KR20220070424A - 주조 몰드 - Google Patents

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KR20220070424A
KR20220070424A KR1020227005512A KR20227005512A KR20220070424A KR 20220070424 A KR20220070424 A KR 20220070424A KR 1020227005512 A KR1020227005512 A KR 1020227005512A KR 20227005512 A KR20227005512 A KR 20227005512A KR 20220070424 A KR20220070424 A KR 20220070424A
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KR
South Korea
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mold
feedstock
susceptor
casting
casting mold
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KR1020227005512A
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English (en)
Inventor
데이비드 존 무디
윌리엄 로버트 와일스
랜스 몰리뉴
조슈아 조셉 매킨토시
Original Assignee
파운드리 랩 리미티드
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Publication date
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Abstract

주조 몰드는: 무기질 또는 내화 몰드를 포함하고, 그러한 몰드는 공급원료를 수용하도록 구성되고, 공급원료는 현장 가열되도록 구성된다. 재사용 가능 몰드, 재사용 가능 서셉터 및/또는 이형제가 통합될 수 있다. 몰드 제조 방법, 및 현장 가열을 이용한 부품 주조가 또한 제공된다.

Description

주조 몰드
본 발명은 주조 몰드, 예를 들어 부품의 생산에서 사용될 수 있는 재사용 가능 주조 몰드에 관한 것이다.
금속 부품의 단기 생산에 관한 종래 기술의 방법은 고가이거나 느릴 수 있다. 그러한 부품이 연구 및 개발(R&D) 또는 프로토타이핑을 위해서 사용되는 경우에, 그러한 부품은 저렴하고, 신속하고, 반복 가능하고, 신뢰 가능하게, 넓은 범위의 형상으로, 넓은 범위의 금속 또는 합금으로, 또는 규모 조정 가능하게(scalably) 생산되는 것이 바람직할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에 따라, 제1항, 제3항, 제4항, 제6항, 제7항, 제8항, 제10항, 제12항, 제15항, 제16항, 또는 제17항 중 어느 한 항에 따른 주조 몰드, 제53항에 따른 클램핑 시스템, 제48항에 따른 3D 프린터, 제49항에 따른 마이크로웨이브 전송기, 제50항 또는 제51항에 따른 시스템, 또는 제52항에 따른 부품, 또는 제58항 내지 제62항 중 어느 한 항에 따른 방법이 제공된다.
실시형태는 종속 청구항 제2항, 제5항, 제9항, 제11항, 제13항, 제14항, 제18항 내지 제47항, 및 제53항 내지 제57항 중 어느 한 항에 따라 구현될 수 있다.
"포함한다" 및 "포함하는"이라는 용어가, 다양한 관할권 하에서, 배타적 또는 포괄적 의미로 귀속될 있다는 것이 알려져 있다. 이러한 명세서의 목적을 위해서, 달리 표시되지 않는 한, 이러한 용어는 포괄적인 의미를 갖도록 의도된다 - 즉, 이들은 사용이 직접적으로 언급한 나열된 구성요소, 그리고 가능하게는 또한 다른 특정되지 않은 구성요소 또는 요소를 포함하는 의미로 취해질 것이다.
이러한 명세서 내의 임의의 문헌에 대한 언급은, 그러한 것이 다른 문헌과 유효하게 결합 가능한 종래 기술이라는 것 또는 그러한 것이 일반적인 전반적 지식의 일부를 형성한다는 것을 인정하는 것이 아니다.
명세서에 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시형태를 예시하고, 전술한 본 발명의 전반적인 설명 및 후술되는 실시형태에 관한 구체적인 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 금속 주조를 위한 시스템의 개략도이다.
도 2 내지 도 7은 대안적인 몰드 형태의 횡단면도이다.
도 8은 조합된 충진 스테이션 및 마이크로웨이브의 횡단면도이다.
도 9 내지 도 11은 대안적인 클램핑 시스템의 사시도이다.
도 12는 등각적 냉각(conformal cooling)을 갖는 몰드의 횡단면도이다.
도 13은 대안적인 몰드 및 서셉터 시스템(susceptor system)의 횡단면도이다.
도 1은 예시적인 실시형태에 따른 주조를 위한 시스템(100)을 도시한다. 일반적인 용어로, 주조 프로세스에 대한 스테이지들이 있을 수 있거나, 스테이지들이 조합될 수 있거나 임의의 주어진 적용예의 요건에 따라 상이한 순서로 실행될 수 있다. 몰드가 특정 부품 제원을 위해서 설계된다(102). 이어서, 몰드 설계를 이용하여, 무기질 반-영구적 몰드를 3D 프린터(104)에서 프린트한다. 몰드가 적절한 공급원료(106)로 충진된다. 무선 전원에 의해서 충진된 몰드에 에너지가 공급되어 공급원료(108)를 현장에서(in situ) 용융시킨다. 대안적으로, 통상적인 수단, 예를 들어 연소 퍼니스를 이용하여 충진된 몰드를 가열하는 것에 의해서, 공급원료가 용융될 수 있다. 몰드가 냉각되고 무선 전원(110)으로부터 제거된다. 이어서, 몰드 내의 부품이 제거되고(112), 이어서, 적용예가 재사용 가능성을 요구하는 경우에, 몰드는 후속 주조를 위해서 재사용될 수 있다.
하나 이상의 실시형태는, 3D 해당 부품보다, 몰드를 더 신속하게 프린트할 수 있다는 장점을 가질 수 있다. 임의의 경우에, 일단 프린트되면, 몰드는 둘 이상의 부품을 신속 주조하기 위해서 사용될 수 있다.
몰드가 2차례 이상 재사용될 수 있는 임의의 실시형태에서, 각각의 부품의 전형적인 생산 시간은 8시간(또는 일부 방법에서 훨씬 더 긴 시간)으로부터 10 내지 15분 정도로 짧게 단축될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 예시적인 시스템은 작은 풋프린트(footprint)를 가질 수 있고, 안정적으로 동작될 수 있고, 더 효율적일 수 있으며, 수용 가능한 마감을 제공할 수 있고, 빠르고 간단하게 훈련시킬 수 있고/있거나 유지 보수가 적을 수 있다. 하나 이상의 실시형태는 자동차, 고객 상품, 건축, 장비 및 기계, 광산, 우주항공, 선박 구축 및 군사 산업에서 유리할 수 있다.
이하의 용어가 전반적으로 사용될 것이다:
시스템 주조 프로세스에서 사용되는 장치, 방법 및/또는 소프트웨어.
소모품 세라믹, 서셉터, 촉매, 이형제, 결합제, 플럭스, 첨가제, 액체, 분말 또는 금속을 포함할 수 있는 시스템에 의해서 사용되는 원재료.
몰드 프린트되고 경화된 몰드.
인베스트먼트 몰드(Investment Mould) 몰드를 손상시키지 않고 개방할 수 없는 단일 사용 몰드.
영구적 몰드 많은 횟수로 재사용될 수 있는 몰드.
반-영구적 몰드 2차례 이상 재사용될 수 있고, 재사용 가능 몰드로도 지칭될 수 있는 몰드. 사용 횟수는 적용예의 요건, 예를 들어 부품의 설계, 요구되는 합금, 비용, 시간, 필요한 몰드-후 마감의 레벨(즉: 연마, 충진, 컷팅 폴리싱 등)에 따라 달라질 수 있다. 몰드가 누출 없이 용융 금속을 더 이상 유지할 수 없을 때, 몰드는 재사용 불가능할 수 있다. 자동차 프로토타이핑에서, 10번(또는 초과)의 분리된 주조가 적절할 수 있다.
다수-부품 몰드 2개 이상의 부품을 갖는 재사용 가능 몰드.
몰드 공동 주조 중에 공급원료로 충진되는 몰드의 음의 세부 부분 또는 중공부. 이는 부품의 외부 표면을 성형한다.
몰드 코어 최종 부품 내에서 공극을 형성하는 몰드 내의 양의 특징부. 코어는 재사용 가능하거나 1회용일 수 있다. 이는 부품의 내부 표면을 성형한다.
몰드 임프레션(Mould Impression) 몰드 공동, 몰드 코어 및 임의의 다른 몰드 부품에 의해서 형성된 몰드의 공극.
내측부 표면 몰드 임프레션과 몰드 공동, 몰드 코어 및 임의의 다른 몰드 부품 사이의 계면.
외부 표면 몰드 공동, 몰드 코어 및 임의의 다른 몰드 부품이 조립될 때, 몰드의 가시적인 표면.
공급원료 분말, 입자, 과립, 와이어, 잉곳, 또는 혼합물을 포함하는 소모품. 예를 들어, 이는 주로 금속 구성요소일 수 있다.
무기질 몰드 금속 또는 세라믹을 포함하는, 내화 재료와 같은 무기질 재료로 형성된 몰드.
세라믹 열 충격을 견딜 수 있고, (장벽 층이 사용되지 않는 경우에) 금속과 양립 가능한, 그리고 해당 부품의 재료에 따라 달라지는 최대 서비스 온도를 가지는, 액체, 고체, 복합 고체 또는 분말을 포함하는 소모품. 예를 들어, 저온 금속의 경우에, 적어도 1000℃의 최대 서비스 온도가 요구될 수 있다.
결합제 몰드의 형성을 보조하기 위한 액체, 고체 또는 분말을 포함하는 소모품.
서셉터 몰드 임프레션 내의 현장 열 생성을 보조하기 위한 액체 또는 분말을 포함하는 소모품.
이형제 용융된 공급원료가 응고된 후에, 부품을 몰드로부터 제거하는 것을 보조하기 위한 액체 또는 분말을 포함하는 소모품. 장벽 층을 포함하거나, 장벽 층으로서 기능할 수 있다. 대안적으로, 장벽 층이 분리될 수 있다.
몰드 식별자 몰드 또는 그 특성의 식별자, 예를 들어 몰드에 부착되거나, 내재되거나 그 위에 프린트된 내온성 RFID, 내온성 NFC, QR 코드, ID 태그 또는 바코드.
스테이션 시스템 내의 상이한 기능적 위치들에 있는 디바이스 또는 하드웨어, 예를 들어 프린터, 금속 공급원료 분배기, 마이크로웨이브, 또는 냉각 스테이션.
퍼니스 인발기를 가열 및/또는 연관 냉각하기 위한 하나 이상의 무선 전원을 갖는 스테이션.
부품 시스템의 출력물.
프린터 3D 프린터 및/또는 연관 장비.
현장 가열 공급원료가 몰드 내에서 가열된다.
무선 전원 전자기 전력 전송, 마이크로웨이브 전력 전송, 유도 전력 전송, RF 전력 전송, 용량성 전력 전송 또는 유전 전력 전송을 포함할 수 있다.
마이크로웨이브 300 MHz 내지 300 GHz, 예를 들어 5.725 GHz 내지 5.875 GHz, 2.4 내지 2.5 GHz, 또는 902 내지 928MHz의 주파수를 갖는 전자기 복사선.
RF 30 Hz 내지 300 GHz의 주파수를 갖는 무선 주파수 전자기 복사선.
유도 주로 자기장을 사용하는 무선 전력 전송.
용량성 주로 전기장을 사용하는 무선 전력 전송.
최대 서비스 온도 균열, 탄화, 수축, 왜곡, 연소, 용융 또는 구조적 결함이 없이 주조 사이클 중의 최대 온도를 견딜 수 있음. 적용예의 요건에 따라 달라지는 상이한 온도 값이 사용될 수 있다. 예를 들어, 몰드의 경우에, 이는 1000℃, 1200℃, 또는 1450℃일 수 있는 반면, 클램핑 시스템은 200℃일 수 있다.
무선 전력 투과(Wireless Power Transmissive) 상당한 전력 손실 또는 국소적인 가열이 없이, 그러나 적용예에 따라 달라지는 무선 전력을 전달할 수 있음. 마이크로웨이브 전송의 경우에, 10-3 이하의 손실 탄젠트(loss tangent)(tanδ)가 적어도 몰드에 대해서 투과적인 것으로 간주되나, 적용예의 요건에 따라 다른 값들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 클램핑 시스템은, 기계적 무결성을 유지하거나 몰드의 최대 서비스 온도를 위반하지 않는 한, 더 큰 tanδ를 수용할 수 있다. 대안적으로, 무선 전력 투명(wireless power transparent)이라는 용어가 사용될 수 있다.
저온 금속 융점이 1000℃미만인 금속 또는 합금.
밀도 Mol/mm3와 같은 절대 측정치, 또는 몰드 횡단면의 임의 지점(또는 몰드 내부 표면으로부터의 주어진 거리)에서 또는 몰드에서 사용되는 서셉터의 총 중량의 비율에 비교되는, 세라믹 대 서셉터의 분자량 비율과 같은 상대 농도 측정치일 수 있다.
응고 용융 금속 또는 공급원료가 고체로 상태 전이를 할 때.
몰드 설계
도 1의 몰드 설계의 단계(102)는 도 2에 도시된 바와 같은 다수-부품 몰드(200), 또는 분할 몰드로 제조될 수 없는 단일-사용 복합 설계(또는 인베스트먼트 몰드)를 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 경우에, 몰드는 냉각 및 부품 제거 후에 파괴된다. 몰드는 CAD 소프트웨어에서 또는 적용예의 요건에 따라 설계될 수 있다.
다른 가능성은 플라스틱 사출 몰딩(PIM) 마켓을 위한 도구를 제조하는 것이다. CNC 가공보다 우수한 하나 이상의 실시형태의 장점은 일체형의 내부 등각적 냉각 채널을 갖는 금속 도구를 제조하는 것일 수 있다. 금속 도구를 냉각할 수 있는 능력은 전환 시간을 단축하고, 플라스틱의 신속한 또는 제어된 냉각을 허용하고, 부품 품질 및/또는 생산량을 개선할 수 있다. PIM 몰드는 시스템에 의해서 주조될 수 있거나, 구리를 주조하여 공구강 몰드의 스파크 침식을 위한 전극을 만들 수 있으며, 그 둘 모두는 CNC 가공보다 더 용이하게 제조될 수 있다.
3D 프린터는, 결합제, 서셉터, 잉크 및 가능하게는 이형제를 프린트하기 위한 다수의 프린트 헤드를 사용하여, 또는 다수의 재료를 프린트할 수 있는 단일 프린트 헤드를 사용하여 프린트할 수 있을 것이다. 프린트된 재료는 적절한 판독기로 스캔할 때 해당 세부 정보를 사용자에게 알려 주는 몰드 상의 몰드 식별자를 포함할 수 있고, 그러한 세부 정보는: ID 태그, 특정 공급원료, 필요한 공급원료의 부피/질량, 퍼니스를 위한 설명서, 몰드를 몇 번 사용하였는지, 프로세스에서 몰드가 위치되는 곳, 그리고 몰드의 현재 상태가 어떠한지를 포함할 수 있다.
몰드 프린팅
도 1의 몰드 프린팅 단계(104)는 국소적인 3D 프린터를 이용하여 구현될 수 있다. 프린터는 결합제 젯팅 기술을 이용할 수 있다. 적용예에 따라, 대안들은 예를 들어 프린트된 디지털 광 프로세싱(DLP) 또는 선택적 레이저 소결(SLS)일 수 있다. 이는, 기재 내용이 본원에서 참조로 포함되는, US 5204055 또는 US2016193653의 개시 내용에 따라 구현될 수 있다.
일부 실시형태에서, 프린터는, 소정 범위의 공급원료들의 상이한 용융 온도들에서 다수의 용융물을 견디는 것에 의해서 무결성을 유지할 수 있는 분말로 몰드를 프린트할 수 있다. 몰드에 대한 한 가지 옵션은 프린트 헤드를 통해서 물과 함께 분무하는 것에 의해서 활성화되는 분말형 PVA 결합제를 갖는 석고이다. 다른 옵션은 결정립 크기가 50 내지 600 메쉬인 실리카 분말이다. 구형으로 성형된 결정립은 프린트 테이블 상에서 더 잘 유동할 수 있지만, 불규칙하게 성형된 입자도 잘 수행할 수 있다. 적용예의 요건에 따라 알루미나 분말 및 기타가 가능하다. 실리카는 더 넓은 범위의 용융 금속과 보다 더 양립 가능할 수 있다(습윤에 강하고 비-반응적이다). 실리카 분말/결합제 블렌드는 흡습적이고, 분말을 기밀 컨테이너 내에서 유지하거나 수분 흡수로부터 달리 보호해야 할 필요가 있을 수 있다. 일부 실시형태에서, 프린터는, 일부 적용예에서 바람직하지 않을 수 있는, 나노 알루미늄 분말의 사용을 피할 것이다.
세라믹의 다른 예는: 지르콘/지르코니아-계, 그라파이트, 규소 질화물 또는 붕소 질화물을 포함한다.
세라믹 분말을 희망 형상으로 유지하기 위해서 결합제를 사용할 수 있다. 이들은 일반적으로 건조한 분말 형태이며, 세라믹 분말에 혼합된다. 프린트 베드 상에서 분말 형태로 사용하는 대신, 액체 결합제가 프린트될 수 있다.
다른 결합제는 무기 콜로이드 용액 또는 나트륨 실리케이트 칼륨 실리케이트, 인산알루미늄, 실리콘 수지 및 수-경성 시멘트와 같은 고온 무기 결합제를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 프린터는 도 3에 도시된 바와 같이 몰드 부품(304) 내에서 서셉터(302)를 프린트할 수 있다. 대안적으로, 서셉터는 몰드의 내부 표면 상에 직접적으로 페인팅, 분무, 스퍼터링, 침지 또는 침착될 수 있다. 서셉터는 잉크의 색소와 유사한 나노 스케일 입자를 사용하여 프린트 헤드를 통해서 직접적으로 프린트될 수 있다. 서셉터는 무선 전원에 의해 전달되는 무선 에너지에 노출될 때 공급원료를 용융시킬 수 있는 온도를 생성한다. 또한, 서셉터는 또한 가열 표면을 금속과 접촉되게 유지하여, 몰드가 (안전하고 빠르고, 더 효율적인 용융 등을 위해서) 우수한 절연체로 기능하게 할 수 있고, 금속 입자의 아크 발생 및 (예를 들어, 마이크로웨이브의 경우) 및/또는 퍼니스 및/또는 몰드의 손상 위험을 방지할 수 있다. 이상적으로, 서셉터는, 필요한 양을 줄이는 방식으로, 그리고 몰드 또는 공급원료를 손상시키는 방식으로 가열되지 않는 방식으로 프린트된다. 서셉터(402)는 도 4에 도시된 바와 같이 몰드 전체를 통해서 균일하게 펼쳐질 수 있거나, 도 5에 도시된 바와 같이, 몰드의 내부 표면 근처에 집중되고 외측부 표면에 가까워질수록 밀도가 감소되어 몰드 본체의 제어된 가열을 가능하게 하고 열 충격을 피하거나 부품 주위에서 차폐를 제공하기 위해서 보다 복잡한 방식으로 프린트되도록, 가변적인 서셉터 분포(502)로 펼쳐질 수 있다. 틈새와 같은, 몰드의 복잡한 부분에서 열 충격 또는 열 응력을 최소화하기 위해서, 도 6에 도시된 바와 같이 몰드의 상이한 위치들에서 (몰드의 내측부 표면에 비해서) 상이한 깊이들에 서셉터 층이 있을 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같은 추가적인 대안에서, 몰드(702)는 서셉터 재료에 의해 완전히 형성될 수 있거나 세라믹 및/또는 결합제가 (특정 온도에서 또는 전반적으로) 서셉터 특성을 가질 수 있다.
도 13에 도시된 다른 대안적인 예에서, 몰드(1300)는 그 내부에서 하나 이상의 공극(1304)과 함께 프린트된다. 이어서, 서셉터 재료(1302)는 공극 내에 배치될 수 있다. 서셉터(1302)는 공극(1304) 내로 부어지는 미립자 형태일 수 있거나 공극(1304) 내로 삽입되는 고체의 미리 형성된 형상일 수 있다. 도 13에 도시된 예에서, 서셉터(1302)는 막대의 형태이다. 이러한 예에서, 몰드(1300)는, 임의의 다른 서셉터를 포함하거나 서셉터 재료로 프린트될 필요가 없다. 이는, 몰드(1300)를 위한 재료의 선택이 더 많아져서, 몰드(1300)를 만들기 위한 기본 재료가 공급원료와의 최적의 양립성을 위해서 선택될 수 있다는 것을 의미한다. 이는 또한 몰드(1300)를 위한 더 저렴한 기본 재료의 사용을 허용할 수 있다. 이러한 배열은 또한 열 충격에 대한 개선된 내성을 가질 수 있다.
서셉터 재료는, 적용예의 요건에 따라 그라파이트, 마그네타이트, 페라이트, 규소 탄화물, 금속 산화물, 지르코니아, 알루미나, 금속화 필름, 물, 몰리브덴, 스테인리스 강 또는 임의의 전도성 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 이형제가 몰드의 가장 안쪽 표면에 제공될 수 있다. 이는 부품의 용이한 추출을 가능하게 하지만, 특정 합금이 서셉터/세라믹에 반응하는 경우에, 장벽을 또한 제공할 수 있다. 이러한 것은, 서셉터와 유사하게, 프린트될 수 있고, 프린트 후에 코팅될 수 있고 또는 하이브리드 코팅을 제공하기 위해 액체 서셉터와 혼합될 수 있다. 그라파이트 분말이 일부 금속에 적합할 수 있다. 서셉터 위에 도포된 이형제의 이용으로 몰드 수명을 개선할 수 있는데, 이는 이러한 것이 일부 금속과 서셉터 사이의 임의의 화학 반응을 방지할 수 있기 때문이다.
프린터의 온도와 습도를 제어하기 위해 제습기/히터가 부가될 수 있다.
프린팅 후에, 몰드를 경화시켜 결합제를 고정할 수 있고 수분을 제거할 수 있다. 이는 열(또는 DLP의 경우 UV)의 적용으로 이루어질 수 있다. 몰드 경화는, 재사용 가능한 몰드에 유용할 수 있는 그 무결성에 영향을 미칠 수 있다.
공급원료
도 1의 공급원료 충진 단계(106)는 공급원료 호퍼, 진동 플랫폼 및 중량 저울을 사용하여 구현될 수 있다.
대안적인 관 공급 배열이 도 8에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 이러한 배열에서, 몰드(802)는 마이크로웨이브(804) 내에 있는 동안 충진될 수 있다. (또한 마이크로웨이브 반사 또는 흡수적일 수 있는) 고온 내성 관(806)이 마이크로웨이브(804)의 지붕 내의 개구에 부착된다. 몰드(802)는 충진 및 이어지는 후속 가열을 위해서 관(806) 아래의 마이크로웨이브(804) 내에 배치된다. 개구 컷-오프 너머의 도파관(808)이 복사선 누출 방지를 보장한다. 관(806)은, 상이한 높이의 몰드들이 그 아래에 배치될 수 있도록, 제거 가능하고/하거나 활주 가능할 수 있다. 아르곤 가스와 같은 불활성 가스가 또한 산화 감소를 위해서 관(806) 내로 분배될 수 있다. 추가적으로, 용융물의 온도를 직접 측정하기 위해서, IR 센서가 관(806) 축 아래로 지향될 수 있다.
유동 능력은 공급원료 입자의 형상(예를 들어, 구형, 거친 것 또는 평평한 것이 모두 가능하다) 및 나노 펠릿으로부터 마이크로 펠릿까지의 입자 크기에 따라 달라질 것이다. 잉곳의 경우에, 저온 공급원료는 몰드 임프레션 내로 유동하지 않을 것이다. 잉곳은 그 대신 호퍼 내로 적재될 수 있다. 호퍼 내의 잉곳이 용융되기 시작하면, 공급원료가 공동 내로 유동하여 충진할 것이다. 몰드 임프레션 주위의 서셉터가 공급원료를 계속 가열할 수 있고, 그에 따라 모든 섹션이 충진될 때까지 공급원료는 용융되어 유지될 수 있다. 몰드 임프레션이 충진될 때까지 공급원료를 용융 상태로 유지하는 것은, 공급원료가 응고되기 전에 공동을 신속하게 충진하여야 하는 종래 기술에 비해서 우수한 장점을 가질 수 있다. 이는 공급원료 유동의 보다 양호한 제어 및/또는 부품의 개선된 품질을 제공할 수 있다. 진동 테이블의 부가 및 부가적인 공급원료를 유지하여 중력 보조를 제공하기 위한 몰드 내의 더 큰 호퍼 설계를 포함하는, 하나 이상의 몰드 설계가 불균일한 충진을 해결하는데 도움을 줄 수 있다. 상이한 공급원료들이, 다른 무선 전원 및 입자의 형상 및 크기를 포함한 다른 인자 하에서, 상이한 용융 특성들을 가질 것이다. 특정 크기의 구형 분말 형상이 대부분의 금속 합금에 적합하다. 알루미늄은 예외적으로 높은 산화 특성으로 인해서 다른 접근 방식을 필요로 할 수 있다. 유동과 용융성의 균형을 맞추기 위해서, 다양한 크기 및 형상의 입자의 블렌드를 사용할 수 있다. 미량 첨가제가 용융 및/또는 유동 촉매로 작용하거나 산화를 억제할 수 있다. 전자 저울은, 몰드가 정확한 양의 공급원료로 충진되도록 보장할 수 있다.
공급원료 용융
도 1의 공급원료를 용융시키는 단계(108)는 마이크로웨이브와 같은 퍼니스를 사용하여 구현될 수 있다.
충진된 몰드가 마이크로웨이브 내로 배치된다. 마이크로웨이브의 내부 금속 형상은, 복사선이 최적의 용융물에 집중되도록 보장하기 위해서 그리고 안전한 사용을 보장하기 위해서 사용될 수 있다. 또한, 마이크로웨이브의 균일한 확산을 보장하는 '교반기'를 이용할 수 있다. 몰드의 외부 표면 온도를 측정하여, 부품이 응고되었고 제거될 수 있는지 여부를 작업자가 알게 할 수 있다.
몰드는 가열 및 냉각 중에 클램핑될 수 있다. 냉각 후 작업자는 쉽게 열고 부품을 용이하게 배출할 수 있고 이어서 몰드를 폐쇄할 수 있고, 클램핑 시스템을 반복적으로(2회 이상) 고정할 수 있다.
클램핑 시스템은 예를 들어, 특정 홀(906)을 통과하는 세라믹 볼트(904)가 있는 도 9에 도시된 바와 같은 몰드(902)의 일부일 수 있고, 예를 들어 재사용 가능한 실리콘 밴드(1002)를 사용하는 도 10에 도시된 바와 같이, 또는 예를 들어 스프링 강(둥근 단부를 갖는다)과 같은 핀(1102)을 사용하고 약간 인장되거나, 세라믹이거나, 예를 들어 고온 테이프와 같은 일회용일 수 있는 도 11에 도시된 바와 같이 독립적일 수 있다.
또한, 이는 퍼니스 바닥 내의 특징부 또는 몰드를 함께 유지하는 쐐기형 상자와 같이 완전히 외부에 있을 수 있다.
금속 부품의 경우에, 몰드 내에서 공급원료가 냉각되는 방식은, 금속 분자가 정렬되는 방식에 영향을 미칠 수 있고, 이는 그 강도 특성, 즉 인장, 전단, 비틀림, 압축 및 경도에 영향을 미칠 수 있다. 금속 부품의 냉각을 제어하는 것은, 원하는 강도 프로파일을 갖는 부품을 가능하게 할 것이다. 몰드(1200) 내의 등각적 냉각을 이용하여 도 12에 도시된 바와 같이 냉각을 제어할 수 있다. 대안적으로, 몰드의 지역을 선택적으로 용융시키고 이어서 용융 구역을 다른 지역으로 이동시키는 것이 부가적인 제어를 제공할 수 있다. 마이크로웨이브 내에 여전히 있는 동안, 강제 공기 냉각이 몰드를 빨리 냉각할 수 있다. 강제 공기 추출 및 용융 사이클 동안 방출될 수 있는 임의의 유독 연기를 제거하기 위한 (활성탄일 수 있는) 필터링이 유용할 수 있다.
부품이 주조되면, 부품은 핸들링 전에 안전 온도까지 냉각된다.
부품 제거
부품을 도 1의 몰드(112)로부터 제거하는 단계가 검사 스테이션을 이용하여 구현될 수 있다.
클램핑 시스템이 제거되고, 몰드 부품들이 분리된다. 몰드가 인베스트먼트 몰드인 경우에 - 이러한 경우에 이는 (예를 들어, 해머 또는 진동 도구로) 물리적으로 제거된다. 이어서 부품을 몰드로부터 꺼낸다.
깔때기 및 임의의 다른 주조 인공물(artefact)이 컷 오프된다(일반적으로 쇠톱 또는 띠톱). 필요한 경우, 이어서 허용 가능한 표면 마감까지 부품을 샌딩, 파일링, 마감 또는 광택 처리한다. 이는 이어서 소정 방식으로 코팅, 페인팅 또는 처리된다.
몰드가 손상에 대해서 (육안으로 또는 기계로 또는 일부 교정 디바이스로) 검사된다. 이어서, 몰드는 (수동으로) 폐쇄되고, 다시 함께 체결되며, 퍼니스 내로 다시 배치되기 전에 공급원료로 재충진된다. 몰드가 사용된 후로 오랜 기간이 경과한 경우에, 존재할 수 있는 임의의 수분을 제거하기 위해서 다른 경화 사이클이 필요할 수 있다. 몰드가 검사를 통과하지 못한 경우에, 이는 생산에서 제거된다.
본 발명의 실시형태에 관한 설명으로 본 발명을 묘사하였지만, 그리고 실시형태를 구체적으로 설명하였지만, 첨부된 청구항의 범위를 그러한 구체적인 내용으로 한정하거나 어떠한 방식으로도 제한하고자 하는 출원인의 의도는 없다. 부가적인 장점 및 수정이 당업자에 의해서 용이하게 도출될 수 있을 것이다. 그에 따라, 보다 넓은 양태의 발명이, 본원에서 도시되고 설명된 구체적인 상세 내용, 대표적인 장치 및 방법, 그리고 예시적인 예로 제한되지 않는다. 따라서, 전반적인 발명의 개념의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고도, 그러한 구체적인 내용으로부터 벗어날 수 있다.

Claims (62)

  1. 재사용 가능 주조 몰드이며:
    다수-부품의 재사용 가능 또는 반-영구적인 무기질 몰드로서, 공급원료를 수용하도록 구성된, 무기물 몰드를 포함하고;
    공급원료는 외부 마이크로웨이브 전송기를 이용하여 가열되도록 구성되는, 주조 몰드.
  2. 제1항에 있어서,
    외부 마이크로웨이브 전송기는 5.725 GHz 내지 5.875 GHz, 2.4 내지 2.5 GHz, 예를 들어 2.45 GHz, 또는 902 내지 928 MHz, 예를 들어 915 MHz의 주파수 내역 내의 전자기 복사선을 전송하는, 주조 몰드.
  3. 주조 몰드이며:
    다수-부품의 재사용 가능 또는 반-영구적인 무기질 몰드로서, 공급원료를 수용하도록 구성된, 무기질 몰드; 및
    몰드 상의 또는 내의 서셉터로서, 공급원료를 용융시키기 위해서 외부 마이크로웨이브 전송기를 이용하여 가열하도록 구성된, 서셉터를 포함하는, 주조 몰드.
  4. 주조 몰드이며:
    공급원료를 수용하도록 구성된 무기질 몰드; 및
    몰드 상의 또는 내의 서셉터로서, 공급원료를 용융시키기 위해서 현장에서 가열하도록 구성된, 서셉터를 포함하는, 주조 몰드.
  5. 제4항에 있어서,
    서셉터는 3D 프린트된 서셉터, 페인팅된 서셉터, 또는 몰드가 3D 프린트된 후에 침착된 서셉터인, 주조 몰드.
  6. 주조 몰드이며:
    공급원료를 수용하도록 구성된 내측부 표면을 갖는 무기질 몰드 임프레션; 및
    공급원료를 현장 가열하도록 구성된 서셉터로서, 서셉터는 내측부 표면 주위에 분포되고, 내측부 표면 주위의 서셉터의 밀도가 상당한 변동을 포함하는, 서셉터를 포함하는, 주조 몰드.
  7. 재사용 가능 주조 몰드이며:
    내측부 표면 및 외측부 표면을 가지는 무기질 몰드로서, 내측부 표면은 공급원료를 수용하도록 구성되는, 무기질 몰드; 및
    공급원료를 현장 가열하도록 구성된 서셉터로서, 서셉터는 내측부 표면에 대해서 몰드 내에 분포되고, 내측부 표면에 대한 서셉터의 거리는 내측부 표면에 걸쳐 상당한 변동을 포함하는, 서셉터를 포함하는, 주조 몰드.
  8. 주조 몰드이며:
    공급원료를 수용하도록 구성된 내측부 표면을 갖는 무기질 몰드; 및
    몰드 상의 또는 내의 서셉터로서, 서셉터는 몰드 내에서 공급원료를 현장 용융시키기 위해서 가열하도록 구성되고, 서셉터는 내측부 표면에 대해서 변경되는 임프레션 내의 밀도 프로파일을 갖는, 서셉터를 포함하는, 주조 몰드.
  9. 제8항에 있어서,
    서셉터의 밀도는 내측부 표면에 근접하여 더 높고, 서셉터의 밀도는 내측부 표면에 대한 원거리에서 더 낮은, 주조 몰드.
  10. 재사용 가능 주조 몰드이며:
    다수-부품의 재사용 가능 또는 반-영구적인 무기질 몰드로서, 몰드는 공급원료를 수용하도록 구성되고, 공급원료는 현장 용융되도록 구성되는, 무기질 몰드; 및
    몰드에 부착된, 내재된 또는 프린트된 몰드 식별자를 포함하는, 주조 몰드.
  11. 제10항에 있어서,
    몰드 식별자가, 내온성 RFID, 내온성 NFC, QR 코드, ID 태그 및 바코드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 주조 몰드.
  12. 재사용 가능 주조 몰드이며:
    다수-부품의 재사용 가능 또는 반-영구적인 무기질 몰드로서, 몰드는 공급원료를 수용하도록 구성되고, 공급원료는 외부 마이크로웨이브 디바이스에 의해서 용융되도록 구성되는, 무기질 몰드; 및
    몰드 상에 또는 내에 침착된 이형제를 더 포함하고, 이형제는 용융된 공급원료가 실질적으로 응고된 후에 부품의 제거를 돕도록 구성되는, 주조 몰드.
  13. 제12항에 있어서,
    침착된 이형제는 그라파이트인, 주조 몰드.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    침착된 이형제는 3D 프린트된 이형제인, 주조 몰드.
  15. 주조 몰드이며:
    공급원료를 수용하도록 구성된 재사용 가능 3D 프린트된 무기질 몰드; 및
    몰드 상의 또는 내의 재사용 가능 서셉터로서, 공급원료를 2차례 이상 용융시키기 위해서 현장에서 가열하도록 구성된, 재사용 가능 서셉터를 포함하는, 주조 몰드.
  16. 주조 몰드이며:
    공급원료를 수용하도록 구성된 무기질 몰드;
    몰드 상의 또는 내의 서셉터로서, 공급원료를 용융시키기 위해서 현장에서 가열하도록 구성된, 서셉터; 및
    몰드 상의 또는 내의 또는 서셉터 상의 또는 내의 이형제로서, 용융된 공급원료가 응고된 후에 몰드로부터의 부품의 제거를 돕도록 구성되는, 이형제를 포함하는, 주조 몰드.
  17. 주조 몰드이며:
    공급원료를 현장에서 용융시키기 위해서 가열하도록 구성된, 공급원료를 수용하도록 구성된 무기질 몰드; 및
    몰드 임프레션 상의 또는 내의 덮개를 포함하는, 주조 몰드.
  18. 제17항에 있어서,
    덮개가 서셉터를 포함하는, 주조 몰드.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    몰드가 다수-부품 몰드인, 주조 몰드.
  20. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    몰드가 반-영구적인, 주조 몰드.
  21. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    몰드가 2개 이상의 부품을 주조하기 위해서 재사용될 수 있는, 주조 몰드.
  22. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    몰드가 3D 프린트된 몰드인, 주조 몰드.
  23. 제22항에 있어서,
    3D 프린트된 몰드가 세라믹 및 결합제를 포함하는, 주조 몰드.
  24. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    덮개를 더 포함하는, 주조 몰드.
  25. 제24항에 있어서,
    덮개가 서셉터를 포함하는, 주조 몰드.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    덮개가 3d 프린트된 덮개인, 주조 몰드.
  27. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    호퍼 또는 깔때기를 더 포함하는, 주조 몰드.
  28. 제27항에 있어서,
    호퍼 또는 깔때기가 서셉터를 포함하는, 주조 몰드.
  29. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 통기부를 더 포함하는, 주조 몰드.
  30. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융된 공급원료로부터 형성된 부품의 냉각을 보조하도록 구성된, 몰드 내의 하나 이상의 등각적 냉각 채널을 더 포함하는, 주조 몰드.
  31. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    서셉터는 재사용 가능한, 주조 몰드.
  32. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    서셉터는 몰드의 내부 표면 상으로 3D 프린트되는, 주조 몰드.
  33. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    서셉터가 규소 탄화물 또는 그라파이트인, 주조 몰드.
  34. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    서셉터 위에서 버퍼 층을 더 포함하는, 주조 몰드.
  35. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융된 공급원료가 응고된 후에, 부품을 몰드로부터 제거하는 것을 보조하도록 구성된 이형제를 더 포함하는, 주조 몰드.
  36. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    현장 가열이 몰드 임프레션 외부의 무선 전원을 이용하여 제공되는, 주조 몰드.
  37. 제36항에 있어서,
    무선 전원은 마이크로웨이브 전송기, 유도 전력 전송기, 용량성 또는 유전 전력 전송기, RF 전력 전송기 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 주조 몰드.
  38. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    재사용 가능 클램핑 시스템을 더 포함하는, 주조 몰드.
  39. 제38항에 있어서,
    재사용 가능 클램핑 시스템, 몰드 및/또는 연관된 프레임이 200℃ 초과 또는 1450℃ 초과의 최대 서비스 온도를 갖는, 주조 몰드.
  40. 제38항 또는 제39항에 있어서,
    재사용 가능 클램핑, 몰드 및/또는 연관 프레임은 실질적으로 무선 전력 투과적인, 주조 몰드.
  41. 제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    재사용 가능 클램핑, 몰드 및/또는 연관 프레임은 902 MHz 내지 5.875 GHz의 주파수의 전자기 복사선에 대해서 실질적으로 투과적인, 주조 몰드.
  42. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    공급원료가 분말, 입자, 결정립, 펠릿, 막대, 쇼트(shot), 과립, 와이어, 잉곳 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 주조 몰드.
  43. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    공급원료가 저온 금속인, 주조 몰드.
  44. 제43항에 있어서,
    저온 금속 공급원료는, 적어도, Al, Fe, Mg, Zn, Si, Cu, Mn, Ni, Ti 및 이들의 임의의 조합 또는 합금으로 이루어진 그룹으로부터의 선택을 포함하는, 주조 몰드.
  45. 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
    무기질 몰드가 세라믹 몰드인, 주조 몰드.
  46. 제45항에 있어서,
    세라믹은 실리카, 알루미나, 지르콘/지르코니아-계, 그라파이트, 규소 질화물, 붕소 질화물, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 주조 몰드.
  47. 제1항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
    나트륨 실리케이트, 무기 콜로이드 용액 또는 고온 무기 결합제로 이루어진 그룹으로부터 선택된 결합제를 더 포함하는, 주조 몰드.
  48. 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 따라 구성된 몰드를 프린트하기 위한 3D 프린터.
  49. 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 따른 몰드를 가열하도록 구성된 마이크로웨이브 전송기.
  50. 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 따른 몰드를 프린트하기 위한 시스템.
  51. 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 따른 몰드를 이용하여 금속 부품을 주조하기 위한 시스템.
  52. 제1항 내지 제47항 중 어느 한 항에 따른 몰드에 의해서 생성된 부품.
  53. 주조 몰드용 클램핑 시스템이며, 주조 몰드는 공급원료를 수용하도록 구성된 재사용 가능한, 다수-부품의 반-영구적인 무기질 몰드를 포함하고, 공급원료는 현장 용융되도록 구성되고;
    클램핑 시스템은 실질적으로 내온성이고, 실질적으로 무선 전력 투과적인, 클램핑 시스템.
  54. 제53항에 있어서,
    클램핑 시스템은 200℃ 초과의 최대 서비스 온도를 갖는, 클램핑 시스템.
  55. 제53항 또는 제54항에 있어서,
    클램핑 시스템은, 902 MHz 내지 5.875 GHz의 주파수의 전자기 복사선에 대해서 실질적으로 무선 전력 투과적인, 클램핑 시스템.
  56. 제53항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서,
    클램핑 시스템은 2개 이상의 부품을 주조하기 위해서 재사용될 수 있는, 클램핑 시스템.
  57. 제53항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
    클램핑 시스템은 세라믹 볼트, 고밀도 목재, 금속 도웰(metal dowel), 금속 핀 세라믹 쐐기, 세라믹 핀, 실리콘 밴드, 실리콘 스트랩, 고온 접착제, 고온 테이프, 기계적 프레스 또는 유압 프레스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 클램핑 시스템.
  58. 몰드 제조 방법이며:
    몰드 설계를 수신하는 단계;
    침착시키기 위한 무기질 재료, 결합제, 서셉터, 이형제, 코팅, 촉매, 플럭스, 첨가제 및/또는 잉크의 양, 밀도 또는 패턴을 선택하는 단계; 및
    몰드를 형성하기 위해 선택된 양, 밀도 또는 패턴을 침착시키는 단계를 포함하는, 방법.
  59. 제58항에 있어서,
    몰드를 경화하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  60. 부품 주조 방법이며:
    몰드를 수용하는 단계;
    공급원료 재료의 양을 선택하는 단계;
    공급원료로 몰드를 충진하는 단계; 및
    부품을 형성하기 위해 공급원료를 현장 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
  61. 제60항에 있어서,
    공급원료의 양을 선택하는 단계는 미리 결정된 기준 및/또는 저장된 부품 매개변수에 따라 달라지는, 방법.
  62. 제60항 또는 제61항에 있어서,
    부품을 냉각 및/또는 마감하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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