TW492897B - Method of using thermally reversible metal to form ceramic molds - Google Patents

Description

492897 A7 B7 五、發明説明（1 ) 爱jg領域 本發明是有關於一種準備精確陶瓷模的方法，使用熱可 逆性金屬形成具有圖案的中間模，再使用該中間模鑄造出 與原始圖案相類似的多個塑膠組件。 U背景 比競爭對手早一步推出產品到市場上，是獲得較大市場 佔有率的關鍵。在產品研發領域，對整個市場時序具有很 大衝擊的是，製造出產品以及包裝試樣提供給市場做試驗 用。這種試驗通常需要看起來相似，感覺相似以及功能相 似的試樣給消費者做檢視或使用。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 包裝組件一般是用很昴貴，多個模穴，鋼鐵模所製造出 來的塑膠部分。例如，大部分的瓶子是吹氣模做的，大部 分的瓶狀封閉物是用射出模做的。通常要較大的產量來驗 證具有許多模穴:的生產模。對較小的市場或對只製造幾百 個試驗品來説，是使用單模穴模或試驗模。試驗模提供對 該組件是否做成一致之判斷的重要學習，以及提供工具給 製造試驗組件用。從生產級金屬製造模具時，比如？20與 H13鋼，通常會使用放電加工（EDM)。將EDM電極的形狀做 成能在所利用的金屬中產生相反的圖案。這種電極一般是 用銅或石墨做成。這些電極材料會在edm製程中崩潰並磨 損’而取代電極必需經加工與置換，以便完成EDM製程。 現在可以使用給EDM電極用的增加磨損阻止材料，但是卻 不能輕易的加工。所需要的是一種產生高磨損阻止電極而 不需做加工處理的方法。 本紙張尺度顧f關家縣（CNS ) A4規格（21QX297公羡) 492897 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（2 ) 種快速試驗製造谷器或組件的方法是，使用由快速試 驗製造系統所產生圖案的耐火鑄造，而非傳統的射出形成 壤圖案。這種圖案的實例是QUICKCASTTM圖案，加州 Valencia的3 D系統公司的商標。中空塑膠圖案塗佈上一層 薄的陶瓷殼，通常是用浸泡製程。該塑膠從陶瓷殼燒掉: 留下極少量的灰燼殘餘。熔融金屬灌到陶瓷殼内，鑄造出 金屬組件或金屬模，給製造塑膠組件時用。因爲該陶瓷殼 只有一小孔讓熔融金屬進入，所以很難檢視出灰燼殘餘的 臨界表面。臨界表面上的任何灰燼殘餘有可能會毁掉金屬 鑄造。熔融金屬冷卻並收縮，使得臨界表面不再精確的出 現。組件愈大，精確度就愈差。 種建立70全緻舍模的改良方法是由丁心仏在μ%四月的 u. S. 5507336中所提出。該方法包含安置管子中的圖案，該 管子的熔點比製造金屬模所用的滲透材料還高。陶瓷材= 灌入圖案表面之間，且該管子的開口#，將臨界圖暗表傳 送給陶瓷材料。燒掉該圖案，且陶瓷表面會留在管子内。 再用金屬粉末以及從管子另-端而來的渗透材料覆蓋住該 陶瓷。金屬組件具有與陶瓷表面相反的表面。當移去陶瓷 邵分後’便會產生金屬模。該金屬模具有與圖案相同的形 f，並且對於具有相反形狀的塑膠組件之成形很有用。這 是具有外部臨界表面之組件的理想製程。 5

Tobin的製程會毁掉由陶堯模所產生的圖案。需要 速形成陶莞模圖案的製程，既不會毁掉圖案，但卻又 確。而且，常需要提供襯塾金屬模，給塑膠組件成形用。曰 本紙張尺度適财酬家縣（CNS ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝- 492897 A7 B7 五、發明説明（3 爲此’金屬模需要與該圖案相反的形狀。所以，陶資模要 具有與該圖案相同的形狀，且需要中間模，在陶資模與該 圖案之間。如Tobin的較早製程，任何的陶瓷模在其表面上 不能被污染到，以使得最後的金屬模能很精確。 頁 •訂 爲了避免毁掉該圖案，需使用由可棄置或再使用的材料 所做成中間模，以便轉移臨界圖案表面到陶瓷模上。可以 使用石蠟與矽膠。石蠟（熱可逆的）具有易碎的缺點，而且 在從圖案中移開時，會造成小部分斷裂，尤其是挖底部分 ’所以要避免薄的邵分。在加熱時，可能會延伸，並使陶 瓷斷裂。砍膠需要熟化處理，而且陶资在熱固過程中釋放 出熱量時，矽膠會變形，使得陶瓷圖案產生不精確。而且 ，必需用空氣灌注或其它方法從圖案中移開矽膠，迫使矽 膠離開陶瓷。這會造成陶瓷模斷裂，尤其是有薄的部分。 因此本發明的目的在於提供一種製造具有與圖案相同形 狀的陶瓷模的製程，產生精確的圖案尺寸再現性，±〇 Ο” 忖内’且不會留下灰燼或其它殘餘在陶瓷模上。 本發明的另一目的在於提供一種使用熱可逆金屬製造圖 案相反中間模的製程，而不會在形成陶瓷模時變形，但卻 可以輕易的從陶资模上移去，而不會毁掉陶资模上的精細 結構。 ^些目的以及其它的目的，在以下的説明中將更爲清楚。 發明概述 在本發明的特財，形成陶錢的方法包含有，將具臨 界圖案表面的圖案安置在具開口端的燒瓶内之步驟。該臨

本綠尺細中國國家標準(CNS -6- 492897 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 發明説明（4 界圖案表面是向上面向亏Γ p t， Μ邊開口端。接下去的步驟包含將液 悲金屬加到燒瓶中，覆蓋住嗲 map 復蛊任邊臨界圖案表面，並冷卻該液 悲至屬’形成固態金屬模+凰 ^田 馮俣至屬模具有臨界金屬模表面， 與L界圖案表面相反。進一牛 進步的步驟包含從金屬模中移去 圖案，在金屬模旁邊鑄造出陶咨 掀、W陶瓷模，並用加熱而使該金屬 模液化，以便從該陶瓷模移開 卞^ 夕同及陶瓷模具有臨界陶瓷表 面’與臨界金屬模表面相反，因卜处 、 U此把精確的複製出臨界圖 茉表面。本方法可以進一步白本/ ^ ^ ^ 匕含在冷部而形成固態金屬 時，去除掉液悲金屬中的氣體之步驟。 圖式的簡單説明 以特別指出並聲明本發明的專利範園爲結論的説明内 ’相：本發明將從以下的較佳實施例中，結合相關圖式 而變得更爲容易了解，其中相類似的參 構成單元，其中： y数琥表不相冋 圖1是^有臨界圖案表面13且定位在第—燒瓶3内的圖 1的剖面前視圖。 圖2是液態金屬5被倒入其内之第一煻 面前視圖。 内心弟⑷内的圖&的剖 圖3是固化金屬模7的剖面前視圖，該固化金 從臨界圖案表面13轉移過來的臨界金屬模表面1〇，被二 在第二燒瓶8之内，而第二燒瓶8與固化金屬 套管空隙12。 <間具有 圖4是第二燒瓶8的剖面前視圖，具有石膏 ，倒在固化金屬模7上，並進入到套管空隙i 彳氣 *、 円，而覆 容 的 案 9 蓋 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} -裝· 、-'口 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇 X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ------ B7_— ________ 五、發明説明（5 ) 住臨界金屬模表面10。 圖5疋固化石膏模i i的剖面前視圖，該固化石膏模i i是 從第二燒瓶8與固化金屬模7上所移開的，將臨界陶瓷表面 14曝露，從臨界金屬模表面1〇轉移過來，並精確的複製出 臨界圖案表面13。 發明的詳細説明 如以下所使用到的，”陶瓷”這個名詞是指像石膏，黏土 ’石夕土或其它非金屬材料而能產生堅硬產品的材料。 如以下所使用到的，"金屬"這個名詞是指任何金屬，金 屬合金，或金屬合金的複合物，在損壞到圖案或是造成圖 案之熱擴展的溫度以下而發生熔化。這種金屬，金屬合金 ，或金屬合金的複合物，不會在固化時擴展開或收縮。而 且在造成圖案熱收縮的溫度以上形成固態。較佳的情形是 ，在▲ m以上3。C時發生固化。該金屬在曝露到將陶堯倒 入而形成固體的相關範圍溫度時，會形成具最小擴展與收 縮的固體。 如以下所使用到的，”熱可逆"這個名詞是指會在3 5。c以 下成固態而在4 5。C以上成液態的金屬。雖然有一些非金屬 的可逆材料可用，比如骨膠，低熔點的金屬相信是最快溶 化的，因爲高熱傳導性。而且，低熔點的金屬比骨膠具有 較低的黏滞性，在從陶瓷模上移開時，比較不會洗掉陶究 表面顆粒。這些精細的陶瓷顆粒是保持鑄造組件之良好表 面的關鍵。 圖1顯示出圖案1，該圖案1緊密的靠著燒瓶的内表面。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2l〇X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 492897 A7 一--------B7 五、發明説明（6 ) 圖案1是瓶狀密封體的外形。圖案1具有臨界圖案表面13， 代表瓶狀密封體上的詳細結構。該圖案最好是用立體微影 製程做成’在試驗技術上所周知的，其中描寫該圖案的電 子檔是用很快的高分子雷射熟化所製成。該圖案安置在燒 瓶内’其臨界圖案表面是朝上對著燒瓶的開口端。 液態金屬倒到該圖案上。金屬模是中間模，用來將臨界 圖案表面轉移到陶瓷模上。陶瓷溶液以相類似的方式倒到 開口燒瓶内的金屬模上並固化。然而，陶瓷材料一般在放 熱鍵結反應中會產生熱。金屬模最後必需藉熔化其金屬而 從陶瓷模上移開。在薄的部分，熔化掉金屬可以避免對易 碎的陶瓷模造成損壞。用倒出的方式，再液化金屬可以輕 易的從陶瓷模上移開。陶瓷的放熱反應一般會溶化掉相鄰 的金屬，使得表面變形不會在陶瓷固化時發生。最後的陶 t;模可以在進行固化前，用熔融的銅水清洗，以去除掉任 何的殘餘。 較佳的金屬是CERR0L0W®117，Cerro公司的商標，由PA 的Cerr Metal Products of Bellefonte所提供。可以將纖維或其 它的結構材料分散到金屬内。這些會增強其強度，並用溶 融金屬很容易從陶瓷模上移去。 將金屬倒在開口端燒瓶的圖案上，如圖所示。可以用多 次倒入來完成金屬鑄造，視組件的大小而定。多次倒入中 的第一次倒入最好是能在下次倒入時便形成薄層，使得氣 泡不會穿透第一次的倒入。 燒瓶經過冷康或在室溫下冷卻，直到金屬固化。視圖案 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4祝格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·

、1T 492897 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 __87五、發明説明（7 ) 大小以及金屬層的厚度，金屬固化約需要2到8小時。 金屬倒入深度與陶瓷模所需的圖案以及大小有關。熟知 該技術的人士很容易便能決定而無需做實驗。一般，每個 臨界圖案表面需要最小約2.5cm的金屬厚度。 固化中間金屬模接著從圖案上倒出來。在較佳實施例中 ，燒瓶是做成具有容易移動的側邊，讓金屬模倒出，然後 金屬模便會脱離該圖案。金屬模保持與圖案的臨界表面相 反的複製，而沒有變形，即使是在有薄的部分時。很重要 的是，該圖案具有平滑表面，而沒有下挖部分。了挖部分 與粗糙表面會妨礙到固化金屬從圖案上的移動。 圖3揭示出安置在第二燒瓶上的金屬模，其中有加入石膏 或陶瓷溶液。金屬模的安置是將臨界金屬模表面向上朝著 第二燒瓶的開口端。較佳情形是，第二燒瓶與金屬模之間 要有足夠的空間，使得陶瓷在金屬模邊的該空間中形成。 所製成的陶瓷模會具有連續的套管陶瓷邊緣，園繞著臨界 陶瓷表面，使得陶瓷模可以隨時給鑄造時用，而不需要另 一個燒瓶。 石膏或其它的陶瓷溶液倒在第二燒瓶内，深度達金屬模 以上。較佳情形是，深度在金屬模以上約丨Cln到5 cm。所 倒入的陶瓷材料最好是在眞空下去除氣體，以除掉會影響 最後陶瓷模成行的任何氣體。石膏或陶瓷材料先，，熟化，，或 具有固態形狀，接著完全固化。在鍵結過程中，石膏内會 有放熱反應，而熔化掉周邊的金屬。燒瓶最好是覆蓋一層 脱模劑，使得燒瓶能容易的從陶瓷模上移開。 -10- X氏張尺度適财國國家標準（CNS) A4規格（21GX297公釐） 丨丨1T (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 •% 492897 A7 B7 五、發明説明（8 ) 較佳的放熱陶凳材料是Cl-Core Mix，由位在Ohio，Maumee 的Ranson & Randolph公司所製造。這是一種融燒珍石，石夕酸 锆，磷酸銨，矽石（白矽石）以及氧化鎂的混合物。可以使 用 Core hardener 2000，也是 Ranson & Randolph公司所製造的 。包含非晶質石夕石以及二卸-6_氫氧基J-oxoj-xanthene-o-benzoate 〇 在陶瓷熟化後，陶瓷模以及殘留的金屬在烤爐内或用加 熱槍加熱到完全使金屬熔化，以便容易移開。烤爐的溫度 必需在約2〇0。C到5〇0。C，以確保金屬熔化。 對應於第二燒瓶底部的陶瓷模的開口端，能很容易的從 陶瓷模倒出熔融的或液化的金屬。而且，臨界陶瓷表面可 以從開口端做檢視，看看所有的金屬或任何殘餘都被去除 掉。 將陶瓷模安置在上高溫爐内，加熱到至少1100°F(990°C) ，至少3小時，完全的熟化該石膏，以便做進一步處理。在 陶瓷上沒有任何殘留時，可以使用氫氣氣氛來做燃燒處理 。與需要用到環氧樹脂以及石蠟的陶瓷模做比較，沒有任 何殘留是很重要的區別。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 已經對本發明的特定實施例做了解説，對熟知該技術領 域的人士來説，很明顯的，可以在不偏離本發明精神與範 圍下做不同的改變與修飾，而所有的這些修改都在本發明 的申請專利範圍之内。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）

Claims (1)

1. W2897

   申請專利範圍 2· 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 —種形成陶瓷模之方法，包含以下步驟； a) 將具有臨界圖案表面的圖案安置在具開口端之燒瓶 内’該臨界圖案表面向上朝著該開口端； b) 將加到該燒瓶内的熱可逆液態金屬覆蓋到該臨界圖 案表面； 〇冷卻孩金屬落液，形成固態金屬模，該金屬模具有 I界金屬模表面係從臨界圖案表面所轉移過來，且與該 臨界圖案表面相反的； d)從該金羼模上移開該燒瓶與該圖案；及 e )將陶资溶液灌注到該金屬模邊，該陶瓷模具有從該 陶瓷具有從該臨界金屬表面所轉移過來的臨界陶瓷表面 ，而該臨界陶瓷表面是與該臨界金屬表面相反的，該臨 界陶瓷表面進而精確的複製出該臨界圖案表面來；及 f)將該金屬模液化，以便從該陶瓷模上移開。 如申請專利範圍中第2項之方法，其中該金屬係 CERR0L0W®117 〇 如申請專利範園中第1項之方法，進一步包含將冷卻形 成固態金屬模的該液態金屬進行去除氣體的步驟。 如申請專利範圍中第1項之方法，其中該液態金屬進一 步包含纖維或其它稠厚劑。 一種形成陶瓷模的方法，包含以下步驟： a) 將具有臨界圖案表面的圖案安置在具開口端之第一 燒瓶内，該臨界圖案表面向上朝著該開口端； b) 將加到該第一燒瓶内的熱可逆液態金屬覆蓋到該臨 12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------·1------、1TI-^-----0 (請先閱讀背面之注意事項存填寫本貢) 492897 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 6. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 界圖案表面； C)冷卻該液態金屬，形成固態金屬模，該金屬模具有 臨界金屬模表面，係從臨界圖案表面所轉移過來，且與 該臨界圖案表面相反的； d) 從該金屬模上移開該第一燒瓶與該圖案，並安置該 金屬模到第二燒瓶内，該臨界金屬模表面是向上朝著該 第二燒瓶的開口端； e) 將加到該第二燒瓶内的陶瓷溶液灌注到該金屬模邊 ，並去除掉該陶瓷溶液中的氣體，該陶瓷溶液固化並進 行放熱键結，在該金屬周邊形成陶瓷模，該陶资模具有 從該臨界金屬表面所轉移過來的臨界陶瓷表面，而該臨 界陶瓷表面是與該臨界金屬表面相反的，該臨界陶=表 面進而精確的複製出該臨界圖案表面來；及 f) 經加熱將該金屬模液化，以便從該陶瓷模上移開該 金屬，並從該陶瓷模上移開該第二燒瓶。 开〜 如申請專利範圍中第7項之方法，其中該液態金屬進一 步包含纖維或其它稠厚劑。 種形成陶瓷;模之方法，包含以下步驟： a)將具有臨界圖案表面的圖案安置在具開口端之第一 燒瓶内，該臨界圖案表面向上朝著該開口端， 表：將加到該第一燒瓶内的金屬溶液覆蓋到該臨界圖案 Ο冷卻該金屬溶液，形成彈性的固態金屬模， 掉孩金屬溶液中的氣體，該金屬模具有從臨界圖案表面 準(cns ) -------u----·裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、-ιτ 4 492897 8 8 8 8 A BCD 經濟部中央檩準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 所轉移過來的臨界金屬模表面，且與該臨界圖案表面相 反； d )伙该金屬模上移開4弟一燒瓶與該圖案，並安置該 金屬模到第二燒瓶内’該臨界金屬模表面是向上朝著該 第二燒瓶的開口端，該第二燒瓶的大小要能在該金屬模 周邊提供套管空間； e )將加到該第二燒瓶内的第一陶瓷溶液，填入該套管 it間中’並去除掉該弟一陶毫溶液中的氣體，該第一陶 毫溶液進行固化而不會產生熱，其形成第一陶瓷模以便 扣牢該金屬模，並形成連續的套管邊緣以圍繞著該臨界 金屬模表面； f)將加到該第二燒瓶内的第二陶瓷溶液覆蓋該第一陶 毫模以及該金屬模’該第二陶瓷溶液進行放熱鍵結，形 成第二陶瓷模，鍵結到該第一陶瓷模上，該第二陶資模 具有從該臨界金屬表面所轉移過來的臨界陶堯表面，而 該臨界陶瓷表面是與該臨界金屬表面相反的，該臨界陶 瓷表面進而精確的複製出該臨界圖案表面來；及 g)經加熱將該金屬模液化，以便從該第一與第二陶究模 上移開該金屬，並從該第一與第二陶瓷模上移開該第二 燒瓶。 〜 * 裳 訂,, (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁，>