KR20160056891A - ３차원 인쇄된 금속 주조용 몰드 및 그를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

비처리된 모래가 성형 물질로서 사용되고 폴리머가 성형 물질 상에 인쇄되는 결합제의 성분으로서 사용되는 3차원 인쇄 공정에 의해 주금 몰드 및 성분을 제조하기 위한 방법이 개시된다.

Description

３차원 인쇄된 금속 주조용 몰드 및 그를 제조하기 위한 방법{THREE-DIMENSIONAL PRINTED METAL-CASTING MOLDS AND METHODS FOR MAKING THE SAME}

본 발명은 3차원 인쇄에 의해 제조된 금속 주조용 몰드 및 그 몰드를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

용융된 금속이 주조되는 몰드에 필요한 특징이 해당 기술분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,080,813호 및 다음의 미국 공개 특허 출원: 아사노 등의 2010/0140823 A1, 스토첼 등의 2011/0073270 A1, 스탄클리페 등의 2011/0129387 A1, 푸쿠아 등의 2011/0220316 A1, 자트케의 2012/0126092, 이데 등의 2012/0217373 A1, 및 하네펜 등의 2013/0032689 A1을 참조한다.

3차원 인쇄는 메사추세츠 기술 협회에서 1990년대에 개발되었고 다음의 미국 특허: 삭스 등에 대한 5,490,882, 시마 등에 대한 5,490,962, 시마 등에 대한 5,518,680, 브레드에 대한 5,660,621, 삭스 등에 대한 5,775,402, 삭스 등에 대한 5,807,437, 삭스 등에 대한 5,814,161, 브레드에 대한 5,851,465, 시마 등에 대한 5,869,170, 삭스 등에 대한 5,940,674, 삭스 등에 대한 6,036,777, 삭스 등에 대한 6,070,973, 삭스 등에 대한 6,109,332, 삭스 등에 대한 6,112,804, 바칸티 등에 대한 6,139,574, 삭스 등에 대한 6,146,567, 바칸티 등에 대한 6,176,874, 그리프스 등에 대한 6,197,575, 몽크하우스 등에 대한 6,280,771, 삭스 등에 대한 6,354,361, 삭스 등에 대한 6,397,722, 셔우드 등에 대한 6,454,811, 유 등에 대한 6,471,992, 삭스 등에 대한 6,508,980, 몽크하우스 등에 대한 6,514,518, 시마 등에 대한 6,530,958, 삭스 등에 대한 6,596,224, 삭스 등에 대한 6,629,559, 퉁 등에 대한 6,945,638, 삭스 등에 대한 7,077,334, 삭스 등에 대한 7,250,134, 파유모 등에 대한 7,276,252, 프라이스 등에 대한 7,300,668, 셔디 등에 대한 7,815,826, 프라이스 등에 대한 7,820,201, 파유모 등에 대한 7,875,290, 프라이스 등에 대한 7,931,914, 왕 등에 대한 8,088,415, 브레드 등에 대한 8,211,226, 및 왕 등에 대한 8,465,777을 포함하는 여러 미국 특허에서 설명된다.

핵심적으로, 3차원 인쇄는 분체층의 스프레딩 및 그런 후에 특정층의 선택된 일부가 함께 결합하게 하도록 그 층 위에 유체를 선택적으로 분사-인쇄하는 것을 포함한다. 이러한 시퀀스는 요구되는 부분이 제조될 때까지 추가적인 층에 대해 반복된다. 특정 층을 채우는 물질은 종종 "성형 물질"로서 언급되고 분사된 유체는 종종 "결합제", 또는 일부 경우에, "활성제"로서 언급된다. 3차원으로 인쇄된 부분의 후처리가 그 부분을 강화하고 그리고/또는 밀도를 높이기 위해 종종 요구된다.

3차원 인쇄는 주조용 금속을 위한 몰드를 제조하기 위해 과거에 사용되었다. 예를 들어, 다음의 미국 특허: 브레드에 대한 7,087109 B2, 브레드 등에 대한 7,332,537 B2, 에더러 등에 대한 7,531,117 B2, 에더러 등에 대한 7,955,537 B2, 및 브레드에 대한 8,211,226 B2를 참조한다.

주조용 몰드를 생성하는 3차원 인쇄를 사용하는 선행 기술 방법이 갖는 하나의 어려움은 복잡성이다. 위에 언급된 기술에서, 다중 성분 성형 물질을 사용할 필요가 있다. 예를 들어, 미국 특허 제7,955,537호에 개시된 성형 물질은 분체 및 반응성 물질로 구성되는 성형 물질을 요구하고 분사 유체는 반응성 물질과 반응한다. 선행 기술이 지닌 또 다른 어려움은 인쇄된 부분에 없는 층의 베드를 제조하는데 들어가는 성형 물질이 성형 물질로서 재사용될 수 없다는 것이다.

본 발명의 목적은 복합 성형 물질을 요구하지 않는 3차원 인쇄에 의해 금속 주조용 몰드를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다,

본 발명은 복합 성형 물질을 요구하지 않는 3차원 인쇄에 의해 금속 주조용 몰드를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것에 의해 선행 기술의 어려움을 극복한다. 그보다는, 본 발명에 따른 주조용 몰드 또는 몰드 성분의 3차원 인쇄에 사용되는 성형 물질은 또 다른 물질로 처리되거나 결합되지 않은 임의의 종래의 주조용 모래일 수 있다. 이후에, 그러한 주조 모래는 "비처리된"것으로 언급될 것이다. 비처리된 주조용 모래가 주조용 금속 성분에 사용하기에 적합한 주조용 금속 또는 그 성분을 제조하는 3차원 인쇄 공정에서 폴리머 기반 결합제와 결합하여 사용될 수 있다는 것은 놀라운 발견이다.

본 발명의 일 측면에 따라서, 요구되는 금속 주조용 몰드 또는 주조용 몰드 성분 일부가 성형될 때까지 비처리된 주조용 모래층의 스프레딩 및 그런 후에 그 층 위에 결합제의 선택적 적용, 비처리된 주조용 모래의 또 다른 층의 스프레딩 및 그 층 위에 결합제의 선택적 적용 등을 포함하는 방법이 제공된다. 용어 "성형 부분"은 이하에 인쇄된 그대로 금속 주조용 몰드 또는 주조용 몰드 성분 부분을 언급하도록 사용될 것이다. 이어서 성형된 부분은 결합제를 경화하도록 가열되고 금속 주조물 제조하도록 주조 공정에 사용된다.

본 발명의 또 다른 부분에 따라, 결합제에 의해 함께 결합된 주조용 모래 입자를 포함하는 주조용 몰드 및 주조용 몰드 성분이 제공된다.

본 발명에 따라 제조된 성형된 부분은 놀랍게도 강하다.

본 발명의 특징 및 이점의 임계가 첨부된 도면을 참조하여 더 잘 이해될 것이다. 그러나 도면은 본 발명을 한정하는 정의로서가 아니라 도해의 목적을 위해서만 설계된다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 실시예 1에 설명된 바와 같이 제조되도록 선택된 몰드의 내부를 나타내는 개략도이다.
도 2는 실시예 1에 설명된 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 몰드를 나타내는 사진이다.
도 3는 실시예 2 및 3에 설명된 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 퍽 및 테스트 바를 나타내는 사진이다.
도 4는 종래의 몰드로부터 제조된 주조물 A 및 본 발명에 따라 제조된 실시예 1에 설명된 몰드로부터 제조된 주조물 B, 및 C를 나타내는 사진이다.

본 발명의 특징 및 이점의 명백함은 첨부된 도면을 참조하여 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 도면은 본 발명을 한정하는 정의로서가 아니라 도해의 목적을 위해서만 설계된다는 것이 이해되어야 한다. 값의 범위가 여기에 설명될 때마다 또는 첨부된 청구항에서 그 범위는 각각의 그리고 매 그러한 포인트가 강조하여 설명되는 바처럼 그들 사이에 종료 포인트와 매 포인트를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 달리 언급되지 않는다면, 여기에 사용된 바와 같이 그리고 첨부된 청구항에서 단어 "약"은 단어 "약"을 수정하는 값에 관련된 정상 측정 및/또는 제조 한계를 의미하는 것으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 방법 실시예는 금속 주조용 몰드(원심 주조를 포함) 및 금속 주조용 몰드용 성분을 제조하는 3차원 인쇄 공정, 예, 코어, 칠, 및 정밀 주조 패턴을 사용한다. 비처리된 조건에서 임의의 종래의 주조용 모래가 성형 물질로서 사용될 수 있다. 그러한 주조용 모래의 실시예는 규사, 용융 규사, 호사, 뱅크 모래, 산모래, 크로마이트 모래, 지르콘 모래, 올리빈 모래, 알루미나 모래, 멀라이트 모래, 및 합성 모래 및 그들의 조합을 포함한다. 성형 물질은 3차원 인쇄를 잘 처리할 수 있는 임의의 입자 크기를 가질 수 있다; 그러나, 평균 입자 크기는 약 10 미크론 내지 약 1 밀리미터의 범위, 그리고 더 바람직하게 약 20 내지 약 700미크론의 범위에 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법 실시예는 3차원 인쇄 공정에서 사용하기에 적합한 결합제를 사용한다. 적합한 결합제는 폴리머, 부형제, 습윤제, 및 선택적으로, 계면 활성제를 포함한다. 적합한 폴리머는 폴리비닐피롤리돈(바람직하게 약 10 내지 약 100의 K값을 갖음), 수크로오스, 푸룩토오스, 액상과당, 및 폴리비닐 알코올을 포함한다. 적합한 부형제는 물, 2-부트옥시에탄올, 및 이소프로필 알코올을 포함한다. 적합한 습윤제는 디에틸렌글리콜, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 및 글리세롤을 포함한다. 적합한 계면활성제는 2-메톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 실리콘 오일, 소듐 라우렐 설페이트, 에탄올, 이소프로필 알코올을 포함한다. 결합제 성분의 각각의 양은 적합한 3차원 인쇄 및 인쇄된 부분 특징을 제공하도록 조절되어야 한다. 분사 증착, 즉, 분사 인쇄, 조건(주변 온도, 습도, 성형 물질, 건식 가열, 인쇄 헤드 특징, 인쇄 속도 등을 포함)에 가장 민감한 성분은 부형제, 계면활성제 및 습윤제이고, 그래서 이들 성분의 양은 요구되는 인쇄 거동을 얻도록 선택된다. 바람직하게, 부형제의 상대적 양은 약 75 내지 95 중량 퍼센트의 범위에 있고, 습윤제의 상대적 양은 약 3중량 퍼센트 미만이고, 그리고 계면활성제의 상대적 양(사용될 때)은 약 3중량 퍼센트 미만이다. 폴리머의 상대적 양은 성형 부분에 요구되는 결합의 양을 제공하도록 선택된다. 바람직하게, 폴리머의 상대적 양은 약 5 내지 약 20 중량 퍼센트의 양으로 있다.

본 발명의 방법을 실시하기 위해서, 결합제 및 성형 물질은 3차원 인쇄 장치 및 하나 이상의 주조용 몰드 또는 주조용 몰드 성분을 제조하는 바와 같이 선택된다. 3차원 인쇄 장치에 적합한 인쇄 파일이 제조될 성분의 각각에 대해 얻어진다. 하나 이상의 성분이 한 번에 제조되어야만 한다면, 배열이 성형 베드에 성형되는 부분으로 구성되는 성형 파일이 생성된다. 그런 후에, 부분이 비처리된 성형 파우더 및 결합제로부터 층층이 제조된다. 성형 공정의 결론에서, 성형된 부분 또는 부분들은 나머지 부형제를 제거하도록 그리고 결합제를 경화하고 그런 후에 성형 베드로부터 제거하도록 가열된다. 그런 후에 성형된 부분이 몰드 세트에 조립될 수 있고 용융된 금속이 몰드 세트에 주조될 수 있다. 선택적으로, 워시 또는 박리제와 같은 코팅, 예를 들어, 질화 붕소가 주조 동안 용융된 금속에 접촉하는 성형된 부분의 표면에 적용될 수 있다.

일부 실시예에 따라서 구성되는 코어는 코어가 구성되는 몰드를 제조하는 3차원 인쇄 공정에 사용된 결합제의 부분으로서 사용된 부형제와 같거나 유사한 용매를 갖는 코어의 용해에 의해 금속 주조로부터 제거가능할 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.

실시예

실시예 1

본 발명의 실시예의 시도는 성형 방향으로 약 19센티미터 인치 폭, 횡방향으로 약 19센티미터 폭, 및 약 7.6 센티미터 깊이의 성형 박스 크기를 갖는 미국, 펜실배니아, 헌팅던, 더 엑스온 컴퍼니 오브 노스에 의해 제조된 듀얼 페데스탈 3차원 인쇄 장치를 사용하여 수행되었다. 성형 파우더는 500미크론의 평균 입자 크기를 갖는 미처리된 크로마이트 모래였다. 폴리머가 폴리비닐피롤리돈 K-15이고, 부형제가 2-메톡시에탄올이고, 그리고 습윤제가 디에틸렌 글리콜인 결합제가 선택되었다. 결합제에서 폴리머의 부분은 약 10중량 퍼센트였다. 성형층 두께는 약 600미크론이었다.

선택된 부분은 금속 주조 몰드였고 도 1에 도시된다. 이들 몰드 중 두 개가 본 발명의 실시예에 따라 성형되었다. 성형 몰드 중 하나가 도 2에 도시된다. 몰드는 약 18.41 센티미터의 내부 바닥 직경 및 약 6.96 센티미터의 내부 깊이를 가진다. 이어서 몰드 중 하나가 지르콘/알코올 몰드 워시로 딥 코팅되고 그런 후에 약 5분 동안 82℃에서 건조되었다. 대략적으로 1583℃에서의 용융된 WC-9 저합금강이 양쪽 몰드에 부어졌고 고체화되었다. 주조물이 몰드로부터 제거되었다. 도 4는 종래의 푸란 결합된 실리카 몰드를 사용하여 제조되는 주조에 따른 주조물을 나타낸다. 주조물 A는 종래의 실리카 몰드로 제조되었다. 주조물 B는 세정되지 않은 본 발명의 몰드에서 제조되고 주조물 C는 지르콘/알코올 몰드 워시로 세정된 본 발명의 몰드에서 제조되었다.

실시예 2

실시예 1에 대해 설명된 동일한 조건 및 물질을 사용하여, 테스트 퍽이 본 발명의 실시예에 따라 제조되었다. 이들 테스트 퍽은 직경에서 약 5.0 센티미터였고 2.54 센티미터 높이였으며 도 3에 도시된다. 이들 테스트 퍽은 담금 손실("LOI") 및 투과성을 측정하도록 사용되었다.

LOI 테스트는 발화 전에 부분의 중량에 대한 발화 후에 부분의 중량의 비율을 차지하는 것에 의해 발화될 때의 중량의 손실을 측정한다. 본 발명에 따라 제조된 두 개의 테스트 퍽에 대한 LOI 결과는 0.3% 및 0.4%에서 매우 양호했다.

투과성 테스트는 부분의 가스 유속을 측정한다. 본 테스트의 목적은 부분이 주조 동안 탈가스를 허용하는 충분한 투과성을 가진다는 것을 보장하기 위한 것이다. 유용성을 위한 임계 최저값은 120이다. 본 발명에 따라 제조된 두 개의 테스트 퍽의 각각은 375의 투과성 테스트 값을 가졌다.

실시예 3

실시예 1에 대해 설명된 동일한 조건 및 물질을 사용하여, 테스트 바는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되었다. 이들 테스트 바는 약 17.20 센티미터 길이, 약 2.24 센티미터 폭, 및 약 2.24 센티미터 높이였고 도 3에 도시되어 있다. 이들 테스트 바는 인장 강도를 측정하도록 사용되었다. 몰드 성분에 필요한 250뉴턴/평방 센티미터의 최소 인장 강도가 고려된다. 본 발명에 따라 구성된 테스트 바 중 두 개가 테스트되었고 각각, 409뉴턴/평방 센티미터 및 340뉴턴/평방 센티미터의 인장 강도를 가졌다.

본 발명의 몇몇 실시예만이 도시되고 설명되는 반면에, 많은 변경 및 수정이 다음의 청구항에 설명된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 그에 대해 이루어질 수 있다는 것이 해당 기술분야의 당업자에게 명백해질 것이다. 모든 미국 특허 및 특허 출원, 모든 해외 특허 및 특허 출원, 및 여기에 식별된 모든 다른 문헌은 법률 하에 허용된 완전한 범위로 여기에 충분히 제시된 것처럼 참조에 의해 여기에 병합된다.

Claims (7)

1. 금속 주조용 몰드 또는 금속 주조용 몰드용 성분인 물품을 제조하기 위한 방법으로서,
   a) 상기 물품의 표현을 획득하는 단계;
   b) 성형 물질로서 비처리된 모래를 선택하는 단계;
   c) 폴리머, 부형제, 및 습윤제를 포함하는 결합제를 선택하는 단계;
   d) 상기 물품을 3차원으로 인쇄하도록 상기 입자의 표현, 상기 성형 물질, 및 상기 결합제를 사용하는 단계;를 포함하고,
   상기 입자는 금속 주조용 몰드 또는 금속 주조용 몰드의 성분이도록 채택되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 폴리머는 폴리비닐피롤리돈, 수크로오스, 프룩토오스, 액상과당, 및 폴리비닐 알코올로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 폴리머는 약 10 내지 약 100의 K값을 갖는 폴리비닐피롤리돈인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 부형제는 물, 2-부톡시에탄올, 및 이소프로필 알코올로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 2항에 있어서,
   상기 습윤제는 디에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 및 글리세롤로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 2항에 있어서,
   상기 결합제는 또한 2-메톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 실리콘 오일, 소듐 라우렐 설페이트, 에탄올, 이소프로필 알코올로 구성되는 그룹으로부터 선택된 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 비처리된 모래는 규사, 용융 규사, 호사, 뱅크 모래, 산모래, 크로마이트 모래, 지르콘 모래, 올리빈 모래, 알루미나 모래, 멀라이트 모래, 및 합성 모래 및 그들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.

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