｉＣエーロゾルを液体アルミニウムの進入位置の上流でノズルに注入することによって、〜１３μｍのＳｉＣ粒子をマトリックス材料と共付着させた。粒子は、室温で又は略室温でノズルに進入するが、噴霧ガスによって所望温度まで急速に加熱される。金属相と粒子相を独立して温度制御することにより、マトリックス／粒子湿潤反応及び界面反応を自在に制御できる。
【００３９】
線状ポリフォスファゼンポリマー（ポリ〔ビス（フェノキシ）フォスファゼン〕（ＰＰＯＰ））付着物を本発明のシステムを使用して形成した。テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に溶解した線状ＰＰＯＰの噴霧された液滴をガラス又は他の材料でできたパターンに付着させることによってポリマー付着物を形成した。スプレーは、商業的窒化硼素ロッドから機械加工によって形成された直線状先細−末広がり（ド　ラヴァル）形状ノズルを使用して発生された。ＴＨＦに溶解させた線状ＰＰＯＰの７％（重量％）溶液をスプレーした。ポリマーの重量平均分子量は、ゲル透過クロマトグラフィーによって約７５００００ａｍｕであると計測された。ポリマーの重量平均分子量が１００００００ａｍｕを越える５％溶液及び３％溶液もまたスプレーされるが、上掲のもの程良好な結果は得られない。溶液を〜４５℃まで加熱してその粘度を低下させ、１３７ｋＰａ（２０ｐｓｉａ）の静圧で作動するノズルのタンデッシュに注入する。ノズルの幅に亘って設けられた６個の小さなオリフィスを通して溶液を吸引した。溶液の押出量は、ノズルのスロート幅１ｍ当たり約０．４ｋｇ／秒であた。対応するガス−ポリマー溶液質量比は約４であった。溶液を剪断し且つ噴霧することにより非常に微細な液滴にし、これをガス流によって同伴し、移動するパターンまで輸送する。溶液分子は、噴霧された粒子からこれらの粒子の飛行中に除去され、溶剤の残りは基材のところで蒸発される。噴霧ガス温度は、溶剤の蒸発速度を調節するための従来の装置で行われるけれども、ＴＨＦの平衡蒸気圧（２０℃で１９５．９８ｍｂ（１４７トール））が溶剤の蒸発を容易にできるのに十分高いため、室温のアルゴンが使用される。基材に衝突したとき、残留溶剤が除去される際に隣接した液滴内の個々のポリマー分子が絡み合う。結果的に得られたポリマー付着物は、密着しており且つ均等であるように見える。付着物のＳＥＭ分析により、付着物は付着物／パターン界面のところで鏡面をなしている（即ち、光を反射し、パターン上の表面特徴を非常に良好に複製している）ということがわかった。しかしながら、界面から遠方の付着物表面は艶消しになっている。
【００４０】
本発明の好ましい実施例の以上の説明は、例示及び説明の目的で提供されたものである。本発明を開示の正確な形態に限定しようとするものではなく、以上の教示から多くの変形及び変更が可能であるということは明らかである。上文中に説明した実施例は、本発明の原理及び実際の用途を説明し、考えられる特定の用途に適した様々な変更を加えた様々な実施例で当業者が本発明を使用できるようにする。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスプレー形成装置の好ましい実施例を示す断面図である。
【図２】固体粒子を包含したエーロゾルを使用する本発明の変形例の断面図である。
【図３】本発明のスプレー形成装置の変形例の断面図である。
【図４】ノズルを出た後のスプレージェットの急速冷却ガス温度をノズルからの距離の関数として示すグラフであり、図４のＡ、Ｂ、及びＣは、図４のグラフを描くのに使用された形状パラメータ及び実験データを示す。
【図５】本願のスプレー形成システムを示す断面図である。
【図６】本発明の方法に従ってスプレーされた錫粉体の大きさに対する計数値頻度分布を示すヒストグラムプロットである。
【図７】本発明の方法に従ってスプレーされた錫粉体の大きさに対する質量頻度分布を示すヒストグラムプロットである。
【符号の説明】
１０　スプレー形成装置　　　　　　１２　スプレーノズル
１４　ガス入口部分　　　　　　　　１６　チョーク部分
１８　出口部分　　　　　　　　　　２０　ガスヒーター
２１　加熱エレメント　　　　　　　２２　供給アッセンブリ
２４　液体リザーバ　　　　　　　　２６　ガス入口
３８　導管
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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