JP2002515831A

JP2002515831A - 熱交換性をもつ鋳造された金属製の成形用工具の製造法

Info

Publication number: JP2002515831A
Application number: JP54074998A
Authority: JP
Inventors: マクドナルド，ロバート・アール; ジヨーンズ，ウイリアム・オー
Original assignee: メタラミクス・インコーポレーテツド
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 2002-05-28
Also published as: CA2284609A1; WO1998041340A1; EP0973621A1

Abstract

(57)【要約】鋳造された金属の成形用工具の内部の適切な位置に鋳造されてつくられた抽出除去し得る多孔性の予備成形体を使用し、単一体の鋳造された熱交換性をもつ金属製成形用工具がつくられる。しかる後、該消耗可能な予備成形体を抽出し、該工具の本体の内部に相互に連結した細孔および通路（３２）の網状構造物を残す。該細孔および通路を通して伝熱用の流体を循環させ、該工具の実質的に非多孔性の輪郭をもった成形面へとまたは該成形面から熱を伝達させる。鋳造を行う際流体の分配／捕集ラインおよび真空ライン（２６、２８）を導入することができる。

Description

【発明の詳細な説明】熱交換性をもつ鋳造された金属製の成形用工具の製造法技術的分野本発明は熱交換性をもった成形型およびダイス型のような、形状を賦与する成形用工具の構造および製造法に関する。本発明の背景成形用工具、例えば金型およびダイス型は製品に所望の形を賦与するために多くの工程で使用されている。例えば金型およびダイス型は、工具の鋳造用のキャビティの形をした金属、プラスティックス、ガラス、ゴム等の鋳造品の製造に使用されている。金型はまた打抜き、プレス、硬貨の鋳造、延伸、押出し、鍛造等の他の操作において金属のシートまたはビレットに所望の形を賦与するのに使用されている。プラスティックスおよびガラスの製造工業においては、種々のプラスティックス、樹脂、複合体およびガラスを成形し、これらの材料から種々の成形品を製造するのに使用されている。これらの多くの成形操作においては、成形すべき材料を予熱するためにかなりの量の熱が必要であり、成形用の工具から完成した製品を取り出し得るようにする前にこれらの熱を除去しなければならない。例えば高温の流動可能なプラスティックス材料を成形する場合、成形する前に樹脂を加熱し、次いで樹脂を成形した後、ダイス型から取り出す前に材料を安定化させるために成形した製品を十分に冷やさなければならない。勿論これらのすべての操作においては、人員および製造装置の生産性を最大にするために、成形操作はできるだけ迅速に行うことが望ましい。品質およびサイクル時間を支配する主要な因子は、製品から熱を除去する速度および均一性である。成形用の工具を製造する現在の方法に従えば、金属の成形用工具を製造する場合、極めて普通の操作として金属の塊のブロックを原料にし、つくられる製品の形の輪郭に対応した輪郭をもつ成形用表面が工具によりこのブロックに機械加工される。また製品を成形するために、伝熱用の流体を循環させ成形用の工具から熱を抜き取りまた該工具へと熱を伝達するための流体を通す孔を、成形用表面の下方においてこのブロックに開けておくことも通常行われる。しかしこのように流体通路を開けるには制約がある。何故ならば成形用の表面はしばしば複雑な形をしており、工具のすべての区域へと通路を均一に延ばすことは不可能ではないにしても困難であり、この場合成形用工具は所望の冷却または加熱特性を有し、また最適の伝熱効率をもつことが要求されるからである。本発明と同一の出願人による世界特許公開明細書ＷＯ−９６／１７７１６号には、従来法に比べ効率的で均一に熱を伝達するように設計された成形用工具が記載されている。また上記の塊になったブロックの場合と極めて類似した方法で発泡体の金属のブロックのような多孔性の伝熱体に機械加工を行い、つくるべき成形表面の所望の形状に対応した輪郭の表面を得る成形用工具の製造法も記載されている。これをつくった後、輪郭がつけられた表面に金属層を加熱して噴霧し、非多孔性の成形表面をつくる。多孔体の金属の開いた網状構造により成形表面から熱が取り出され、開いた細孔の網状構造によって伝熱流体に対する曲がりくねった流路が与えられ、成形表面は迅速且つ均一に冷却および加熱が行われ、この工具により製品がつくられる。上の節に述べた多孔体部分をもった成形用工具は塊になったブロックからつくられた伝統的な成形用工具に比べ非常に進歩していると考えられるが、金属の多孔体部分の中に成形表面を機械加工する工程はコストと時間がかかる工程である。加熱噴霧もコストがかかり、特殊な装置と熟練した操作が必要である。本発明の主要な目的は、高効率の熱交換型成形用工具の構造と製造方法を簡単化することにより、熱交換型成形用工具の上記の初期の発展にさらに改善を加えることである。本発明の要約と利点広義において本発明によれば、多孔性の熱交換機能をもつ支持体によって裏打ちされた非多孔性の成形部分を有する単一体のモノリシックな構造物をつくる通常の加工方法では不可能ではないとしても製造が困難な方法で、成形用工具を鋳造する方法が提供される。多孔体は成形部分の広い伝熱表面をつくり、低い流速において伝熱用の流体の撹乱流を生じる曲がりくねった流路が多孔体中につくられる。さらにこの多孔体を用いると、成形の際の圧縮力および操作中工具の中を流れる流体が及ぼす水力学的な引張り力に耐えるのに必要な構造的一体性を有する工具を製造することができる。本発明の一態様に従えば、相互に連結した開いた細孔および通路の網状構造物に対応したパターンをもつ消耗可能な（ｅｘｐｅｎｄａｂｌｅ）材料、例えばセラミックスまたは塩の開いた網状構造物から多孔性の挿入体をつくる。鋳造の成形型のキャビティーの内部においてこの挿入体を、つくるべき製品の成形面に対して逆の関係に対応する形の輪郭をもつ相対するキャビティーの表面の上方に、該挿入体の第１の面が間隔を置いて配置されるように懸架する。キャビティーの中に熔融した金属を流し込み、金属が挿入体を取り囲み細孔および通路の網状構造物の中に侵入し、挿入体および輪郭がつけられたキャビティーの表面並びに挿入体の細孔をつくっている多孔性の金属網状構造物の間で、非多孔性の成形面部分を有するモノリシックな構造物が生じるようにする。元の多孔性の挿入体は鋳造後に工具から抽出し、金属網状構造物全体に亙り互いに連絡した細孔および通路の対応する網状構造物および非多孔性の成形表面を残し、成形表面の冷却または加熱を効率的且つ均一に行うための曲がりくねった流路を支持体全体に亙ってつくる。工具を鋳造することによりつくられたばかりのすべての外表面を最終的な形に近い形にすることができる。本発明は前記従来法の成形用工具および前記の特許明細書に記載された初期の熱交換型成形用工具に比べて幾つかの利点をもっている。本発明の工具においては、金属のブロックから成形用工具を機械加工によってつくるのではなく、取出し除去可能な挿入体を原料として使用し、その周りに成形用工具およびその成形面を鋳造することにより内側からつくられる。これによって製造工程が著しく簡単化され、非多孔性の成形面、外側の成形型の残りの面および多孔性の支持体が単一体としてつくられた一体となった最終の形に近い構造物が得られる。成形用工具を鋳造によってつくることにより、上記の初期の熱交換型成形用工具における多量の機械加工および加熱噴霧を使用しないですむから、成形用工具を製作する時間およびコストが減少するので、製造工程がさらに簡単化される。単一体の構造によって熱の流れの経路は冶金的および機械的に直接的な経路になり、成形用工具の伝熱特性が改善され、従ってその効率が増加し、この工具によって成形される成形品を加熱および／または冷却するのに必要な伝熱回路の中でのエネルギー量は減少する。本発明の他の態様に従えば、消耗可能な挿入体に予め金属を侵入させておく。鋳造中挿入体の金属は機械的および冶金的に熔融した鋳造金属と接合し、上記の単一体の鋳造構造物と同様な単一体のモノリシックな構造物が得られる。鋳造後、消耗可能な材料を上記のように取り出し、伝熱用の流体を通し得る相互に連結した細孔および通路から成る内部的な網状構造物が残るようにする。図面の説明次に本発明の好適具体化例を添付図面を用いて説明する。これらの図面において、図１は本発明の第１の具体化例に従ってつくられた成形用工具の模式断面図である。図１Ａは図１の円で囲んだ区域１Ａの拡大模式断面図である。図２は鋳造型のキャビティーの内部に支えられているように示された消耗可能な挿入体の模式断面立面図である。図３は図２と似た図であるが、鋳造型の中および挿入体の周りに流し込まれた熔融した金属を示す。図４は挿入体を抜き取る前の鋳造して得られた成形用工具の半仕上げ製品の模式断面図である。図４Ａは図４の円で囲んだ区域４Ａの拡大模式断面図である。図５はは本発明の第２の具体化例に従ってつくられた成形用工具の模式断面図である。図６は鋳造型の内部に支えられているように示された本発明の第２の具体化例の鋳造して得られた成形用工具の模式断面図である。図７は消耗可能な挿入体の材料を抜き取る前の鋳造して得られた成形用工具の模式断面図である。図７Ａは図７の円で囲んだ区域７Ａの拡大模式断面図である。図８は別の成形用工具の構造の模式断面図である。図９は組み込まれた流量制御システムを有する成形用工具の模式断面図である。図１０は組み込まれた真空システムを有する成形用工具の模式断面図である。図１１は本発明のさらに他の具体化例に従ってつくられた成形用工具の模式断面図である。本発明の詳細な説明広義において本発明は、種々の成形可能な材料、例えば種々の製造法によって得られた金属、プラスティックス、熱可塑性プラスティックス、熱硬化性プラスティックス、エラストマー、ゴム、発泡体、樹脂、ガラス、複合体等を成形するのに使用される成形用工具に関する。このような成形方法には例えば金属の鋳造、打抜き、押出し、鍛造、延伸、ロール掛け；射出成形、吹き込み成形、圧縮成形、発泡成形、反応射出成形、加熱成形、加熱成形／熱硬化成形、回転成形を含むプラスティックス加工法；およびガラス製造工業におけるガラスの成形；並びに上記の世界特許明細書ＷＯ−９６／１７７１６号に記載された工具および方法を含む製品の製造法において成形し得る材料に或る形を賦与するために工具を使用するような他の用途が含まれる。該特許は参考のために添付されている。特に本発明は、消耗可能な多孔性の挿入体の周りで鋳造を行う方法を用いる熱交換型の成形用工具の製造法に関し、この方法によれば一体となった、コスト効率が良く、所望の熱交換特性をもった全体を一操作で鋳造し成形した成形用工具が得られる。本発明の第１の具体化例に従ってつくられたこのような成形用工具は図１に模式的に示されており、一般的に参照番号１０が与えられている。工具１０は一体となったモノリシックな鋳造金属構造物で、該工具１０によって成形される製品の形状に対応した予め定められた形の外側の輪郭をもった成形面をもった、一般的に均一な厚さの外皮または外殻の形の非多孔性の表面部分１２を有している。成形面部分１２は多孔性の熱交換支持体１６によって裏打ちされている。支持体１６は鋳造されたままの状態で殆どまたは完全に最終的な形をした非多孔性の外殻部分１８を含み、また４本の直立した形の側壁２０を有し、これは上方の端の所で成形表面１２に対し、また相対する下方の端の所で外殻１８の成形された底部の壁２２に対して一体となり、鋳造構造物の内部にある内部室２４を規定している。室２４を通して伝熱用の流体を循環させ工具を操作する際に成形表面へまたは該表面から熱を移動させるために、流体を通す少なくとも一つの、好ましくは少なくとも一対の孔２６、２８が備えられている。適当な伝熱用の流体には、室温ないし約３５０℃の伝熱温度を得るための高温または低温の水のような液体、および水蒸気または減圧下の水蒸気のようなガスが含まれる。室２４の内部には、熱を伝える多孔性の金属網状構造物３０があり、これは第１の具体化例においては残りの鋳造部分と同じ鋳造金属材料で鋳造された一体となったモノリシックな部分として鋳造されている。換言すれば、成形面１２、外殻１８および多孔性の金属網状構造物３０を含む成形用工具のすべての部分が単一の全体的なユニットとして同じ材料から鋳造されている。このようにして一つの鋳造部分から次の鋳造部分へ、特に成形面１２と金属の網状構造物３０との間で連続的な冶金学的および機械的な転移が起り、図１および１Ａに模式的に示されているように、材料の過渡的な境界面または変化によって中断することなく、成形面部分１２と鋳造体１０の多孔性の支持体１６との間で熱を伝える妨げられない直接の流路がつくられている。金属の網状構造物３０は開いた多孔体であり、それはそのまま金属の網状構造物３０全体に亙る相互に連結した開いた細孔および通路３２の対応した網状構造物となっている。伝熱用の流体が室２４の細孔３２の網状構造物を通過する際、該伝熱用の流体に体し大きな表面積をもった金属の鋳造材料が露出し、工具１０と流体との間で迅速且つ効率的に熱伝達が行なわれることにより、網状構造物３０の開いた多孔性構造は成形部分１２の遠くまで延びた熱伝達面として作用する。金属の網状構造物３０はまた、成形操作の間工具が受ける外部からの圧縮的な成形力、並びに伝熱流体が加圧下に支持体１６を通る際伝熱流体によって及ぼされる動的な水圧による引張り力に耐えるのに必要な構造的な支持を行い、工具１０に対する一体性を与える役割もする。細孔３２の網状構造は伝熱流体に対する曲がりくねった流路を規定し、伝熱流体を低速で支持体１６を通して撹乱的に流し、さらに熱が成形面へまた該表面から、従って成形すべき材料に対して移動し得る速度を増加させる。熱伝達の速度が増加させる他に、金属および多孔性の網状構造物３０、３２に種々のパターン、大きさ、形および相対的な分布をもたせ、成形表面１２を横切る伝熱の速度を制御することができる。多くの場合、成形表面１２のすべての区域を均一に加熱または冷却することが望ましいが、他の場合にはある一つの区域を他の区域よりも余分に加熱または冷却することが望ましいこともある。いずれの場合にも金属の網状構造物３０は所望の伝熱特性を得るのに必要な多孔性および分布をもつように設計することができる。成形用工具１０を製作するのに種々の金属材料またはその合金を使用することができる。これらの材料の幾つかを挙げると、アルミニウム、亜鉛、錫、マグネシウム、銅、鉄、ニッケル、鋼、チタン、コバルト、およびこれらの合金および金属間化合物、例えばアルミニウム化ニッケルが含まれるが、これらに限定されるものではない。成形用工具１０の金属材料の選択は主として成形用工具１０の特定の最終用途に依存するが、「金属材料」という言葉は、純粋な金属およびその合金、並びに複合体および金属間化合物を含むすべての金属材料を包含するものとする。図２〜４は図１の成形用工具１０を鋳造する本発明の第１の具体化例に従った好適な鋳造法を示す。この工程は消耗可能な予備成形された挿入体またはパターン３４をつくることで開始される。この挿入体は成形用工具１０の一般的な形と輪郭をもっているが、非多孔性の成形面１２および外殻部分１８の厚さに等しい量だけ大きさが小さくなった形をしている。この輪郭の間には、つくるべき成形用工具１０の予め決定された成形表面の部分１４に形が実質的に対応する挿入体３４の第１の面３６が含まれている。消耗可能な挿入体３４は大きさおよび形がつくられる成形用工具１０の多孔性の細孔および通路３２の網状構造物と一致するパターンをもった一時的な構造物である。挿入体３４が成形用工具１０の内部の適切な位置に鋳造してつくられた場合、挿入体を取り除くと、鋳造物内部に鋳造された金属材料が存在しない空間が保持され、相互に連結された開いた細孔および通路３２の対応する網状構造物が残る。挿入体３４に対して選ばれる材料は、その周りに熔融した金属鋳造物が存在することに耐えるのに十分に強く、熱力学的に安定でしかも化学的熱的な耐久性をもち、同時に鋳造後成形用工具から取り去って細孔３２の網状構造物をつくり得る抽出除去性を保持している材料である。挿入体３４に対する標準的な材料は、金属鋳造の用途に芯の材料として通常使用される種類のセラミックスおよび可溶性の塩の材料を含んでいる。無機塩および特に炭酸塩を消耗可能な挿入体の材料として使用することができる。適当な炭酸塩の中には下記表１に記載したものが含まれる。表１炭酸塩塩融点（℃）分解温度（℃）Ｌｉ₂ＣＯ₃ ７２３１３１０Ｎａ₂ＣＯ₃ ８５１Ｋ₂ＣＯ₃ ８９１ＣａＣＯ₃ １３３９８９９ＢａＣＯ₃ １７４０１４５０表１に掲げた種類の炭酸塩は、金属を鋳造し得る隙間の中につくられ或いは鋳造されて、容易に開いた細孔の多孔性構造物を含む種々の形状にすることができる。これらの塩と共に使用する標準的な鋳造用金属はアルミニウム、マグネシウム、亜鉛、錫、銅、鉄、ニッケル、若干の金属間化合物、例えばＮｉ₃Ａｌ、コバルト、金、銀、およびこれらの合金を含んでいる。鋳造後温和な酸性溶液、例えばＨＣｌ、ＨＮＯ₃、酢酸、Ｈ₂ＳＯ₄等の溶液を作用させてこのような塩を除去または抽出する。酸性溶液と接触させると、激しい化学反応が起こり、ＣＯ₂ が放出され、塩から水が生成し、炭酸塩は速やかに且つ容易に「消失」し、環境に対する衝撃は最低限度に保たれる（ＣＯ₂ガスと塩から生じる水はこの反応の副生物である）。鋳造の環境に耐えるほど十分な耐久性をもち、しかも鋳造後に抜き取り得るという基準に合格する他の材料も挿入体３４の材料として適していることは言うまでもない。挿入体３４は、該挿入体全体に亙って一般的に均一に分布して相互に連結した細孔の対応する網状構造を規定する消耗可能な材料の開いた多孔性の網状構造物から成っている。挿入体３４に対して選ばれる多孔度は、部分的には製造されるべき成形用工具１０の所望の多孔度に依存するが、この二つの間には逆の関係がある。例えば６０容積％の多孔度をもった挿入体３４を用いると、４０容積％の多孔度をもった金属網状構造物３０が得られる。工具の好適な多孔度の範囲は３０〜７０容積％の多孔度の範囲であるが、特定の用途における設計の基準および成形上の要請に依存して約５〜９０容積％に亙る遥かに広い範囲も本発明に包含されるものとする。図３では成形用工具１０を鋳造するのに使用できる鋳造装置３８が摸式的に示されている。ここに示されている好適な装置は低圧鋳造装置であるが、他の公知の種々の鋳造法の任意のものを使用して本発明のモノリシックな鋳造工具を製造することも完全に本発明の範囲内に入るものとする。これらの方法には砂型鋳造、ダイス型鋳造、真空鋳造、絞り鋳造、射出成形、永久型鋳造および他の標準的な鋳造法が含まれる。好適な低圧鋳造装置３８は、保持容器４６の密封された室４４の内部に含まれる熔融金属Ｍの杓４２の上部に配置された鋳造型４０を含んでいる。この鋳造型４０はキャビティー４８をもつようにつくられ、その壁の大きさおよび形は作られる成形用工具１０に対応している。鋳造型４０の底部の入口５０は垂直に充填管５２に連結され、該管の下方の自由端は杓４２の内部にある熔融金属Ｍに浸漬されている。低圧鋳造は、低圧下において熔融した金属を下方から鋳造型のキャビティーの中に送り込み、正確に調節した低い圧力および流速条件下において（典型的には約５〜２０ｐｓｉの範囲）底部から鋳造型のキャビティーを満たし、撹乱を最低限度に抑制し薄い部分を含む鋳造型のキャビティーを完全に充填する工程を含んでいる。しかし最高２００ｐｓｉまたはそれ以上の高圧を使用することもできる。砂型および永久的な金属の型を含む種々の種類の型が低圧鋳造の用途に使用される。成形用工具１０をつくるのに用いられる鋳造型４０の好適な構成には、成形用工具１０の成形表面１４と逆の輪郭をもった基板５８の上に取り付けられている成形されたセラミックス・ブロック５６を具備した下方部分５４が含まれる。好適な形の底部が開いた金属の箱に似た構造物の分離可能な上方部分６０には、セラミックス・ブロック５６の側面を緊密に取り囲みその下端において基板５８に対して密封されている側壁６２が備えられている。該上方部分６０の上壁６４はブロック５６の上部表面６６の上方において側壁６２の上端に固定されている。鋳造型の表面はすべて工具１０の外側の所望の表面と逆になる輪郭をもっている。図２に示したように、挿入体３４は鋳造型４０のキャビティー４８の内部に逆向きに配置され、その成形表面３６はブロック５６の表面６６の上に懸架され、作られる成形用工具１０の成形表面部分１２に形および寸法が対応する間隙がその間につくられている。挿入体３４の残りの側面は同様に隣接した側面６２および型４０の上壁６４から成形用工具１０の非多孔性の外殻部分１８に対応する距離だけ間隔を置いて配置されている。挿入体３４に対して固定され、型４０の上方部分６０に対しては緩め得るように取り付けられた緩め得る連結材または取付材６８により、挿入体３４に対する支持部材を取付ることができる。この連結材６８は金属、または成形用工具１０の永久的に一体化され適切な位置に鋳造された部材となり得る他の材料からつくることができるか、或いは挿入体３４に使用されたような消耗可能な材料からつくることができる。後者の場合にはこれによって上記の孔２６、２８の目的を行い得る孔が外殻１８に鋳造されるであろう。挿入体３４を型４０の内部の適切な位置に配置した後、熔融した鋳造用の金属Ｍを低圧で充填管または針状管５２および底部の入口５０を経てキャビティーの中に流し込み、図３に模式的に示されているように底部から上方にキャビティー４８の中に充填する。通常の低圧鋳造法に従い、圧力差をコンピュータでコントロールしキャビティー４８への金属の流れを調節することができる。圧力差を得る一つの方法は室４４の中に圧縮空気を流し込み、杓の中の熔融金属Ｍを移動させ、これを充填管５２の方へ持ち上げ、キャビティー４８の中へと動かす方法である。室４４を加圧すると共に、或いはその代わりに、キャビティー４８を真空に引き金属を杓４２からキャビティー４８の中へ引き込むこともできる。容器４６および型の部分６０に適当な弁７０、７２を取付け、室４４とキャビティー４８との間の相対圧力を制御することができる。キャビティー４８を低圧て充填する方法は、重力による鋳造法のような他の鋳造法に比べて好適である。何故なら低圧法によれば、熔融金属Ｍを挿入体３４の細孔の中に完全に侵入させて充填し、挿入体３４の周りに信頼できる、細孔を含まない鋳造物をつくることができるからである。熔融金属Ｍを冷却し固化させた後、鋳造して得られた成形用工具の半製品を型４０から取り出す。図４および４Ａから判るように、挿入体３４は非多孔性の成形表面で取り囲まれ、外殻部分１８およびその細孔の網状構造物は完全に鋳造された金属で充填されている。挿入体３４を孔２６、２８を通して鋳造物から抜き取る。これらの孔は上記のように適切な位置に鋳造されているか、或いは鋳造後の操作において外殻１８を通して穿孔されたものであることができる。挿入体３４がセラミックス材料からつくられている場合、当業界に公知の種類の適当な酸を用いて鋳造物から化学的に浸出させ、金属の鋳造物からこのような材料を抜き取ることができる。挿入体３４が塩からつくられた場合には、上記の酸浸出法を用い、孔２６、２８を通して材料を抜き取ることができる。図５は本発明の第２の具体化例に従ってつくられた成形用工具を示す。この場合第１の具体化例の図１〜４Ａの成形用工具１０と同様な特徴を示すため同様な参照番号が使用されているが、各番号は１００だけずらされている。工具１１０は、多孔性金属の網状構造物１３０が鋳造前に予めつくられ、鋳造の途中に工具１１０の成形面１１２および外殻部分１１８と機械的および冶金的に一体化されたこと以外工具１０と同じである。図６および７は第２の具体化例の成形用工具１１０をつくる方法を示している。図６に示したように、この工程は第１の具体化例と同様な挿入体１３４を用いて開始されるが、この場合は挿入体１３４の相互連結した細孔および通路に金属を侵入させ、最終的な工具１１０の中で最終的に多孔性の金属網状構造物１３０になるものがつくられる点が異なっている。挿入体１３４の細孔を構成する金属には成形用工具１１０の鋳造金属と同じかまたはそれと相容性のある金属が選ばれ、鋳造の際この二つを機械的および冶金的に合体させて一体となったモノリシックな構造物にする。金属を侵入させた挿入体１３４は挿入体３４に対して前に述べたのと同じ方法で鋳造型のキャビティー４８の内部に懸架される。次に熔融金属Ｍを低圧でキャビティー４８の中に流し込み、金属が挿入体１３４を取り囲み、挿入体１３４とキャビティー４８の壁との間の空間を充填するようにする。挿入体の金属の外側の表面の区域は露出されており、図７Ａに模式的に示されているように、酸化物、汚染物質、または挿入体の金属が熔融した鋳造用の金属Ｍと冶金的に接合するのを妨げる他の不純物を除去する適当な処理がなされる。鋳造を行った後、挿入体１３４の消耗可能な部分を図１の工具の場合と同じ方法で成形用工具から抜き取り、工具１１０の内部に相互に連結した細孔から成る内部的な網状構造物１３２が残るようにする。第１の具体化礼の消耗可能な多孔性の挿入体３４は、泡除去法（ｌｏｓｔｆｏａｍｐｒｏｃｅｓｓ）またはワックス除去法（ｌｏｓｔｗａｘｐｒｏｃｅｓｓ）を含む当業界の専門家には公知の幾つかの方法でつくることができる。金属を挿入体１３４に侵入させたもの１３０は、上記と同様な低圧鋳造法によってつくることができるが、挿入体１３４と同じ大きさおよび形をもつ型のキャビティーを使用する点が異なっている。図８は本発明の他の具体化例を示す。この場合にも第１の具体化例の図１〜４Ａの成形用工具１０に関して同様な特徴を示すため同様な参照番号が使用されているが、各番号は２００だけずらされている。工具２１０は、多孔性金属の網状構造物２３０が成形部分２１２の真下にある室２２４の一部だけを占め、入口および出口の孔２２６、２２８と連絡している点以外は工具１０と同じである。室２２４の残りの部分は、適切な位置に鋳造された断熱された支持構造物８０によって構成されている。この支持構造物はセラミックスのブロックまたは同様物であることができる。従って図８の工具２１０は成形面２１２の背後に多孔性の外皮部分をもっているが、その容積は限られている。この多孔性の区域は厚さが例えば約１インチであり、この厚さは工具２１０の全体の厚さよりも遥かに薄い。このような構造は、他の工具の形状に関して前に述べた有利な加熱および冷却特性をもっているが、多孔性金属構造物２３０を使用した成形用工具ほどではない。室２２４の中の残りの空間を断熱された支持構造物８０が占めるようにすることにより、工具２１０の全体としての重量は、同じ空間が鋳造された金属のむくの（目の詰まった）塊によって占められている場合に比べ実質的に軽くなる。図９は本発明のさらに他の具体化例を示す。この場合、前の具体化例と同様なモノリシックな成形用工具３１０には、この工具の金属の網状構造物３３０全体に亙り伝熱用の流体の流れをコントロールするための分配捕集システム８２が取り付けられている。図示のように、このシステム８２は１個またはそれ以上の或いは一連の分岐した入口および出口をもつ流体管８４、８６を含むことができ、これらの流体管は金属の多孔性構造物３３０全体に亙って延びている。該管に沿った有利な位置に孔８８が備えられ、或る設計されたパターンをなして伝熱流体を分配および捕集し、成形表面の部分３１２を横切って所望の伝熱特性が得られるようになっている。実際には、入口流体管８４へ導入される伝熱流体は孔８８を通って出てゆき、予め規定された区域において多孔性金属の網状構造物３３０を通って循環し、次いで付属した孔９０を通って出口流体管の中へ低圧で引き込まれる。このような分配捕集システムは例えば圧力低下を均一にし、従って多孔性金属の構造物３３０を通って伝熱流体を均一に流すように設計される。管８４、８６は多孔性の挿入体３３４の内部の適切な位置に埋め込み、しかる後金属製の工具３１０の適切な位置に鋳造することができる。このような場合孔８８、９０は挿入体の材料３３４で覆われ、鋳造中熔融金属が管８４、８６に入るのを防ぎ、従って挿入体３３４を抽出する時、それが開いた状態にあり通路および細孔の網状構造物３３２と連絡しているようにすることができる。挿入体３３４は上記の方法を用い管８４、８６を通して抽出することができる。図１０は本発明のさらに他の具体化例を示す。この場合工具４１０は上記の他の具体化例の場合と似ているが、ライン９２を有する組み込まれた真空吸引システムを備えている点が異なっており、このシステムは該ライン９２が分岐したライン９４により成形面４１２と連絡していること以外、上記の流体管８４、８６と同じ方法で適切な位置に鋳造されている。このようにして成形面４１２は該成形面４１２および工具４１０を横切って真空に吸引する目的をもつライン９２と連絡した、表面を横切って存在する多数の小さい孔９６を有するようにつくられている。孔９６は表面４１２の中へと穿孔され、後の鋳造操作で分岐ライン９４と連絡させるか、または分岐ライン９４と連絡した適当な芯または引き戻しピンによって、或いは鋳造中に分岐ライン９４の孔を成形面４１２の所に配置することによって適切な位置に鋳造することができる。しかし真空吸引用の孔９６がある以外は、成形面４１２は実質的に非多孔性のままであり、このようにして工具４１０は前記のような成形用工具としての所望の伝熱特性を保持している。工具４１０は例えばプラスティックスのシートを真空成形するのに使用することができ、この場合伝熱流体はシートをその成形温度に加熱するのに使用され、組み込まれた真空システム９２は高温のシートを引き出して成形表面４１２に合わせるのに使用することができる。本発明はさらに高い成形圧力および／または高い成形温度に適合する特殊な設計の成形型を含んでいる。例えば図１１は射出成形および他の高圧成形条件（例えば粉末またはシートの形のガラス充填配合物の成形）に対する成形型の構造を示す。この場合成形型の面にかかる成形圧力は５００〜５０００ｐｓｉ、場合によっては最高１５，０００ｐｓｉであることができる。さらに高い成形圧力の条件下においては成形温度は最高３００°Ｆ、時には最高１０００°Ｆの範囲であることができる。前と同じように、同様な部材に関しては同じ参照番号が付けられているが、但し５００だけずらされている。図１１の成形型５１０は図８のものと似ているが、多孔性の媒質が金属の杭または柱９８の形をしており、これらが多孔性のキャビティーまたは室５２４全体に亙って配置され、非多孔性の成形型の面５１２を内部の部材５８０と連絡している点が異なっている。該内部の部材５８０は図８の支持構造物８０のような性質をもっていることができる。このようにして柱９８は上記の多孔性金属の網状構造物３０と同じ目的および機能を果たし、柱９８の間の孔１００は伝熱流体に対する曲がりくねった流体経路になる。これらの杭または柱の密度および位置は関与する圧力および温度についての構造上の計算によって決定される。他の特殊な成形型に対する要求においては、成形型および成形面の加熱は、多孔性のキャビティーの内部で蒸気が凝縮して液体となり、それによって成形面の加熱および／または冷却を行うような水蒸気および／または他の伝熱流体システムを使用して行うことができる。これらの場合には、多孔性の媒質の内部の曲がりくねった流体経路に対する要求は伝熱流体の凝縮または蒸発によって緩和され、それに伴う伝熱は多孔性のキャビティー全体に亙り均一に生じ、等温的な成形表面が得られ本発明の原理が保持される。上記の具体化例は本発明の好適な形を代表するものであり、本発明を例示するものであって本発明を限定するものではない。本発明は下記請求の範囲において定義される。

Claims

【特許請求の範囲】１．予め定められた輪郭をもつ実質的に非多孔性の成形面、および多孔性の熱交換を行う支持体を有する熱交換型成形用工具の製造法において、該方法は消耗可能な材料の多孔性網状構造物および第１の面を有する挿入体をつくり、つくられるべき成形用工具の成形表面に関し逆関係の輪郭をもったキャビティーの相対する表面から該挿入体の第１の面が間隔を置いて配置されるように該挿入体を鋳造用の型のキャビティーの内部で支持し、該キャビティーの中および挿入体の周りに熔融金属を流し込んで鋳造を行い、金属を固化させ、鋳造成形用工具の内部から消耗可能な材料の網状構造物を取り出し、挿入体の第１の面とキャビティーの相対する表面との間の空間に鋳造金属によりつくられた非多孔性の成形面部分に隣接して、該工具の支持体の内部に相互に連結した開いた細孔の対応した網状構造物をつくる工程から成ることを特徴とする方法。２．挿入体は熔融金属によって包み込まれ、挿入体の実質的な周囲に非多孔性の外殻をつくっていることを特徴とする請求項１記載の方法。３．外殻には挿入体に到達するための到達孔が少なくとも一つつくられていることを特徴とする請求項２記載の方法。４．挿入体の消耗可能な材料は外殻の該孔を通して引き出されることを特徴とする請求項３記載の方法。５．消耗可能な材料がセラミックスであり、これを鋳造された成形用工具の内部から浸出することを特徴とする請求項４記載の方法。６．消耗可能な材料が塩であり、この塩を酸溶液と反応させてＣＯ₂ガスおよび塩から生じる水をつくり、これを該孔を通して逃がすことにより取り出すことを特徴とする請求項４記載の方法。７．挿入体は挿入体の細孔を占めている金属の網状構造物を含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。８．鋳造中熔融した鋳造用金属は挿入体の金属と接合することを特徴とする請求項７記載の方法。９．挿入体の金属材料は鋳造用の金属と同じであることを特徴とする請求項８記載の方法。１０．挿入体は鋳造用の金属によって包み込まれ、鋳造用金属が固化する際、挿入体の周囲に非多孔性の外殻をつくることを特徴とする請求項９記載の方法。１１．挿入材の抽出除去可能な材料を除去する際、挿入体に対し、また鋳造部材の内部にある内部の細孔の網状構造に対し、外部から到達するために外殻を通る少なくとも１個の孔をつくる工程を含むことを特徴とする請求項９記載の方法。１２．挿入体の消耗可能な材料を外殻の孔を通して引き出すことを特徴とする請求項１１記載の方法。１３．消耗可能な材料はセラミックスであり、これを鋳造された成形用工具の内部から浸出することを特徴とする請求項７記載の方法。１４．消耗可能な材料は塩であり、この塩を酸溶液と反応させてＣＯ₂ガスおよび塩から生じる水をつくり、これを該孔を通して鋳造物から逃がすことにより取り出すことを特徴とする請求項７記載の方法。１５．備えられた挿入体は相互に連結された金属で占められていない細孔の対応する開いた網状構造を規定する消耗可能な材料の多孔性の網状構造物を有することを特徴とする請求項１記載の方法。１６．熔融した鋳造用の金属を挿入体の細孔に侵入させ、固化する際にモノリシックな構造物として鋳造物の非多孔性の成形面と一体となった鋳造用金属の対応する網状構造物を与えることを特徴とする請求項１５記載の方法。１７．挿入体はすべての側においてキャビティーから間隔を置いて配置され、鋳造用金属が固化する際少なくとも最終的に近い形につくられた挿入体の周りに非多孔性の外殻がつくらることを特徴とする請求項１５記載の方法。１８．外殻を通して少なくとも１個の到達用の孔がつくられていることを特徴とする請求項１７記載の方法。１９．挿入体の消耗可能な材料を外殻の孔を通して引き出すことを特徴とする請求項１８記載の方法。２０．消耗可能な材料はセラミックスであり、これを鋳造された成形用工具の内部から浸出することを特徴とする請求項１９記載の方法。２１．消耗可能な材料は塩であり、この塩を酸溶液と反応させてＣＯ₂ガスおよび塩から生じる水をつくり、これを該孔を通して鋳造物から逃がすことにより取り出すことを特徴とする請求項１９記載の方法。２２．熔融金属を成形型の底部の入口を通して下方からキャビティーの中へと低圧で流し込んで鋳造を行うことを特徴とする請求項１記載の方法。２３．多孔性の挿入体と一緒に断熱材料の支持構造物を適切な位置に鋳造する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。２４．多孔性の支持体の内部において適切な位置に流体流の分配および捕集システムを鋳造する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。２５．流体流の分配および捕集システムは、多孔性の挿入体構造物の中に埋め込まれそれぞれ消耗可能な材料によって遮蔽された孔をもつようにつくらた流体の入口管および出口管を含み、該管は金属製の工具の内部の適性な位置に鋳造してつくられており、該孔は鋳造を行う際には熔融金属に露出するのが防がれ、鋳造後は多孔性の金属の網状構造物と流体による連絡を行うことができ、これによって伝熱用流体が多孔性の金属網状構造物全体を通して流れ得るようにすることを特徴とする請求項２４記載の方法。２６．多孔性金属の網状構造物の内部の適切な位置に真空吸引システムを鋳造してつくり、成形表面の中に該真空吸引システムと流体で連絡した一連の孔をつくる工程を含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。２７．該真空吸引システムは、多孔性の挿入体構造物の中に埋め込まれた真空ラインを含み、その後金属の工具の内部の適切な位置に鋳造によりつくられることを特徴とする請求項２６記載の方法。２８．鋳造中成形面に孔をつくる工程を含むことを特徴とする請求項２７記載の方法。２９．鋳造後の操作において成形面に孔をつくる工程を含むことを特徴とする請求項２７記載の方法。３０．多孔性の熱交換を行う支持体で裏打ちされた予め定められた輪郭の実質的に非多孔性の成形面を有する成形用工具の製造法において、該方法は金属材料の対応する網状構造物と少なくとも部分的に融合した消耗可能な材料の多孔性の網状構造物を有し、且つ作るべき工具の成形面の予め定められた輪郭に対応する輪郭をもった第１の面を有する挿入体をつくり、この挿入体を低圧鋳造型のキャビティーの内部において、作るべき成形用工具の予め定められた成形面の輪郭と逆の関係にあるキャビティーの輪郭の下方の表面の上方において該挿入体の第１の面が間隔を置いて配置され、且つ該挿入体の残りの側面はキャビティーの隣接した表面と間隔を置いて配置されるように懸架し、熔融金属を低圧で成形型の底部の入口を通して下方からキャビティーの中に流し込んで熔融金属で挿入体を取り囲み且つキャビティーを充填し、金属を固化させて挿入体の第１の面とキャビティーの下部表面および挿入体を取り囲む非多孔性の外殻部分との間の空間に成形用工具の実質的に非多孔性の成形面部分をつくり、これを挿入体の金属の網状構造物に対し冶金的および機械的に一体化し、鋳造成形用工具の外殻を通して該挿入体に到達するための少なくとも１個の孔をつくり、鋳造成形用工具の内部から消耗可能な材料を除去し、それに伴って得られる少なくとも非多孔性の成形面と連絡した相互に連結している内部細孔および通路の網状構造物を残し、該細孔および通路を通して伝熱用の流体が通過して成形面の部分からまたはその方へと熱を伝導するようにすることを特徴とする方法。３１．多孔性の熱交換を行う支持体で裏打ちされた予め定められた輪郭の実質的に非多孔性の成形表面を有する成形用工具の製造法において、該方法は相互に連結した開いた細孔および通路の関連した網状構造を規定する消耗可能な材料の多孔性の網状構造物を有し、且つ作るべき工具の成形表面の予め定められた輪郭に対応する輪郭をもった第１の面を有する挿入体をつくり、この挿入体を低圧鋳造型のキャビティーの内部において、作るべき成形用工具の予め定められた成形面の輪郭と逆の関係にあるキャビティーの輪郭の下方の表面の上方において該挿入体の第１の面が間隔を置いて配置されるように懸架し、熔融金属を低圧で成形型の底部の入口を通して下方からキャビティーの中に流し込んで熔融金属で挿入体を取り囲み且つキャビティーを充填し、金属を固化させて挿入体の第１の面とキャビティーの下部表面、挿入体を取り囲む非多孔性の外殻部分および挿入体の細孔を占める内部の金属の網状構造物の部分の間の空間に実質的に非多孔性の成形面部分を有するモノリシックな単一体の鋳造成形用工具をつくり、鋳造成形用工具の外殻を通して該挿入体に到達するための少なくとも１個の孔をつくり、鋳造された成形用工具の内部から消耗可能な材料を取り出し、実質的に非多孔性の成形面と連絡した相互に連結している内部細孔および通路の関連した網状構造物を残し、該細孔および通路を通して伝熱用の流体が通過して成形面からまたはその方へと熱を伝えるようにすることを特徴とする方法。３２．予め定められた形状の輪郭をもつ実質的に非多孔性の成形面を有するモノリシックな鋳造された金属構造物であって、該構造物はその内部において内部室を取り囲む非多孔性の外殻部分によって裏打ちされ、該外殻を通り該室へ至る少なくとも１個の孔を有する金属構造物、および該室を占め、該成形面部分と冶金的および機械的に一体化されて熱を該成形面部分および該外殻部分から或いはそれらの部分へと伝える熱伝導性の金属網状構造物から成り、該金属網状構造物は該成形面部分および該外殻部分の該孔と連絡し該室を伝熱用流体が通る時の曲がりくねった流体通路となっている相互に連結した開いた細孔から成る対応する網状構造物を規定していることを特徴とする熱交換性をもった成形用工具。３３．該金属の網状構造物は該成形用工具のモノリシックな鋳造部分を含んでいることを特徴とする請求項３２記載の成形用工具。３４．該金属の網状構造物は該鋳造された成形用工具の内部の適切な位置に鋳造してつくられた予備成形された金属の挿入体を含んでいることを特徴とする請求項３２記載の成形用工具。３５．細孔および通路を含む該網状構造物によって成形面へまた該面から均一な熱伝達を行うことができることを特徴とする請求項３２記載の成形用工具。３６．該金属の網状構造物は該成形面部分の予め定められた形状に対し相補的な輪郭をもっていることを特徴とする請求項３２記載の成形用工具。３７．該金属の網状構造物の内部の適切な位置に鋳造されてつくられた流体流分配および捕集システムを含んでいることを特徴とする請求項３６記載の成形用工具。３８．該流体流分配および捕集システムは該金属の網状構造物の中に埋め込まれ該網状構造物の該細孔および通路と連絡した孔を有する流体の入口管および出口管を含んでいることを特徴とする請求項３７記載の成形用工具。３９．該工具の内部の適切な位置に鋳造され該成形表面と流体で連絡した真空吸引システムを含んでいることを特徴とする請求項２５記載の成形用工具。４０．該真空吸引システムは一連の孔と連絡した埋め込まれた真空ラインを含み、該成形面を横切って真空に引くことができるようになっていることを特徴とする請求項３９記載の成形用工具。