KR20130099884A

KR20130099884A - 분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위한 몰드 코어 패키지

Info

Publication number: KR20130099884A
Application number: KR1020130021372A
Authority: KR
Inventors: 해롤드 피. 시어스; 제임스 토드 클로브; 닐 플로이드 엥케; 앨런 로렌스 제이콥슨
Original assignee: 포드 모터 캄파니
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2013-09-06
Also published as: GB2499890B; CN103286892A; DE102013203372A1; CA2803737A1; GB201301630D0; GB2499890A; US20130221191A1

Abstract

공구의 일부로서 가열 및 냉각 특징부를 구비하는 분말 슬러시 성형 공구로, 해당 공구는 첨가 제조 기술에 의해 형성되는 몰드를 사용하여 생성되며, 해당 공구는 차량 내부에 사용되는 가요성 폴리머 연질 외피를 제조하기 위해 추가로 사용된다.

Description

분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위한 몰드 코어 패키지{MOLD CORE PACKAGE FOR FORMING A POWDER SLUSH MOLDING TOOL}

본 출원은 다음의 출원, 즉 그 전체 개시 내용이 본 명세서에 참조로서 인용되는 것으로, 발명의 명칭이 "성형 공구 형성용 몰드 코어"인 2012년 2월 29일 출원된 미국특허출원 제_호(변호사 관리번호 제83203377호), 발명의 명칭이 "가열 및 냉각 시스템을 갖춘 성형 조립체"인 2012년 2월 29일 출원된 미국특허출원 제_호(변호사 관리번호 제83203379호), 발명의 명칭이 "교환 가능한 몰드 삽입체"인 2012년 2월 29일 출원된 미국특허출원 제_호(변호사 관리번호 제83203382호), 발명의 명칭이 "컨포멀(conformal) 부분을 갖춘 성형 공구 및 그 제조 방법"인 미국특허출원 제_호(변호사 관리번호 제83225806호) 및 발명의 명칭이 "다이 구성요소용 몰드를 생성하기 위한 첨가 제조 기술"인 2012년 2월 29일 출원된 미국특허출원 제-호(변호사 관리번호 제83225814호)와 관련이 있다.

본 발명은 차량 내부에 사용하기 위한 가요성 폴리머 연질 외피(flexible polymeric soft skin)를 제조하기 위해 사용되는 공구로서, 공구의 일부로서 주조되는 가열 및 냉각 특징부를 갖는 분말 슬러시 성형 공구 또는 회전 성형 공구에 관한 것이다.

분말 슬러시 성형 공구 또는 회전 성형 공구는 계기판, 내부 도어 패널, 대시보드, 암레스트 및 부드러운 표면 감촉을 필요로 하는 여타의 차량 부품과 같은 차량 부품에 사용되는 연질 외피의 생성에 사용된다. 일반적으로 연질 외피는 전주(electro-formed) 니켈 공법 또는 니켈 기상 증착 공법에서 분말 슬러시 성형 공구를 사용하여 생성된다. 이들 공법은 분말 슬러시 성형 공구에 형성하는 데 많은 비용과 시간을 요하는 외부 냉각 및 가열 특징부를 구비한 분말 슬러시 성형 공구를 필요로 한다. 본 발명은 연질 외피의 제조 공정에 사용되는 분말 슬러시 성형 공구에 관한 것으로, 해당 분말 슬러시 성형 공구를 생성하기 위한 몰드는 가열 및 냉각 특징부가 연질 피부 생성에 사용되는 주조 분말 슬러시 성형 공구로 전환되도록 가열 및 냉각 특징부가 몰드 코어 패키지로 형성될 수 있는 삼차원 인쇄 공정을 사용하여 형성된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 차량 내부용 폴리머 외피의 제조 방법은 (a) 얇은 입자층을 침착하는 단계와, (b) 몰드 코어 패키지의 단면을 한정하기 위해 얇은 입자층에 결합제를 선별적으로 적용하는 단계를 포함한다. (a) 단계와 (b) 단계는 내부에 몰드 공동이 배치된 완성형 몰드 코어 패키지를 생성하기 위해 반복된다. 용융재가 주조 분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위해 몰드 공동으로 주입되거나 다른 방식으로 적용된다. 이어서 주조 성형 공구는 폴리머 외피를 형성하기 위해 슬러시 성형 공정 중에 폴리머재로 코팅된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위한 몰드 코어 패키지의 제조 방법은 (a) 얇은 입자층을 침착하는 단계와, (b) 몰드 코어 패키지의 단면을 한정하기 위해 얇은 층에 결합제를 선별적으로 적용하는 단계를 포함한다. (a) 단계와 (b) 단계는 내부에 몰드 공동이 배치된 완성형 몰드 코어 패키지를 생성하기 위해 반복된다. 5.0×10^-6 in/in/℉보다 낮은 열팽창계수를 갖는 용융 니켈-철 합금이 주조 분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위해 몰드 코어 패키지로 주입되거나 다른 방식으로 적용된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위한 몰드 코어 패키지는 복수의 적층 입자층에 의해 한정되는 제1 성형면을 갖는 코프(cope) 또는 상부 몰드 박스를 포함한다. 몰드 코어 패키지는 복수의 적층 입자층에 의해 한정되는 제2 성형면을 갖는 드래그(drag)를 추가로 포함한다. 주조 공동은 코프와 드래그의 제1 및 제2 성형면에 의해 각각 한정되며, 주조 공동은 슬러시 성형 공정에 사용되는 분말 슬러시 성형 공구 내로 주조되는 열 제어 특징부의 음각(negative) 구성을 구비한다.

상기 및 여타의 본 발명의 양태, 목적 및 특징은 다음의 명세, 특허청구범위 및 첨부도면에 대한 검토를 통해 기술분야의 당업자에 의해 이해되고 인식될 것이다.

도 1은 삼차원(3D) 인쇄 장치에 의해 몰드 코어 패키지가 형성되기 이전의 작업 박스 또는 경질 격납 박스의 상부 사시도이다.
도 2는 미세 입자층이 작업 박스에 확산되는 동안의 도 1의 작업 박스의 상부 사시도이다.
도 3은 결합제가 3D 인쇄 장치에 의해 인쇄 영역에 첨가되는 동안의 도 1의 작업 박스의 상부 사시도이다.
도 4는 몇몇 미세 입자층이 3D 인쇄 장치에 의해 인쇄된 이후의 도 1의 작업 박스의 상부 사시도이다.
도 5는 새로운 미세 입자층이 작업 박스의 인쇄면에 걸쳐 확산된 도 1의 작업 박스의 상부 사시도이다.
도 6은 전체 몰드 코어 패키지가 인쇄되고 작업 박스가 제거된 이후의 도 1의 작업 박스의 상부 사시도이다.
도 6a는 작업 박스로부터 제거된 몰드 코어 패키지의 사시도로서, 몰드 코어 패키지는 결합 입자로부터 제조되고 과잉 미결합 입자는 제거되어 있다.
도 7은 도 6a에 도시된 코프 몰드의 상부 사시도이다.
도 8은 주조 박스에 배치된 드래그 몰드의 상부 사시도이다.
도 9는 코프와 드래그 몰드의 합체에 의해 한정되는 몰드 공동 내로 용융재를 주조하기 위해 배치되는 몰드 코어 패키지의 상부 사시 단면도이다.
도 10은 몰드 코어 패키지로부터 주조되어 생성된 분말 슬러시 몰드 공구의 상부 사시도이다.
도 10a는 도 10의 분말 슬러시 성형 공구의 저부 사시도이다.
도 10b는 그레인(grain) 패턴이 성형 공구의 A-면에 식각된 분말 슬러시 성형 공구의 상부 사시도이다.
도 11은 외부 가열 및 냉각 특징부가 몰딩면에 구성된 코프 몰드의 상부 사시도이다.
도 11a는 도 11의 코프 몰드를 사용하여 주조된 분말 슬러시 성형 공구의 저부 사시도로서, 분말 슬러시 성형 공구는 분말 슬러시 성형 공구의 B-면에 가열 및 냉각 특징부를 구비한다.
도 12는 사이에 변위 코어가 배치된 도 7 내지 도 8의 코프 및 드래그 몰드로 구성되는 샌드 몰드 패키지(sand mold package)의 상부 사시 단면도이다.
도 12a는 분말 슬러시 성형 공구의 일부를 관통하여 연장되는 컨포멀 가열 및 냉각 저장소를 갖는 분말 슬러시 성형 공구의 다른 실시예의 단면도이다.
도 13은 성형 공구의 일부를 관통하여 연장되는 컨포멀 라인을 갖는 분말 슬러시 성형 공구의 다른 실시예의 단면도이다.
도 14는 폴리머 연질 외피를 제조하기 위해 슬러시 성형 공정에서 분말 슬러시 성형 공구를 사용하는 방식을 나타내는 순서도이다.
도 15는 연질 외피가 상부에 배치된 도어 패널의 부분 사시도이다.
도 15a는 XVA의 위치에서 취한 것으로 그레인 패턴이 상부에 배치된 도 15의 연질 외피의 부분 사시도이다.

본 명세서에서의 설명을 목적으로, 용어 "상부", "하부", "우측", "좌측", "후방", "전방", "수직", "수평" 및 그의 파생어는 도 1에 배향된 바와 같이 본 발명과 연관된다. 그러나 물론 본 발명은 명시적으로 달리 특정된 경우를 제외하고는 다양한 대체 배향을 상정할 수 있다. 또한 첨부도면에 도시되어 있고 다음 명세에서 설명되는 특정 장치와 공정은 첨부된 특허청구범위에서 규정되는 본 발명의 개념을 단순히 예시하는 실시예에 불과하다는 것도 당연하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예와 관련된 특정 치수와 여타의 물리적 특성은 특허청구범위에서 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참고하면, 첨가 제조 기술이 샌드프린팅(sandprinting) 공정을 예로 들어 설명되어 있다. 그러나 물론 여타의 유사한 첨가 제조 기술도 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 목재, 금속 등을 포함하는 많은 재료 중 임의의 재료로부터 형성되는 작업 박스(40)가 인쇄 장치(42) 밑에 배치된다. 작업 박스(40)는 몰드 코어 패키지 및 그 구성요소가 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이 적층 입자층으로 구성되는 인쇄 영역(44)을 한정한다. 인쇄 장치(42)는 삼차원(3D) 몰드, 코어 및 몰드 코어 패키지를 인쇄할 수 있다. 아래에서 검토되는 인쇄 공정에 의한 몰드 코어 패키지의 형성을 설명할 목적으로, 도 6a, 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같은 코프 몰드(100)를 참조하기는 하지만, 도 8의 드래그 몰드(110)도 유사한 공정을 사용하여 형성되거나 단일 인쇄 공정에서 코프 몰드(100)와 동시에 형성된다.

인쇄 장치(42)는 호퍼(hopper)(46)와 침착 홈통(48)을 포함하는데, 침착 홈통은 규사, 세라믹-샌드 혼합물 등과 같은 활성화된 미세 입자(50)의 얇은 층을 인쇄 영역(44) 내부에 적층한다. 입자(50)는 0.002 mm 내지 2 mm의 직경을 포함하는 임의의 크기일 수 있다. 인쇄 장치(42)는 또한 결합제 침착 장치 또는 결합제 분배기(52)를 또한 포함한다. 아래에서 상세히 개시되는 바와 같이, 결합제 분배기(52)는 희망 몰드(100)의 단일 층 형상으로 얇은 결합제 또는 결합 제제 층을 분사한다. 샌드를 적층하는 과정과 결합제 분배기(52)에 의해 미세 입자(50) 상에 결합 제제(16)를 분사하는 과정을 반복함으로써, 도 9에 도시된 바와 같이 복수의 적층 입자층(14)으로 형성되는 삼차원 몰드 코어 패키지가 생성된다. 3D 몰드(100)는 완성된 몰드(100)를 형성하기 위해 대략 두께가 0.28 mm인 각각의 얇은 미세입자(50) 층(14)(도 9)을 연속으로 인쇄하기 위해 충분한 시간에 걸쳐 추가로 제조된다. 몰드(100)는 궁극적으로 도 10에 도시된 바와 같은 분말 슬러시 성형 공구 또는 회전 성형 공구(130)를 제작하기 위한 희생 몰드로 사용된다.

도 1을 구체적으로 참조하면, 인쇄 장치(42)에 결합되는 컴퓨터(60)에 몰드(100)(도 7)의 특정 구성을 입력 및 업로딩하는 컴퓨터 지원 설계(CAD) 프로그램이 개발된다. 컴퓨터(60)는 몰드 코어 패키지(100)의 특정 구성이 수록된 CAD 프로그램으로부터의 정보를 몰드(100) 형성용 인쇄 장치(42)에 공급한다.

CAD 또는 임의의 다른 형태의 3D 모델링 소프트웨어가 원하는 몰드(100)를 형성하도록 3D 인쇄 장치(42)에 충분한 정보를 제공하기 위해 사용될 수 있는 것이 고려된다. 3D 인쇄 장치(42)의 활성화에 앞서, 미리 결정된 양의 미세 입자(50)가 활성제 분출관(72)에 의해 공급되는 활성화 코팅 또는 활성제(70)와 함께 입자 분출관(62)에 의해 호퍼(46) 내로 투하된다. 도시된 실시예는 미세 샌드를 미세 입자(50)로 사용하지만, 위에서 언급된 바와 같이 미세 입자(50)는 본 명세서에 개시된 첨가 제조 기술에 적절한 다양한 재료 중 임의의 재료나 이들의 조합을 포함할 수 있다. 미세 입자(50)는 호퍼(46)에서 활성제(70)와 혼합된다. 미세 입자(50)와 활성제(70)의 혼합물은 미세 입자(50)가 완전히 혼합되어 활성화되도록 교반기(74)나 여타의 공지된 혼합 장치에 의해 혼합될 수 있다. 미세 입자(50)와 활성제(70)가 완전히 혼합된 후, 미세 입자(50)는 침착 홈통(deposition trough)(48)으로 이동된다.

이제 도 2 내지 도 6을 참조하면, 활성화된 미세 입자(50)가 침착 홈통(48)으로 이동된 후 미세 입자(50)는 침착 홈통(48)에 의해 미결합 활성화 미세 입자 또는 미결합 샌드(90)의 얇고 평탄한 층으로 인쇄 영역(44)에 걸쳐 확산된다. 작업 박스(40)의 인쇄 영역(44)에 얇은 층으로 확산된 후에, 활성화 미세 입자(50)는 결합 제제(16)(도 3)와 함께 분사된다. 결합 제제(16)는 원하는 몰드(100)의 제1 얇은 단면층(14)(도 9)을 나타내는 패턴(80)으로 얇은 결합 제제(16) 층을 분사하는 결합제 분배기(52)로부터 분배된다. 결합 제제(16)가 분사된 후에는 다른 미세 입자(50)와 활성제(70)의 혼합물이 준비되어 침착 홈통(48)으로 투하된다. 이어서 침착 홈통(48)은 도 5에 도시된 바와 같이 이전에 확산된 작업 박스(40) 내의 미세 입자(50)층 위에 다른 미결합 활성화 미세 입자(50)의 층(90)을 분배한다. 결합제 분배기(52)는 제1 얇은 단면층에 인접한 희망 몰드(100)의 제2 얇은 단면층을 나타내는 패턴(80)으로 얇은 결합 제제(16) 층을 분사하면서 다시 인쇄 영역(44) 위를 지나간다. 이들 단계는 완성 몰드(100)의 모든 얇은 단면층이 인쇄될 때까지 누차 반복된다(도 6). 이러한 첨가 제조 기술을 사용함으로써 사실상 임의의 형상의 몰드 코어 패키지가 형성될 수 있다. 또한 3D 샌드프린팅과 같은 첨가 제조 기술을 사용하여 생성되는 몰드 코어 패키지는 그렇지 않을 경우 다른 공지된 차감 방법에 의해서는 생성될 수 없는 내부 구조적 특징부를 구비할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 완성된 상부 몰드, 즉 코프(100)는 상술한 첨가 제조 공정을 사용하여 형성되며, 이에 따라 윤곽면(102)은 함몰부(104)에서 형성되고, 윤곽면 또는 성형면(102)은 후술하는 후속 주조 공정에서 생산되는 희망 분말 슬러시 성형 공구 또는 쉘(130)(도 10)의 윤곽을 포함한다. 윤곽면(102)과 함몰부(104)는 연질 외피를 덮개로 사용하는 것이 바람직한 차량 내부 구조물의 구성을 취하게 될 것이다.

도 8에서 도시된 바와 같이, 하부 몰드, 즉 드래그(110)는 상술한 첨가 3D 인쇄 공법을 사용하여 인쇄되는 것으로 도시되어 있다. 하부 몰드(110)는 그 구성이 일반적으로 상부 몰드(100)의 윤곽면(102)과 상반되는 윤곽 돌출부(112)를 가지며, 그 결과 도 9에 도시된 바와 같이 상부 몰드(100)와 하부 몰드(110)가 주조 박스(41)에서 서로 중첩될 때, 주조 대상 분말 슬러리 성형 공구의 희망 윤곽을 갖는 공극 또는 몰드 공동(114)이 형성된다. 상부 몰드(코프)(100)와 하부 몰드(드래그)(110)의 합체에 의해 이 경우에는 샌드 몰드 패키지인 몰드 코어 패키지가 형성된다. 필요할 경우, 주조 박스(41)가 지지용으로 사용될 수 있지만, 물론 몰드 코어 패키지는 임의의 추가 지지체 없이 주조 공정에 사용될 수도 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상부 몰드, 즉 코프(100)는 분말 슬러시 성형 공구(130)의 B-면을 성형하기 위한 윤곽면(102)을 갖는 함몰부(104)를 둘러싸는 평탄면(103)을 구비한다(도 10a). 도 8에 도시된 바와 같이, 하부 몰드, 즉 드래그(110)는 분말 슬러시 성형 공구(130)의 A-면을 성형하기 위한 윤곽면(113)을 갖는 돌출부(112)를 포함한다(도 10). 하부 몰드(110)는 해당 하부 몰드(110)의 돌출부(112)를 둘러싸는 평탄면(111)을 추가로 포함한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상부 몰드(100)와 하부 몰드(110)는 상부 몰드(100)에 배치되는 용융재 접근점(122) 내로 용용 재료(120)를 주조하기 위한 샌드 몰드 패키지를 형성하기 위해 서로 인접하게 배치된다. 상부 몰드(100)와 하부 몰드(110)는 분할선(116)에 위치한 각각의 평탄면(103, 111)에서 연결된다. 상부 몰드(100)와 하부 몰드(110)의 평탄면(103, 111)은 분할면으로 지칭될 수도 있다. 주조 공정 중에 용융재(120)는 코프(100)의 제1 몰드면(102)과 드래그(110)의 제2 몰드면(113)에 의해 한정되는 몰드 공동(114) 내로 주입된다. 용융재(120)가 몰드 공동(114)을 저부에서부터 충전하도록 접근점(122)이 코프(100)를 통해 드래그(110) 내로 연장되는 것도 추가로 고려될 수 있다. 일단 용융재(120)가 샌드 몰드 패키지 내로 주입되면, 도 10에 도시된 바와 같은 분말 슬러시 성형 공구 또는 쉘(130)을 형성하도록 용융재가 냉각될 수 있다. 용융재(120)가 냉각되면, 몰드(100, 110)는 쉘(130)을 방출하기 위해 해체되거나 다른 방식으로 파괴되며, 따라서 몰드(100, 110)는 본질적으로 희생물이다. 주조된 쉘(130)은 거의 최종 형상(near net-shape)인 몰드 공동(114)(도 9)을 포함하고, A-면과 B-면을 추가로 포함한다. 함몰부(131)는 쉘(130)의 A-면에 배치되며 돌출부(132)는 쉘(130)의 B-면에 배치된다(도 10a). 쉘(130)의 A-면 및 B-면에 배치된 함몰부(131)와 돌출부(132) 주위에는 평탄면(133)이 배치된다.

이제 도 11과 도 11a를 참조하면, 상부 몰드(100a)의 다른 실시예가 도 7에 묘사된 상부 몰드와 유사한 구성으로 도시되어 있다. 도 11의 몰드(100a)는, 쉘(130a)의 B-면에 히트 싱크, 휜(fin) 또는 핀(pin)(135)(도 11a) 형태의 외부 열 제어 특징부를 제공하기 위해 사용되는 것으로 몰드면(102)에 배치되는 복수의 공동 또는 리세스(134) 형태의 열 제어 특징부 음각 구성을 갖는다는 점에서 도 7에 도시된 바와 같은 몰드(100)와 상이하다. 핀(135)은 쉘(130a)이 주조될 때 주조되며, 핀(135)은 가요성 폴리머 외피를 형성하기 위해 슬러시 성형 공정에서 가열 또는 냉각 기류를 사용하여 쉘(130a)을 가열하거나 냉각하기 위한 온도 제어 메커니즘, 즉 열 제어 특징부로서 기능한다. 슬러시 성형 공정에 대해서는 아래에서 더 설명된다.

도 12와 도 12a에 도시된 바와 같이, 쉘(130b)의 다른 실시예는 쉘(130b)의 A-면과 B-면 사이에 배치되는 컨포멀 저장소(140) 형태의 유체 공동을 구비하도록 주조될 수 있다. 컨포멀 저장소(140)를 생성하기 위해, 변위 코어(142)가 상술한 첨가 제조 공정을 사용하여 인쇄되고, 몰드 공동(114)에 열 제어 특징부의 음각 구성을 형성하기 위해 도 12에 도시된 바와 같이 몰드 공동(114) 내로 지지체와 함께 배치된다. 이로써, 변위 코어(142)는 용융재(120)를 변위시키며, 그 결과 주조 용융재(120)가 냉각될 때 컨포멀 저장소(140) 형태의 내부 배치형 열 제어 특징부를 갖는 쉘(130b)이 형성될 것이다. 도 12a에 도시된 실시예에서, 컨포멀 저장소(140)는 쉘(130b)의 A-면과 B-면의 윤곽을 각각 균일하게 따른다. 그러나 쉘(130b)이 해당 쉘(130b)을 가열하거나 냉각할 수 있는 슬러시 성형 공정에 사용될 때 저장소(140) 내로 펌핑되는 열 유체에 대한 쉘(130b)의 A-면 또는 B-면의 일부의 노출을 제어함으로써 주조 쉘(130b)의 가열 또는 냉각 특성을 변경할 수 있는 다양한 기하구조적 구성 및 그 위에 인쇄되는 통로를 변위 코어(142)에 구비하는 것도 고려할 수 있다.

주조 공정 중에 용융재(120)는 냉각되어 쉘(130b)을 형성하며, 인쇄된 변위 코어(142)와 임의의 관련 지지체는 구조적으로 파괴되어서, 생성된 미결착 또는 미결합 샌드를 씻어내거나 다른 방식으로 제거할 수 있다. 쉘(130b)은 열 유체, 즉 가열 또는 냉각 유체가 컨포멀 저장소(140) 내외로 펌핑될 수 있는 통로인 적어도 하나의 접근 포트(141)를 추가로 포함한다. 이렇게 하여 쉘(130)은 컨포멀 저장소(140) 내로 펌핑되는 가열 또는 냉각 유체를 사용하여 신속하게 가열되거나 냉각될 수 있어서, 몰드(130b)의 가열 및 냉각은 아래에서 더 설명되는 바와 같이 슬러시 성형 공정을 사용한 폴리머 외피의 생성시 정확히 제어된다.

본 발명에서 고려되는 다른 열 제어 특징부는 도 13에 도시된 바와 같은 다른 쉘 실시예(130c)의 A면과 B면 사이에 배치되는 컨포멀 라인 또는 튜브(150)의 통합체이다. 쉘 실시예(130b)에서 가열 또는 냉각 유체를 사용하는 방식과 유사하게, 열 유체는 슬러시 성형 공정 중에 쉘(130c)을 가열하거나 냉각하기 위해 컨포멀 라인(150) 내로 펌핑될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 변위 코어(142)는 첨가 제조 공정을 사용하여 형성되므로 다양한 구성을 취할 수 있다. 따라서 도 13의 쉘(130c)을 생성하기 위해, 변위 코어는 도 13에 도시된 쉘(130c)의 희망하는 컨포멀 라인(150)의 음각 구성을 갖는 몰드 공동에 배치될 것이다. 이런 변위 코어는 도 13의 쉘(130c)에 도시된 바와 같은 컨포멀 라인(150)을 생성하게 되는 몰드 공동에 부유형(float-like) 방식으로 배치되고 지지되는 것으로 샌드프린팅 공정에 의해 생성되는 희생 인쇄 라인의 연속적 사문형(serpentine) 구성의 형태를 취하여, 필요에 따라 쉘(130c)을 가열하거나 냉각하도록 열 유체가 컨포멀 라인(150) 내로 펌핑되고 그 내부에서 이동될 수 있도록 하는 것도 고려될 수 있다.

도 10b에 도시된 바와 같이, 쉘(130)은 해당 쉘(130)의 A-면의 임의의 장소에 배치되는 그레인 패턴(137)을 구비할 수 있다. 그레인 패턴(137)은 5 ㎛ 내지 1000 ㎛ 범위의 그레인 깊이를 갖는 그레인 패턴을 제공하기 위해 산(acid) 식각, 레이저 식각 또는 기계적 식각과 같은 임의의 적절한 식각 공정에 의해 생성될 수 있다. 그레인 패턴(137)은 도 14 내지 도 15a를 참조하여 후술되는 바와 같은 질감 처리된(textured) 가요성 폴리머 외피를 제공하기 위해 쉘(130)의 A-면에 식각되는 그레인 패턴(137)의 역상을 갖는 가요성 폴리머 외피를 생성하는 슬러시 성형 공정에서 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 분말 슬러시 성형 공구 또는 쉘의 형성 방식은 현재 사용되는 전주 니켈 및 니켈 기상 증착 공법보다 개선된 많은 장점을 제공한다. 공지된 두 공법 모두는 일반적으로 결이 있는(grained) 비닐로 감긴 완전 수치 제어(NC) 절삭 모델인 기준 모델의 사용을 필요로 한다. 전주 니켈 공정을 사용하는 경우에는 완전히 결이 있는 니켈 쉘 공구를 제조하는 데 20주가 넘게 소요될 수 있다. 공지된 공법의 니켈 쉘 공구는 그 형성 후에 냉각 및 가열 특징부가 외부에서 첨가되어야 한다. 열 제어 매체로서 공기를 사용하는 니켈 쉘의 경우에는, 수백 개의 소형 핀이 공구의 B-면에 납땜되어야 한다. 니켈 쉘이 오일 공구인 경우에는, 여러 개의 강재 오일 관이 공구 외부의 B-면에 납땜된다. 어느 공정이든, 다양한 열팽창계수를 갖는 복수의 금속재가 공구에 도입되어야 한다. 이로 인해 공구의 순환 사용 중에 열 응력이 누적되어 결국에는 열 피로에 의해 초래되는 균열 및 여타의 손상으로 인해 대략 40,000회의 주입(shot) 후에는 공구가 파손된다.

본 발명의 주조 쉘은 해당 쉘과 임의의 관련 가열 및 냉각 특징부 전체에 걸쳐 매우 낮은 열팽창계수를 갖는 합금을 사용한다. 이런 합금은 그 전체 내용이 본 명세서에 원용되는 것으로, 발명의 명칭이 "주조 외피 또는 슬러시 몰드의 제조 방법"인 미국 가특허출원 제61/268,369호 및 발명의 명칭이 "표면이 질감 처리된 저 CTE 슬러시 몰드와, 그 제조 및 사용 방법"인 PCT 국제공개 제WO2010/144786호에 설명되어 있다. 본 발명의 삼차원 CAD 모델을 사용하는 경우에, 쉘의 A-면에는 가공 스톡이 첨가되고 쉘의 B-면에는 히트 싱크가 배치되는 삼차원 몰드 코어 패키지가 샌드에 인쇄될 수 있거나, 블래더, 저장소 또는 라인 형태의 컨포멀 오일 통로가 쉘의 A-면과 B-면 사이에 배치되는 통로를 형성하는 변위 코어를 샌드프린팅함으로써 생성될 수 있다. 따라서 인쇄 공정에 의해 임의의 개수의 완성 구성이 몰드 코어 패키지에 인쇄되고, 이어서 기하구조적으로 복잡한 몰드 코어 패키지를 사용하여 공구를 주조함으로써 공구로 전환될 수 있다. 삼차원 인쇄 공정은 한 번에 0.28 mm 두께의 몰드 층을 인쇄하며, 이에 따라 복잡한 기하구조적 구성 및 열 제어 특징부가 몰드에 형성될 수 있는데, 이런 기하구조적 구성은 대개 표준 기계 가공 공법을 사용하여서는 보통 생산하기 어렵거나 비실용적이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 용융재 또는 합금(120)은 희망 쉘(130)(도 10)을 형성하기 위해 해당 용융재의 고화 및 냉각이 이루어지는 샌드 코어 패키지를 구성하는 접합 샌드 몰드(100, 110)의 몰드 공동(114) 내로 용융되어 주입된다. 일단 용융재(120)가 고화되면, 상부 및 하부 샌드 몰드(100, 110)은 도 11a, 도 12a 및 도 13에 도시된 바와 같은 바람직한 가열 및 냉각 특징부를 갖는 거의 최종 형상인 쉘(130)을 남기고 해체된다. 대략 5 mm의 가공 스톡이 쉘(130)의 A-면에 배치되고, 이어서 필요에 따라 A-면을 마감 처리하기 위해 기계 가공하거나 밀링하는 것이 고려될 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 이어서 A-면은 차후 분말 슬러시 성형 공정 중에 폴리머 외피에 부여되는 희망 질감 처리 패턴을 갖도록 식각될 수 있다. 몰드 코어 패키지의 3D 인쇄의 정확도 및 정밀도를 고려하면, 주조 쉘(130)은 완성 부품의 거의 최종 형상을 가지며 따라서 대략 5 mm의 가공 스톡만으로도 그레인 패턴으로 완성되거나 자체 완성될 수 있는 부품을 생산할 수 있게 된다. 거의 최종 형상의 쉘(130)은 전체 주조 공정에 사용되는 더 적은 스톡 재료, 용융재(120)를 초래한다.

쉘(130)의 작업 온도 범위(일반적으로 37.8℃(100℉) 내지 260℃(500℉)) 내에서 열팽창 특성이 거의 또는 전혀 없는 합금으로 완전히 주조되는 경우에는 주조 후에 다양한 금속성 재료를 사용하는 가열 및 냉각 특징부가 추가되지 않기 때문에 본 발명의 쉘(130)의 누적 열 응력은 현저히 저감된다. 따라서 본 발명의 쉘(130)은 다른 공법의 경우에는 열 피로를 초래하여 결국에는 공구의 파손을 일으키는 열 응력이 존재하기 않기 때문에 수명이 상당히 길다. 5.0×10-6 in/in/℉보다 작은 열팽창계수를 갖는 니켈-철 합금을 쉘(130)의 주조에 사용하는 것을 고려할 수 있다. 또한 이 니켈-철 합금은 열 전도도가 높아서 설명된 가열 및 냉각 특징부를 사용하여 신속히 가열되거나 냉각될 수 있다. 이로 인해 쉘(130)이 슬러시 성형 공정에 사용되는 순환 시간이 저감되며, 조작자가 성형 공정 중에 보다 양호한 제어를 수행할 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 쉘의 A-면은 그레인 패턴으로 식각될 수 있고, 마감 가공면이 식각되지 않은 영역도 가질 수 있다. 이렇게 하여 쉘의 A-면은 도 10b의 그레인 패턴(137)이나 광택 마감과 같은 폴리머 외피에 부여되는 다양한 질감(texture)을 구비할 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 순서도는 폴리머 외피를 생성하기 위해 본 발명의 몰드 공구 또는 쉘을 사용하는 슬러시 성형 공정을 예시한다. 도 14에 도시된 바와 같이, A-면과 B-면을 갖는 쉘(130)이 폴리머 입자로 이루어진 분말(162)이 들어있는 분말 박스(160)에 부착된다. 이어서 주조 쉘(130)은 상술한 가열 및 냉각 특징부(미도시) 중 하나 이상을 사용하여, 그리고 오일과 같은 유체나 공기를 사용하여 가열된다. 공기 가열 공정에서는, 도 11a에 도시된 바와 같은 외부 열 제어 특징부를 갖는 공기 쉘이 사용될 것이다. 오일 또는 유체 공정에서는, 도 12a 및 도 13에 도시된 바와 같은 컨포멀 저장소 형태의 내부 가열 및 냉각 특징부를 갖는 오일 또는 유체 쉘이 사용될 것이다. 일단 쉘(130)이 분말 박스(160)에 부착되어 가열되면, 슬러시 몰드 장치가 회전되어 폴리머 입자를 함유하는 분말(162)이 가열된 쉘(130)의 A-면과 접촉하게 된다. 쉘(130)에서 나오는 열로 인해 분말(162)의 폴리머 입자는 용융되어 쉘(130)의 A-면에 부착된다. 장치는 원하는 두께의 폴리머 외피(164)를 생성하기 위해 임의의 횟수만큼 회전될 수 있다. 이어서 쉘(130)은 관련 열 제어 특징부를 사용하여 냉각되며, 외피(164)가 제거된다. 위에서 언급한 바와 같이, 쉘(130)의 A-면은 임의의 개수의 식각된 그레인 또는 광택 패턴을 가질 수 있어서, 쉘(130)에서 제거될 때 외피(164)는 그 위에 배치되는 쉘(130)의 A-면에 의해 제공되는 상관 패턴을 가지게 될 것이다. 이어서 질감 처리된 가요성 폴리머 외피(164)가 계기판, 도어 패널(도 15), 암레스트, 콘솔 커버 및 이런 질감처리된 가요성 폴리머 외피를 사용하는 것이 바람직한 임의의 다른 차량 내부 표면과 같은 임의의 개수의 차량 내부의 차량 부품을 피복하기 위해 사용될 수 있다.

도 15를 참조하면, 연질 외피(164a)가 상부에 배치된 도어 패널(200)이 도시되어 있다. 연질 외피(164a)는 제조자의 필요에 따라 도어 패널(200)의 일부나 전체를 피복할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 연질 외피(164a)는 도 14에 도시된 것과 유사한 슬러시 성형 공정으로 생성된다. 도 15a에 도시된 바와 같이, 연질 외피(164a)의 부분도는 그레인 패턴(137a)을 가지는데, 이는 연질 피부(164a)가 그레인 패턴(137)을 갖는 도 10b에 도시된 쉘(130)과 같은 것으로, 그레인 패턴이 위에 배치되는 쉘을 사용하여 슬러시 성형 공정에서 생성되었다는 것을 나타낸다. 따라서 쉘(130)의 그레인 패턴(137)은 폴리머 외피(164a)의 적어도 일부를 양각한다.

몰드 코어 패키지와, 본 명세서에 개시된 성형 공구를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 공구를 해당 몰드 코어 패키지로부터 제조하는 방법을 사용함으로써, 성형 공구의 전체 영역을 균일하게 냉각할 수 있는 능력이 향상되며 이로써 연질 외피의 두께의 변동이 저감되고 연질 외피의 전반적인 품질이 향상된다. 또한 인쇄 공정을 통해 몰드 코어 패키지를 제조하는 것에 기인하는 정확도로 인해 부품 품질, 정밀도 및 설계 유연성이 향상된다. 컨포멀 라인은 열 성능이 향상되도록 한다. 가열 및 냉각을 위한 복수의 라인 대신에, 공구의 품질 및 부품의 품질을 향상시키기 위해 요구되는 바람직한 열 부하에 부응하도록 구성될 수 있는 일체형 가열 및 냉각 컨포멀 라인으로 대체된다. 또한 몰드 코어 패키지와 해당 몰드 코어 패키지로부터 제조되는 공구는 순환 사용 시간을 개선하도록 구성될 수 있어서 부품 제조 능력이 향상된다.

기술 분야의 당업자라면 설명된 발명의 구성과 여타의 구성요소가 임의의 특정 재료에 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시된 본 발명의 다른 예시적인 실시예는 본 명세서에 달리 명시되지 않는 한 광범위한 재료와 첨가 제조 기술로부터 형성될 수 있다.

또한 주의해야 하는 점은 예시적인 실시예에 도시된 바와 같은 본 발명의 구성 및 요소의 배열은 단지 예로서 제시되었다는 것이다. 단지 몇 안 되는 본 발명의 실시예가 본 개시에 상세히 설명되긴 했지만, 본 개시를 검토하는 기술분야의 당업자라면 열거되는 발명 요지의 신규한 교시와 이점을 실질적으로 벗어나지 않고 다양한 변경(예컨대 크기, 치수, 구조, 다양한 요소의 비율, 파라미터 값, 장착 설비, 재료의 사용, 색상, 배향 등의 변형)이 가능하다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예컨대 일체로 형성되는 것으로 도시된 요소는 복수의 부품으로 구성될 수 있으며, 복수의 부품으로 도시된 요소는 일체로 형성될 수 있으며, 인터페이스의 작동은 반전될 수 있거나 다른 방식으로 변경될 수 있으며, 구조물 및/또는 시스템의 부재 또는 연결부 또는 여타의 요소의 길이나 폭은 변경될 수 있으며, 요소 간에 제공되는 조절 위치의 성질이나 수효는 변경될 수 있다. 시스템의 요소 및/또는 조립체는 광범위한 색상, 질감 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로, 그리고 충분한 강도나 내구성을 제공하는 광범위한 재료 중 임의의 재료로부터 구성될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 따라서 모든 이런 변경은 본 발명의 범위에 포함되도록 의도되어 있다. 구성, 작동 조건 및 바람직한 실시예와 여타의 예시적인 실시예의 배열에 대한 여타의 대체, 변경, 수정 및 생략이 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

물론 설명된 방법에 속하는 임의의 설명된 공정 또는 단계는 본 발명의 범위 내에서 다른 개시된 공정 또는 단계와 조합될 수 있다. 본 명세서에 개시된 예시적인 구조와 방법은 예로서 제시된 것으로 한정적인 의미로 해석되어서는 안 된다.

또한 본 발명의 개념을 벗어나지 않고 전술한 구조와 방법에 대한 변형 및 변경이 이루어질 수 있음은 물론이며, 특허청구범위에서 명시적으로 달리 언급되지 않는 한 이런 개념은 다음의 특허청구범위에 의해 포함되도록 의도되어 있다는 것도 당연하다 하겠다.

Claims

차량용 폴리머 외피를 제조하는 방법이며,
(a) 얇은 입자층을 침착하는 단계와,
(b) 몰드 코어 패키지의 단면을 한정하기 위해 얇은 입자층에 결합제를 선별적으로 적용하는 단계와,
몰드 공동을 갖는 몰드 코어 패키지를 생성하기 위해 (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계와,
주조 성형 공구를 형성하기 위해 몰드 공동에 용융재를 적용하는 단계와,
폴리머 외피를 형성하기 위해 슬러시 성형 공정 중에 폴리머재로 주조 성형 공구를 코팅하는 단계를 포함하는
폴리머 외피를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 주조 성형 공구에 내부 컨포멀 저장소를 제공하기 위해 용융재를 적용하기 전에 몰드 공동 내부에 변위 코어를 삽입하는 단계를 추가로 포함하는
폴리머 외피를 제조하는 방법.
제2항에 있어서, 폴리머재로 주조 성형 공구를 코팅하기 전에 컨포멀 저장소 내로 열 유체를 도입함으로써 주조 성형 공구를 가열하는 단계를 추가로 포함하는
폴리머 외피를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계는 복수의 리세스를 포함하는 몰드 공동을 생성하는
폴리머 외피를 제조하는 방법.
제4항에 있어서, 주조 성형 공구를 형성하기 위해 몰드 공동에 용융재를 적용하는 단계는 주조 성형 공구의 표면에 배치되는 외부 열 제어 특징부를 형성하기 위해 용융재로 복수의 리세스를 충전하는 단계를 추가로 포함하는
폴리머 외피를 제조하는 방법.
제5항에 있어서, 폴리머재로 주조 성형 공구를 코팅하기 전에 외부 열 제어 특징부에 기류를 도입함으로써 외부 열 제어 특징부를 갖는 주조 성형 공구를 가열하는 단계를 추가로 포함하는
폴리머 외피를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 주조 성형 공구의 표면에 그레인 패턴을 식각하는 단계를 추가로 포함하는
폴리머 외피를 제조하는 방법.
제7항에 있어서, 폴리머 외피를 형성하기 위해 슬러시 성형 공정 중에 폴리머재로 주조 성형 공구를 코팅하는 단계는 폴리머 외피의 적어도 일부에 그레인 패턴을 양각하는 단계를 추가로 포함하는
폴리머 외피를 제조하는 방법.
분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위한 몰드 코어 패키지를 제조하는 방법이며,
(a) 얇은 입자층을 침착하는 단계와,
(b) 몰드 코어 패키지의 단면을 한정하기 위해 얇은 층에 결합제를 선별적으로 적용하는 단계와,
몰드 공동을 갖는 몰드 코어 패키지를 생성하기 위해 (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계와,
주조 분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위해 몰드 코어 패키지에 5.0×10^-6 in/in/℉보다 작은 열팽창계수를 갖는 용융 니켈-철 합금을 적용하는 단계를 포함하는
몰드 코어 패키지를 제조하는 방법.
제9항에 있어서, 주조 분말 슬러시 성형 공구에 내부 컨포멀 저장소를 제공하기 위해 용융재를 적용하기 전에 몰드 공동 내부에 변위 코어를 삽입하는 단계를 추가로 포함하는
몰드 코어 패키지를 제조하는 방법.
제10항에 있어서, 폴리머재로 주조 분말 슬러시 성형 공구를 코팅하기 전에 컨포멀 저장소 내로 열 유체를 도입함으로써 주조 몰딩 공구를 가열하는 단계를 추가로 포함하는
몰드 코어 패키지를 제조하는 방법.
제9항에 있어서, (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계는 복수의 리세스를 포함하는 몰드 공동을 생성하는
몰드 코어 패키지를 제조하는 방법.
제12항에 있어서, 주조 성형 공구를 형성하기 위해 몰드 공동에 용융재를 적용하는 단계는 주조 성형 공구의 표면에 배치되는 외부 열 제어 특징부를 형성하기 위해 용융재로 복수의 리세스를 충전하는 단계를 추가로 포함하는
몰드 코어 패키지를 제조하는 방법.
제13항에 있어서, 폴리머재로 주조 성형 공구를 코팅하기 전에 외부 열 제어 특징부에 기류를 도입함으로써 외부 열 제어 특징부를 갖는 주조 성형 공구를 가열하는 단계를 추가로 포함하는
몰드 코어 패키지를 제조하는 방법.
제9항에 있어서, 주조 성형 공구의 표면에 그레인 패턴을 식각하는 단계를 추가로 포함하는
몰드 코어 패키지를 제조하는 방법.
분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위한 몰드 코어 패키지이며,
복수의 적층 입자층에 의해 한정되는 제1 성형면을 갖는 코프와,
복수의 적층 입자층에 의해 한정되는 제2 성형면을 갖는 드래그와,
슬러시 성형 공정에 사용되는 분말 슬러시 성형 공구 내로 주조되는 열 제어 특징부의 음각 구성을 갖는 제1 및 제2 성형면에 의해 한정되는 주조 공동을 포함하는
몰드 코어 패키지.
제16항에 있어서, 코프와 몰드는 첨가 제조 공정을 사용하여 형성되는 인쇄된 샌드 몰드 패키지인
몰드 코어 패키지.
제16항에 있어서, 열 제어 특징부의 음각 구성은 몰드 공동 내부에 배치되는 변위 코어를 포함하되, 변위 코어는 분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위해 주조 공정 중에 몰드 코어에 적용되는 용융재를 변위하도록 구성되는
몰드 코어 패키지.
제16항에 있어서, 열 제어 특징부의 음각 구성은 제1 성형면과 제2 성형면 중 하나에 배치되는 복수의 리세스를 포함하는
몰드 코어 패키지.