(57)【要約】  鋳型形状を決定するステップと、ほぼ均一な厚さの砂の層を形成するステップと、砂の層の少なくとも一部分を硬化させるステップと、所望の鋳型形状に基づいて、砂の層の硬化部分を機械加工するステップと、砂型が完成するまで層の形成、硬化、及び機械加工のステップを繰り返すステップとを含む、迅速鋳造用の砂型を形成する方法。他の態様は、側壁によって画定される構築包体を有する砂型を形成するための機械と、可動構築プラットフォームと、少なくとも１つの可動用具アセンブリとを含み、可動用具アセンブリは、砂ディスペンサ、砂均し装置、硬化装置、及び機械加工装置からなる群から選択される単一の、または複数の用具を有する。
2016505386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂型を製造する方法であって、
所望の鋳型形状を決定するステップと、
ほぼ均一な厚さを有する砂の第１の層を形成するステップと、
前記砂の第１の層の少なくとも一部分を硬化させるステップであって、前記砂の第１の層の硬化した任意の部分は第１の硬化部分であり、前記砂の第１の層の硬化していない任意の部分は第１の緩い部分であるステップと、
前記第１の硬化部分から砂を除去するように、前記所望の鋳型形状に基づいて前記第１の硬化部分を機械加工するステップであって、砂は、前記第１の硬化部分から除去されたときに、前記第１の緩い部分の一部となるステップと、
ほぼ均一な厚さを有する砂の第２の層を形成するステップであって、前記砂の第２の層は、前記砂の第１の層によって支持されるステップと、
前記砂型が前記所望の鋳型形状になるまで、砂の層を形成するステップと、硬化させるステップと、機械加工するステップとを繰り返すステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記砂の第１の層の少なくとも一部分を硬化させる前記ステップは、前記砂の第１の層の一部分だけを硬化させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記砂の第２の層を加える前に、前記砂の第１の層を均すために、前記第１の硬化部分及び前記第１の緩い部分に補足的な砂を補充するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の硬化部分を機械加工した後に、前記第１の緩い部分を除去するステップと、
前記砂の第２の層を加える前に、前記砂の第１の層を均すために、前記第１の硬化部分にさらなる砂を補充するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記さらなる砂は、前記第１の硬化部分及び前記第１の緩い部分とは異なる組成を有する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記砂の第１の層は、厚さが約１８ｍｍ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記砂の第１の層は、厚さが約１ｍｍ〜約１２ｍである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記砂の第１の層を形成する前記ステップは、樹脂を被覆した砂を構築包体に加えることを含み、前記樹脂を被覆した砂は、砂構成要素及び結合剤構成要素を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記砂構成要素は炭素殻砂である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記結合剤構成要素は、フェノールポリマー樹脂である、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記砂は、約５０〜約９０の粒度指数を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の層の少なくとも一部分を硬化させる前記ステップは、光源が、赤外、可視または紫外範囲、若しくはそれらの組み合わせの光を発する状態で、前記光源を前記砂の第１の層にわたってｘｙ方向に移動させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の硬化部分を機械加工する前記ステップは、機械加工具ヘッドをｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿って、ｂ軸のまわり及びｃ軸のまわりに動かすことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の硬化部分を機械加工する前記ステップは、ドリル削り、切削、フライス削り、または研削の除去的成形方法の少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記砂型を作製するために使用される各付加される層から前記第１の緩い部分及び緩い部分を除去するステップと、
耐熱コーティングを前記砂型に塗布するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
耐熱コーティングを前記砂型に塗布する前記ステップは、前記砂型をコーティング材料に浸すことと、前記コーティング材料を前記砂型に刷毛塗りすることと、前記コーティング材料を前記砂型に吹き付けることと、前記砂型を前記コーティング材料でドライコーティングすることと、前記コーティングを前記砂型の所望の部分に企図して配置することとの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
砂型を製造する装置であって、
複数の側壁によって画定される構築包体と、
前記構築包体の上方に懸架されるとともに前記構築包体に対してｚ軸の方向に可動な可動構築プラットフォームと、
前記可動構築プラットフォームに連結されるとともに前記可動構築プラットフォームに対して少なくともｘ軸及びｙ軸に沿って可動であり、前記ｘ軸及び前記ｙ軸は前記ｚ軸に垂直である砂ディスペンサと、
前記可動構築プラットフォームに連結されるとともに前記可動構築プラットフォームに対して少なくとも前記ｘ軸及び前記ｙ軸に沿って可動な硬化用光源と、
前記可動構築プラットフォームに連結されるとともに前記可動構築プラットフォームに対して少なくとも前記ｘ軸及び前記ｙ軸に沿って可動な機械加工具と
を含む装置。
【請求項１８】
前記機械加工具は、ドリル削り用、切削用、フライス削り用、研削用、または成形用工具であり、前記機械加工具は、前記可動構築プラットフォームに対して、少なくとも前記ｘ軸、前記ｙ軸、前記ｚ軸、ｂ軸、ｃ軸に沿って可動である、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
砂の第１の層を供給するように前記砂ディスペンサに命令するコントローラと、
硬化部分を形成するために、前記砂の第１の層の少なくとも一部分を硬化させる前記硬化用光源と、
砂の第２の層を供給するように前記砂ディスペンサに命令する前に、前記硬化部分の少なくとも一部を機械加工する前記機械加工具と
をさらに含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
迅速鋳造用の砂型であって、
熱硬化性の樹脂を被覆した炭素殻砂の複数の層であって、それぞれの層が個別に前記砂型上に堆積し、硬化し、及び機械加工されて、機械加工された鋳型面を形成する複数の層と、
前記機械加工された鋳型面に塗布される耐熱コーティングと
を含む砂型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、金属の迅速鋳造用の模型なしの砂型及び中子の形成と、そのような砂型及び中子を作製する方法とに関する。
【０００２】
関連出願
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）のもとで、「迅速鋳造用の砂型」という名称で２０１２年１２月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／７３７，２０４号明細書に対する優先権を主張するものであり、参照によりその全体を本明細書に援用する。
【背景技術】
【０００３】
金属の鋳造は、溶融金属を固化時に所望の形状にするために、成形されたキャビティに溶融金属を鋳込むプロセスと説明することができる。このプロセスの主要なステップは、鋳物の外形を画定するための成形されたキャビティを有する鋳型の形成である。さらに、画定された形状の内部空間を鋳物内に形成するために、鋳型のキャビティに中子を配置することができる。本明細書において、「鋳型」には、鋳物を成形するのに使用される鋳型及び中子が両方含まれる。鋳型は、限定するものではないが、砂を含む、コスト効果に関して大きな利点をもたらす様々な耐熱材料を使用して調製することができる。鋳型は、恒久的なもの、または非恒久的なものに分類することができる。非恒久的な鋳型は破壊されて、鋳造された金属構造体が現れる（例えば、砂型）。このステップは、砂落としプロセスと呼ばれる。鋳造プロセスは、他の成形プロセスに勝る多くの利点をもたらす。鋳造プロセスは安価であり、鋳物の形態及び材料組成に大きな自由度をもたらす。ニアネットシェイプ及び一体鋳造を行うことで、必要とされるさらなる任意の機械加工及び組立にかかわる時間及びコストが削減される。
【０００４】
鋳物の特性は、鋳型作製時に利用される材料及びプロセスパラメータと、鋳造前の溶融材料の処理と、鋳造される材料の化学組成及び特性と、固化の速度と、固化後のさらなる熱処理とを通じて確立することができる。
【０００５】
鋳型材料及び鋳型作製プロセスの選択は、鋳物の特性に重大な役割を果たす。耐熱材料である砂は、非常に高い金属鋳込み温度に耐えることができ、高い温度において、必要とされる寸法安定性を付与する。砂は、他の同等の耐熱材料に勝る経済的利点ももたらす。乾式砂型には、鋳型成形プロセス時に、分離した砂粒子を保持する結合システムを導入する必要がある。仕上がった鋳型の物理的、化学的、及び熱化学的特性は、砂−結合システムの相互作用と、鋳型を形成するためのプロセスとに依存する。
【０００６】
鋳型の形成は、２つのカテゴリ、すなわち、模型があるものと模型なしのものとに分けることができる。模型がある鋳型は、模型として公知の特定の形状の物体のまわりに鋳型材料を堆積させることによってその形状を獲得する。模型がある鋳型の作製に関する主要な懸念は、様々な機械加工及び用具による仕上げ作業により模型を形成することに伴うコスト及び時間である。他方で、模型なしの鋳型は、付加的または除去的製造技術の実施を通じて、デジタル図面またはモデルから直接形成することができ、設計プロトタイプ及び小ロット部品の作製に有効である。
【０００７】
積層製造としても公知の鋳型の付加的な製造は、コンピュータ支援製造と組み合わせて、迅速プロトタイピング及び迅速製造に採用されており、複雑な鋳型形状の、高い精度及び公差レベルでの迅速形成を可能にする。迅速プロトタイピングとは、プロトタイプの、設計からの直接製造を指す。迅速プロトタイピングは、完成品にきわめて近い特性を付与できるため、製造プロセスの製品開発段階に使用され、最終製品の特性を最終決定する前に、製品のさらなる調査及び解析を可能にする。迅速鋳造プロセスは、従来の金属鋳造技術と付加的な製造手法との統合を確定して、実用的なプロトタイプまたは最終製品のいずれかを実現する。
【０００８】
除去的製造技術には、キャビティを形成するために、または中子の場合に、正確な構造体を形成するために、あるいは鋳型の精度を高めるために、鋳型から材料を除去する切削、フライス削り、研削、及びドリル削りのような従来の加工が含まれる。
【０００９】
実用的プロトタイプの開発と、製造業の様々な分野に適用するためのカスタマイズされた金属鋳造製品の製造とのためのコンカレントエンジニアリング手法を実施するために、最近の数十年の間に迅速鋳造という問題解決策が様々に開発されてきた。これらの迅速鋳造という問題解決策には、選択的レーザ焼結、熱溶解積層法、ステレオリソグラフィ、３Ｄ印刷、及びラピッドツーリングのような独自の製造手法が含まれる。
【発明の概要】
【００１０】
一つの態様では、本発明は、所望の鋳型形状を決定するステップと、砂の第１の層を形成するステップとを含み、砂の第１の層はほぼ均一な厚さを有する、砂型を製造する方法を含む。砂の第１の層の少なくとも一部分は硬化される。砂の第１の層の硬化した任意の部分は第１の硬化部分であり、砂の第１の層の硬化していない任意の部分は第１の緩い部分である。砂の第１の層の硬化部分は、第１の硬化部分から砂を除去するように、所望の鋳型形状に基づいて機械加工される。第１の硬化部分から除去された砂は、第１の緩い部分の一部となる。ほぼ均一な厚さを有する砂の第２の層が形成される。砂の第２の層は、砂の第１の層によって支持される。砂の層の形成、硬化、及び機械加工のステップは、砂型が所望の鋳型形状を有するまで繰り返される。
【００１１】
別の態様では、本発明は、砂型を製造する装置を含む。この装置は、複数の側壁によって画定される構築包体を含む。可動構築プラットフォームは、構築包体の上方に懸架され、構築包体に対してｚ軸の方向に可動である。砂ディスペンサは、可動構築プラットフォームに連結され、可動構築プラットフォームに対して、少なくともｘ軸及びｙ軸に沿って可動であり、ｘ軸及びｙ軸はｚ軸に垂直である。硬化用光源は、可動構築プラットフォームに連結され、可動構築プラットフォームに対して、少なくともｘ軸及びｙ軸に沿って可動である。機械加工具は、可動構築プラットフォームに連結され、可動構築プラットフォームに対して、少なくともｘ軸及びｙ軸に沿って可動である。
【００１２】
別の態様では、本発明は、熱硬化性の樹脂を被覆した炭素殻砂の複数の層を含む、迅速鋳造用の砂型を含み、それぞれの砂の層は、個別に砂型上に堆積し、硬化、及び機械加工されて、機械加工された鋳型面を形成する。機械加工された鋳型面に耐熱コーティングが施される。
【００１３】
以下の明細書、特許請求の範囲、及び添付図面を参照することにより、本発明のこれらの及び他の特徴と、利点と、目的とが当業者にさらに理解され、認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一つの態様による鋳型を製造するステップを示すチャートである。
【図２】鋳型を形成するために砂が入っている構築包体の断面図である。
【図３】本発明の別の形態による、鋳型を製造する機械の実施形態の上方斜視図である。
【図４】本発明の別の態様で使用する可動用具アセンブリの実施形態の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書での説明において、「上」、「下」、「右」、「左」、「後ろ」、「前」、「垂直」、「水平」という用語及びそれらの派生語は、特に指定のない限り、図２の向きの通りの描写に対応するものである。しかし、本発明は、そうではないと明示された場合を除いて、様々な代替の向きを想定できることを理解されたい。添付図面に示され、以下で説明される特定の装置及びプロセスは、単に、添付の特許請求の範囲で規定した発明の概念の例示的な実施形態に過ぎないことも理解されたい。したがって、本明細書で開示した実施形態に関する特定の寸法及び他の物理的特徴は、特許請求の範囲で特に明示されない限り、限定するものとみなすべきではない。
【００１６】
本明細書で説明する製造プロセスには、積層技術とコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）加工とを統合し、鋳型製造速度を指数関数的に高めながら、精度及び的確さを改善する付加的及び除去的層化製造プロセスが含まれる。
【００１７】
最初に図１及び図２を参照すると、鋳型１０を製造するプロセスは、所望の鋳型形状を決定するステップと、樹脂を被覆した砂１４のほぼ均一な厚さを有する層１２を形成するステップと、砂の層１２の所望の部分を硬化させて、硬化部分１６及び緩い部分１５を形成するステップと、第１の硬化部分１６を機械加工して、所望の鋳型１０を得るステップとを含む。砂型１０の所望の寸法が得られると、プロセスは終了し、砂型１０の所望の寸法が得られない場合、砂１４の別の層１２が堆積され、サイクルが続く。一つの実施形態では、砂１４の第１の層１２ａは、ほぼ均一な厚さを有して形成される。砂１４の第１の層１２ａの一部分が硬化される。第１の層１２ａの硬化部分は、第１の硬化部分１６ａであり、第１の層１２ａの硬化していない部分は、第１の緩い部分１５ａである。第１の硬化部分１６ａは、第１の硬化部分１６ａから砂１４を除去するように、所望の鋳型形状に基づいて機械加工され、この除去された砂１４は、第１の緩い部分１５ａの一部になる。ほぼ均一な厚さを有する、砂１４の第２の層１２ｂは、第１の層１２ａの上に形成され、第１の層１２ａによって支持される。層の形成、硬化、及び機械加工のステップを繰り返して、第２の硬化部分１６ｂ及び第２の緩い部分１５ｂを形成し、第３の層１２ｃを第２の硬化部分１６ｂ及び第２の緩い部分１５ｂ上に支持するなどを行う。このプロセスは、所望の砂型１０が形成されるまで繰り返される。
【００１８】
さらなる実施形態では、機械加工されて砂型１０から分離した砂１４及び未硬化の砂１４は緩い砂１５を含む。緩い砂１５は、次の砂の層１２をその砂の層が堆積したときに支持するために所定の位置に残り、鋳型１０の完成後に除去される。別の実施形態では、さらなる未結合の砂１４が緩い砂１５に補充されて、砂型１０の次の層を支持する平坦な層を形成する。別の実施形態では、緩い砂１５は除去され、さらなる未結合の砂１４が硬化部分１６に補充されて、次の層１２をその層が堆積したときに支持する。さらなる未結合の砂１４は、任意選択的に、硬化部分１６及び緩い部分１５とは異なる組成を有する。例えば、特定の実施形態では、さらなる未結合の砂１４は、下記にさらに詳細に説明する結合要素または樹脂を含むことができないため、次の層（例えば、１２ｂ、１２ｃ）で実施される硬化ステップは、さらなる未結合の砂１４を硬化させない。
【００１９】
鋳型１０の機械加工された面１８は通常、鋳型のキャビティ２０を画定する。鋳型１０が完全に形成されると、未結合の砂１４と、機械加工によって（緩い砂１５と共に）鋳型１０から除去された砂１４とは、鋳型キャビティ２０から出され、鋳型の意図された最終的な用途によっては、鋳型１０が形成されて緩い砂１５が除去された後、耐熱コーティング（機械加工された鋳型面１８と分けて示されていない）が、鋳型１０、特に、鋳型１０の機械加工された面１８に塗布されることがある。
【００２０】
より具体的には、所望の鋳型設計を決定するステップは、鋳型作製機械３０と通信するために使用できるＣＡＤまたは他の設計ソフトウェアを使用して、鋳型１０の設計図を作成することで実施される。設計図が作成されると、鋳型１０を物理的に刻み込んだ、または鋳型１０の形状をした中間模型を製造する必要なく、鋳型１０の製造が、本明細書で説明するように、コンピュータプログラムから直接行われる。
【００２１】
図３〜図４に示されるように、上記のプロセスを実施する鋳型作製機械３０は、一組の側壁３４によって画定される構築包体３２と、構築包体３２の上方に懸架された可動構築プラットフォーム３６と、可動構築プラットフォーム３６に連結された少なくとも１つの移動用具アセンブリ３８とを含み、１つまたは複数の移動用具アセンブリ３８は、砂ディスペンサ４２、機械加工具４４、及び硬化用光源４６を含む複数の用具４０を含んでいる。砂均し装置４８も、特定の実施形態において、図４に示されるように用具アセンブリに連結されている。一つの態様では、可動構築プラットフォーム３６は、ｚ軸に沿って（例えば、垂直方向に）可動であり、移動用具アセンブリ３８は、可動構築プラットフォーム３６に対して、ｘ軸及びｙ軸に沿って移動できるように可動構築プラットフォーム３６に連結され、各ｘ軸及びｙ軸はｚ軸に垂直である。別の実施形態では、可動構築プラットフォーム３６は、ｚ軸に沿って（例えば、垂直方向に）可動であり、移動用具アセンブリ３８は、可動構築プラットフォーム３６に対して、ｘ軸及びｙ軸に沿って移動でき、各ｘ軸及びｙ軸はｚ軸に垂直であり、移動用具アセンブリ３８は、ｂ軸のまわり（ｘ軸のまわり）及びｃ軸のまわり（ｙ軸のまわり）にも動かすことができるように、可動構築プラットフォーム３６に連結されている。
【００２２】
機械加工具４４が砂ディスペンサ４２に連結されてｘ軸及びｙ軸方向に可動である場合に、砂の単一の薄層を塗布して機械加工するのではなくて、砂の複数の薄層を塗布して機械加工することで、鋳型１０の精度及び平滑さが高まる。別の実施形態では、機械加工具４４を含む移動用具アセンブリ３８は、可動構築プラットフォーム３６から切り離されて、可動構築プラットフォーム３６は、各層のより高い機械加工精度を得るために、機械加工具４４に対してｚ方向に移動する。別の実施形態では、機械加工具４４を有する移動用具アセンブリ３８、または移動用具アセンブリ３８の機械加工具４４の部分は、より厚い構築層で、より高い精度を得るために、ｘ軸及びｙ軸に加えてｚ軸方向に移動する。別の態様では、機械加工具４４を含む移動用具アセンブリ３８、または移動用具アセンブリ３８の機械加工具４４の部分は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に加えて、ｂ軸に関して可動であり（ｘ軸のまわりに回転する）、かつｃ軸に関して可動である（ｙ軸のまわりに回転する）。これは、高精度で平滑な鋳型層を効率的に機械加工する５軸加工を可能にする。本明細書で説明した実施形態では、仕上がった部分の公差は、０．００２５４ｍｍ（０．０００１インチ）〜１２．７ｍｍ（０．５インチ）の範囲を取る。
【００２３】
可動構築プラットフォーム３６のｚ方向の移動は、最大限に可能な層１２の厚さを画定することで、層１２の厚さの制御に寄与する。移動用具アセンブリ３８のｘｙ方向の移動は、層の構築、硬化、及び機械加工作業を可能にする。移動用具アセンブリ３８または機械加工具４４のｚ軸、ｂ軸、またはｃ軸方向の移動の一部またはすべては、砂の層１２に対する機械加工作業の効率を上げる。砂ディスペンサ４２は、所定の量の砂１４を構築包体３２に供給するために使用される。この場合に、可動構築プラットフォーム３６の高さは、所望の高さ（ｚ方向）に設定され、砂スイープバー４８は、砂の層１２の表面にわたって水平方向（ｘ及びｙ方向）に移動して、層を所望の厚さに均す。移動用具アセンブリ３８は、鋳型１０の一部であることが望ましい層１２の部分１６に光源４６を向けて、鋳型１０内にあるのが望ましい砂１４の層１２の部分１６を硬化させるためにｘ及びｙ方向に移動する。硬化ステップのすべてまたは一部分に続いて、機械加工具４４は、砂１４の層１２の面にわたって水平方向（ｘ及びｙ方向）に移動し、機械加工具４４または可動構築プラットフォーム３６のいずれかは、垂直方向（ｚ方向）に可動であり、機械加工具４４を砂１４の層１２と接触させ、硬化した砂１６の面を平滑にし、（従来のＣＮＣ加工で行う機械加工のような）任意のさらなる機械加工を行う。代替の実施形態では、移動用具アセンブリ３８または機械加工具４４はまた、ｂ軸に関して可動であり（ｘ軸のまわりに回転する）、かつｃ軸に関して可動であり（ｙ軸のまわりに回転する）、５軸ＣＮＣ加工で行われるのと同様に、鋳型１０の困難または複雑な面形状に対して、より正確な平滑化及び機械加工を可能にする。
【００２４】
鋳型１０を形成するために、砂１４は、構築包体３２に供給され、平滑にされて均一な層１２になる。層１２は通常、厚さが約１８ｍｍ未満、好ましくは、厚さが約１２ｍｍ未満である。砂１４の層１２は好ましくは、厚さが約０．０１ｍｍ〜約１８ｍｍ、より好ましくは、約１ｍｍ〜約１２ｍｍである。様々なシステムを使用して、砂１４をほぼ均一な層１２に平滑にすることができ、このほぼ均一な層のいくつかの例が下記に提示される。
【００２５】
一つの態様では、可動構築プラットフォーム３６上で砂１４の層の所望の厚さを得るために、砂１４は粉末の形態で供給され、移動用具アセンブリ３８に内包された砂ディスペンサ４２を使用して拡散される。別の態様では、砂１４が供給され、移動用具アセンブリ３８に内包された砂ディスペンサ４２を使用して、分散液のように拡散される。砂ディスペンサ４２は、重力供給ノズル、加圧供給ノズル、インクジェットプリンタと同様のヘッド、または他の供給ユニットとすることができる。したがって、一様な層の厚さを得るために、余分な砂１４は、ブラシまたはブレードシステムを含むことができる砂均し具４８を使用して除去される。砂均し具４８は、複数の側壁３４の上端に載せることができ、または移動用具アセンブリ３８に連結することができる。砂均しシステム４８は任意に、様々なグラビア印刷またはコーティングプロセスで使用されるような空気式均しシステムで構成される。そのような空気式ブレードシステムは、ブレードの接触を維持し、砂１４が砂ディスペンサ４２から供給された時点でのみ、ブレード圧力を加える。
【００２６】
一つの実施形態では、鋳型１０を形成するのに使用される砂１４は、熱硬化性樹脂を被覆した炭素殻砂１４である。炭素殻砂１４は、その高い熱吸収特性によって、層１２の上部と層１２の底部との間の熱伝達を向上させるために使用される。さらに、炭素殻砂粒子１４は、グラファイトの潤滑特性により、容易に機械加工もされ、より高い精度を可能にしながら、硬化層１６がより容易に機械加工されるのを可能にする。さらに、炭素殻砂粒子１４は黒色であり、光及び熱を効率的に吸収する。炭素殻砂粒子１４は、多くの砂よりも安価で、容易に入手可能でもある。
【００２７】
砂１４の嵩密度は、予想される取り扱い及び物流の観点から見た砂型１０の特性の評価に重要な役割を果たす。嵩密度は、採用された砂１４の任意のロット間のばらつきを突き止めるのに重要である。砂１４の密度は、その質量／体積比で表され、体積が既知の材料の重量を計り、次に、比率を計算することで求めることができる。
【００２８】
粒度指数（「ＧＦＮ」）は、砂１４のサンプルの平均粒径の指標である。砂１４のより小さい粒子は、それらの稠密充填構造により、より良好な面仕上げを付与することができるが、鋳型１０のガス抜き特性を阻害し、様々な鋳物欠陥をもたらすおそれがある。ＧＦＮが大きいほど砂１４の粒径は小さい。非常に低いＧＦＮは、砂１４の粒子径がより大きいことを意味し、充填効率を損ない、粒子間のより大きい隙間で構成され、ひいては、鋳物表面が粗くなる。砂１４のＧＦＮは、通常約５０〜約９０、好ましくは約６０〜８０、より好ましくは約６２〜６６である。
【００２９】
結合システム（砂１４と分けて示していない）も砂１４用に使用されて、砂を鋳型１０の形状に保持する。任意の熱活性型結合材料を使用することができる。可能性のある１つの結合剤はフェノールポリマー樹脂であり、このフェノールポリマー樹脂は、赤外、可視または紫外範囲の波長を有する、若しくは、これらの範囲の任意のものを含む光を発する光源によって溶融して、機械加工の前に各砂の層１２を結合及び硬化させる。ポリマー結合剤は、砂に対する重量％が、通常０．５重量％〜約１０重量％、好ましくは約１重量％〜約４重量％、より好ましくは約３重量％である。
【００３０】
別の可能性のある結合システムは、フラン結合システムであるが、その耐久性及び非爆発性特性からフェノールポリマーが好ましい。炭素殻砂粒子１４及びポリマー樹脂システムの利点は、他の砂システムよりも薄い肉厚の鋳型１０の形成と、鋳造中の膨張が小さいことと、鋳型がより軽くて運搬がより容易なことと、無限の殻寿命とである。
【００３１】
次いで、通常高輝度のパルス状光源である光源４６のｘｙ方向の移動と、機械加工具ヘッド４４のｘｙ方向の移動並びに任意選択的なｚ軸、ｂ軸及びｃ軸方向の移動とを用いて、層の硬化及び成形が行われる。光源４６は、砂１４の供給及び均しと同期して「オン」になる。均しシステム４８の移動は、一方向だけ（例えば、ｘ方向）に限定され、均しシステム４８の寸法は、側壁３４の構造体のｙ方向の寸法と同じままである。
【００３２】
砂１４のほぼ均一な層１２または層１２の一部分の堆積中または堆積後、砂１４は、光源４６を使用して硬化する。砂１４の層１２の全体は、砂１４の結合システムを活性化する光またはレーザエネルギを当てて結合することができ、または層１２の特定の部分１６は、鋳型１０の設計で設定した所望の鋳型１０の形状に従って硬化することができる。
【００３３】
実験室規模の試験において、３３０ｎｍ〜１０５０ｎｍの紫外から赤外の波長範囲を有するＸｅｎｏｎ  Ｓｉｎｔｅｒｏｎ  ２０００フォトニック光源４６を使用して、砂の層１２を前処理及び固化した。しかし、特定の砂１４に適用可能な他の光源４６を使用することもできる。
【００３４】
所望の層１２の厚さの砂１４の硬化層を得た（付加的手法）後、所望の鋳型１０の形状が、機械加工によって得られる（除去的手法）。砂１４の層１２は、最終的な鋳型１０の形状を得るために、鋳型１０の設計で設定した所望の鋳型１０の形状に従って機械加工される。機械加工具４４は、機械加工時にのみ砂の層１２と接触するような構成で、空気／ばね荷重式の取付プラットフォームに取り付けられている。機械加工具４４は、ｚ方向に可動であり、深さを小ステップ刻みで増やすことによる複雑な形状の機械加工を規定するように、移動用具アセンブリ３８に連結することもできる。機械加工具４４は、ｂ及びｃ方向に（それぞれｘ軸及びｙ軸のまわりに）可動であって、複雑な形状の機械加工をより効率的に行うように、移動用具アセンブリ３８に連結することもできる。
【００３５】
機械加工ステップでは、機械加工した砂１４は、層１２から除去されず、緩くなるだけである。したがって、硬化及び機械加工した砂１６と緩い砂１４とは共に、前の層１２が鋳型１０内にキャビティ２０を画定する場合でも、前の層１２の上に堆積した砂１４の層１２を支持する。あるいは、非樹脂で被覆した砂１４が、硬化した層１６を機械加工した後、層１２に補充され、平滑化されて、緩い（硬化されていない）砂１４及び機械加工によって緩くなった砂１４と共に、構築包体３２に堆積した砂１４の次の層１２を支持する硬い層１２を形成することができる。別の代替案では、砂１４の次の層１２を構築包体３２内に堆積させるのに備えて、緩い（未硬化の）砂１４及び機械加工によって緩くなった砂１４を、非樹脂で被覆した砂１４に部分的にまたは完全に置き換え、平滑化して層１２を均すことができる。層１２の全体を硬化させて、機械加工が行われる硬化した層１６を形成することができる。あるいは、層１２の硬化部分１６を形成する層１２の特定の領域を標的とした硬化を、レーザ活性化結合などの硬化方法を使用して、すなわち、レーザ活性化結合を層１２の硬化される領域に限定することで行うこともできる。
【００３６】
機械加工具４４及び光源４６の選択は、限定するものではないが、所望の層１２の厚さ、砂１４の機械結合強度、機械加工時の硬化した層１６と機械加工具４４との相互作用、各層１２の必要とされる硬化温度及び硬化時間などを含む相互に関係する様々なパラメータによって左右される。
【００３７】
フライス削り及び切削の作業能力は主に、切削及び送り速度、送りの方向、機械加工具の選択、切削の垂直送り速度または深さなどの様々な入力パラメータに依存する。切削速度は、カッタ上の指示点が、計算された時間に加工物上の基準点を通過する速度と定義することができる。切削速度定数は、切削工具材料、加工物材料、機械の設定などに依存する。砂型１０の旋削及びフライス削り作業に対して、ドリル削り、切削、フライス削り、研削、成形、または前述のものの組み合わせ用の工具として、それらに限定するものではないが、フラットエンドミル工具、ボールエンドミル工具及びドリルビットを含む工具を利用することができる。
【００３８】
最適な結果を得るために、切削速度は、様々な工具セットを使用する同等のエンドミルの速度の半分〜２／３に維持するべきである。送り速度は、材料がカッタに進入するか、またはその逆のときの速度と定義することができる。水平送り速度はまた、上向き削りまたは下向き削りとして特徴付けられる送り方向に依存する。材料がフライス工具の回転とは反対の方向に送られる場合、慣用削りまたは上向き削りとして公知である。それに対して、材料が工具の回転方向に送られるのは、クライムミリングまたは下向き削りとして公知である。水平送り方向の選択は、機械加工作業中の機械のバックラッシュ除去能力と、達成される材料表面仕上げとに強く依存する。過度の送り速度により、切削端が非常に粗くなるか、または削り取られる恐れがあるため、水平送り速度はまた、材料の機械特性と、得られる表面仕上げとに影響を及ぼす。垂直送り速度とは、切削の深さを意味し、単一パスサイクルで加工物から除去される材料の量、スピンドルで利用可能な動力、加工物材料の剛性、工具の選択、機械の設定などによって決まる。原則として、軟らかい加工物材料の場合に、切削深さは、工具の直径の半分を超えてはならず、垂直送り速度は、より深い切削を行うときに減ぜられるべきである。水平及び垂直送り速度は、約０．０２５４ｍ（１インチ）／分〜約１０１．６ｍ（４，０００インチ）／分であるのが好ましい。
【００３９】
提案した砂型１０のための最適な機械加工パラメータを定めるために、機械加工試験を行うことで、機械加工具４６の切削速度、送り速度及び直径を定めることができ、続いて、実用プロトタイプを得るために、鋳型１０のオフライン機械加工を行う。
【００４０】
砂型１０は、それらに限定するものではないが、鉄、鋼、アルミニウム、黄銅、銅、鉛、亜鉛、ピューター、並びにそれらの組み合わせ及び合金を含む多くの金属化学成分を含む鋳物を改良するために、耐熱コーティングで被覆することができる。（一般的な鋳物材料である）アルミニウム及び鉄鋳物の場合、化学的相互作用を最小限にするために、砂型１０を耐熱コーティング（鋳型面１８から分けて示されていない）で被覆しなければならない。
【００４１】
耐熱コーティングには、選択された耐熱材料を、硬化及び結合した鋳型１０に塗布することが含まれる。これらの耐熱コーティングは、それらに限定するものではないが、刷毛塗り塗布、吹き付け塗布、及びドライコーティング塗布を含む様々な手段で塗布することができる。これらの耐熱材料の塗布により、（ａ）鋳型１０の表面仕上げを改善することと、（ｂ）金属−鋳型１０接触面の熱伝達特性を制御することと、（ｃ）鋳型１０のガス抜き特性を変えることと、（ｄ）浸食などの鋳型内のある種の欠陥を防止することという目的が果たされる。
【００４２】
完成品の製造において、良好な表面仕上げ特性を付与し、さらなる機械加工及び用具による仕上げステップを最小限にするか、またはなくすために、鋳型キャビティ２０に関して、鋳型１０の平滑な接触面が必要とされる。これらの接触面の表面の平滑さは、これらの表面１８を機械加工するのに加えて、耐熱コーティングを塗布することで変えることができる。熱伝達が妨害される鋳型の特定の領域は、良好な熱伝達を付与し、ひいては、固化をより急速にする「冷却コーティング」を塗布した「冷却スポット」の企図した配置によって改変することができる。金属鋳物の機械特性も、より硬質な面が得られるより急な熱勾配をもたらす冷却コーティングを塗布することによって変えることができる。耐熱コーティングの他の用途として、より急な熱勾配によって発生する湯回り不良または冷え止まりのような特定の鋳物欠陥を最小限にすると共に、必要とされる機械特性を付与するために、より急激な固化が望ましくない鋳物の領域に断熱材料を配置することが含まれる。
【００４３】
溶融金属の鋳型キャビティ２０への流れに伴う、鋳型１０の接触面１８でのガスの放散または発生は、閉じ込められたガスが最も小さい抵抗の流路を常にたどって鋳型１０から出るため、様々な鋳物欠陥を起こす傾向がある。耐熱コーティングを塗布して、鋳型１０の表面に位置するガス流路を閉鎖することで、ガスは、鋳型１０の抜け口の位置からシステムを出ることを強いられる。
【００４４】
流動する溶融金属のために生じる高い溶湯静圧（metallostatic pressure）及び深刻な乱流は、浸食のような鋳型欠陥をしばしば引き起こす。鋳型材料（砂１４）が浸食を受けるこれらの欠陥を防止するために、耐熱コーティングを塗布して、溶融金属の鋳型１０への浸入を最小限にするか、またはなくすことができる。
【００４５】
耐熱コーティングは、耐熱材料（顔料）、担持剤（結合剤）、懸濁剤（分散剤）、レオロジー改質剤、界面活性剤などのいくつかの構成要素を含む。これらのコーティングは、限定するものではないが、（ａ）鋳型１０をコーティング製剤の中に浸けることと、（ｂ）コーティングを鋳型面１８に刷毛塗りすることと、（ｃ）コーティングを鋳型１０に吹き付けることと、（ｄ）鋳型にコーティングをドライコーティングすることと、（ｅ）インクジェットヘッドまたは他の塗布機を使用して、コーティングを鋳型面１８に企図して配置することとを含む様々な方法で塗布することができる。
【００４６】
コーティングレオロジーは、所望のコーティング製剤に適合するコーティングプロセスの決定に重要な役割を果たす。鋳型試験及び固化のモデル化から得られるような実験結果から、耐熱コーティングの使用要件を定めた後、冷却性または断熱性を付与するように、あるいは公知の方法に従って鋳型面１８の面平滑性を改善するように、対応する耐熱コーティングを特定することができる。
【００４７】
説明した発明の構造物及び他の構成材は、任意の特定の材料に限定されないと当業者には分かるであろう。本明細書で開示した本発明の他の例示的な実施形態は、別途本明細書で説明されない限り、様々な材料から形成することができる。本明細書及び補正された特許請求の範囲では、単数形「１つの」及び「その」は、文脈が別途明瞭に規定しない限り、複数の指示対象を含む。
【００４８】
値の範囲が提示されている場合、文脈が別途明瞭に規定しない限り、その範囲の上限と下限との間の、下限の十分の一の位までの各介在値と、その示された範囲内の他の任意の示された値または介在値とが、本発明の範囲内に包含されることが理解される。これらのより狭い範囲の上限及び下限は、より狭い範囲に独立して含まれてよく、示された範囲内で任意の限界値が特に除外されることを条件として本発明の範囲内に同様に包含される。示された範囲が限界値の一方または両方を含む場合、含まれる限界値のいずれかまたは両方を除外する範囲も本発明に含まれる。
【００４９】
例示的な実施形態で示した本発明の要素の構造及び構成が単なる例示であることに留意することも重要である。本新技術のいくつかの実施形態だけが、本開示で詳細に説明されたが、本開示を検討した当業者は、主題に関する列挙した新規の教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正形態が可能である（例えば、様々な要素の大きさ、寸法、構造、形状、及び割合、パラメータ値、取付構成、材料の使用法、色、向きなどの変形形態）ことを容易に理解するであろう。例えば、一体で形成されるとして示した要素は、複数の部分で構築できるか、複数の部分として示した要素は、一体に形成することができ、インターフェイスの作用は逆にする、またはそれ以外に変えることができ、システムの構造物及び／または部材、または連結器もしくは他の要素の長さまたは幅は変えることができ、要素間に設けられた調整位置の特徴または数量は変えることができる。なお、システムの要素及び／またはアセンブリは、任意の様々な色、質感、及び組み合わせで、十分な強度または耐久性を付与する任意の様々な材料から構築することができる。したがって、そのような修正形態のすべては、本新技術の範囲内に含まれることが意図される。望ましい他の例示的な実施形態の設計、動作条件、及び構成において、本新技術の趣旨から逸脱することなく、他の代用形態、修正形態、変更形態、及び省略形態を行うことができる。
【００５０】
説明した任意のプロセスまたは説明したプロセス内のステップを他の開示したプロセスまたはステップと組み合わせて、本発明の範囲内の構造物を形成できることが理解される。本明細書で開示した例示的な構造物及びプロセスは説明することを目的としており、限定するものと解釈すべきでない。
【００５１】
同様に、本発明の概念から逸脱することなしに、前述の構造及び方法に対して、変形形態及び修正形態を行うことができることが理解され、さらに、そのような概念は、添付の特許請求の範囲が、その表現によって別途明示しない限り、特許請求の範囲によって包含されることを意図されていることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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