JP7082119B2 - 射出成形用の構造の３ｄ印刷 - Google Patents

Description

本発明は、その一部の実施形態では、付加製造（３Ｄ印刷としても知られる）によって作成されることができる、射出成形用の構造の設計に関する。

射出成形（ＩＭ）プロセスは、小型部品から大型構成部品まで、あらゆるサイズの部品の工業生産に幅広く使用される。射出成型部品は、材料、例えば熱可塑性樹脂また熱硬化性樹脂を、特別に設計された型に射出することによって製造され、その結果、比較的安価で迅速な大量生産プロセスがもたらされる。しかし、型の製造は高価で時間のかかる一回限りの取組みであり、それは最終部品の製造コストに大きく影響する要因の一つである。したがって、射出成形プロセスは、大量生産が要求される部品にのみ使用される傾向がある。型の製造に伴う制約のため、小規模生産は一般的に射出成形を利用せず、コストは新設企業の参入にとって障壁となる。

ＩＭプロセスは、可塑化、射出、保圧、および取出しの四つのステップに分けることができる。ポリマーペレットを加熱して溶融物を形成し、それを密閉された型のキャビティ内に射出する。型は一般的に、型締めユニットによって押圧合体される少なくとも二つの部分から成る。射出ステップ中に、型締めユニットによって打ち消される圧力が発生し、型のキャビティ内の材料が固化するまで維持される。次いで型開きが行われ、成形されたプラスチック部品は取り出され、型は別の生産サイクルのために再び閉じられる。型はこのようにＩＭプロセスの要となる存在である。それは一般的に、全プロセス中に使用される高圧および高温によりよく耐えるために、焼入れ鋼、プレハードン鋼、アルミニウム、および／またはベリリウム銅合金から作られる。型の材料は通常、長期耐久性、コスト、およびその熱放散能力のような考慮事項に基づいて選択される。

他方、３Ｄ印刷または付加製造（ＡＭ）手法は、産業界でますます注目を集めるようになっている。ＡＭはこの二十年間に開発されかつ改善されてきた技術であり、構築材料を一層ずつ堆積するプロセスで、複雑な形状を持つ非常に精細な３Ｄ物体の製造を可能にする。

３Ｄ印刷技術、特に３Ｄインクジェット印刷技術は、複雑かつ精細な構成を有する単一のカスタマイズされた型をこのようにして、容易かつ迅速に製造することができるので、射出成形の分野で非常に魅力的であり得る。型の形状はＣＡＤソフトウェアで容易に設計することができ、型は、非常に高価であり製造に数週間かかる標準的な金型とは対照的に、付加製造技術を介して数時間でかつ低コストで製造することができる。

さらに、付加製造を介して型を高速印刷することにより「試行錯誤」プロセスが可能になり、それによって、改善された結果を達成するために、試験後に型の微細な細部を最適化することができる。すなわち、初期の型を印刷し、試験成形を実行することができる。こうして問題点を明らかにし、調整を行うことができ、次いで数時間で調整された型を単純に再印刷することができる。

型の安価で迅速な印刷はまた、ＩＭプロセスを少量生産および／またはプロトタイプ型の製造に適用することをも可能にする。しかし、ＩＭ型は高温および高圧に耐えることを要求され、かつ少なくとも数千回の射出サイクルの寿命期間にわたって機能する必要がある。標準的なＩＭプロセスでは、型を作成するために使用される材料は金属、特にステンレス鋼であるが、それは３Ｄ印刷には適さない。金属は、ＩＭ型を製造する場合、特にその高い熱伝導率（典型的には５０Ｗ／ｍＫを超える）、優れた機械的特性、滑らかな表面、および良好な安定性のため、いくつかの利点を提供する。

一般的に、そのような特性の組合せは、３Ｄ印刷技術に従来使用されるポリマー材料、特に３Ｄインクジェット技術に使用されるものを特徴付けるものではなく、これらの材料は一般的に低い耐熱性、限られた靭性、低い熱伝導率、および低い耐摩耗性によって特徴付けられる。

本願出願日の時点で未公開である本願出願人／譲受人の国際特許出願第ＰＣＴ ＩＬ２０１６／０５０９６１号は、ヒートシンクとして働く領域、機械的強度を持つ領域、射出された材料と接触することを意図された領域等を形成するように型の異なる部分に異なる材料を使用することによって、３Ｄ印刷を用いて型を作成する方法を開示している。この開示は、付加製造によって作成することができ、かつ次いで射出成形に使用することができる、有用かつ実用的な型を提供する。

射出成形のユーザは一般的に彼ら独自の型の形状を指定することを望んでいるにもかかわらず、３Ｄ印刷材料の熱的および機械的特性、ならびに射出成形に適した３Ｄ型を設計するための３Ｄ型内のそのような材料の配置の計算について、充分な知識を持たない場合がある。

本実施形態は、カスタマイズされた３Ｄ型の設計を製造することを望んでいるが、それを射出成形に使用することを可能にする、機械または化学工学の知識、あるいは様々な材料、材料の強度および熱伝導率、ならびに製作される型内の材料の相対的量および配置に関する専門知識を持たないエンドユーザのニーズに対処するものである。

本実施形態はしたがって、エンドユーザによって指定された型の形状またはジオメトリを取り、かつ射出成形に要求される材料特性を有する領域を持つ型を自動的に設計する方法を提供することができる。

本実施形態は、輪郭追跡を使用して型を機能性領域と非機能性領域に分割し、型の表面が射出材料と接触するようになる位置を識別する。ひとたび射出材料と接触する位置が識別されると、これらの位置の元の輪郭は（３Ｄ型の中実部内に）例えば０．５ｍｍから５ｍｍの間だけ、例えば２ｍｍだけオフセットされ、オフセット層、すなわち耐熱性および機械的強度のオフセット領域が生成される。任意選択的に、接触領域または表面から外部に熱を除去する熱除去経路またはヒートシンク領域も同様に計算することができる。接触およびヒートシンク領域が識別された後、次いで型の残りのボリューム、すなわち非機能性領域は、低コストの材料を充填するように割り当てることができる。任意選択的に、３Ｄ型の外面は（３Ｄ型の中実部内に）例えば０．５ｍｍから５ｍｍの間だけ、例えば２ｍｍだけオフセットして、高い靭性／耐衝撃性のシェルを形成するオフセット領域を生成することができる。

本発明の一部の実施形態の態様によれば、射出成形用の型を作成する方法であって、
型の形状を得るステップと、
型の壁が射出材料と接触する少なくとも一つの接触面を輪郭追跡することによって、型内に機能性領域を画定するステップと、
接触面から壁内に第一オフセットを実行して第一オフセット領域を画定し、かつ第一オフセット領域のための第一材料を指定するステップと、
第一層から壁内に第二オフセットを実行して第二オフセット領域を画定し、かつ第二オフセット領域のための第二材料を指定するステップと、
付加製造を使用して、第一材料から作られた第一オフセット領域および第二材料から作られた第二オフセット領域を含む機能性領域を持つ型を作成するステップと、
を含む方法が提供される。

この方法は、第二層から壁内への第三オフセットを実行して第三オフセット領域を画定し、第三オフセット領域のための第三材料を指定し、付加製造を用いて型内に第三オフセット領域を組み込んでよい。

実施形態では、予め定められた機械的特性に従って、第一、第二、および第三のオフセット領域の少なくとも一つが選択される。

実施形態では、予め定められた熱的特性に従って、第一、第二、および第三のオフセット領域の少なくとも一つが選択される。

この方法は、任意選択的に、オフセット領域から始まる熱除去経路を画定し、かつ熱除去経路に熱伝導性材料を組み込んで型内に内部ヒートシンクを形成するステップを含んでよい。

この方法はさらに、型の形状の周りに凸包を生成して密閉型を形成するステップを含む。

実施形態では、密閉型は少なくとも二つの部品を有する。

この方法は、密閉型から型の形状を取り除くステップと、取り除いた結果を密閉型と交差させるステップと、それによって機能性領域を画定し、かつそれを残りの非機能性領域から区別するステップとを含んでよい。

この方法は、密閉型から取り除いた結果を取り除いて、非機能性領域を得るステップを含んでよい。

この方法はさらに、密閉型の非機能性領域のための充填材を指定するステップを含んでよい。

実施形態は、型自体、そのような型により作成される成形部品、およびそのような型により作成された成形部品の一つ以上から構築される物体に拡張することができる。

本発明のさらなる態様によれば、
１）コンピュータを作動させて、
型の形状を得、
型の壁が射出材料と接触する少なくとも一つの接触面の輪郭追跡によって機能性領域を画定し、
接触面から壁内に第一オフセットを実行して第一オフセット領域を画定し、かつ第一オフセット領域のための第一材料を指定し、
第一オフセット領域から壁内に第二オフセットを実行して第二オフセット領域を画定し、かつ第二オフセット領域のための第二材料を指定し、
２）３Ｄプリンタを作動させ、付加製造を使用して、第一材料から作られた第一オフセット領域および第二材料から作られた第二オフセット領域を含む機能性領域を持つ型を作成する、
方法を使用して、射出成形用の型を設計しかつ印刷する命令を含むコンピュータ可読媒体が提供される。

コンピュータ可読媒体は、磁気ディスク、ポータブル・ディスク・オン・キー・フラッシュメモリをはじめとするフラッシュメモリ、ならびにインターネットのようなネットワークを介してダウンロードするサーバ上のメモリおよびディスクを含むことができる。この用語は、サービス提供者側およびダウンローダ側の両方のメモリを含むことを意図している。

本発明のさらに別の態様によれば、射出成形用の型を作成する方法であって、
型の形状を得るステップと、
型の壁が射出材料と接触する少なくとも一つの接触面の輪郭追跡によって、機能性領域を画定するステップと、
接触面から壁内に第一オフセットを実行して第一オフセット領域を画定し、かつ第一オフセット領域のための第一材料を指定するステップと、
付加製造を使用して、第一材料から作られた第一オフセット領域を含む機能性領域を持つ型を作成するステップと、
を含む方法が提供される。

本発明のさらに別の態様では、射出成形用に適した二部品型を製造するための付加製造方法であって、
（ｉ）二部品型（３Ｄ型）のコンピュータによる３Ｄ表現を得るステップと、
（ｉｉ）３Ｄ型内に一つ以上の領域を画成するステップと、
（ｉｉｉ）各々の画成された領域に材料または材料の組合せを割り当てるステップと、
（ｉｖ）付加製造によって二部品型を製造するステップと、
を含み、
画成ステップは、射出材料と接触することを意図された二部品型の表面からオフセットを実行することを含み、オフセットは３Ｄ型の中実部内に実行される、
方法が提供される。型はしたがって、各領域に一つずつ、かつ／または型の非画成部品に一つ、少なくとも二つの材料または材料の組合せから作られる。

実施形態では、二部品型のコンピュータによる３Ｄ表現を得るステップは、中実二部品型を提供すること、および型をデジタル化して型の３Ｄ表現を生成することを含む。

実施形態では、二部品型のコンピュータによる３Ｄ表現を得るステップは、物体をスキャンすること、および射出成形によって物体を製造するのに適した二部品型のコンピュータによる３Ｄ表現を構築することを含む。

実施形態では、３Ｄ型内に一つ以上の領域を画成するステップは、
ａ）密閉３Ｄ型の凸包を生成すること、
ｂ）元の３Ｄ型の構造を凸包から取り除いて、密閉３Ｄ型の内部ボリュームの表現を得ること、
ｃ）内部ボリュームのドミナントボリュームを選択すること、
ｄ）３Ｄ型の中実部内にドミナントボリューム表面をオフセットすること、
ｅ）オフセット領域を元の３Ｄ型と交差させること、および
ｆ）結果的に得られた領域を機能性領域と定義すること、
によって、機能性領域を画定することを含む。

実施形態では、３Ｄ型内に一つ以上の領域を画成するステップは、
ａ）上記に従って機能性領域を画定すること、
ｂ）元の３Ｄ型から機能性領域を取り除くこと、および
ｃ）結果的に得られた領域を非機能性領域と定義すること、
によって、非機能性領域を画定することを含む。

実施形態では、３Ｄ型内に一つ以上の領域を画成するステップは、
ａ）上記に従って非機能性領域を画定すること、
ｂ）密閉３Ｄ型の外面を３Ｄ型の非機能性領域の中実部内にオフセットすること、
ｃ）オフセット領域を周辺領域と定義すること、および
ｄ）非機能性領域の残りの構造をコア領域と定義すること、
によって、非機能性領域内に周辺領域およびコア領域を画定することを含む。

実施形態では、３Ｄ型内に一つ以上の領域を画成するステップは、ヒートシンク、伝導性サブ領域、耐摩耗性サブ領域、および冷却管を含むサブ領域から成るリストから選択されるサブ領域を画定することを含む。

実施形態では、各々の画成された領域に材料または材料の組合せを割り当てるステップは、
ａ）０．５～１０Ｗ／ｍＫの熱伝導率、
ｂ）少なくとも９０Ｊ／ｍの靭性／耐衝撃性、
ｃ）低くとも６５℃のガラス転移温度（Ｔｇ）、
ｄ）低くとも８５℃の熱撓み温度（ＨＤＴ）、または
ｅ）それらの任意の組合せ、
を有する材料または材料の組合せを選択することを含む。

実施形態では、付加製造によって二部品型を製造するステップは、３Ｄインクジェット印刷システムで二部品型を印刷することを含む。

本発明のさらなる態様によれば、
１）コンピュータを作動させて、
（ｉ）二部品型（３Ｄ型）のコンピュータによる３Ｄ表現内に一つ以上の領域を画成し、ここで少なくとも一つの領域は、射出材料と接触することを意図された一つ以上の表面からのオフセットを実行することによって画成され、かつオフセットは３Ｄ型の中実部内に実行され、
（ｉｉ）各々の画成された領域に材料または材料の組合せを割り当て、かつ
２）３Ｄプリンタを作動させ、割り当てられた材料または材料の組合せを各々の画成された領域に堆積することによって二部品型を製造するために付加製造を使用する、
方法を使用して、射出成形用に適した二部品型を設計しかつ印刷する命令を含むコンピュータ可読媒体が提供される。結果として、画定された領域外の材料とは異なる、各々の画定された領域内に割り当てられた材料または材料の組合せを有する型が得られる。

本発明のさらなる態様は、上記の方法論に従って製造される、射出成形用に適した二部品型である。

別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的用語および／または科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載される方法および材料と類似または同等である方法および材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、例示的な方法および／または材料が下記に記載される。矛盾する場合には、定義を含めて、本特許明細書が優先する。加えて、材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。

本発明の実施形態の方法および／またはシステムを実行することは、選択されたタスクを、手動操作で、自動的にまたはそれらを組み合わせて実行または完了することを含んでいる。さらに、本発明の装置、方法および／またはシステムの実施形態の実際の機器や装置によって、いくつもの選択されたステップを、ハードウェア、ソフトウェア、またはファームウェア、あるいはオペレーティングシステムを用いるそれらの組合せによって実行できる。

例えば、本発明の実施形態による選択されたタスクを実行するためのハードウェアは、チップまたは回路として実施されることができる。ソフトウェアとして、本発明の実施形態により選択されたタスクは、コンピュータが適切なオペレーティングシステムを使って実行する複数のソフトウェアの命令のようなソフトウェアとして実施されることができる。本発明の例示的な実施形態において、本明細書に記載される方法および／またはシステムの例示的な実施形態による１つ以上のタスクは、データプロセッサ、例えば複数の命令を実行する計算プラットフォームで実行される。任意選択的に、データプロセッサは、命令および／またはデータを格納するための揮発性メモリ、および／または、命令および／またはデータを格納するための不揮発性記憶装置（例えば、磁気ハードディスク、および／または取り外し可能な記録媒体）を含む。任意選択的に、ネットワーク接続もさらに提供される。ディスプレイおよび／またはユーザ入力装置（例えば、キーボードまたはマウス）も、任意選択的にさらに提供される。

本明細書では本発明のいくつかの実施形態を単に例示し添付の図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の実施形態を例示考察することだけを目的としていることを強調するものである。この点について、図面について行う説明によって、本発明の実施形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。

図１は、本発明の実施形態のフローチャートである。

図２は、図１の実施形態のより詳細なフローチャートである。

図３は、本発明の実施形態においてエンドユーザによって提供される３Ｄ型のコンピュータ生成３Ｄ断面図である。

図４は、本発明の実施形態に係る、図３の３Ｄ型に適用された層状構造を示すコンピュータ生成３Ｄ断面図である。

図５は、本発明の実施形態においてエンドユーザによって提供される３Ｄ型の上下部品を示すコンピュータ生成３Ｄ表現である。

図６は、一体に配置されて密閉型を形成する、図５の３Ｄ型の上下部品を示すコンピュータ生成３Ｄ表現である。

図７は、本発明の実施形態に係る、図６の密閉３Ｄ型の外郭を示すコンピュータ生成３Ｄ表現である。

図８は、本発明の実施形態に従って図６の密閉３Ｄ型を図７の外郭から取り除くことによって得られたコンピュータ生成３Ｄ表現である。

図９は、本発明の実施形態に従って選択されたドミナントボリュームを示すコンピュータ生成３Ｄ表現である。

図１０は、本発明の実施形態に従って生成された３Ｄ型の中実部内の図９のドミナントボリュームのオフセットを示すコンピュータ生成３Ｄ表現である。

図１１は、本発明の実施形態に従って図１０に示したオフセットボリュームを図６の密閉型と交差させた結果得られた３Ｄ構造を示すコンピュータ生成３Ｄ表現である。

図１２は、本発明の実施形態に係る、図５の３Ｄ型の上下部品の機能性および非機能性領域を示すコンピュータ生成３Ｄ表現である。

図１３は、本発明の実施形態に係る層状構造を示す図５の３Ｄ型の底部品のコンピュータ生成３Ｄ断面図である。

図１４は、本発明のさらなる実施形態のフローチャートである。

本発明は、その一部の実施形態では射出成形用の構造または型の設計および３Ｄ印刷に関する。

前述の通り、成形は高レベルの温度および圧力で実行される。付加製造に一般的に使用される材料はプラスチックである。プラスチックが上述した高温および高圧に耐え、かつ印刷された型の妥当な寿命をもたらすために、型は、異なる化学的、物理的、かつ／または機械的特性を有する領域を形成する、異なる層から印刷された複合構造とすることができる。

本実施形態は、たとえエンドユーザがプラスチック材料の力学および熱的特性に関する充分な知識も、３Ｄ型の層状構造を設計するための専門知識も持たないとしても、エンドユーザに彼ら自身の型の形状を設計する能力を提供することができる。

したがって、本実施形態は、要求される熱的および機械的特性をもたらすために必要な層状構造を生成する自動化された方法を提供することができる。この方法は、型の表面が射出される材料と接触し高温および高圧を経験することになる、接触面の輪郭を識別し、かつ追跡するステップを含むことができる。この方法は次いで、接触面の輪郭から型内に連続的にオフセットして、異なる特性を持つオフセット領域を提供し、こうして材料の必要な組合せを備えた型の機能性領域を、アルゴリズムを利用して構築する。

次いで、任意選択的に、型の非機能性領域に対し、機能性領域に使用される材料とは異なる特性を有しかつ／またはより安価に使用することのできる、「充填」材、すなわち内部空間を「充填」または「占有」するために使用される材料を割り当てることができる。

本発明の少なくとも１つの実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用において、下記の説明に示されるか、および／または図面および／または実施例において例示される構成要素および／または方法の組み立ておよび構成の細部に必ずしも限定されないことを理解しなければならない。本発明は他の実施形態が可能であり、または様々な方法で実施または実行されることが可能である。

次に図面を参照すると、図１は本発明の実施形態を示すフローチャートである。
図１は、射出成形用の型を作成する方法を示す。ボックス１０で、設計者から型の形状が得られる。型の形状は一般的に、二つの部品つまり上下部品を含む。型の形状は、物体のコンピュータによる３Ｄ表現を得るためにスキャンすることのできる物理的物体として、あるいはコンピュータによる３Ｄ表現（例えばＳＴＬファイル）の形で、提供することができる。コンピュータによる３Ｄ表現は、３Ｄ印刷システムと互換可能であることが要求されることがある。次いで、ボックス２０で、射出材料と接触することが予想される表面の輪郭が決定される。ボックス３０で、３Ｄ型の中実部内に（すなわち接触面から）小距離の、例えば０．５ｍｍから５ｍｍの間、例えば２ｍｍのオフセットが画定される。耐熱性／熱容量のような特定の所望の特性を有する第一材料を、そのオフセット領域に対し選択することができる。ボックス４０で、３Ｄ型の中実部内に任意選択的な第二オフセットを画定することができる。第二オフセット領域に対し第二材料を、例えば特定の機械的特性、例えば機械的復元力を有する材料を選択することができる。ボックス５０で、オフセット領域は、第一および任意選択的に第二材料が堆積される機能性領域を決定するために使用される。型の残部は非機能性であるとみなされるので、分離した機能性領域および非機能性領域が画定される。オフセットは、各々が異なる材料のオフセット領域を画定する、幾つかのより小さいオフセットを含むことができ、それらは、全てが一体に組み合わされたときに、溶融材料との接触により溶けたり機械的に損傷したりすることなく溶融材料に耐える能力を有する機能性型を形成する。ボックス６０で、上述の通り、様々な機能性層または領域および指定された材料を有する機能性領域を含む、設計された通りの層および領域を備えた型を製造するために、付加製造が使用される。

次に図２を参照すると、それは図１の実施形態のより詳細なフローチャートである。図１と同一のボックスには同一の参照番号が付いている。図１の場合と同様に、ボックス１０で、設計者から型の形状が得られる。ボックス２０で、射出材料と接触することが予想される表面の輪郭が決定される。ボックス３０で、３Ｄ型の中実部内に（すなわち接触面から）小距離の、例えば０．５ｍｍから５ｍｍの間、例えば２ｍｍのオフセットが画定される。耐熱性／熱容量のような所望の特性を有する第一材料を、そのオフセット領域に対し選択することができる。ボックス４０で、３Ｄ型の中実部内に第二オフセットが画定される。第二オフセット領域に対し、第二材料を、例えば特定の機械的特性、例えば機械的復元力を有する材料を選択することができる。ボックス４１で、機械的靭性、復元力、および熱的特性または熱転移特性を含め、型の機能性領域に要求される特性のために必要なだけ第三および後続（Ｎ個）のオフセット領域を画定するために、第二オフセット領域から型の奥深くへ任意の数のさらなるオフセットが行われる。ボックス５０で、オフセット領域を使用して機能性領域が決定され、そこに第一、第二、および任意選択的に（Ｎ個の）さらなる材料が堆積される。型の残部は非機能性とみなされるので、分離した機能性領域および非機能性領域が画定される。ボックス５１は、領域から熱除去経路を任意選択的に画定し、かつ熱除去経路に熱伝導性材料を組み込んで型内に内部ヒートシンクを形成することを示す。ボックス５２は、型の非機能性領域に対する充填材の使用を示す。典型的には、選択される充填材は材料または材料の組合せ、すなわち型の機能性領域とは異なる特性を有する材料となる。例えば非機能性領域を充填するために使用される材料は、放熱特性を有することができる。充填材はまた、型の他の領域に使用される材料と比較してより安価に使用することもできる。ボックス６０で、上述の通り、様々な機能性層または領域および指定された材料を有する機能性領域を含む、設計された通りの層および領域を備えた型を製造するために、付加製造が使用される。

次に図３を参照すると、それは、本発明の実施形態においてエンドユーザによって提供される３Ｄ型１００のコンピュータ生成３Ｄ断面図である。型は外体１０２と、射出材料を収容し成形を実行する成形キャビティ１０４とを有する。キャビティの内面はしたがって、成形プロセスの高温および高圧にさらされる。型はさらに、射出材料が充填された後で型を密閉させるねじ穴１０６のような、型の取扱いを助けるための特徴を有することができる。

次に図４を参照すると、それは、本発明の実施形態に係る、図３の３Ｄ型に適用された層状構造を有するコンピュータ生成３Ｄ断面図を示す。図４では、キャビティ１０４の輪郭が識別され、その輪郭に沿って第一領域１０８が画定され、かつ型のボリューム内に短い距離だけ延びるようにオフセットされる。次いで、依然としてキャビティの輪郭に従って、第二領域１１０は３Ｄ型内により深く延び、第三領域１１２はさらに深く延びる。図示されないが、特定の型の要件により、第四および追加の領域を構築することができる。

型の非機能性部分はコア１１４を形成し、それは充填材、典型的には材料または材料の組合せから作ることができ、ここで非機能性領域を充填するために使用される材料は放熱特性を有することができる。充填材はまた、より安価に使用することができる。周辺領域１１６、１１８、および１２０は型の周囲のシェルを形成することができる。典型的に、シェルには剛性および／または耐衝撃性の材料が選択される。コアおよびシェルの材料はまた、本実施形態に従ってアルゴリズムを利用して選択することもできる。脚１２１は、典型的には熱伝導性領域とすることのできる領域１１２の延長である。脚は位置１２２に接触壁から型の外部への熱的経路をもたらし、したがって型のための内蔵ヒートシンクとして働く。要求される特性をもたらすために、接触壁面のような位置１２２に追加的領域１２３および１２４を設けることができる。

次に図５を参照すると、それは、本発明の実施形態においてエンドユーザによって提供される３Ｄ型の上下部品１３０および１３２をそれぞれ示すコンピュータ生成３Ｄ表現である。これらの部品は、溶融射出材料を保持するためのキャビティ１３４、および型の操作を可能にするねじ穴のような特徴部１３６を含む。型の一方の部品のキャビティに対応して、型の他方の部品には突出部１３８が存在することができ、かつ、図示するように、成形される部品の複雑さに応じて、突出部には小さいキャビティ１４０が、またキャビティには小さい突出部１４２が存在することができる。

図６は、成形作業を実行するときのように一体に嵌合された、図５の３Ｄ型の二つの半体１３０および１３２を示す、コンピュータ生成３Ｄ表現である。

次に図７を参照すると、それは、本発明の実施形態に係る図６の密閉３Ｄ型の外郭１５０を示すコンピュータ生成３Ｄ表現である。外郭は典型的には凸包、あるいは大部分を凸包とすることができる。

図８は、本発明の実施形態に従って図６の密閉３Ｄ型を図７の外郭から取り除くことによって得られたコンピュータ生成３Ｄ表現１５２である。射出材料が充填される型領域１５６のみならず、接合面および部分１５４も示される。

図９では、接合面のような部分が取り除かれ、ドミナントボリューム１５８が選択されて、溶融射出材料と接触するようになる型の領域が決定される。

図１０では、ドミナントボリュームの表面から３Ｄ型の中実部内へのオフセットが生成されて、第一の最外オフセット領域１６０が提供され、それは典型的には高Ｔｇ材料から形成することができる。異なる機械的特性を有する追加の層を提供するために、さらなるオフセット領域を形成することができる。

図１１では、図１０のオフセット領域と図６の３Ｄ型との交差により、上下部品それぞれから機能性領域２００および２０１は画定される。図１２では、機能性領域２００および２０１は図６にある密閉３Ｄ型の元のボリュームから取り除かれ、非機能性領域２０４および２０５がもたらされる。したがって機能性および非機能性領域は、３Ｄ型の密閉ボリュームの相補的部分である。

図１３は、本発明の実施形態に係る層状構造を示す、製造される図５の３Ｄ型の底部のコンピュータ生成３Ｄ断面図である。型は、外体１０２と、使用中に溶融材料が充填されて最終製品を形成する内部キャビティ１０４とを有する。型はさらに、射出材料が充填された後、型を密閉させるねじ穴または突出部１０６のような、型の使用を助ける特徴部を有することができる。型のボリューム内に短い距離延入するオフセットで、高温／溶融材料と接触する第一オフセット領域１０８が輪郭に沿って設けられる。次いで第二オフセット領域１１０は型内にさらに深く延入し、第三オフセット領域１１２はキャビティの輪郭に沿ってさらになお深く延入する。図には示されないが、特定の型の要求に応じて、第四およびそれ以上の追加オフセット領域を構築することができる。

３Ｄ型の非機能性部分は、機能性領域に使用される材料とは異なる特性を有し、例えばより安価に使用することのできる、充填材のような材料または材料の組合せから作られる、例えばコア１１４を形成する。コアの非機能性領域に充填するために使用される材料は、放熱特性を有することができる。周辺層１１６、１１８、および１２０は、型の周囲のシェルを形成することができる。典型的に、シェルには剛性の耐衝撃性材料が選択される。

図１４は、本発明に係る射出成形用の二部品型を製造するための方法のさらなる実施形態のフローチャートである。射出成形に適した二部品型（「３Ｄ型」ともいう）のコンピュータによる３Ｄ表現を得るために（ボックス３０５）、中実二部品型を提供し（ボックス３００）、それをデジタル化してその３Ｄ表現を生成する（ボックス３０１）か、あるいは物体をスキャンし（ボックス３０２）、射出成形を介してその物体を製造するのに適した二部品型のコンピュータによる３Ｄ表現を生成する（ボックス３０３）か、あるいは型のすぐに使用できるコンピュータによる３Ｄ表現を直接提供する（ボックス３０４）ことができる。二部品型のコンピュータによる３Ｄ表現を取得した（ボックス３０５）後、（１）密閉３Ｄ型（ボックス３０６１）の凸包を生成し、（２）元の３Ｄ型を凸包から取り除いて（ボックス３０６２）、密閉３Ｄ型の内部ボリュームのコンピュータによる３Ｄ表現を得、（３）前記内部ボリュームからドミナントボリュームを選択し（ボックス３０６３）、それによって非関連内部ボリューム（例えばねじ穴）を除外し、（４）３Ｄ型の中実部内にドミナントボリューム表面を少なくとも一回オフセットして（ボックス３０６４）、各オフセット領域が例えば０．５ｍｍ～５ｍｍの厚さを有して成る一つ以上のオフセット領域を得、（５）オフセット領域とボックス３０５の元の３Ｄ型とを交差させて一つ以上の機能性領域を画定し（ボックス３０６５）、（６）ボックス３０５の元の３Ｄ型から機能性領域を取り除いて一つ以上の非機能性領域を画定し（ボックス３０６６）、（７）任意選択的に少なくとも一回３Ｄ型の外面を３Ｄ型の非機能性領域の中実部内に少なくとも一回オフセットして、各周辺オフセット領域が例えば０．５ｍｍ～５ｍｍの厚さを有して成る一つ以上の周辺領域およびコア領域を画定し（ボックス３０６７）、（８）任意選択的に、型内で特定の機械的、化学的、または物理的特性を持つ追加のサブ領域（例えばヒートシンク領域、導電性領域）を決定する（ボックス３０６８）ことによって、ボックス３０６で３Ｄ型の様々な領域および／またはサブ領域が画成される。次いで、材料または材料の組合せ（例えばデジタル材料）が画成された各領域（例えば機能性領域、非機能性領域、周辺領域、特殊領域、コア領域）に割り当てられ（ボックス３０７）、異なる材料が割り当てられた領域またはサブ領域に従って堆積され、最終的に付加製造によって二部品型が製造される（ボックス３０８）。

特定の型の必要に応じて、様々な領域を設けることができる。領域は、成形される物体の大きさや成形圧力だけでなく、成形される材料および溶融材料の温度によっても変化することがある。

様々なサブ領域は、以下の例示的リストに従って型の部分に特性をもたらすことができる。
ａ）熱伝導性材料から作られる、型の使用中に蓄積する熱の放散を可能にする内部サブ領域、
ｂ）相対的熱伝導性材料から作られる管または同様の経路が埋め込まれた相対的非熱伝導性バルク型材から作られる、内部サブ領域から熱を逃がして放熱を可能にする埋込みヒートシンクサブ領域、
ｃ）耐摩耗性ポリマーから作られる耐摩耗性サブ領域、
ｄ）高靭性または高Ｔｇポリマーから作られる、プロセス条件下で破損耐性のあるサブ領域、
ｅ）相対的熱伝導性材料と高Ｔｇまたは高ＨＤＴを持つポリマー材料との組合せから作られる、破損耐性のある耐熱性材料のサブ領域、
ｆ）可撓性材料から作られる、密封または解放のためのサブ領域、および
ｇ）中空であり冷却材の流動を可能にする冷却管を含むサブ領域。
さらに、サブ領域は上述した材料の組合せから構築することができる。すなわち、特に高温に対処するために、管網を型に印刷することができ、より高い冷却効率のために管内に冷却液を通すことができる。

実施形態では、使用される材料は充填材を含有するポリマーを含むことができ、各サブ領域は、要求される性能に基づいて、サブ領域に特定的な特性を与えるように充填材を含有するポリマーを含むことができる。

実施形態では、相対的に高い熱伝導性材料の熱伝導率は０．５～１０Ｗ／ｍＫである。
ここでは、以下の定義を適用することができる。

高い靭性／衝撃：少なくとも９０Ｊ／ｍ
高いＴｇ：低くとも６５℃
高いＨＤＴ：低くとも８５℃

実施形態では、ヒートシンクサブ領域は伝導性ポリマーインクにより印刷されたヒートシンクを含み、ポリマーインクは内部型面から熱を放散するように設計された伝導性の管路および層を形成する。

実施形態では、熱伝導性材料は少なくとも一つの炭素系材料が充填されたインクを含む。

実施形態では、炭素系材料はカーボンナノチューブ、グラフェン、ナノダイヤモンド、およびカーボンブラックのいずれかを含む。

実施形態では、熱伝導性材料はミクロンサイズの粒子、サブミクロン粒子、および／またはナノ粒子を含む。

実施形態では、ミクロンサイズの粒子、サブミクロン粒子、および／またはナノ粒子は、金属ナノ粒子、セラミックナノ粒子、ナノチューブ、ナノダイヤモンド、およびナノ酸化物のいずれかを含む。

実施形態では、熱伝導性材料は金属粒子を含み、金属粒子は銀、銅、チタン、およびステンレス鋼のいずれかを含む。

実施形態では、熱伝導性材料はセラミック粒子を充填したインクを含む。

実施形態では、セラミック粒子はセラミックナノ粒子、セラミックナノチューブ、およびセラミックサブミクロン粒子のいずれかを含む。

実施形態では、セラミック粒子は窒化ホウ素、窒化ケイ素、およびアルミナのいずれかを含む。

実施形態では、内部ヒートシンク構造は周囲型材料に埋め込まれた熱伝導性材料の管路網を含む。

実施形態は、冷却材チューブを設け、冷却材チューブに冷却材を揚送することを含むことができる。

実施形態は、少なくとも一つの密封ゾーンを画定し、可撓性材料で密封ゾーンを印刷することを含むことができる。

実施形態はさらに、形成された製品を型から外すために型に可撓性をもたらす解放ゾーンを画定し、可撓性材料を用いて開放ゾーンを印刷することを含むことができる。

実施形態では、可撓性材料は、ゴム状もしくはゴム様材料、耐摩耗性充填材を含むゴム状材料、および熱伝導性充填材を含むゴム状材料、弾性材料、エラストマー材料、またはエラストマー様材料のいずれかを含む。

実施形態では、耐摩耗性ポリマーは酸化物を含有するポリマーを含む。

実施形態では、酸化物は少なくともシリカおよびアルミナのいずれかを含む。実施形態では、耐摩耗ポリマーはフッ素化材料を含む。

方法は、熱の蓄積が最も大きい型の部分を決定し、そのような部分に少なくとも一つ熱伝導性領域を印刷することを含むことができ、熱伝導性領域は型内の一連の冷却経路または冷却材充填冷却管にさえもつながる。

方法は、耐摩耗性のポリマーおよび熱伝導性ポリマーの両方で内部領域を印刷することを含むことができ、それによって研磨ポリマーを用いて射出成形することが可能になる。

実施形態では、ポリマーは耐摩耗性であり、かつ熱伝導性ポリマーは、セラミック材料充填材およびカーボン材料充填材の両方を含むポリマーである。

方法は、成形後に射出材料の安全な取出しができるように、型の密封領域上にゴム状、ゴム様、弾性、または可撓性の層を印刷することを含むことができる。

本方法を実行するための命令は、磁気ディスク、フラッシュメモリ等のようなコンピュータ可読媒体に保持し、コンピュータおよび３Ｄプリンタに適用することができる。実施形態では、コンピュータ可読媒体はネットワークサーバに配置することができ、命令はエンドユーザによってダウンロードすることができる。

本出願から成熟する特許の存続期間の期間中には、付加製造の多くの関連する形態および方法が開発されることが予想され、用語「付加製造」および「３Ｄ印刷」の範囲は、すべてのそのような新しい技術を先験的に包含することが意図される。

用語「トレーシング」、「追跡」、「画定」、および「画成」は互換可能に使用され、二部品型の３Ｄ表現における一つ以上の特定の領域のアウトラインを識別しかつ定義することを意味する。

本明細書で使用する場合、用語「３Ｄ型」とは、射出成形に適した中実二部品型のコンピュータによる表現を意味する。典型的には、３Ｄ型は、射出成形材料がその中に射出される領域を表すキャビティ（すなわち空ボリューム部分）、および／または射出材料が充填された後、型を閉じることを可能にするねじ穴または突出部のような、型の使用を助けるための特徴部を有する。３Ｄ型の残りの領域は中実部と定義される。本明細書で使用する場合、「３Ｄ型の中実部内で」オフセットを実行するという表現は、オフセットが（空領域部の方向ではなく）３Ｄ型の中実構造の方向に実行されることを意味する。

用語「含む／備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの同根語は、「含むが、それらに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。

用語「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」は、「含み、それらに限定される（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｎｄ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。

表現「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」は、さらなる成分、工程および／または部分が、主張される組成物、方法または構造の基本的かつ新規な特徴を実質的に変化させない場合にだけ、組成物、方法または構造がさらなる成分、工程および／または部分を含み得ることを意味する。

本明細書中で使用される場合、単数形態（「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」）は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数の参照物を包含する。例えば、用語「化合物（ａ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）」または用語「少なくとも１つの化合物」は、その混合物を含めて、複数の化合物を包含し得る。

明確にするため別個の実施形態の文脈で説明されている本発明の特定の特徴が、単一の実施形態に組み合わせて提供されることもできることは分かるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施形態で説明されている本発明の各種の特徴は別個にまたは適切なサブコンビネーションで、あるいは本発明の他の記載される実施形態において好適なように提供することもできる。種々の実施形態の文脈において記載される特定の特徴は、その実施形態がそれらの要素なしに動作不能である場合を除いては、それらの実施形態の不可欠な特徴であると見なされるべきではない。

本発明はその特定の実施態様によって説明してきたが、多くの別法、変更および変形があることは当業者には明らかであることは明白である。従って、本発明は、本願の請求項の精神と広い範囲の中に入るこのような別法、変更および変形すべてを包含するものである。

本明細書で挙げた刊行物、特許および特許出願はすべて、個々の刊行物、特許および特許出願が各々あたかも具体的にかつ個々に引用提示されているのと同程度に、全体を本明細書に援用するものである。さらに、本願で引用または確認したことは本発明の先行技術として利用できるという自白とみなすべきではない。節の見出しが使用されている程度まで、それらは必ずしも限定であると解釈されるべきではない。

Claims (11)

1. 射出成形用に適した二部品型を製造するための付加製造方法であって、
   （ｉ）二部品型（３Ｄ型）のコンピュータによる３Ｄ表現を得るステップと、
   （ｉｉ）３Ｄ型内に一つ以上の領域を画成するステップと、
   （ｉｉｉ）各々の画成された領域に各々の材料または材料の各々の組合せを割り当てるステップと、
   （ｉｖ）付加製造によって前記二部品型を製造するステップと、但し、前記付加製造は前記各々の割り当てられた材料または材料の組合せを前記各々の画成された領域中に与え、前記各々の割り当てられた材料または材料の組合せは、各々の画成された領域の外側の材料または材料の組合せとは異なる、
   を含み、
   前記画成するステップは、前記型内のドミナントボリュームを選択すること、及び前記ドミナントボリュームの前記３Ｄ型の表面であって、射出材料と接触することを意図された表面からオフセットを実行して、前記表面と前記オフセットにより形成された表面との間に前記一つ以上の画成された領域のうちの一つを形成させることを含み、前記オフセットは前記３Ｄ型の中実部内に実行される、
   方法。
2. 二部品型のコンピュータによる３Ｄ表現を得るステップは、中実二部品型を提供すること、および前記型をデジタル化して型の３Ｄ表現を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 二部品型のコンピュータによる３Ｄ表現を得るステップは、物体をスキャンすること、および射出成形によって前記物体を製造するのに適した二部品型のコンピュータによる３Ｄ表現を構築することを含む、請求項１に記載の方法。
4. ３Ｄ型内に一つ以上の領域を画成するステップは、
   ａ）密閉３Ｄ型の凸包を生成すること、
   ｂ）元の３Ｄ型の構造を凸包から取り除いて、密閉３Ｄ型の内部ボリュームの表現を得ること、
   ｃ）前記内部ボリュームと一致するドミナントボリュームの部分を選択すること、
   ｄ）３Ｄ型の中実部内にドミナントボリューム表面をオフセットすること、
   ｅ）オフセット領域を元の３Ｄ型と交差させること、および
   ｆ）結果的に得られた領域を機能性領域と定義すること、
   によって、機能性領域を画定することを含む、請求項１に記載の方法。
5. ３Ｄ型内に一つ以上の領域を画成するステップは、
   ａ）請求項４に記載の機能性領域を画定すること、
   ｂ）元の３Ｄ型から機能性領域を取り除くこと、および
   ｃ）結果的に得られた領域を非機能性領域と定義すること、
   によって、非機能性領域を画定することを含む、請求項１に記載の方法。
6. ３Ｄ型内に一つ以上の領域を画成するステップは、
   ａ）請求項５に記載の非機能性領域を画定すること、
   ｂ）密閉３Ｄ型の外面を３Ｄ型の非機能性領域の中実部内にオフセットすること、
   ｃ）前記オフセット領域を周辺領域と定義すること、および
   ｄ）非機能性領域の残りの構造をコア領域と定義すること、
   によって、非機能性領域内に周辺領域およびコア領域を画定することを含む、請求項１に記載の方法。
7. ３Ｄ型内に一つ以上の領域を画成するステップは、ヒートシンク、伝導性サブ領域、耐摩耗性サブ領域、および冷却管を含むサブ領域から成るリストから選択されるサブ領域を画定することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 各々の画成された領域に材料または材料の組合せを割り当てるステップは、
   ａ）０．５～１０Ｗ／ｍＫの熱伝導率、
   ｂ）少なくとも９０Ｊ／ｍの靭性／耐衝撃性、
   ｃ）低くとも６５℃のガラス転移温度（Ｔｇ）、
   ｄ）低くとも８５℃の熱撓み温度（ＨＤＴ）、または
   ｅ）それらの任意の組合せ、
   を有する材料または材料の組合せを選択することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 付加製造によって前記二部品型を製造するステップは、３Ｄインクジェット印刷システムで二部品型を印刷することを含む、請求項１に記載の方法。
10. １）コンピュータを作動させて、
    （ｉ）二部品型（３Ｄ型）のコンピュータによる３Ｄ表現内に一つ以上の領域を画成し、ここで少なくとも一つの領域は、前記型内のドミナントボリュームを選択すること、及び前記ドミナントボリュームの一つ以上の表面であって、射出材料と接触することを意図された表面からのオフセットを実行して、前記表面と前記オフセットにより形成された表面との間に前記一つ以上の画成された領域のうちの一つを形成させることによって画成され、かつ前記オフセットは３Ｄ型の中実部内に実行され、
    （ｉｉ）各々の画成された領域に材料または材料の組合せを割り当て、かつ
    ２）３Ｄプリンタを作動させ、割り当てられた材料または材料の組合せを各々の画成された領域に堆積することによって前記二部品型を製造するために付加製造を使用する、
    方法を使用して、射出成形用に適した二部品型を設計しかつ印刷する命令を含むコンピュータ可読媒体であって、割り当てられた材料または材料の組合せは、前記各々の画成された領域の外側に堆積された材料とは異なる、コンピュータ可読媒体。
11. 射出成形用の型を作成する方法であって、
    型の形状を得るステップと、
    前記型内のドミナントボリュームを選択するステップと、
    前記型の壁が射出材料と接触する前記ドミナントボリュームの少なくとも一つの接触面の輪郭追跡によって、機能性領域を画定するステップと、
    前記接触面から前記壁内に第一オフセットを実行して、前記接触面と前記第一オフセットにより形成された表面との間に第一オフセット領域を画定し、かつ前記第一オフセット領域のための第一材料を指定するステップと、
    付加製造を使用して、前記第一材料から作られた前記第一オフセット領域を含む前記機能性領域を持つ前記型を作成するステップと、
    を含む方法。

Images