JP6233996B2 - ３次元印刷される金属鋳造用鋳型及び同鋳型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元印刷によって製造される金属鋳造用鋳型及び同鋳型の製造方法に関する。

溶融金属がその内部に流し込まれる鋳型に必要な特性は、当技術分野ではよく知られている。例えば、米国特許第６，０８０，８１３号や、以下の公開された米国特許出願を参照のこと。Ａｓａｎｏらの２０１０／０１４０８２３ Ａｌ、Ｓｔｏｔｚｅｌらの２０１１／００７３２７０ Ａｌ、Ｓｔａｎｃｌｉｆｆｅらの２０１１／０１２９３８７ Ａｌ、Ｆｕｑｕａらの２０１１／０２２０３１６ Ａｌ、Ｊａｔｔｋｅの２０１２／０１２６０９２、Ｉｄｅらの２０１２／０２１７３７３ Ａｌ、及びＨａａｎｅｐｅｎらの２０１３／００３２６８９ Ａｌ。

３次元印刷は、１９９０年代にマサチューセッツ工科大学で開発され、以下を含む数々の米国特許に記述されている。Ｓａｃｈｓらの第５，４９０，８８２号、Ｃｉｍａらの第５，４９０，９６２号、Ｃｉｍａらの第５，５１８，６８０号、Ｂｒｅｄｔらの第５，６６０，６２１号、Ｓａｃｈｓらの第５，７７５，４０２号、Ｓａｃｈｓらの第５，８０７，４３７号、Ｓａｃｈｓらの第５，８１４，１６１号、Ｂｒｅｄｔの第５，８５１，４６５号、Ｃｉｍａらの第５，８６９，１７０号、Ｓａｃｈｓらの第５，９４０，６７４号、Ｓａｃｈｓらの第６，０３６，７７７号、Ｓａｃｈｓらの第６，０７０，９７３号、Ｓａｃｈｓらの第６，１０９，３３２号、Ｓａｃｈｓらの第６，１１２，８０４号、Ｖａｃａｎｔｉらの第６，１３９，５７４号、Ｓａｃｈｓらの第６，１４６，５６７号、Ｖａｃａｎｔｉらの第６，１７６，８７４号、Ｇｒｉｆｆｉｔｈらの第６，１９７，５７５号、Ｍｏｎｋｈｏｕｓｅらの第６，２８０，７７１号、Ｓａｃｈｓらの第６，３５４，３６１号、Ｓａｃｈｓらの第６，３９７，７２２号、Ｓｈｅｒｗｏｏｄらの第６，４５４，８１１号、Ｙｏｏらの第６，４７１，９９２号、Ｓａｃｈｓらの第６，５０８，９８０号、Ｍｏｎｋｈｏｕｓｅらの第６，５１４，５１８号、Ｃｉｍａらの第６，５３０，９５８号、Ｓａｃｈｓらの第６，５９６，２２４号、Ｓａｃｈｓらの第６，６２９，５５９号、Ｔｅｕｎｇらの第６，９４５，６３８号、Ｓａｃｈｓらの第７，０７７，３３４号、Ｓａｃｈｓらの第７，２５０，１３４号、Ｐａｙｕｍｏらの第７，２７６，２５２号、Ｐｒｙｃｅらの第７，３００，６６８号、Ｓｅｒｄｙらの第７，８１５，８２６号、Ｐｒｙｃｅらの第７，８２０，２０１号、Ｐａｙｕｍｏらの第７，８７５，２９０号、Ｐｒｙｃｅらの第７，９３１，９１４号、Ｗａｎｇらの第８，０８８，４１５号、Ｂｒｅｄｔらの第８，２１１，２２６号、及びＷａｎｇらの第８，４６５，７７７号。

基本的に、３次元印刷は、粒子状物質の層を塗布し、その後微粒子層の選択部分をつなぎ合わせるためにその層の上に流体を選択的にジェット印刷するものである。このシーケンスは、所望のパーツが作成されるまで、追加される層に関して繰り返される。微粒子層を構成する物質は「造形材料」と呼ばれることが多い。ジェット噴射される流体は「結合剤」と呼ばれることが多く、場合によっては「活性剤」と呼ばれることもある。３次元印刷された部分を強化するため、及び／又は密度を増すために、当該部分の後処理がしばしば必要になる。

３次元印刷は過去に、金属を鋳造するための鋳型を作るために用いられたことがある。例えば、以下の米国特許を参照のこと。Ｂｒｅｄｔらの第７，０８７１０９ Ｂ２号、Ｂｒｅｄｔらの第７，３３２，５３７ Ｂ２号、Ｅｄｅｒｅｒらの第７，５３１，１１７ Ｂ２号、Ｅｄｅｒｅｒらの第７，９５５，５３７ Ｂ２号、及びＢｒｅｄｔらの第８，２１１，２２６ Ｂ２号。

鋳型を製造するために３次元印刷を用いる先行技術による方法の困難の１つは、その複雑さである。上記の技術では、多成分造形材料を用いる必要がある。例えば、米国特許第７，９５５，５３７号で開示された造形材料は、当該造形材料が粒子状物質と反応物質から成る必要があり、ジェット噴射される流体は当該反応物質と反応する。先行技術の別の困難は、各層の下地を形成するが印刷される部分にはない造形材料を造形材料として再利用できない可能性があることである。

本発明は、複雑な造形材料を必要としない３次元印刷によって金属鋳造用鋳型を製造する方法を提供することにより、先行技術の困難を克服する。もっと正確に言うと、本発明による鋳型又は鋳型コンポーネントの３次元印刷に使用される造形材料は、別の材料との処理又は結合が施されていない通常の鋳物砂であれば何でもよい。以下、このような鋳物砂を「未処理の」鋳物砂と呼ぶ。未処理の鋳物砂を高分子ベースの結合剤と組み合わせて、金属製パーツの鋳造に用いるのに適した鋳型及びそのコンポーネントを作るための３次元印刷プロセスで使用できるということは、驚くべき発見である。

本発明の一側面に従って、未処理の鋳物砂の層の塗布とその後当該層の上への結合剤の選択的塗布を行った後、所望の金属鋳造用鋳型又は鋳型コンポーネント・パーツが作られるまで、未処理の鋳物砂の別の層の塗布及び当該層の上への結合剤の選択的塗布を繰り返す方法が提供される。以下、印刷された状態での金属鋳造用鋳型又は鋳型コンポーネント・パーツを指すために、「ビルト・パーツ（ｂｕｉｌｔ ｐａｒｔ）」という用語を用いる。ビルト・パーツはその後、結合剤を固めるために加熱され、金属製鋳物を作るために鋳造プロセスで用いられ得るものである。本発明に従って作られたビルト・パーツは、驚くほど強い。

本発明の別の側面に従って、結合剤によって結合された鋳物砂の粒子から成る鋳型及び鋳型コンポーネントが提供される。

本発明の特徴及び利点の重要性は、添付図を参照することにより理解が深まる。ただし、添付図は説明目的だけで作成されており、本発明の範囲を定義するものではないことを理解されたい。

実施例１に記載された通りに作られるよう選択された鋳型の内部を示す概略図である。

実施例１に記載された通りに本発明に従って作られた鋳型を示す写真である。

実施例２及び実施例３に記載された通りに本発明に従って作られたパックと試験棒を示す写真である。

従来の鋳型から作られた鋳物Ａと、実施例１に記載された通りに本発明に従って作られた鋳型から作られた鋳物Ｂと鋳物Ｃを示す写真である。

本発明の特徴及び利点の重要性は、添付図を参照することにより理解が深まる。ただし、添付図は説明目的だけで作成されており、本発明の範囲を定義するものではないことを理解するべきである。本明細書又は添付の特許請求に値の範囲が記載される場合は常に、当該範囲には、両端点とその間にあるすべての点が、それらすべての点が明示的に記載されている如くに含まれることが理解されるべきである。他に明記しない限り、本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いられる用語「約」は、その「約」という用語が修飾する値に関連する通常の計測及び／又は製造限度を意味するものとして解釈されるべきである。

本発明の実施態様の方法は、金属鋳造用鋳型（遠心鋳造用を含む）及び金属鋳造用鋳型のコンポーネント（例えば、中子、冷やし金、及び焼流し精密鋳造パターン）を作るために３次元印刷プロセスを使う。未処理状態の従来の鋳物砂はどんなものであれ、造形材料として用いることができる。この種の鋳物砂の例としては、ケイ砂、融解ケイ砂、湖砂、堆砂、山砂、クロマイト砂、ジルコン砂、オリビン砂、アルミナ砂、ムライト砂、合成砂、及びこれらを混合したものなどがある。造形材料は、３次元印刷に適していればどんな粒子サイズのものでもよいが、平均粒子径が約１０ミクロン〜約１ミリメートルの範囲内であることが好ましく、約２０〜約７００ミクロンの範囲内であればさらに好ましい。

本発明の実施態様の方法は、３次元印刷プロセスに用いるのに適した結合剤を使う。適切な結合剤は、ポリマー、キャリアー、湿潤剤を含み、必要に応じて界面活性剤も含む。適切なポリマーには、ポリビニルピロリドン（Ｋ値が約１０〜約１００であるものが好ましい）、ショ糖、果糖、異性化糖、及びポリビニルアルコールなどがある。適切なキャリアーには、水、２−ブトキシエタノール、及びイソプロピルアルコールなどがある。適切な湿潤剤には、ジエチレングリコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、及びグリセロールなどがある。適切な界面活性剤には、２−メトキシエタノール、２−ブトキシエタノール、シリコーン油、ラウリル硫酸ナトリウム、エタノール、及びイソプロピルアルコールなどがある。それぞれの結合剤成分の量は、３次元印刷特性と印刷される部分の特性とが許容し得るものとなるよう調整されなければならない。ジェット付着（即ちジェット印刷）の条件（周囲温度、湿度、造形材料、乾燥熱、印刷ヘッド特性、印刷速度等）にきわめて敏感な成分は、キャリアー、界面活性剤、及び湿潤剤なので、これらの成分の量は所望の印刷挙動を実現するように選択される。好ましくは、キャリアーの相対量は約７５〜約９５重量パーセントの範囲内、湿潤剤の相対量は約３重量パーセント以下、界面活性剤（使用する場合は）の相対量は約３重量パーセント以下である。ポリマーの相対量は、ビルト・パーツに必要な接合量を提供するように選択される。好ましくは、ポリマーの相対量は、約５〜約２０重量パーセントの範囲内である。

本発明の方法を実行するために、結合剤と造形材料が、３次元印刷装置及び作成する１個以上の鋳型又は鋳型コンポーネントと同様に選択される。作成するコンポーネントのそれぞれについて、３次元印刷装置に適した印刷ファイルが得られる。２個以上のパーツを同時に作る場合には、造形ベッドで造形されるパーツが配置された造形ファイルが作成される。その後、パーツは未処理の造形粉末と結合剤から層ごとに作られる。造形プロセスの最後に、１つ又は複数のビルト・パーツは、残留キャリアーを飛ばし、結合剤を固めるために加熱され、その後造形ベッドから取り外される。その後、ビルト・パーツを鋳型に組み立てると、溶融金属を当該鋳型に流し込むことが可能になる。必要に応じて、鋳造時に溶融金属と接触することになるビルト・パーツ表面に塗型剤又は剥離剤（例えば、窒化ホウ素）などの被覆を施す場合がある。

一部の実施態様に従って作られる中子は、当該中子が作られた鋳型を作るために３次元印刷プロセスで使用された結合剤の一部として用いられたキャリアーと同じ、又は類似の溶剤を用いて当該中子を溶解することにより、金属製鋳物から取り外すことができるということが理解されるべきである。

実施例１
米国ペンシルバニア州ノースハンチントンのＥｘＯｎｅ社によって作られた、造形方向の幅が約１９センチメートル、横軸方向の幅が約１９センチメートル、深さ約７．６センチメートルの大きさの造形ボックスを有する二重ペデスタル式３次元印刷装置を用いて本発明の一実施態様の試行が行われた。造形粉末は、平均粒径が５００ミクロンの未処理のクロマイト砂であった。ポリマーがポリビニルピロリドンＫ−１５、キャリアーが２−メトキシエタノール、湿潤剤がジエチレングリコールである結合剤が選択された。結合剤中のポリマーの割合は約１０重量パーセントであった。造形層の厚さは約６００ミクロンであった。

選択されたパーツは金属鋳造用鋳型であり、図１に示されている。本発明の一実施態様に従ってこの鋳型が２個作られた。作成された鋳型のうちの１つを図２に示す。当該鋳型は、底部の内径が約１８．４１センチメートル、内部の深さが約６．９６センチメートルであった。当該鋳型のうちの１つはその後、ジルコン／アルコール塗型剤で浸漬被覆された後、８２℃で約５分間乾燥された。約１５８３℃の溶融したＷＣ−９低合金綱が両方の鋳型の中に注ぎ込まれ、自然に固化した後、鋳物が鋳型から取り外された。図４に、当該鋳物を、従来のフランが結合したシリカ製鋳型を用いて作られた鋳物とともに示す。鋳物Ａは、従来のシリカ製鋳型で作られた。鋳物Ｂは、塗型剤が施されない本発明による鋳型で作られ、鋳物Ｃは、ジルコン／アルコール塗型剤が施された本発明による鋳型で作られた。

実施例２
試験用パックは本発明の一実施態様に従って、実施例１に関して記載されたのと同じ条件及び材料を用いて作られた。これらの試験用パックは、図３に示されており、直径約５．０センチメートルで高さが２．５４センチメートルであった。これらの試験用パックは、浸漬喪失（ｌｏｓｓ ｏｆ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ、ＬＯＩ）と透過性を測定するために用いられた。

ＬＯＩ試験は、パーツの燃焼後の重量と燃焼前の重量の比を取ることにより当該パーツを燃焼したときの重量損失を測定するものである。本発明に従って作られた２つの試験用パックのＬＯＩ試験結果はきわめて良好であり、０．３％と０．４％であった。

透過性試験では、パーツのガス流量を測定する。同試験の目的は、当該パーツが鋳造時にガスを放出できるよう十分な透過性を持っていることを保証することである。使用できるための最小閾値は１２０である。本発明に従って作られた２つの試験用パックはそれぞれ、透過性試験値が３７５であった。

実施例３
試験棒は、本発明の一実施態様に従って、実施例１に関して記載されたのと同じ条件及び材料を用いて作られた。これらの試験棒は、図３に示されており、長さが約１７．２０センチメートル、幅が約２．２４センチメートル、高さが約２．２４センチメートルであった。これらの試験棒を用いて、引張強さを測定した。鋳型コンポーネントには、２５０ニュートン／平方センチメートルの最小引張強さが必要と考えられている。本発明に従って作られた試験棒のうち２本が試験に供され、引張強さはそれぞれ４０９ニュートン／平方センチメートル及び３４０ニュートン／平方センチメートルであった。

本発明のごく少数の実施態様のみを示し説明してきたが、当業者にとっては、以下の特許請求に記載される発明の精神と範囲から逸脱せずに同発明に多くの変更と修正を行えることは明らかである。本明細書で特定される米国のすべての特許及び特許出願、並びに米国外のすべての特許及び特許出願等の文書は、法の下で認められる最大限の範囲で、本明細書内に省略せずに記載されている如くに、参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (9)

1. 造形材料から金属鋳造用鋳型又は金属鋳造用鋳型のコンポーネントである物品を製造する方法であって、
   ａ） 当該物品の表現を入手する、
   ｂ） 当該造形材料として未処理の鋳物砂を選択する、
   ｃ） ポリビニルピロリドン、ショ糖、果糖、異性化糖、及びポリビニルアルコールから成る群から選択される、５〜２０重量パーセントの範囲内であるポリマー、７５〜９５重量パーセントの範囲内であるキャリアー、及び３重量パーセント以下である湿潤剤から成る結合剤を選択する、
   ｄ） 当該物品の表現、造形材料、及び結合剤を用いて、
   ｉ） 当該造形材料の層を塗布し、
   ｉｉ） 当該物品の表現に従って、当該層の選択された領域の上に当該結合剤をジェット印刷し、
   ｉｉｉ）当該物品のビルト・パーツが作られるまで、ステップｉ）とステップｉｉ）を繰り返す
   ことにより、当該物品の３次元印刷を行う
   ステップから成り、
   当該物品は金属鋳造用鋳型又は金属鋳造用鋳型のコンポーネントであるように適合されており、当該ポリマーによって当該物品中の鋳物砂が結合されることを特徴とする方法。
2. 前記ポリマーが、約１０〜約１００のＫ値を持つポリビニルピロリドンである、請求項１の方法。
3. 前記キャリアーが、水、２−ブトキシエタノール、及びイソプロピルアルコールから成る群から選択される、請求項１の方法。
4. 前記湿潤剤が、ジエチレングリコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、及びグリセロールから成る群から選択される、請求項１の方法。
5. 前記結合剤が、２−メトキシエタノール、２−ブトキシエタノール、シリコーン油、ラウリル硫酸ナトリウム、エタノール、及びイソプロピルアルコールから成る群から選択される界面活性剤も含む、請求項１の方法。
6. 未処理の砂が、ケイ砂、融解ケイ砂、湖砂、堆砂、山砂、クロマイト砂、ジルコン砂、オリビン砂、アルミナ砂、ムライト砂、合成砂、及びこれらを混合したものから成る群から選択される、請求項１の方法。
7. ７５〜９５重量パーセントの範囲内であるキャリアー、５〜２０重量パーセントの範囲内である異性化糖、３重量パーセント以下である湿潤剤、及び２−メトキシエタノール、２−ブトキシエタノール、シリコーン油、ラウリル硫酸ナトリウム、エタノール、及びイソプロピルアルコールから成る群から選択される、３重量パーセント以下である界面活性剤から成り、３次元印刷プロセスにおいてジェット印刷により塗布されるように適合されており、且つ当該異性化糖によって未処理の造形材料の粒子が結合されるように適合されている結合剤。
8. 前記キャリアーが水である請求項７の結合剤。
9. 前記湿潤剤が、ジエチレングリコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、及びグリセロールから成る群から選択される、請求項７の結合剤。
   

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