JP2002527625A - 射出成形による金属又はセラミック製工具の急速製造法 - Google Patents

射出成形による金属又はセラミック製工具の急速製造法

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ゼダリス，マイク
スクーノーバー，ジェイムス・エム
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Abstract

(57)【要約】 射出成形技術を利用して金属工具を急速製造する方法。好ましくは、鋼製工具は、略網形状の複雑な部品を大量生産するため射出成形機内で使用すべく製造される。この方法は、従来の金属、セラミック及びプラスチックの加工により複雑な形状の部品を急速製造するのに適した複雑な金属工具を製造する従来の技術と比較して、比較的経済的である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、射出成形技術を使用して金属又はセラミック製の略網状形状工具（
near-net shape tooling）を急速製造する方法に関する。より具体的には、本発
明は、独立的な工具として又は工具及びフレーム取付具（frame fixture）のキ
ャビティ内の工具インサートとして使用すべく粉体金属射出成形法により鋼製工
具を製造することに関する。この工具インサートは、比較的短時間にて経済的に
製造することができ、また、取付具のキャビティ内にて互換可能である。この取
付具は、所望の形状の完成部品を製造するため射出成形機に取り付け得る設計と
される。本発明は、更に本発明による急速製造法により製造された工具インサー
トを使用して射出成形機内で完成部品を製造することを目的とする。
【０００２】
【発明の背景】
網形状の複雑な金属及びプラスチック製部品を大量生産するため射出成形取付
具内で使用すべく鋼製の工具及び工具インサートを製造することは従来の技術に
て周知である。しかし、かかる工具及びインサートを鍛造金属材料にて製造する
従来の方法は、極めてコスト高であり、典型的に、製造するのに２８週間かかり
、時間を消費するものであり、また、かかるインサートの各々に対する多数の精
密機械加工を必要とする。工具インサートの各々は、１つの形状の部品を製造す
るために使用できる。
【０００３】 本発明は、著しくより急速なサイクル時間を提供し且つ鋼製工具の従来の製造
と比べて比較的経済的である、以下に説明する金属射出成形法により鋼製工具イ
ンサートを製造することを開示することにより、これらの欠点を解決するもので
ある。コスト高の機械加工は不要となり又は著しく軽減され、また、略網形状の
射出成形法により置換される。
【０００４】 「素地」本体から焼結部品を製造することは、従来の技術にて周知である。全
体として、ダイに粉体／バインダの混合体を充填し且つその混合体を圧力下にて
圧縮することにより、素地本体が形成される。自己支持構造体である素地本体は
、次に、ダイから取り外し且つ焼結する。焼結過程中、バインダは蒸発し且つ燃
え尽きる。その焼結した部品は、典型的に完全に高密度ではなく（理論密度の約
８５乃至９０％）、鍛造材料に比べて機械的性質が著しく低下している。
【０００５】 射出成形法は、金属及びセラミック粉体から複雑な略網形状の部品を製造する
ための好ましい方法である。射出成形部品を製造するための工具は、一般的に金
属及びセラミック供給分材料に対して通常必要とされる高圧力及び高温度のため
、工具鋼及びステンレス鋼のような金属により作られる。上述のように、鍛造金
属から金属工具を製造する従来の方法は、長い工程時間、多数の精密機械加工を
必要とし、従って極めてコスト高である。この技術分野にて周知である射出成形
取付具（injection molding fixtures）は、異なる工具インサートを互換可能に
受け入れ且つ射出成形機に取り付け、これにより略網形状の複雑な金属、セラミ
ック及びプラスチック部品を極めてコスト効果的に大量生産する設計とされる。
【０００６】
【発明の簡単な概要】
本発明は、これらの欠点を解決するものであり、射出成形等によって、形状部
品を製造するとき、その後に使用すべく好ましくは金属又はセラミック材料にて
出来た工具を急速製造する方法に関するものである。この方法は、所望の形状の
工具の成形型を提供するステップと、成形型を射出成形機内に挿入するステップ
と、粉体供給材料を素地工具を成形し得るように適当な温度及び圧力にて且つ適
当な時間、射出成形機内に導入するステップと、素地工具を工具の高密度を実現
し得るように適当な温度及び適当な時間、焼結するステップとを含む。この成形
型は、典型的に、コア及びキャビティから成っており、この方法により製造され
た工具は、最終的な機械加工を殆んど又は全く必要としない略網形状の工具とみ
なされる。かかる略網形状の工具は、射出成形、プレス鍛造、ブランク成形又は
引抜き法を含む、従来の製造技術により製造された金属、セラミック、又はプラ
スチック構成要素を製造すべくインサートとして又は独立的工具として使用され
る。
【０００７】 本発明は、本発明により製造される工具を使用して、略網形状の部品を製造す
る方法を更に備える。この方法は、所望の形状の工具の成形型を提供するステッ
プと、成形型を射出成形機内に挿入するステップと、第一の粉体供給材料を素地
工具を成形し得るように適当な温度及び圧力にて且つ適当な時間、射出成形機内
に導入するステップと、素地工具を工具の高密度を実現し得るように適当な温度
及び適当な時間、焼結するステップと、工具を取付具のキャビティ内に導入する
ステップと、突出し装置を工具に取り付けるステップと、取付具を射出成形機に
取り付けるステップと、第二の粉体供給材料を所望の部品を成形するのに適当な
温度及び圧力にて且つ適当な時間、射出成形機内に導入するステップとを備える
。
【０００８】 ［発明の詳細な説明］ 複雑な形状を含む任意の形状の工具又は工具インサートは、金属又はセラミッ
ク供給材料から選んだ粉体材料にて本発明に従って製造される。金属供給材料は
あらゆる型式の工具鋼及びステンレス鋼を含む。本明細書にて使用するように、
金属供給材料という語は、純粋な金属、合金、金属間化合物及びその混合体の粉
体を含む。
【０００９】 工具インサートを製造するために使用される方法は、その双方の開示内容を参
考として引用し、本明細書に含めた、ファーネリー（Ｆａｎｅｌｌｉ）らの米国
特許第４，７３４，２３７号及び米国特許出願第０９／１４１，４４４号に記載
されたように、略網形状の金属射出成形（ＭＩＭ）法として公知である。
【００１０】 本発明は、マスターすなわちパターンから工具インサートを製造することを含
む。このマスター／パターンは、鍛造金属の機械加工、鋳造、又は三次元的ＣＡ
Ｄファイルから成長したＳＮＡを使用する等、当業者に周知の任意の多数の適当
な方法で作製することができる。好ましくは、マスター／パターンは、エポキシ
、アルミニウム又は鋼にて作られる。ウレタン又はエポキシであることが最も好
ましい樹脂を強化フィラートと予め混合させ且つマスターの周りに鋳込む。樹脂
が成形品を形成する固体まで硬化したならば、マスターを除去し、所望の製品を
製造し得るように成形型にて二次的な工程を行うことができる。
【００１１】 本発明の１つの好ましい実施の形態において、図１には、所望の部品を製造す
るため射出成形法にて使用される金属工具を急速製造する方法であって、 ａ）工具用の成形型を製造するステップと、 ｂ）成形型を射出成形機内に挿入するステップと、 ｃ）素地工具を成形するため適当な温度及び圧力にて且つ適当な時間長で粉体
金属材料を射出成形機内に供給するステップと、 ｄ）素地工具を成形型から除去し且つ工具が乾燥するのを許容するステップと
、 ｅ）金属工具の最終的な密度を実現すべく適当な温度及び適当な時間、素地工
具を加熱炉内で焼結するステップとを備える方法のフロー図が概略図的に図示さ
れる。
【００１２】 成形型は、エポキシ、アルミニウム又は鋼にて製造することができ、また、使
用される工具供給材料に対する適正な収縮データを反映するものである必要があ
ることを理解すべきである。必要とされる正確な寸法を得るために、金属工具の
最終的な機械加工が必要とされるであろう。
【００１３】 金属工具が一度び必要な全ての性質に適合するならば、所望の最終部品は、図
１に点線下にて示す次の製造方法を利用して射出成形機にて製造される： ｆ）所望の部品の射出成形のために使用すべき金属フレーム取付具のキャビテ
ィ内に金属工具を挿入するステップ、 ｇ）成形した部品をキャビティから除去するため適当な突出し装置を金属工具
に取り付けるステップ、 ｈ）取付具を射出成形機に取り付けるステップ、及び ｉ）完成した部品を成形し且つ該部品を成形型から突き出すステップ。
【００１４】 金属製、好ましくは、ステンレス鋼製の工具の射出成形は、水性で且つ多糖類
系のバインダ材料を含む供給材料を使用して行われる。かかるバインダ材料は、
周知であり、ファーネリーらの特許に記載されている。成形後、成形される材料
の所望の性質を生じさせるのに必要な確立された加熱方法に従って最終部品を乾
燥させ且つ加熱させる。多数の金属及びセラミック材料に対する加熱方法が当該
技術分野で周知であり、従って、本明細書にて説明する必要はない。本発明に従
って製造された金属工具は、従来のプラスチック形成（例えば、プラスチック射
出成形又は圧縮成形）、セラミック射出成形、粉体射出成形、粉体成形法及び従
来の鍛造成形法にて使用するのに十分に適している。
【００１５】 以下の例は、本発明の１つの好ましい実施の形態を示すために掲げるものであ
る。しかし、この例は、単に説明のためのみであり、本発明の範囲及び内容又は
その明らかな変更例を限定することを目的とするものではないとみなすべきであ
る。
【００１６】
【実施例１】 図２（ａ）に図示した歯車パターンは、「マッド」フレーム取付具のキャビテ
ィ内で使用される工具の成形型を製造するため、直径２７．９４ｍｍ（１．１イ
ンチ）及び厚さ９．１４ｍｍ（０．３６インチ）にて設計した。「マッド」フレ
ーム取付具という語は、当該技術分野の当業者にとって公知であり、射出成形機
にて使用される設計とされた、マスター・ユニット・ダイ・プロダクツ（Ｍａｓ
ｔｅｒ Ｕｎｉｔ Ｄｉｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）が製造する取付具の群からその
名称が由来するものである。この歯車パターンは、アルミニウム、又はその他の
金属、エポキシ又は高温ポリマーを含む、異なる材料にて作製できることを理解
すべきである。当該歯車パターンは、ステンレス鋼にて作製し且つボーイ（ＢＯ
Ｙ）１５Ｓ射出成形機のマッドフレーム取付具内に取り付けた。この成形機には
、全体として、ファーネリーらの特許に記載されたように、８０乃至８５℃の３
１６Ｌステンレス供給材料を充填した。３１６Ｌステンレス鋼供給材料に代えて
、１７−４ＰＨ４１０、４２０又は４４０Ｃのような、多数のその他のステンレ
ス鋼合金の任意のものを使用したことを理解すべきである。
【００１７】 溶融した供給材料は、約２，７５７．９ｋＰａ（４００ｐｓｉ）乃至３，４４
７．３８ｋＰａ（５００ｐｓｉ）の射出圧力にて歯車パターン内に射出し且つ約
２乃至３秒間、約１，３７８．９５ｋＰａ（２００ｐｓｉ）乃至２，０６８．４
３ｋＰａ（３００ｐｓｉ）に保持し且つその後、約３０秒の冷却時間を保った。
射出圧力の許容可能な範囲は約２，７５７．９ｋＰａ（４００ｐｓｉ）乃至６，
２０５．２８ｋＰａ（９００ｐｓｉ）、許容可能な成形圧力の範囲は約１，３７
８．９５ｋＰａ（２００ｐｓｉ）乃至４，１３６．８５ｋＰａ（６００ｐｓｉ）
、工具を成形するための許容可能な保持時間は２乃至５秒であることを理解すべ
きである。冷却時間は、工具及び成形型の材料の厚さによって相違するが、通常
、３０秒乃至３００秒の範囲でなければならない。
【００１８】 図２（ｂ）に図示した成形後の「素地」工具は、歯車パターンから除去し且つ
室温にて、約１乃至２時間、乾燥させた。この時点で素地工具成形型は、更なる
加工のため何ら特殊な取り扱いを必要としない自己支持型のものとした。次に、
素地工具成形型を加熱炉内に配置し、最終的な歯車部品を製造するための高密度
の最終的なステンレス鋼工具を作るべく約１３００℃乃至１４００℃にて約２時
間、焼結させた。ステンレス鋼工具は、理論上の密度の約９８％を達成し且つ約
１４．５％乃至１５．５％の線形収縮率が得られた。
【００１９】 工具は、所望の歯車部品を射出成形するために使用される、図２（ｃ）に図示
するように、マッドフレーム取付具のキャビティ内に挿入した。適当な突出し装
置を取付具のキャビティ内にて工具に取り付け、成形した部品をキャビティから
突き出すようにした。かかる突出し装置は、当該技術分野の当業者に周知であり
、従って、本明細書で更に説明する必要はない。工具インサートを含む、マッド
フレーム取付具は、５５トンシンシナティ（Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ）射出成形機
に取り付け、３１６Ｌステンレス鋼供給材料を以前に説明した温度及び圧力にて
工具内に射出し、歯車部品を成形した。
【００２０】 図２（ｄ）に図示したこれらの成形部品は、素地状態にあり且つ必要な性質を
実現し得るように適当な加熱方法にて焼結しなければならなかった。この工具に
より多数の金属及びプラスチック部品を成形した。歯車部品の製造が一度び完了
したならば、金属工具を取付具のキャビティから除去し、その取付具は、異なる
部品を製造する新たな工具を受け入れる用意が整うようにした。この場合に使用
される型式の取付具内で工具が互換可能であることは周知であり、従って、詳細
に説明する必要はない。
【００２１】 上述した急速工具製造能力は、従来、粉体材料から複雑な形状の部品を極めて
大量生産する環境で製造するために利用可能ではなかった。このため、本発明は
永年の課題を満足させるものである。このように、本発明をかなり詳細に説明し
たが、かかる詳細は、厳密なものではなく、色々な変更及び改変例が当業者に案
出可能であり、それら全てが特許請求の範囲により規定した本発明の範囲に属す
るものであることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 工具から略網形状の完成部品を製造する方法を含む、本発明による金属工具を
急速製造する方法の概略図的なフロー図である。
【図２】 （ａ）本発明の方法にて使用される歯車パターンの成形型、（ｂ）歯車パター
ンの成形型にて製造した成形素地工具、（ｃ）取付具内に取り付けられた焼結工
具、（ｄ）本発明により製造した成形完成部品の写真を示す図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年４月２６日（２００１．４．２６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２９Ｌ 31:28 Ｂ２９Ｌ 31:28 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ， ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，Ｃ Ｚ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ ，ＧＭ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 スクーノーバー，ジェイムス・エム アメリカ合衆国ニュージャージー州08822， フレミントン，チャンバレン・ロード ６ Ｆターム(参考） 4F206 AH81 JA07 JB11 JQ81 4G052 AC02 AC03 BA02 4K018 AA04 AA05 AA28 AA33 AA35 CA29 KA14 KA18

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 工具を急速製造する方法であって、 ａ）所望の形状の成形型を用意するステップと、 ｂ）成形型を射出成形機内に挿入するステップと、 ｃ）素地工具を成形するため適当な温度及び圧力にて且つ適当な時間長で粉体
    供給材料を射出成形機内へ導入するステップと、 ｄ）金属工具の最終的な密度を実現すべく適当な温度及び適当な時間長で素地
    工具を焼結するステップと、を備える方法。
  2. 【請求項２】 前記成形型が、金属、エポキシ及び高温度ポリマーから成る
    群から選択される材料により製造される請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記材料が鋼である請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 前記粉体供給材料が、ステンレス鋼合金、工具鋼、炭化物及
    び銅合金から成る群から選択される粉体を含む請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 請求項１の方法であって、前記粉体供給材料が、３１６Ｌ、
    １７−４ＰＨ、４１０、４２０及び４４０Ｃステンレス鋼合金、Ｈ１３及びＨ１
    １工具鋼、Ｍ２炭化鋼、及び黄銅及び青銅の合金から成る群から選択される粉体
    を含む方法。
  6. 【請求項６】 前記射出成形機内に導入する間の供給材料の温度が約８０℃
    乃至８５℃の範囲にある請求項１の方法。
  7. 【請求項７】 請求項１の方法であって、前記射出圧力が約２，７５７．９
    ｋＰａ（４００ｐｓｉ）乃至６，２０５．２８ｋＰａ（９００ｐｓｉ）の範囲に
    ある、方法。
  8. 【請求項８】 請求項１の方法であって、前記成形保持圧力が約１，３７８
    ．９５ｋＰａ（２００ｐｓｉ）乃至４，１３６．８５ｋＰａ（６００ｐｓｉ）の
    範囲にある方法。
  9. 【請求項９】 前記焼結温度が約１３００℃乃至１４００℃の範囲にある請
    求項１の方法。
  10. 【請求項１０】 前記焼結時間が約２時間である請求項１の方法。
  11. 【請求項１１】 所望の部品を製造する方法であって、 ａ）所望の形状の工具の成形型を用意するステップと、 ｂ）前記成形型を射出成形機内に挿入するステップと、 ｃ）素地工具を成形するため適当な温度及び圧力にて且つ適当な時間長で第一
    の粉体供給材料を射出成形機内へ導入するステップと、 ｄ）工具の最終的な密度を実現すべく適当な温度及び適当な時間長で素地工具
    を焼結するステップと、 ｅ）工具を取付具のキャビティ内に導入するステップと、 ｆ）突き出し機構を工具に取り付けるステップと、 ｇ）前記取付具を射出成形機に取り付けるステップと、 ｈ）第二の粉体供給材料を所望の部品を成形するのに適当な温度及び圧力にて
    前記射出成形機内に導入するステップと、を含む方法。
  12. 【請求項１２】 前記成形型が、金属、エポキシ及び高温度ポリマーから成
    る群から選択された材料により製造される請求項１１の方法。
  13. 【請求項１３】 前記材料が鋼である請求項１２の方法。
  14. 【請求項１４】 前記第一の粉体供給材料が、ステンレス鋼合金、工具鋼、
    炭化物及び銅合金から成る群から選択される粉体を含む請求項１１の方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１１の方法であって、前記第一の粉体供給材料が、
    ３１６Ｌ、１７−４ＰＨ、４１０、４２０及び４４０Ｃステンレス鋼合金、Ｈ１
    ３及びＨ１１工具鋼、Ｍ２炭化鋼、及び黄銅及び青銅の合金から成る群から選択
    される粉体を含む方法。
  16. 【請求項１６】 射出成形機内に導入する間の前記第一の粉体供給材料の温
    度が約８０℃乃至８５℃の範囲にある請求項１１の方法。
  17. 【請求項１７】 前記射出圧力が約２，７５７．９ｋＰａ（４００ｐｓｉ）
    乃至６，２０５．２８ｋＰａ（９００ｐｓｉ）の範囲にある請求項１１の方法。
  18. 【請求項１８】 前記成形保持圧力が約１，３７８．９５ｋＰａ（２００ｐ
    ｓｉ）乃至４，１３６．８５ｋＰａ（６００ｐｓｉ）の範囲にある請求項１１の
    方法。
  19. 【請求項１９】 前記焼結温度が約１３００乃至１４００℃の範囲にある請
    求項１１の方法。
  20. 【請求項２０】 前記焼結時間が約２時間である請求項１１の方法。
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