特表 2022-545054 鋳型

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-10-25

(54)【発明の名称】鋳型

(51)【国際特許分類】

   B22D 23/06 20060101AFI20221018BHJP

   B22D 27/02 20060101ALI20221018BHJP

   B22C 9/02 20060101ALI20221018BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20221018BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20221018BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20221018BHJP

【ＦＩ】

B22D23/06

B22D27/02 A

B22C9/02 101Z

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y80/00

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2021577439

(86)(22)【出願日】2020-07-20

(85)【翻訳文提出日】2022-02-14

(86)【国際出願番号】 NZ2020050071

(87)【国際公開番号】W WO2021015626

(87)【国際公開日】2021-01-28

(31)【優先権主張番号】62/877,256

(32)【優先日】2019-07-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521565431

【氏名又は名称】ファウンドリー ラブ リミティッド

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】ムーディー，デイビッド ジョン

(72)【発明者】

【氏名】ワイルズ，ウィリアム ロバート

(72)【発明者】

【氏名】モリノー，ランス

(72)【発明者】

【氏名】マッキントッシュ，ジョシュア ジョセフ

(57)【要約】

鋳型は無機金型または耐火金型であり、金型は原料を受けるように構成され、原料は原位置で加熱されるように構成される。再利用可能な金型、再利用可能サセプタ、及び／または離型剤が組み込まれ得る。また、金型を製造し、原位置で熱を使用して部品を鋳造する方法も提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

再利用可能な鋳型であって、
複数の要素を含む再利用可能または半永久的無機金型であって、前記金型は原料を受けるように構成される、再利用可能または半永久的無機金型を含み、
外付けマイクロ波送信機を使用して、前記原料を加熱するように構成される、再利用可能な鋳型。

【請求項2】

前記外付けマイクロ波送信機は、５．７２５ＧＨｚ～５．８７５ＧＨｚ、２．４～２．５ＧＨｚ（例えば、２．４５ＧＨｚ）、または９０２～９２８ＭＨｚ（例えば、９１５ＭＨｚ）の周波数帯域の電磁放射線を伝送する、請求項１に記載の金型。

【請求項3】

複数の要素を含む再利用可能または半永久的無機金型であって、前記金型は原料を受けるように構成される、再利用可能または半永久的無機金型と、
前記金型の上または中にあるサセプタであって、前記サセプタは、前記原料を溶解するために外付けマイクロ波送信機を使用して加熱するように構成される、サセプタと、
を含む、鋳型。

【請求項4】

原料を受けるように構成される無機金型と、
前記金型の上または中にあるサセプタであって、前記サセプタは、前記原料を溶解するために原位置で加熱するように構成される、サセプタと、
を含む、鋳型。

【請求項5】

前記サセプタは、３次元プリントしたサセプタ、塗装したサセプタ、または前記金型を３次元プリントした後に堆積したサセプタである、請求項４に記載の金型。

【請求項6】

原料を受けるように構成される内面を有する無機金型インプレッションと、
前記原料を溶解するために原位置で加熱するように構成されるサセプタであって、前記サセプタは前記内面を中心に分布し、前記内面の中心の前記サセプタの密度は著しい変動を含む、サセプタと、
を含む、鋳型。

【請求項7】

内面及び外面を有する無機金型であって、前記内面は原料を受けるように構成される、無機金型と、
前記原料を溶解するために原位置で加熱するように構成されるサセプタであって、前記サセプタは前記内面に対して前記金型内で分布し、前記内面までの前記サセプタの距離は、前記内面にわたって著しい変動を含む、サセプタと、
を含む、再利用可能な鋳型。

【請求項8】

原料を受けるように構成される内面を有する無機金型と、
前記金型の上または中にあるサセプタであって、前記サセプタは、前記金型の前記原料を溶解するために原位置で加熱するように構成され、前記サセプタは前記内面に対して変動する前記インプレッションの密度プロファイルを有する、サセプタと、
を含む、鋳型。

【請求項9】

前記サセプタの前記密度は前記内面に近接するにつれて高くなり、前記サセプタの前記密度は前記内面から遠くなるにつれて低くなる、請求項８に記載の金型。

【請求項10】

複数の要素を含む再利用可能または半永久的無機金型であって、前記金型は原料を受けるように構成され、原位置で前記原料を溶解するように構成される、再利用可能または半永久的無機金型と、
前記金型に取り付けられた、埋め込まれた、またはプリントされた金型識別子と、
を含む、再利用可能な鋳型。

【請求項11】

前記金型識別子は、耐熱性ＲＦＩＤ、耐熱性ＮＦＣ、ＱＲコード（登録商標）、ＩＤタグ、及びバーコードから成るグループから選択される、請求項１０に記載の金型。

【請求項12】

複数の要素を含む再利用可能または半永久的無機金型であって、前記金型は原料を受けるように構成され、外付けマイクロ波デバイスによって前記原料を溶解するように構成される、再利用可能または半永久的無機金型と、
前記金型の上または中に堆積した離型剤であって、前記離型剤は、前記溶解原料が実質的に凝固した後に、部品を取り外すことを補助するように構成される、離型剤と、
を含む、再利用可能な鋳型。

【請求項13】

前記堆積した離型剤は黒鉛である、請求項１２に記載の金型。

【請求項14】

前記堆積した離型剤は３次元プリントした離型剤である、請求項１２または１３に記載の金型。

【請求項15】

原料を受けるように構成される３次元プリントした再利用可能な無機金型と、
前記金型の上または中にある再利用可能サセプタであって、前記再利用可能サセプタは、２回以上原料を溶解するために原位置で加熱するように構成される、再利用可能サセプタと、
を含む、鋳型。

【請求項16】

無機金型であって、前記金型は原料を受けるように構成される、無機金型と、
前記金型の上または中にあるサセプタであって、前記サセプタは、前記原料を溶解するために原位置で加熱するように構成される、サセプタと、
前記金型の上または中にある離型剤であって、前記離型剤は、前記溶解原料が凝固した後に、前記金型から部品を取り外すことを補助するように構成される、離型剤と、
を含む、鋳型。

【請求項17】

無機金型であって、前記金型は、前記原料を溶解するために原位置で加熱するように構成される原料を受けるように構成される、無機金型と、
前記金型インプレッションの上または中にある蓋と、
を含む、鋳型。

【請求項18】

前記蓋はサセプタを含む、請求項１７に記載の金型。

【請求項19】

前記金型は複数の要素を含む金型である、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項20】

前記金型は半永久的である、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項21】

前記金型は２つ以上の部品を鋳造するために再利用可能である、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項22】

前記金型は３次元プリントした金型である、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項23】

前記３次元プリントした金型はセラミック及び結合剤を含む、請求項２２に記載の金型。

【請求項24】

蓋をさらに含む、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項25】

前記蓋はサセプタを含む、請求項２４に記載の金型。

【請求項26】

前記蓋は３次元プリントした蓋である、請求項２４または２５に記載の金型。

【請求項27】

ホッパーまたは通風筒をさらに含む、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項28】

前記ホッパーまたは前記通風筒はサセプタを含む、請求項２７に記載の金型。

【請求項29】

１つ以上の通気口をさらに含む、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項30】

前記溶解原料から形成された部品を冷却することを補助するように構成される、前記金型内に１つ以上の共形冷却チャネルをさらに含む、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項31】

前記サセプタは再利用可能である、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項32】

前記サセプタは前記金型の内面上に３次元プリントされている、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項33】

前記サセプタは炭化ケイ素または黒鉛である、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項34】

前記サセプタの上方にバッファ層をさらに含む、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項35】

前記溶解原料が凝固した後に、前記金型から部品を取り外すことを補助するように構成される離型剤をさらに含む、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項36】

前記金型インプレッションの外部にある無線電源を使用して、前記原位置における加熱を提供する、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項37】

前記無線電源は、マイクロ波送信機、電磁誘導電力送信機、容量性電力送信機または誘電性電力送信機、ＲＦ電力送信機、及び前記送信機のいずれかの組み合わせから成るグループから選択される、請求項３６に記載の金型。

【請求項38】

再利用可能な型締めシステムをさらに含む、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項39】

前記再利用可能な型締めシステム、前記金型、及び／または関連フレームは、２００度または１４５０度を上回る最高使用温度を有する、請求項３８に記載の金型。

【請求項40】

前記再利用可能な型締めシステム、前記金型、及び／または関連フレームは、実質的に無線電力が伝送可能である、請求項３８または３９に記載の金型。

【請求項41】

前記再利用可能な型締めシステム、前記金型、及び／または関連フレームは、９０２ＭＨｚ～５．８７５ＧＨｚの周波数の電磁放射線に実質的に伝送可能である、請求項３８～４０のいずれかに記載の金型。

【請求項42】

前記原料は、粉末、粒子、粒、ペレット、ロッド、弾、顆粒、ワイヤ、インゴット、及びそれらのいずれかの組み合わせから成るグループから選択される、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項43】

前記原料は低温金属である、請求項１～１８のいずれかに記載の金型。

【請求項44】

前記低温金属原料は、少なくとも、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、及び前記物質のいずれかの組み合わせまたは合金から成るグループから選択されたものを含む、請求項４３に記載の金型。

【請求項45】

前記無機金型はセラミック金型である、請求項１～４３のいずれかに記載の金型。

【請求項46】

前記セラミックは、シリカ、アルミナ、ジルコン／ジルコニア系、黒鉛、窒化ケイ素、窒化ホウ素、及び前記物質のいずれかの組み合わせから成るグループから選択される、請求項４５に記載の金型。

【請求項47】

ケイ酸ナトリウム、無機コロイド溶液、または高温無機結合剤から成るグループから選択された結合剤をさらに含む、請求項１～４６のいずれかに記載の金型。

【請求項48】

請求項１～４７のいずれかに従って構成される金型をプリントする３次元プリンタ。

【請求項49】

請求項１～４７のいずれかに記載の金型を加熱するように構成されるマイクロ波送信機。

【請求項50】

請求項１～４７のいずれかに記載の金型をプリントするためのシステム。

【請求項51】

請求項１～４７のいずれかに記載の金型を使用して金属部品を鋳造するためのシステム。

【請求項52】

請求項１～４７のいずれかに記載の金型によって作成される部品。

【請求項53】

鋳型のための型締めシステムであって、前記鋳型は、原料を受けるように構成される複数の要素を含む再利用可能な半永久的無機金型を含み、原位置で前記原料を溶解するように構成され、
前記型締めシステムは実質的に耐熱性があり、実質的に無線電力が伝送可能である、型締めシステム。

【請求項54】

前記型締めシステムは２００度を上回る最高使用温度を有する、請求項５３に記載の型締めシステム。

【請求項55】

前記型締めシステムは、９０２ＭＨｚ～５．８７５ＧＨｚの周波数の電磁放射線に実質的に無線電力が伝送可能である、請求項５３または５４に記載の型締めシステム。

【請求項56】

前記型締めシステムは２つ以上の部品を鋳造するために再利用可能である、請求項５３～５５のいずれかに記載の型締めシステム。

【請求項57】

前記型締めシステムは、セラミックボルト、高密度木材、金属ダウエル、金属ピンセラミックウェッジ、セラミックピン、シリコーンバンド、シリコーンストラップ、高温接着剤、高温テープ、機械プレス、または液圧プレスから成るグループから選択される、請求項５３～５６のいずれかに記載の型締めシステム。

【請求項58】

金型を製造する方法であって、
金型設計を受けることと、
無機材料、結合剤、サセプタ、離型剤、コーティング、触媒、フラックス、添加物、及び／またはインクの堆積する量、密度、またはパターンを選択することと、
前記選択した量、密度、またはパターンを堆積して、前記金型を形成することと、
を含む、方法。

【請求項59】

前記金型を硬化することをさらに含む、請求項５８に記載の方法。

【請求項60】

部品を鋳造する方法であって、
金型を受けることと、
原材料の量を選択することと、
前記金型を前記原料で充填することと、
原位置で、前記原料を加熱して、前記部品を形成することと、
を含む、方法。

【請求項61】

前記原料の量を選択することは、既定の基準及び／または記憶された部品パラメータによって決まる、請求項６０に記載の方法。

【請求項62】

前記部品を冷却すること及び／または仕上げることをさらに含む、請求項６０または６１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鋳型（例えば、部品の生産に使用され得る再利用可能な鋳型）に関する。

【背景技術】

【0002】

金属部品の短期生産の先行技術の方法は、高価であり得る、または時間がかかり得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第５２０４０５５号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１６１９３６５３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような部品は研究開発（Ｒ＆Ｄ）または試作に使用される場合、様々な形状で、様々な金属または合金を用いて、または伸縮可能に、このような部品を安く、速く、繰り返して、確実に、生産することが望ましくあり得る。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の一例に従って、請求項１、３、４、６、７、８、１０、１２、１５、１６、もしくは１７のいずれかに記載の鋳型、請求項５３に記載の型締めシステム、請求項４８に記載の３次元プリンタ、請求項４９に記載のマイクロ波送信機、請求項５０もしくは５１に記載のシステム、または、請求項５２に記載の部品、または、請求項５８～６２のいずれかに記載の方法が提供される。

【0006】

複数の実施形態は、従属請求項の請求項２、５、９、１１、１３、１４、１８～４７、及び５３～５７のいずれか１項に従って実施され得る。

【0007】

用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、及び「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、法域が変わる条件で、排他的意味または包括的意味のいずれかに属し得ることが認知されている。本明細書の目的のために及び特に断りのない限り、これらの用語は包括的意味を有することが意図される。すなわち、それらの用語は、その使用が直接言及される記載された構成要素の含有を意味し、場合により、記述されない他の構成要素または要素の含有も意味することが解釈される。

【0008】

本明細書のいずれかの文献の参照について、その文献は先行技術であり、他の文献と正当に組み合わせ可能であること、またはその文献が共通の一般知識の一部を形成することを認めていない。

【0009】

明細書に組み込まれ、明細書の一部を構成する添付図は、本発明の実施形態を示し、上記に与えられた本発明の概要及び下記に与えられる実施形態と一緒に、本発明の原理を説明するのに役立つ。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】鋳金のためのシステムの概略図である。

【図2】代替の金型トポグラフィーの断面図である。

【図3】代替の金型トポグラフィーの断面図である。

【図4】代替の金型トポグラフィーの断面図である。

【図5】代替の金型トポグラフィーの断面図である。

【図6】代替の金型トポグラフィーの断面図である。

【図7】代替の金型トポグラフィーの断面図である。

【図8】補給ステーション及びマイクロ波デバイスの組み合わせの断面図である。

【図9】代替の型締めシステムの斜視図である。

【図10】代替の型締めシステムの斜視図である。

【図11】代替の型締めシステムの斜視図である。

【図12】共形冷却部を有する金型の断面図である。

【図13】代替の金型及びサセプタシステムの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１は、例示的な実施形態による、鋳造のためのシステム１００を示す。一般的には、鋳造プロセスに対する複数の段階が存在し得る、または、段階は、いずれかの所与の用途の要求に応じて、異なる順番で組み合わされ得る、もしくは実行され得る。金型は、特定の部品の仕様に合わせて設計される（１０２）。次に、半永久的無機金型は、金型設計を使用して、３次元プリンタでプリントされる（１０４）。金型は適切な原料で充填される（１０６）。充填された金型は、原位置で原料を溶解するために無線電源によって通電される（１０８）。代替として、原料は、従来の手段（例えば、燃焼炉）を使用して充填された金型を加熱することによって溶解され得る。金型は冷却され、無線電源から取り外される（１１０）。次に、金型内の部品を取り外しでき（１１２）、次に、用途において再利用が要求される場合、後続の鋳造で金型を再利用できる。

【0012】

１つ以上の実施形態は、金型が該当部分よりも３次元プリントすることが速くなり得る利点をもたらし得る。いずれの場合、いったんプリントされると、金型を使用して、２つ以上の部品を速く鋳造できる。

【0013】

金型を２回以上再利用できるいずれかの実施形態では、各部品の一般的な生産時間は、８時間（または、いくつかの方法では、８時間よりもかなり長い期間）から、１０～１５分と同等の短時間に短くなり得る。図１に示されるような例示的システムは、小さな設置面積を有し、安定して動作し得る、より効率的であり、基準を満たす仕上げを提供し得る、トレーニングするのが速く及び簡単になり得る、及び／またはメンテナンスに手間がかからない。１つ以上の実施形態は、自動車用品、消費財、構造物、機器、及び機械工業、鉱業、航空宇宙産業、造船産業、及び軍需産業で利点をもたらし得る。

【0014】

以下の専門用語は、本文書全体にわたって使用される。
システム：鋳造プロセスで使用される装置、方法、及び／またはソフトウェア。
消耗品：セラミック、サセプタ、触媒、離型剤、結合剤、フラックス、添加物、液体、粉末または金属を含み得る、システムによって使用される原料。
金型：プリント及び硬化された金型。
インベストメントモールド：金型を損傷することなく開くことができない使い捨ての金型。
永久金型：何回も再利用できる金型。
半永久的金型：２回以上再利用できる金型は、再利用可能な金型とも称され得る。回数は、例えば、部品の設計、要求される合金、コスト、時間、金型仕上げ（すなわち、研削、やすりかけ、切断、艶出し等）の後の要求レベル等の用途の要求に応じて決まり得る。金型が漏れがなく溶融金属を保持しないとき、金型は使用不可能になり得る。自動車の試作について、１０回（または１１回以上）の別々の鋳造が適切であり得る。
複数の要素を含む金型：２つ以上の部品を伴う再利用可能な金型。
金型キャビティ：鋳造中に原料で充填される金型の凹の細部または中空。金型キャビティは部品の外面に成形される。
金型コア：仕上げられた部品の空隙を形成する金型の凸機構。コアは再利用可能または使い捨てであり得る。金型コアは部品の内面に成形される。
金型インプレッション：金型キャビティ、金型コア、及びいずれかの他の金型部品によって形成される金型の空隙。
内面：金型インプレッションならびに金型キャビティ、金型コア、及びいずれかの他の金型部品の間の接触面
外面：金型キャビティ、金型コア、及びいずれかの他の金型部品を組み立てられるときに、可視である金型の表面。
原料：粉末、粒子、顆粒、ワイヤ、インゴット、または混合物を含む消耗品。例えば、原料は主に金属部材であり得る。
無機金型：金属またはセラミックを含む耐火材料等の無機材料から形成された金型。
セラミック：（障壁層を使用しない場合）金属と互換性がある熱衝撃に耐えることが可能である液体、固体、複合固体、または粉末を含む消耗品であり、該当部分の材料に応じた最高使用温度を有する。例えば、低温金属について、少なくとも１０００度の最高使用温度が要求され得る。
結合剤：金型の形成を補助する液体、固体、または粉末を含む消耗品。
サセプタ：金型インプレッション内で原位置における熱の発生を補助する液体または粉末を含む消耗品。
離型剤：溶解原料が凝固した後に、金型から部品を取り外すことを補助する液体または粉末を含む消耗品。障壁層を含み得る、または、また、障壁層として機能し得る。代替として、障壁層は分離し得る。
金型識別子：例えば、金属に取り付けられ、埋め込まれ、またはプリントされた耐熱性ＲＦＩＤ、耐熱性ＮＦＣ、ＱＲコード（登録商標）、ＩＤタグ、またはバーコード等の金型または金型の特性の識別子。
ステーション：例えば、プリンタ、金属原料ディスペンサー、マイクロ波デバイス、または冷却ステーション等のシステムの異なる機能的な場所におけるデバイスまたはハードウェア。
加熱炉：加熱するための１つ以上の無線電源及び／または関連の冷却引き出しを伴うステーション。
部品：システムから作られたもの。
プリンタ：３次元プリンタ及び／または関連機器。
原位置における加熱：原料が金型内で加熱されること。
無線電源：電磁力伝送、マイクロ波電力伝送、電磁誘導電力伝送、ＲＦ電力伝送、容量性電力伝送、または誘電体電力伝送を含み得る。
マイクロ波：３００ＭＨｚ～３００ＧＨｚ、例えば、５．７２５ＧＨｚ～５．８７５ＧＨｚ、２．４～２．５ＧＨｚ、または９０２～９２８ＭＨｚの周波数を有する電磁放射線。
ＲＦ：３０Ｈｚ～３００ＧＨｚの周波数を有する無線周波数電磁放射線。
誘導性：主に磁場を使用する無線電力伝送。
容量性：主に電場を使用する無線電力伝送。
最高使用温度：割れ目、炭化、収縮、歪み、燃焼、溶解、または構造上の故障がなく、鋳造サイクル中に最大温度に耐えることが可能である温度。用途の要求に応じて、異なる温度値を使用し得る。例えば、金型について、１０００度、１２００度、または１４５０度であり得る一方、型締めシステムについて、２００度であり得る。
無線電力伝送可能：かなりの電力損失または局部加熱を生じさせないで、しかし、用途に応じて無線電力を送ることが可能であること。マイクロ波伝送の場合、１０^－３以下の損失正接（ｔａｎδ）は少なくとも金型に伝送可能と見なされるが、用途の要求に応じて、異なる値を使用し得る。例えば、型締めシステムは、機械的完全性を保持する限りまたは金型の最高使用温度の基準に違反しない限り、より大きいｔａｎδを受け入れることが可能であり得る。代替として、用語「無線電力電力透過」を使用し得る。
低温金属：金属または合金は１０００度未満の融点がある。
密度：金型の断面の全体にわたるいずれかの点における（または金型内面から所与の距離における）セラミック対サセプタの分子量の割合、または、金型に使用されるサセプタの全体積の一部と比較した割合等のＭｏｌ／ｍｍ^３等の絶対尺度または相対濃度の測定値のいずれかであり得る。
凝固：溶融金属または原料が固体に状態変遷するときの状態

【0015】

金型設計
図１の金型設計のステップ１０２は、図２に示される複数の要素を含む金型２００または割り型で作ることができない使い捨ての複雑な設計（またはインベストメントモールド）を使用して実施され得る。この場合、金型は、冷却して、部品を取り外した後に壊される。金型は、ＣＡＤソフトウェアでまたは用途の要求に応じて設計され得る。

【0016】

別の可能性として、プラスチック射出成形（ＰＩＭ）の市場で役立つツールを作ることである。ＣＮＣ機械加工についての１つ以上の実施形態の利点は、一体型の内部共形冷却チャネルを伴う金属ツールを作ることであり得る。金属ツールを冷却する能力はターンアラウンドタイムを短くし得、プラスチックの急速の冷却または冷却の制御、部品品質及び／または生産量の改善を可能にする。ＰＩＭ金型はシステムによって鋳造され得る、または、銅は、スチール製金型を使用して作る放電加工のための電極を作るために鋳造され得、ＰＩＭ及び銅の両方の鋳造は、ＣＮＣ機械加工よりも容易になり得る。

【0017】

３次元プリンタは、結合剤、サセプタ、インク、場合により、離型剤をプリントするために、複数のプリントヘッドを使用して、または複数の材料をプリントすることが可能である単一のプリントヘッドを使用して、プリントすることが可能である。プリントされた材料は金型上に金型識別子を含み得る。金型識別子は、適切なリーダーによってスキャンされたとき、その材料及び金型等の詳細情報をユーザに知らせる。その詳細情報は、ＩＤタグ、特定の原料、要求される原料の体積／質量、加熱炉に関する命令、金型が使用された回数、金型が処理されている場所、及び金型の現状を含み得る。

【0018】

金型プリント
図１の金型プリントのステップ１０４は、ローカル３次元プリンタを使用して実施され得る。プリンタは、結合剤噴射技術を使用し得る。代替手段は、例えば、デジタル光処理（ＤＬＰ）によるプリントまたは選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）等の用途によって決まり得る。これは、米国特許第５２０４０５５号明細書または米国特許出願公開第２０１６１９３６５３号明細書の開示に従って実施され得る。これらの特許文献の内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。

【0019】

いくつかの実施形態では、プリンタは粉末から金型をプリントし得、粉末は、原料の範囲の異なる溶解温度において複数の溶解に耐えることによって、その完全性を保持することが可能である。プリントヘッドによって水を噴霧することによって活性化する粉末ＰＶＡ結合剤を伴う石膏は、金型の１つのオプションである。別のオプションは、５０～６００メッシュの粒子サイズのシリカ粉末である。球状に形成された粒子はプリント台で良好に流れ得るが、不規則な形状の粒子はかなり良く働き得る。アルミナ粉末及び他の粉末は、用途の要求に応じて可能である。シリカは、様々な溶融金属（水分に耐性があり、無反応である）とより互換性があり得る。シリカ粉末／結合剤の混合物は水を含み、粉末は気密コンテナで保管する必要があり得る、またはそうでなければ、水分吸収から粉末を保護する必要があり得る。いくつかの実施形態では、プリンタは、いくつかの用途で望ましくあり得ないナノアルミニウム粉末を使用することを避ける。

【0020】

セラミックの他の例は、ジルコン／ジルコニア系、黒鉛、窒化ケイ素、または窒化ホウ素を含む。

【0021】

所望の形状にセラミック粉末を保持するために、結合剤を使用し得る。これらは、一般的に、乾燥粉末形状であり、セラミック粉末に混合される。プリントベッドで粉末形状の結合剤を使用するよりも、液体結合剤をプリントし得る。

【0022】

他の結合剤は、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、リン酸アルミニウム、シリコーン樹脂、及び水硬性セメント等の無機コロイド溶液または高温無機結合剤を含み得る。

【0023】

いくつかの実施形態では、図３に示されるように、プリンタは、金型部品３０４のサセプタ３０２をプリントし得る。代替として、サセプタは、金型の内面に直接塗装、噴霧、スパッタ、浸漬、または堆積できる。サセプタは、インクの顔料と同様のナノスケール粒子を使用することによって、プリントヘッドによって直接プリントされ得る。サセプタは、無線電源によって送達される無線エネルギーに曝されるとき、原料を溶解することが可能である温度を発生させる。さらに、サセプタは、また、伝熱面が金属と接触することを維持し得、金型が、高品質な断熱材として働く（安全に及びより高速に、より効率的な溶解等を行う）ことを可能にし、加熱炉（例えば、マイクロ波デバイスの場合）及び／または金型にアーク放電が生じる及びそれらが損傷する金属粒子の発生の危険性を回避する。理想的には、サセプタは、必要な量を減らすことと、金型または原料が損傷するように加熱しないこととが実現する方法でプリントされる。図４に示されるように、サセプタ４０２は、金型の全体にわたって均等に拡散し得る、または図５に示されるように、サセプタ分布５０２は変動する。その結果、サセプタは金型の内面の近くに集中し、外面により近くなるにつれて密度が減少し、金型本体の熱の制御を可能にし、熱衝撃またはより複雑な方法でのプリントを回避し、部品の周りに遮蔽体を提供する。図６に示されるように、金型の異なる場所における（金型の内面と比較して）異なる深さにサセプタ層が存在し得、これにより、裂け目等の金型の複雑な部分の熱衝撃または熱応力を最小にする。図７に示されるさらなる代替手段では、金型７０２はサセプタ材料によって完全に形成され得る、またはセラミック及び／もしくは結合剤は、（特定の温度または一般的な温度のいずれかで）サセプタ特性を有し得る。

【0024】

別の代替の例では、図１３に示されるように、金型１３００は、その中の１つ以上の空隙１３０４がプリントされている。次に、サセプタ材料１３０２は空隙に設置できる。サセプタ１３０２は、空隙１３０４にかけられた微粒子形状であり得る、または空隙１３０４に挿入される事前に形成された固体形状であり得る。図１３に示される例では、サセプタ１３０２はロッドの形状である。この例では、金型１３００は、いずれかの他のサセプタを含む必要はない、またはサセプタ材料からプリントされる必要はない。これは、金型１３００の材料の選択はより多くあり、その結果、金型１３００を作るための基材は、原料と最適な互換性があるように選択できることを意味する。また、金型１３００の低価格の基材の使用を可能にし得る。この配置は、また、熱衝撃への耐性の改善をもたらし得る。

【0025】

サセプタ材料は、用途の要求に応じて、黒鉛、マグネタイト、フェライト、炭化ケイ素、金属酸化物、ジルコニア、アルミナ、金属化フィルム、水、モリブデン、ステンレス鋼、またはいずれかの導電材料を含み得る。

【0026】

いくつかの実施形態では、離型剤は、金型の内面の大部分に提供され得る。これは部品の容易な抽出を可能にするが、また、特定の合金がサセプタ／セラミックに反応する場合、障壁も提供し得る。これは、サセプタと同様に、プリントされ、プリント後にコーティングされ、または液体サセプタと混合され、ハイブリッドコーティングが施され得る。黒鉛粉末は、いくつかの金属に良好に作用し得る。金型の寿命はサセプタ上に塗布される離型剤の使用により改善され得、その結果、これにより、いくつかの金属とサセプタとのいずれかの化学反応を保護できるようになる。

【0027】

除湿機／ヒータは、プリンタの温度及び湿度を制御するために追加され得る。

【0028】

プリントした後に、金型を硬化して、結合剤を付け、水分を放出し得る。これは、熱（または、ＤＬＰの場合、ＵＶを加えること）によって行われ得る。型硬化は、再利用可能な金型に有用であり得るその完全性に影響を与え得る。

【0029】

原料
図１の原料充填のステップ１０６は、原料ホッパー、振動台、及び計量器を使用して実施され得る。

【0030】

代替の管給送配置は、図８に示されるように使用され得る。この配置では、金型８０２は、マイクロ波デバイス８０４の中にある状態で充填され得る。高温耐熱管８０６（また、マイクロ波を反射または吸収し得る管）は、マイクロ波デバイス８０４の最高部の開口に取り付けられる。金型８０２は、充填して、次に、加熱を続けるために、マイクロ波デバイス８０４の中で管８０６の下に位置付けられている。開口切断部を越える導波管８０８により、放射性物質漏れがないことが確実になる。管８０６が取り外し可能及び／または摺動可能であり得ることにより、異なる高さの金型は、管８０６の下部に設置できる。また、アルゴンガス等の不活性ガスは、酸化を減らすために管８０６に分配され得る。加えて、赤外線センサは、溶解物の温度を直接測定するために、管８０６の軸の下方へ向けられ得る。

【0031】

流動能力は、原料の粒子の形状（例えば、球状、でこぼこ、または平坦は全て可能性がある）と、ナノからマイクロ、ペレットにわたる粒子のサイズによって決まる。インゴットの場合、低温の原料は、金型インプレッションの中に流れない。代わりに、インゴットはホッパー内に積まれ得る。いったんホッパー内のインゴットが溶解すると、原料はキャビティ内に流れキャビティを充填する。金型インプレッションの周りのサセプタが原料を加熱し続け得ることにより、全ての部分が充填されるまで、原料は溶解されたままである。金型インプレッションが充填されるまで原料が溶解したままの状態を維持することで、原料が凝固する前に、キャビティを急速に充填する必要がある先行技術よりも利点をもたらし得る。これにより、原料流動の高精度の制御及び／または部品の品質の改善をもたらし得る。１つ以上の金型設計は、追加原料を保持し、重力補助を提供するために、振動台の追加及び金型の大型のホッパーの設計を含み、不均一な充填の対処に役立ち得る。異なる原料は、異なる無線電源と、粒子の形状及びサイズを含む他の要因とを考慮すると、異なる溶解特性を有する。あるサイズの球状粉末形状は、ほとんどの金属合金に良好に作用する。アルミニウムについて、例外的に高いその酸化特性により、異なるアプローチが要求され得る。粒子の異なるサイズ及び形状の混合物を使用して、流動と溶解性とのバランスをとり得る。微量添加物は、溶解物及び／もしくは流動触媒として働き得る、または酸化を抑制する。電子はかりにより、金型が原料の補正量で充填されることを確実にし得る。

【0032】

原料の溶解
図１の原料を溶解するステップ１０８は、マイクロ波デバイス等の加熱炉を使用して実施され得る。

【0033】

充填された金型はマイクロ波デバイスに設置される。マイクロ波デバイスの内部金属形状を使用して、放射線が最適な溶解物に集中することを確実にし、安全使用を確実にし得る。また、マイクロ波の均一な拡散を確実にする「撹拌機」を使用できる。金型の外面温度が測定され得、部品が凝固し、取り外しできるかをオペレータに知らせる。

【0034】

金型は、加熱及び冷却の間に型締めされ得る。冷却後に、オペレータは、部品を開き、部品を容易に解放し、次に、金型を閉じ、型締めシステムを繰り返して（２回以上）固定することが可能であり得る。

【0035】

型締めシステムは、図９に示されるような金型９０２のいずれかの部分（例えば、特定の穴９０６を貫通するセラミックボルト９０４を伴う部分）、例えば、再利用可能であろうシリコーンバンド１００２を使用する図１０に示されるような部分、または、例えば、バネ鋼（丸い端を伴う）等のピン１１０２を使用する図１１に示されるような部分のように独立している部分、また、わずかに引っ張られ、またはセラミックもしくは使い捨て可能であるテープ（例えば、高温テープ）であり得る。

【0036】

また、型締めシステムは、加熱炉の床の特徴のように完全に外付けであり得る、または金型を一緒に保持する楔状箱であり得る。

【0037】

金属部品について、金型内で原料を冷却する方法は、金属分子が整列する状態に影響を与え得、これは、その強度特性（すなわち、張力、せん断、ねじれ、圧縮、及び硬度）に影響を与え得る。金属部品の冷却を制御することで、所望の強度断面の部分が可能になる。図１２に示されるように、金型の共形冷却部１２００を使用して、冷却を制御し得る。代替として、金型のエリアを選択的に溶解し、次に、溶解ゾーンを別のエリアに移動させると、追加の制御が提供され得る。強制空冷は、マイクロ波デバイス内で静止している間に金型を速く冷却し得る。溶解サイクル中に解放され得るいずれかの有毒蒸気を除去する強制空気抽出及び空気濾過（活性炭を利用する可能性が高い）は有用であり得る。

【0038】

いったん部品が鋳造されると、操作する前に安全温度に冷却することが可能になる。

【0039】

部品の取り外し
図１の部品を金型から取り外すステップ１１２は、検査場所を使用して実施され得る。

【0040】

型締めシステムを取り外し、金型部品を分離する。金型がインベストメントモールドである場合、すなわち、その場合、金型は（例えば、ハンマーまたは振動工具を用いて）物理的に取り外される。次に、その部品は金型から取り出される。

【0041】

通風筒及びいずれかの他の鋳造アーチファクトは、通常、弓のこまたは帯のこによって切断される。必要に応じて、次に、部品は、基準を満たす表面仕上げになるまで、サンドペーパーで磨かれ、やすりをかけられ、仕上げられ、または艶出しされる。次に、部品は、いくつかの方法で、コーティング、塗装、または処理され得る。

【0042】

（目視または機械によって、または、いくつかの較正デバイスを用いて）金型に損傷があるかを検査する。次に、金型は、（手動で）閉じられ、再度、一緒に締められ、加熱炉に戻される前に、原料が補給される。金型を使用してから長時間経過している場合、金型は、存在し得るいずれかの水分を除去するために別の硬化サイクルが要求され得る。金型の検査が失敗した場合、その金型は、生産工程から除かれる。

【0043】

本発明が複数の実施形態の説明によって示されており、また、複数の実施形態が詳細に説明されているが、出願者は、添付の請求項の範囲をこのような詳細に限定すること、またはいずれかの方法で制限することを意図していない。追加の利点及び修正は、当業者には容易であると思われる。したがって、本発明は、その広義の態様において、示される及び説明される特定の詳細、代表的な装置ならびに方法、及び例示する例に制限されない。したがって、出願者の全体的な発明概念の主旨または範囲から逸脱することなく、このような詳細から逸脱し得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【手続補正書】

【提出日】2021-10-12

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属原料を受けるように構成される無機金型と、
前記金型の上または中にあるサセプタであって、前記サセプタは、前記原料を溶解するために原位置で加熱するように構成される、サセプタと、を含み、
前記金型は３次元プリントされる、金属鋳型。

【請求項2】

前記サセプタは、３次元プリントしたサセプタ、塗装したサセプタ、もしくは前記金型を３次元プリントした後に堆積したサセプタである、または、ナノスケール粒子の形状のインクで、前記サセプタを３次元プリントする、請求項１に記載の鋳型。

【請求項3】

前記サセプタは金型の内面を中心に分布し、前記内面の中心の前記サセプタの密度は著しい変動を含む、請求項１または２に記載の鋳型。

【請求項4】

前記サセプタは金型の内面に対して前記金型内で分布し、前記内面までの前記サセプタの距離は、前記内面にわたって著しい変動を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の鋳型。

【請求項5】

前記サセプタは、前記金型の内面に対して変動する密度プロファイルを有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の鋳型。

【請求項6】

前記サセプタの前記密度は前記内面に近接するにつれて高くなり、前記サセプタの前記密度は前記内面から遠くなるにつれて低くなる、請求項５に記載の鋳型。

【請求項7】

前記金型に取り付けられた、埋め込まれた、またはプリントされた金型識別子をさらに含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の鋳型。

【請求項8】

前記金型識別子は、耐熱性ＲＦＩＤ、耐熱性ＮＦＣ、ＱＲコード（登録商標）、ＩＤタグ、及びバーコードから成るグループから選択される、請求項７に記載の鋳型。

【請求項9】

前記金型の上または中に堆積した離型剤をさらに含み、前記離型剤は、前記溶解原料が実質的に凝固した後に、部品を取り外すことを補助するように構成される、請求項１～８のいずれか１項に記載の鋳型。

【請求項10】

前記堆積した離型剤は黒鉛である、請求項９に記載の鋳型。

【請求項11】

前記堆積した離型剤は３次元プリントした離型剤である、請求項９または１０に記載の鋳型。

【請求項12】

前記サセプタは、２回以上原料を溶解するために原位置で加熱するように構成される再利用可能サセプタである、請求項１～１１のいずれか１項に記載の鋳型。

【請求項13】

前記鋳型は複数の要素を含む、請求項１～１２のいずれかに記載の鋳型。

【請求項14】

前記鋳型は半永久的である、請求項１～１３のいずれかに記載の鋳型。

【請求項15】

前記鋳型は２つ以上の部品を鋳造するために再利用可能である、請求項１～１４のいずれかに記載の鋳型。

【請求項16】

前記３次元プリントした金型はセラミック及び結合剤を含む、請求項１～１５のいずれか１項に記載の鋳型。

【請求項17】

蓋をさらに含む、請求項１～１６のいずれかに記載の鋳型。

【請求項18】

前記蓋はサセプタを含む、請求項１７に記載の鋳型。

【請求項19】

前記蓋は３次元プリントした蓋である、請求項１７または１８に記載の鋳型。

【請求項20】

ホッパーまたは通風筒をさらに含む、請求項１～１９のいずれかに記載の鋳型。

【請求項21】

前記ホッパーまたは前記通風筒はサセプタを含む、請求項２０に記載の鋳型。

【請求項22】

１つ以上の通気口をさらに含む、請求項１～２１のいずれかに記載の鋳型。

【請求項23】

前記溶解原料から形成された部品を冷却することを補助するように構成される、前記金型内に１つ以上の共形冷却チャネルをさらに含む、請求項１～２２のいずれかに記載の鋳型。

【請求項24】

前記サセプタは金型の内面上に３次元プリントされている、請求項１～２３のいずれかに記載の鋳型。

【請求項25】

前記サセプタは炭化ケイ素または黒鉛である、請求項１～２４のいずれかに記載の鋳型。

【請求項26】

前記サセプタの上方にバッファ層をさらに含む、請求項１～２５のいずれかに記載の鋳型。

【請求項27】

前記溶解原料が凝固した後に、前記鋳型から部品を取り外すことを補助するように構成される離型剤をさらに含む、請求項１～２６のいずれかに記載の鋳型。

【請求項28】

前記鋳型の外部にある無線電源を使用して、前記原位置における加熱を提供する、請求項１～２７のいずれかに記載の鋳型。

【請求項29】

前記無線電源は、マイクロ波送信機、電磁誘導電力送信機、容量性電力送信機または誘電性電力送信機、ＲＦ電力送信機、及び前記送信機のいずれかの組み合わせから成るグループから選択される、請求項２８に記載の鋳型。

【請求項30】

再利用可能な型締めシステムをさらに含む、請求項１～２９のいずれかに記載の鋳型。

【請求項31】

前記再利用可能な型締めシステム、前記鋳型、及び／または関連フレームは、２００度または１４５０度を上回る最高使用温度を有する、請求項３０に記載の鋳型。

【請求項32】

前記再利用可能な型締めシステム、前記鋳型、及び／または関連フレームは、実質的に無線電力が伝送可能である、請求項３０または３１に記載の鋳型。

【請求項33】

前記再利用可能な型締めシステム、前記鋳型、及び／または関連フレームは、９０２ＭＨｚ～５．８７５ＧＨｚの周波数の電磁放射線に実質的に伝送可能である、請求項３０～３２のいずれかに記載の鋳型。

【請求項34】

前記原料は、粉末、粒子、粒、ペレット、ロッド、弾、顆粒、ワイヤ、インゴット、及びそれらのいずれかの組み合わせから成るグループから選択される、請求項１～３３のいずれかに記載の鋳型。

【請求項35】

前記原料は低温金属である、請求項１～３４のいずれかに記載の鋳型。

【請求項36】

前記低温金属原料は、少なくとも、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、及び前記物質のいずれかの組み合わせまたは合金から成るグループから選択されたものを含む、請求項３５に記載の鋳型。

【請求項37】

前記無機金型はセラミック金型である、請求項１～３６のいずれかに記載の鋳型。

【請求項38】

前記セラミックは、シリカ、アルミナ、ジルコン／ジルコニア系、黒鉛、窒化ケイ素、窒化ホウ素、及び前記物質のいずれかの組み合わせから成るグループから選択される、請求項３７に記載の鋳型。

【請求項39】

ケイ酸ナトリウム、無機コロイド溶液、または高温無機結合剤から成るグループから選択された結合剤をさらに含む、請求項１～３８のいずれかに記載の鋳型。

【請求項40】

請求項１～３９のいずれかに従って構成される鋳型をプリントする３次元プリンタ。

【請求項41】

請求項１～４０のいずれかに記載の鋳型を加熱するように構成されるマイクロ波送信機。

【請求項42】

請求項１～４１のいずれかに記載の鋳型をプリントするためのシステム。

【請求項43】

請求項１～４２のいずれかに記載の鋳型を使用して金属部品を鋳造するためのシステム。

【請求項44】

請求項１～４３のいずれかに記載の鋳型によって作成される部品。

【請求項45】

前記型締めシステムは実質的に耐熱性があり、実質的に無線電力が伝送可能である、請求項１～３９のいずれか１項に記載の鋳型のための型締めシステム。

【請求項46】

前記型締めシステムは２００度を上回る最高使用温度を有する、請求項４５に記載の型締めシステム。

【請求項47】

前記型締めシステムは、９０２ＭＨｚ～５．８７５ＧＨｚの周波数の電磁放射線に実質的に無線電力が伝送可能である、請求項４５または４６に記載の型締めシステム。

【請求項48】

前記型締めシステムは２つ以上の部品を鋳造するために再利用可能である、請求項４５～４７のいずれかに記載の型締めシステム。

【請求項49】

前記型締めシステムは、セラミックボルト、高密度木材、金属ダウエル、金属ピンセラミックウェッジ、セラミックピン、シリコーンバンド、シリコーンストラップ、高温接着剤、高温テープ、機械プレス、または液圧プレスから成るグループから選択される、請求項４５～４８のいずれかに記載の型締めシステム。

【請求項50】

金型を製造する方法であって、
金型設計を受けることと、
前記金型設計に従って、金型を３次元プリントすることであって、前記金型は金型鋳型サセプタ及び結合剤から３次元プリントされ、前記金型は、金属原料を受け、前記金属原料を原位置で溶解するように構成される、３次元プリントすることと、
を含む、方法。

【請求項51】

前記金型を硬化することをさらに含む、請求項５０に記載の方法。

【請求項52】

前記金型を３次元プリントすることは、結合剤をプリントヘッドから堆積させることを含む、請求項５０または５１に記載の方法。

【請求項53】

前記堆積した結合剤はサセプタ特性を有する、請求項５２に記載の方法。

【請求項54】

部品を鋳造する方法であって、
請求項５０～５３のいずれか１項に記載に従って製造された金型を受けることと、
原材料の量を選択することと、
前記金型を前記金属原料で充填することと、
原位置で、前記原料を加熱して、前記部品を形成することと、
を含む、方法。

【請求項55】

前記原料の量を選択することは、既定の基準及び／または記憶された部品パラメータによって決まる、請求項５４に記載の方法。

【請求項56】

前記部品を冷却すること及び／または仕上げることをさらに含む、請求項５４または５５に記載の方法。

【請求項57】

前記金型は結合剤を含む、請求項１～４４のいずれか１項に記載の金型。

【請求項58】

前記結合剤はサセプタ特性を有する、請求項５７に記載の金型。

【国際調査報告】