CN103286981A - 具有共形部分的成型工具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有共形部分的成型工具及其制备方法。一种用于形成成型工具的模具型芯包，包括具有粘结剂的多个堆叠的微粒层。多个堆叠的微粒层形成限定模具型腔的牺牲壁。牺牲替换管路和牺牲替换体从模具型芯包延伸并适于替换施加到模具型芯包的熔融材料。

Description

具有共形部分的成型工具及其制备方法

技术领域

本发明总体上涉及具有共形的加热和冷却管路的工具及制备该工具的方法。

背景技术

模具通常用于制备在成型操作中使用的成型工具。传统的用于制备成型工具的方法根据应用和形成的产品的需求而变化。

发明内容

根据本发明的一方面，用于形成成型工具的模具型芯包（mold corepackage）包括具有粘结剂的多个堆叠的微粒层。多个堆叠的微粒层形成限定模具型腔的牺牲壁。牺牲替换管路和牺牲替换体从模具型芯包延伸并适于替换施加到模具型芯包的熔融材料。

根据本发明的另一方面，制备成型工具的方法包含：（a）沉积薄层微粒；及（b）将粘结剂选择性地施加到薄层微粒，以限定模具型芯包的横截面。重复步骤（a）和（b），生成具有靠近限定模具表面的模具型芯包的牺牲替换体的模具型芯包。将熔融材料施加到模具型芯包以形成成型工具。

根据本发明的又一方面，用于制备成型工具的方法包含：（a）沉积薄层微粒；及（b）将粘结剂选择性地施加到薄层微粒，以限定模具型芯包的横截面。重复步骤（a）和（b）生成具有牺牲替换体和牺牲替换管路的模具型芯包。将熔融材料施加到模具型芯包，使得牺牲替换体和牺牲替换管路在模具型芯中形成空隙。

本发明的再一方面包括适于在多个砂层上印刷多层粘合剂以形成模具型芯包的砂印装置。模具型芯包用于构建嵌入模、底模，或者构建用于制造成型件的成型工具。嵌入模或成型工具包括适于容纳加热流体或冷却流体以辅助嵌入模或成型工具内部成型件的形成的共形管路。共形管路紧密遵循与嵌入模或成型工具的模具型腔接近的成形表面。

本领域的技术人员阅读下述的说明、权利要求和附图后会更好地理解本发明的这些和其它方面、目的及特征。

附图说明

附图中：

图1是在通过砂印装置形成模具型芯包之前的刚性容纳箱或工作箱的俯视透视图；

图2是在刚性容纳箱中散布第一层细微粒的过程中的图1的刚性容纳箱俯视透视图；

图3是经过若干次砂印装置处理后的图1的刚性容纳箱的俯视透视图；

图4是新的细微粒层即将覆盖刚性容纳箱的印刷表面之前的图1的刚性容纳箱的俯视透视图；

图5是新的细微粒层正覆盖刚性容纳箱的印刷表面的图1的刚性容纳箱的俯视透视图；

图6是刚性容纳箱中完整的模具型芯已经印刷之后的图1的刚性容纳箱的俯视透视图；

图6A是包含正移除多余的未粘合的砂的模具型芯的图1的刚性容纳箱的侧视透视图；

图7是未组装的模具组件从刚性容纳箱中移除之后的俯视透视图；

图7A是组装的图7的模具型芯的俯视透视图；

图8是图7A的模具型芯包的俯视图；

图9是沿图8的线IX-IX的俯视透视横截面图；

图10是沿线X-X的图8的模具型芯包的侧视正横截面图；

图11是在将熔融金属填入由模具型芯包限定的浇铸区中的过程中模具型芯包的俯视透视横截面图；

图12是熔融金属引入模具型芯包之后模具型芯包的形成的俯视透视横截面图；

图12A是图12的模具型芯包的侧视正横截面图；

图13是因此产生的由模具型芯包形成的成型工具的俯视透视图；

图14A是贯穿成型工具的共形管路结构的一个实施例的俯视透视横截面图；

图14B是贯穿成型工具的共形管路的另一个实施例的俯视透视横截面图；

图14C是贯穿成型工具的共形管路的另一个实施例的俯视透视横截面图；

图14D是贯穿成型工具的共形管路的另一个实施例的俯视透视横截面图；

图14E是贯穿成型工具的共形管路的另一个实施例的俯视透视横截面图；

图14F是贯穿成型工具的共形管路的另一个实施例的俯视透视横截面图；

图14G是贯穿成型工具的共形管路的另一个实施例的俯视透视横截面图；

图14H是贯穿成型工具的共形管路的另一个实施例的俯视透视横截面图；

图14I是贯穿成型工具的共形管路的另一个实施例的俯视透视横截面图；

图15A是贯穿成型工具的共形贮液器的一个实施例的俯视透视横截面图；

图15B是图15A的共形贮液器和成型工具的俯视透视图；

图15C是贯穿成型工具的共形贮液器的另一个实施例的俯视透视横截面图；

图15D是图15C的共形贮液器和成型工具的俯视透视图；

图15E是贯穿成型工具的共形贮液器的另一个实施例的俯视透视图；

图15F是贯穿成型工具的共形贮液器的又一个实施例的俯视透视图；

图15G是贯穿成型工具的共形贮液器的又一个实施例的俯视透视图；

图16是成型工具的俯视透视图，表示在与互补的第二半模具连接之前的第一半模具；

图16A是图16的第一半模具和第二半模具连接之后的俯视透视图；

图17是从第一半模具和第二半模具中移除的成型件的俯视透视图；

图18是模具型芯包中嵌入模工具的形成的俯视透视横截面图；

图19是图18的嵌入模工具的侧视正横截面图；

图20是从模具型芯包中移除之后的嵌入模工具的俯视透视横截面图；

图21是安装到第一和第二底模之前的第一和第二嵌入模工具的俯视透视图；

图21A是图21的成型总成的俯视透视横截面图；

图22是在零件成型过程中图21的成型总成的俯视透视图；

图23是在移除成型件的过程中图21的成型总成的俯视透视图；

图24是与成型总成有关并将加热流体引入成型总成的温度控制站的示意图；

图25是与成型总成关联并将冷却流体引入成型总成的温度控制站的示意图；

图26是与成型总成一起使用的加热系统的一个实施例的示意图；

图27是与本发明的成型工具一起使用的冷却系统的一个实施例的示意图；

图28是包含上型模（cope mold）、下型模（drag mold）和型芯的砂模包的俯视透视分解图；

图29是型芯嵌入下型模的图28的砂模包的俯视透视图；

图30是上型和下型模相互邻近设置准备铸造熔融材料的图28的砂模包的俯视透视图；

图31是在图28的砂模包已经脱离的情况下由图28的砂模包产生的铸造件的透视图；以及

图32是由图28的砂模包制成的铸造成型工具的透视图。

具体实施方式

为了进行说明，此处的术语“上”（“upper”），“下”（“lower”），“右”（“right”），“左”（“left”），“后”（“rear”），“前”（“front”），“垂直”（“vertical”），“水平”（“horizontal”）及其派生词将总体涉及图1所示的发明。但是，应理解到的是，本发明可以采用各种可供选择的方位和步骤顺序，除非有相反的明确说明。还应理解到的是，附图所示及说明书所说明的具体装置和程序仅是权利要求限定的发明概念的示例性实施方式。因此，关于此处公开的实施方式的具体的尺寸和其它物理特征不应被认为是限制性的，除非权利要求中另有明确声明。

参照图1-27，图中表示了模具型芯包（mold core package）10。模具型芯包10用于形成成型工具（molding tool）12。模具型芯包10包括具有粘结剂（binding agent）16的多个堆叠的微粒层（stacked particulate layer）14。多个堆叠的微粒层形成牺牲壁（sacrificial wall）18。细长的牺牲微粒管路20贯穿模具型芯包10并在成型工具12中限定共形管路（conformalline）22。模具型腔（mold cavity）26由多个堆叠的微粒层14限定。

可以预期的是，成型工具12可以用于任何种类的成型操作中。这样的成型操作可以包括注射成型、泡沫成型、吹塑、热成型、传递成型、反应注射成型、压缩成型、挤出等等。如以下说明所描述的那样，成型工具12用于注射成型应用。然而，所属技术领域的技术人员应当理解的是，通过利用模具型芯包10制造的成型工具12可以用于前述任何成型应用。

现在参照图1-6，由包括木材、金属等的任意材料制成的模箱（patternbox）或工作箱（job box）40放置在印刷装置42的下方。工作箱40限定印刷区44，在印刷区44中，多个堆叠的微粒层14将构建模具型芯包10（图8）。印刷装置42包括漏斗46和沉积槽48，沉积槽48在印刷区44内部铺设例如二氧化硅、砂、陶瓷与砂的混合物等这样的活化的细微粒50的薄层。微粒50可以是包括直径为0.002mm至2mm的任何尺寸。印刷装置42还包括粘合剂（binder）沉积装置或粘合剂分配器52。如以下详细公开的那样，粘合剂分配器52以期望的模具型芯包10的单层的形状喷出薄层粘合剂或粘结剂16。砂的分层以及在细微粒50上通过粘合剂分配器52喷出粘结剂16的重复导致产生三维（3D）模具型芯模（mold corepattern）10。3D模具型芯模10经过足以在细微粒50的每一薄层上都印刷的一段时间而生成。生成的模具型芯包10最终将用于制造用来生产成型件（molded part）的成型工具12。

参照图1，最初，在与印刷装置42联接的计算机60中运行的包括成品的期望形状的计算机辅助设计（CAD）程序被输入印刷装置42的CAD程序。可以预期的是，CAD或任何其它形式的3D建模软件都可以用于为3D印刷装置42提供足够的信息以形成期望的模具型芯包10（图8）。在开启3D印刷装置42之前，通过微粒喷口62将预定数量的细微粒50连同由活化剂喷口72提供的活化涂层或活化剂70倾倒入漏斗46中。尽管所示的实施例使用细砂作为细微粒50，但如上提到的那样，细微粒50可以包括任何种类的材料或它们的结合。细微粒50在漏斗46中与活化剂70混合。可以通过搅拌器74或其他这样的搅拌装置混合细微粒50和活化剂70的混合物从而活化细微粒50。细微粒50和活化剂70完全混合之后，将细微粒50移至沉积槽48。

现在参照图2和图3，细微粒50移至沉积槽48之后，通过沉积槽48以细且均匀的层的方式横跨印刷区44散布细微粒50。在工作箱40中的印刷区44上散布薄层之后，将粘结剂16喷在活化的细微粒50上。粘结剂16来自粘合剂分配器52，粘合剂分配器52在表示期望的模具型芯包10（图8）的第一薄横截面层的样式80中喷出一薄层粘结剂16。在喷出粘结剂16之后，准备细微粒50和活化剂70的另一混合物，并将混合物倾倒入沉积槽48。然后沉积槽48在工作箱40中在之前散布的细微粒50层之上分配另一层活化的细微粒50。粘合剂分配器52再次越过印刷区44，在表示邻近第一薄横截面层的期望的模具型芯包10的第二薄横截面层的样式80中喷出薄层粘结剂16。重复这些步骤多次，直到已经印出模具型芯包10的每一横截面层（图6）。利用该模具型芯构建技术，实际上可以形成任何形状的模具型芯包10。而且，模具型芯包10可以具有通过其它公知的方法无法产生的内部结构特征。具体地，模具型芯包10可以构建为包括在模具型芯包10中延伸并且围绕模具型芯包10延伸的多条牺牲微粒管路（sacrificial particulate line）20（图6A）。多条牺牲微粒管路20由粘结剂16和细微粒50通过与形成模具型芯包10相同的方式产生。正如这里将进一步详细公开的那样，多个牺牲微粒管路20用于限定共形通道或共形管路22（图13），共形通道或共形管路22在零件注射成型的过程中允许快速加热和冷却成型工具12（图13）。

现在参照图7和图7A，还可以预期的是，可以使用用于连接模具型芯包的组件的任何联锁特征（interlocking feature）。在所示实施例中，具有模具型芯包93A、93B、93C和93D的多个组件的组合模具型芯92适合于插入工作箱中。在特定的例子中，当形成大的成型工具12（图13）时，会需要将模具型芯包的若干个组件装配在一起以形成成型工具12。如图所示，利用牺牲连接器94结合模具型芯包93A、93B、93C和93D的组件，该牺牲连接器94适于在模具型芯包93A、93B、93C和93D的每一个组件中接合接收槽95。模具型芯包93A、93B、93C和93D的组件的功能与本发明讨论的模具型芯包10的功能类似。

如图8-11所示，3D模具型芯包10包括总体上表示将要最终成型的零件的形状的成形表面（forming surface）100。模具型芯包10还包括在成型工具12中限定共形管路22（图13）的多个牺牲微粒管路20。模具型芯包10还具有包括共形管路22的尺寸和布置的形状，其中，共形管路22是细长的通道，在成型工具12中形成成型件的过程中，通过该细长的通道传送加热和冷却流体。同时，共形管路22设置在最终将成为成型件表面的成型表面（molding surface）160（图13）附近。在成型工艺过程中共形管路22帮助成型件的加热和冷却。如图9和图10所示，模具型芯包10为引入熔融材料110做准备。熔融材料110可以是包括铸铁或合金的任何种类的金属。间断间隔的型芯支承件111可以设置在模具型芯包10中。型芯支承件111将牺牲微粒管路20保持在成形表面100之上的适当位置。模具型芯包10和多个牺牲微粒管路20都使用一次以制成一个成型工具12。即，在熔融材料110已经在模具型芯包10中固化之后形成成型工具12的过程中，模具型芯包10和多个牺牲微粒管路20总体上被破坏。可以将例如申请号为61/268,369、名称为“生产铸造表皮或凝塑模具的方法（Method of Producing a Cast Skin or Slush Mold）”的美国临时专利申请以及国际公布号为WO2010/144786、名称为“具有织纹表面的低CTE凝塑模具以及制造和利用该模具的方法（Low CTE Slush Molds with TexturedSurface,and Method ofMaking and Using the Same）”的PCT申请中所示并说明的合金注入模具型芯包10，上述两篇专利文献的全部内容通过引用的方式合并于此。

现在参照图11-13，通过将熔融材料110倒入模具型芯包10中制成成型工具12。熔融材料110填满模具型芯包10、牺牲壁18和牺牲微粒管路20之中及其周围的所有空白空间。熔融材料110可以焚化薄微粒层14中的部分或全部粘结剂16。熔融材料110嵌入模具型芯包10中之后，将模具型芯包10放置在热使模具型芯包10中的粘结剂16挥发的炉中。然后通过打碎牺牲壁18将铸造成型工具12从模具型芯包10中脱离，并且可以冲刷或清洗掉成型工具12上的任何剩余的砂。类似地，也使牺牲微粒管路20中的粘结剂16挥发，使得可以用刷子或从共形管路22洗掉细微粒50的动力喷雾器清除共形管路22。

此外，可以预期的是，可以围绕模具型芯包，例如图11所示的模具型芯包10，印刷薄容纳壁（containment wall）。可以预期的是，薄容纳壁可以很大程度上反映图11所示的工作箱40的构造。当还在印刷模具型芯10包时可以利用上述砂印工艺印刷薄容纳壁。可以在在模具型芯包10周围印刷的薄容纳壁中铸造例如上述熔融材料110这样的熔融材料。为了使薄容纳壁能够经受住铸造工艺，具有围绕模具型芯包印刷的薄容纳壁的模具型芯包嵌套在铸造用砂中增加支承。这样，当由铸造用砂支承时，可以利用附加制造工艺提供用于容纳并形成铸件的容纳壁。此外，可以利用类似印刷保护性薄容纳壁的技术完全包围非常精细且错综复杂的模具型芯包。这样，可以预期的是，可以印刷保护性薄壁容纳结构，该结构完全包围精细的模具型芯包以保护模具型芯包直到需要进行铸造工艺。然后可以打碎保护性薄壁结构以允许铸造操作员取出模具型芯包。

如图12-13所示，然后允许熔融材料110硬化。熔融材料110硬化以形成成型工具12。硬化之后，破坏模具型芯包10并且清除内部空隙。在擦洗和适当处理成型工具12之后，留下的成品成型工具12能够在注射成型或其它成型工艺中形成成型件。成型工具12包括用于将成型材料122（图15B）注射到在相对的成型工具12之间限定的模具型腔26（图16A）中的注射口120。此外，应当注意的是，在成型工具12中提供共形管路22。成型工具12仅表示成型总成130（图16A）的一半，成型总成130包括作为用于形成成型件140的第一半模具132和第二半模具134（图16A）操作的两个成型工具12。

现在参照图14A-14H，牺牲微粒管路20（图12）可以形成有在对模具型芯包10施加熔融材料之后限定共形管路22中不规则形状的各种突起。因此，共形管路22可以包括各种构造和特征，例如湍流诱导部件（turbulence inducing member）。如图14A所示，共形管路22包括限定成型工具12中的凹槽（recess）143的多个鳍片（fin）141。凹槽143可以提供在成型工艺之前将热有效地传递至成型材料110或者从已经成型的零件中消退热的期望的热力学特征。在另一实施例中，如图14B所示，鳍片141和凹槽143构建为螺旋样式（spiral pattern），其可以在加热或冷却成型工具12时在共形管路22中产生附加的湍流。例如图14C-14F所示的类似的实施例包括菱形构造（图14C）、呈现螺旋构造的菱形构造（图14D）、长圆构造（ovular construction）（图14E）以及呈现螺旋构造的长圆构造（图14F）。此外，共形管路22的直径还可以改变，使得当暖/冷流体通过共形管路22时通过成型工具12的流动增加或减少（图14G）。由于利用通过这里详细说明的3D印刷工艺制成的模具型芯包制造成型工具12，因此共形管路22可以有这些和其它变体。传统用于成型工具的冷却管路被频繁钻孔，因此排除了不规则形状的共形管路22的可能性。此外，如图14H所示，可以预期的是，共形管路22的纵向长度可以是线形、弓形、有角度的等等。而且，共形管路22可以是波形的并且包括非常靠近成型表面160（图15A）的部分以及不靠近成型表面160的其它部分，使得共形管路22的不同区域对成型工具12以及最终将要成型的零件具有不同的热影响。如这里提到的，通过这里详细说明的3D印刷工艺可以制成这些构造。

现在参照图15A-15D，可以预期的是，共形管路22可以与一个或多个共形贮液器（conformal reservoir）145连通或成为一个或多个共形贮液器145的一部分。每个共形贮液器145由在构建模具型芯包10的过程中与模具型芯包10一起形成的牺牲替换体（sacrificial displacement body）形成。牺牲替换体可以包括在对模具型芯包10施加熔融材料之后限定共形贮液器145中不规则形状的多个凹槽。共形贮液器145适于提供通过成型工具12、邻近成型工具12中限定的成型表面160的热/冷流体的均匀流动。成型工具12可以包括遍布成型工具12延伸的多个共形贮液器145。如图15C和15D所示，提供设计为承受与注射成型压力有关的成型工具12的负载的周期栏柱（periodic column）146。周期栏柱146确保注射成型工具12在任何共形贮液器145附近不会破损或断裂。此外，成型工具12包括防止注射到模具型腔26（图16A）中的成型材料进入共形贮液器145或共形管路22的分隔壁（separation wall）139。

根据共形管路22具有的对成型工具12以及最终将要成型的零件的期望的热影响，共形贮液器145可以呈现各种结构并且可以位于距成型表面160的各种距离的位置。此外，可以预期的是，共形贮液器145可以贯穿整个成型工具12呈波浪形。更具体地，共形贮液器145的某些部分可以比共形贮液器145的其它部分更靠近成型工具12的成型表面160，因此提供与距成型表面160较远的共形贮液器145的那些区域相比具有对成型表面160的较高热影响的区域。

现在参照图15E-15G，可以在共形贮液器145内部设置各种湍流诱导部件以限制在注射成型工艺过程中流过零件的热/冷流体的停滞并改善湍流。如图15E所示，设置多个鳍片147，它们以相对于彼此角度设置并且促进流入鳍片147并围绕鳍片147流动。作为选择，如图15F所示，在共形贮液器145内部的间歇位置设置多个挡板148，其用于影响流过共形贮液器145的热/冷流体的流动，并且还使在挡板148的位置的热/冷流体的热影响降至最低。在又一实施例中，如图15G所示，多个间歇突起149延伸到共形贮液器145中，由此影响共形贮液器145中热/冷流体的流动和停滞。尽管所示的突起149包括圆柱形结构，但可以理解的是，突起149也可以采用许多不同的形状。所属技术领域的技术人员还可以理解的是，作为由这里公开的3D印刷工艺构建的直接结果，可以在成型工具12中形成任何各种不同的架构（architecture）。在成型工艺过程中，湍流部件由模具型芯中的凹槽限定，该凹槽在制造成型工具12的过程中随后被熔融材料填充。

现在参照图16和图16A，第一半模具132与事先形成的并且在形状上互补的第二半模具134连接。第一半模具132和第二半模具134代表利用参照图1-14详细描述的印刷技术形成的成型工具12。第一半模具132和第二半模具134之间的模具型腔26表示将要形成的成型件140（图17）的形状。第一半模具132和第二半模具134通过设置在第一和第二半模具132、134中的每一个的角落周围并横向（X和Y方向）固定第一半模具132和第二半模具134的销（pin）144连接。同时，压力机（press）150在垂直方向固定第一半模具132和第二半模具134。第一半模具132和第二半模具134已经固定在一起之后，以高压的方式通过注射口120注入成型材料122。因此，在第一半模具132和第二半模具134之间限定的模具型腔26被成型材料122填满。同时，通过邻近第一半模具132和第二半模具134的成型表面160设置的共形管路22将加热流体152（图24和图25）用泵送入进口153，并且加热流体通过出口155流出。加热流体152加热第一半模具132和第二半模具134的成型表面160，引起成型材料122完全地流入模具型腔26。在成型材料122已经完全填满模具型腔26之后，共形管路22排出加热流体152。然后用冷却流体154填充共形管路22以快速冷却位于模具型腔26中的成型材料122。可以预期的是，冷却流体154和加热流体152可以是相同的流体。作为选择，冷却流体154可以是在冷却条件下使用良好的第一流体，加热流体152可以是在加热条件下使用良好的第二流体。经过预先确定的一段时间之后，第一半模具132和第二半模具134分离，并移除成型件140（图17）。第一半模具132和第二半模具134现在准备重新连接并引入另外的成型材料122以形成更多的成型件140。

本发明的再一实施例包括嵌入成型总成（insert molding assembly）168（图21），该总成具有适于分别接合第一和第二底模174、176的第一和第二嵌入模170、172，第一和第二嵌入模170、172也称为型腔工具（cavity tool）170和型芯工具172。如图18-20所示，第一和第二嵌入模170、172通过根据以上图1-14概述的类似的工艺形成。利用相同的3D印刷工艺，但3D印刷工艺用于形成第一和第二嵌入模170、172而不是用于形成成品成型工具12。第一和第二嵌入模170、172为快速连接第一和第二底模174、176作准备，由此允许使用者从第一和第二底模174、176中快速换出第一和第二嵌入模170、172，由此提高在成型设备中制成不同成型件140的速度。共形管路22和共形贮液器145可以在嵌入模170、172中的任一个中形成或在它们两个中都形成。还可以预期的是，共形管路22可以与第一和第二底模174、176中的共形管路22流体连通，或者与第一和第二底模174、176中的传送管路（relay line）流体连通。通过在向模具型芯包10中引入熔融材料之前，在模具型芯包10中形成诸如牺牲替换管路和牺牲替换体这样的牺牲型芯部分，制造共形管路22、共形贮液器145和任何传送管路。

如图21-23的实施例所示，第一和第二嵌入模170、172设计为分别嵌入第一和第二底模174、176中。第一和第二嵌入模170、172与设置在第一和第二底模174、176的角落周围的销180对齐。尽管图21-23所示的实施例中销180适于接合第一和第二嵌入模170、172，但本发明并不因此限定为该实施例。销180充当可以引导嵌入物、底模、嵌入物和底模的向导特征，或者可以完全移除销180。然后第一底模174、第一嵌入模170、第二嵌入模172和第二底模176牢固地连接，并且成型材料122通过入口179嵌入第一底模174中并穿过第一嵌入模170。成型材料122占据第一嵌入模170和第二嵌入模172之间限定的模具型腔26。然后通过共形管路22加热成型材料122，共形管路22包括通过共形管路22用泵送入入口182并从第一和第二嵌入模170、172的成型表面188的出口184流出的加热流体152。在已经对模具型腔26内部的成型材料122完全增压之后，将冷却流体154插入共形管路22中以快速冷却或制冷成型材料122，由此形成硬化的成型件140。然后从模具型腔26（图23）中移除成型件140，然后第一底模174、第一嵌入模170、第二嵌入模172和第二底模176重新连接并再次填充成型材料122以形成另外的成型件140。

现在转到图24和图25，总体上可以预期的是，延伸通过成型工具12或嵌入成型总成168（共同地称为“成型总成200”）的加热流体152和冷却流体154传送自温度控制系统202。温度控制系统202包括与成型工具12或嵌入成型总成168连通的加热流体152和冷却流体154。要加热成型总成200时，典型地在成型材料122最初嵌入成型总成200中的过程中，阀门站（valve station）204开启允许加热流体152从加热的流体贮液器208流向成型总成200的加热侧阀门206。同时，控制冷却流体154从冷却的流体贮液器212流向成型总成200的冷却侧阀门210关闭，使得冷却流体154无法到达成型总成200。成型总成200已经达到期望的温度并经过期望的一段时间之后，加热流体152然后返回加热的流体贮液器208，允许加热流体152流体连通至成型总成200的加热侧阀门206关闭。同时如图25所示，冷却的流体贮液器212和成型总成200之间关闭的冷却侧阀门210打开，使得冷却流体154可以流向成型总成200，因此冷却成型材料122并形成硬化的成型件140。

图26表示与如上所述的成型总成200一起使用的加热系统300的一个实施例。加热系统300包括经过集渣器304的加热流体管路302，其中集渣器304除去加热流体152中可能存在的任何污垢或碎屑。然后加热流体152经过脱气罐306。脱气罐306在加热流体152被泵308移至加热器310之前除去不需要的气体和其它杂质。加热流体152总体上比期望的凉一些，因为加热流体152从发生热传递的成型总成200返回。因此，需要在加热器310中重新加热加热流体152。加热器310在加热流体152经过辅助调节加热流体152的热量的热交换器312之前将加热流体152的温度提高至期望温度。热交换器312与冷却水出口314和防止热交换器312达到过高温度的冷却水供应316联接。然后在加热流体152经过流量计320之前，加热流体152经过确认加热流体152的温度的第一和第二温度传感器317、318，其中流量计320提供流向成型总成200的加热流体152的体积流量。

现在参照图27，所示为适于与成型总成200连接的冷却系统400。冷却流体154通过集渣器402并流入冷却箱404，在冷却箱404中，冷却流体154被冷却至期望温度。冷却流体154总体上比期望的热一些，因为冷却流体154从将成型总成200和成型件140的热量传递到冷却流体154的成型总成200返回。因此，需要在冷却箱404中重新冷却冷却流体154。温度传感器406监测冷却箱404中的温度。冷却箱404通过设置在冷却箱404中的浸入式蒸发器（submerged evaporator）408冷却。浸入式蒸发器408与流经设置在高压断流器412和低压断流器414之间的压缩机410的制冷剂连接。在移动经过压缩机410之后，制冷剂在冷凝器416中冷却。离开冷凝器416之后，在移动经过可以检查制冷剂的颜色、稠度、杂质等的观察镜424之前，制冷剂经过收集器418和止回阀420，以及过滤干燥器422。然后制冷剂通过膨胀阀426，在这里，制冷剂在进入冷却箱404之前可以快速冷却。由于制冷剂通过冷却箱404，制冷剂冷却冷却箱404和冷却箱404的内容物，使得冷却箱404中的冷却流体154被冷却至期望温度。冷却流体154的温度由温度传感器406监测。然后用泵将冷却流体154从冷却箱404中抽出并推向成型总成200，更具体地，推向成型总成200中的共形管路22。

尽管图26和图27是可以与模具一起使用的加热和冷却系统的示例性实施例，但可以预期的是，其它加热和冷却系统也可以与模具一起使用，具体地，如前所述，其它加热和冷却系统可以与成型工具、嵌入模和底模一起使用。

现在参照图28，表示本发明的另一实施例，其中砂模包（sand moldpackage）530包括上模或上型模（cope mold）532、下模或下型模（drag mold）534和型芯522。砂模包530全部由模具和型芯组件组成，模具和型芯组件由砂印器印制，随后从工作箱中移除。所示的砂模具包530用于以上述类似的方式铸造熔融材料作准备。

现在参照图29和图30，所示为型芯522嵌入设置在下型模534的顶面上的型腔539中，其中，型腔539形成由具有型腔537的上型模532和下型模534联合限定的成型型腔。如图30所示，砂模包532由彼此堆叠的上型模532和下型模534完全组装。如图28所示，模具型腔由分别都设置在上型模532和下型模534中的型腔537、539联合产生。如图28-30所示，所示孔536和538设置在上型模532的上表面。孔536表示用于将熔融材料倒入如图30中组装的砂模包530中的接入点。如图28所示，接入点536还与一系列流道（runner）连接，允许熔融材料通过接入点536从上型模532经过下型模534。这样，流道541自下而上填充分别由上型模532和下型模534的型腔539、537联合产生的模具型腔。由于熔融材料填充模具型腔，多余的熔融材料开始填充设置在上型模532的顶面上的冒口（riser）538。冒口538帮助铸造操作员了解砂模具包530的模具型腔何时已经填满，并且还允许熔融材料下沉时熔融材料可用于填充模具型腔的任何区域。

一俟熔融材料在砂模具包530中固化，就打碎砂模具包530，如图31所示，从而展现铸造件540。如图32所示，所示铸造件540具有用于填充图28-30所示的在成型工具542上硬化和固化的砂模具包530的接入点536、流道系统541和冒口538的铸造材料。示为536A、538A和541A的这些铸造结构从成型工具542上用机器切削或以其它方式从成型工具542上移除从而展现准备用于成型工艺中的工具。

模具型芯包和这里所包括的组件，以及这里公开的由模具型芯包制成工具的方法提供改进的均匀冷却成型工具的所有区域的能力，由此降低了翘曲、断裂等的可能性。此外，与由印刷工艺制成的模具工具相关的准确度提供更好的零件品质、精确度和设计灵活性。共形管路允许热性能提高。去掉用于加热和冷却的多条管路有利于能够设置为与提高工具品质以及工具和零件品质所需要的期望的热负荷匹配的整合的加热和冷却共形管路。此外，模具型芯包组件和由模具型芯包组件制成的工具可以设计为改善循环时间，由此增强零件制造能力。可以在不需要对成品件进行额外涂色或上釉的情况下形成提供平滑光泽成品（即钢琴黑）的A级曲面（ClassA surface），此外，可以通过在成型工具的模具表面上蚀刻样式来形成具有蚀刻样式的A级曲面，由此得到具有浮雕于成品件之上的样式的成品件。

所属技术领域的技术人员应当理解的是，所描述的本发明的结构和其它组件不限于任何具体的材料。这里公开的本发明的其它示例性实施例可以由任何种材料制成，除非这里另有说明。

为了说明，术语“连接”（各种形式的连接）总体上指两个（电的或机械的）组件彼此直接或间接的接合。这样的接合可以是实质上固定的或实质上移动的。这样的接合可以通过两个（电的或机械的）组件与彼此或两个组件一体成型为一个单独的整体的任何附加的中间组件实现。如无相反的说明，这样的接合可以是实质上永久的或可以是实质上可移除的或可拆离的。

同样重要的是，需注意示例性实施例中示出的本发明的元件的构造和设置仅是示例性的。尽管本发明的很少一些实施例在说明书中进行了详细说明，阅读本发明的本领域的技术人员将容易地理解到，多种变化也是可能的（例如各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例，参数值，安装布置，材料的应用，颜色，方位等）而实质上并不脱离本发明的新颖教导和优势。例如，示出的一体成型的元件可以由多个示为可以一体成型的多个零件的部件或元件构成，界面的操作可以倒过来或做其他变化，系统的结构和/或部件或连接器或其它元件的长度或宽度可以改变，元件之间提供的调节位置的类型或数目可以改变。应注意的是，系统的元件和/或总成可以由提供足够强度或耐用性，具有多种色彩、纹理或其组合的任一的多种类型材料中的任一种形成。因此，所有这些变化均包括于本发明的保护范围内。可以对上述的实施例和其它示例性实施例的设计、操作条件和设置进行其它的替代、修正、改变和省略而不脱离本发明的精神。

应理解到的是，任何所述的过程或所述过程中的步骤可以与其它公开的过程或步骤组合以形成本发明的保护范围的结构。此处公开的示例性的结构和过程仅用于说明而不构成对本发明的限制。

还应理解到的是，对前述的结构和方法所做的改变和修正并不脱离本发明的保护范围，进一步地应理解到的是，这些概念涵盖于权利要求中，除非这些权利要求的文字表述有相反的表示。

Claims (20)

1.一种用于形成成型工具的模具型芯包，其特征在于，包含：

包括粘结剂的多个堆叠的微粒层，其中，多个堆叠的微粒层形成限定模具型腔的牺牲壁；以及

从模具型芯包延伸并适于替换施加到模具型芯包的熔融材料的牺牲替换管路和牺牲替换体。

2.根据权利要求1所述的模具型芯包，其特征在于，牺牲替换体包括至少一个适于接收熔融材料并在成型工具中形成湍流诱导部件的凹槽。

3.根据权利要求1所述的模具型芯包，其特征在于，牺牲替换体的实质部分靠近由多个堆叠的微粒层限定的成型表面并与之共形。

4.根据权利要求1所述的模具型芯包，其特征在于，牺牲替换管路一体连接到牺牲替换体。

5.根据权利要求1所述的模具型芯包，其特征在于，进一步包含：

在牺牲替换体中适于接收熔融材料并限定支承栏柱的接合部分。

6.根据权利要求1所述的模具型芯包，其特征在于，进一步包含：

延伸穿过模具型芯包的注射口。

7.一种制备成型工具的方法，其特征在于，包含：

（a）沉积薄层微粒；

（b）将粘结剂选择性地施加到薄层微粒，以限定模具型芯包的横截面；

重复步骤（a）和（b），生成具有靠近限定模具表面的模具型芯包的牺牲替换体的模具型芯包；及

将熔融材料施加到模具型芯包以形成成型工具。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包含：

在牺牲替换体周围施加熔融材料以形成共形贮液器。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将熔融材料施加到模具型芯包以形成成型工具的步骤进一步包含：

将具有超低热膨胀系数的镍铁合金施加到模具型芯包中。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将熔融材料施加到模具型芯包中以形成成型工具的步骤进一步包含：

施加具有小于5.0x10^-6in./in./F°的热膨胀系数的镍铁合金。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包含：

将牺牲替换管路与牺牲替换体一体连接。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包含：

在牺牲替换体中形成适于接收熔融材料并形成支承栏柱的接合部分。

13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包含：

在成型工具中形成注射口。

14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包含：

在注射口和共形贮液器之间形成分隔壁。

15.一种制备成型工具的方法，其特征在于，包含：

（a）沉积薄层微粒；

（b）将粘结剂选择性地施加到薄层微粒，以限定模具型芯包的横截面；

重复步骤（a）和（b），以生成具有牺牲替换体和牺牲替换管路的模具型芯包；及

将熔融材料施加到模具型芯包，使得牺牲替换体和牺牲替换管路在模具型芯中形成空隙。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将粘结剂选择性地施加到薄层微粒以限定模具型芯包的横截面的步骤包含：

使用三维砂印装置在薄层微粒上印刷粘结剂。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将熔融材料施加到模具型芯包的步骤进一步包含：

将具有超低热膨胀系数的镍铁合金施加到模具型芯包中。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将熔融材料施加到模具型芯包的步骤进一步包含：

施加具有小于5.0x10^-6in./in./F°的热膨胀系数的镍铁合金。

19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包含：

将牺牲替换体与牺牲替换管路一体连接。

20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包含：

在牺牲替换体中形成接收熔融材料以限定支承栏柱的接合部分。

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