KR20130099881A

KR20130099881A - 다이 구성요소용 몰드를 생성하기 위한 첨가 제조 기술

Info

Publication number: KR20130099881A
Application number: KR1020130021351A
Authority: KR
Inventors: 해롤드 피. 시어스; 제임스 토드 클로브; 에반켈로스 리어시; 라리 에드워드 엘리스; 로날드 하센부쉬; 존 필립스; 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: DE102013203374A1; US20130220570A1

Abstract

방법은 다이 구성요소의 주조에서 추후에 사용하기 위한 몰드와 패턴 부품 및 다이 스탬핑 공정에 사용하기 위한 다이 슈를 생성하기 위한 첨가 제조 기술의 사용을 포함한다.

Description

다이 구성요소용 몰드를 생성하기 위한 첨가 제조 기술{ADDITIVE FABRICATION TECHNOLOGIES FOR CREATING MOLDS FOR DIE COMPONENTS}

본 출원은 다음의 출원인 "성형 공구를 형성하기 위한 몰드 코어"(대리인 목록 제83023377호)이라는 명칭으로 2012년 2월 29일자에 출원된 미국 특허 출원 제------호; "가열 및 냉각 시스템을 갖는 성형 어셈블리"(대리인 목록 제83203379호)이라는 명칭으로 2012년 2월 29일자에 출원된 미국 특허 출원 제------호; "교환 가능한 몰드 인서트"(대리인 목록 제83203382호)이라는 명칭으로 2012년 2월 29일자에 출원된 미국 특허 출원 제------호; "분말 슬러시 성형 공구를 형성하기 위한 몰드 코어 패키지"(대리인 목록 제83225801호)이라는 명칭으로 2012년 2월 29일자에 출원된 미국 특허 출원 제------호; 및 "컨포멀(conformal) 부분을 갖는 성형 공구 및 그의 제조 방법"(대리인 목록 제83225806호)이라는 명칭의 미국 특허 출원 제------호에 관한 것으로, 이들은 본 명세서에 참조로서 그의 내용 전체가 통합된다.

본 발명은 다이 슈(die shoe)용 몰드를 제조하는 것뿐만 아니라, 다이 어셈블리에서 사용하기 위한 다이 구성요소의 주조에서 사용하기 위한 몰드 및 패턴 부품을 생성하기 위한 첨가 제조 기술의 사용에 관한 것이다.

트림 스틸(trim steel), 스크랩 커터, 플랜지 스틸, 폼 스틸, 피어스 인서트, 트림 인서트, 버튼 블럭 인서트 등과 같은 다이 구성요소는 후드, 도어 패널, 또는 기타 부품이 형성되는 차량 부품을 형성하며 이로부터 과잉 강판을 잘라내는 스탬핑 다이 어셈블리의 구성요소이다. 스탬핑 다이 어셈블리마다 임의의 수의 다이 구성요소가 있고, 각각의 하나는 특유의 구성과 기능을 갖는다. 따라서, 상기 다이 구성요소가 주조되는 샌드 코어(sand core)를 형성하기 위한 몰드 패턴을 갖추는 것을 포함하는 전통적인 샌드 주조 방법을 이용하여 다수의 다이 구성요소를 주조하는 것은 실행 불가능하다. 본 발명은 완제품의 거의 최종 형상(near net-shape)을 갖는 하나 이상의 다이 구성요소를 주조하기 위하여 주조 공정에서 나중에 사용될 수 있는 몰드 코어 패키지나 패턴 부품을 생성하기 위한 기술을 제공한다. 이러한 방식으로, 본 발명은 주조 후에 부품에서 수행될 필요가 있는 마감 작업 량을 크게 감소시키는 주조 부품을 제공한다. 더 나아가, 본 발명은 상기 거의 최종 형상 다이 구성요소 부품을 주조하는데 더 적은 스탁 재료(stock material)를 포함하는 방법을 제공한다.

다이 구성요소를 제조하기 위한 통상의 방법은 인베스트먼트(investment) 주조 공정을 통해서이고, 상기 인베스트먼트 주조 공정은 패턴 메이커가 상기 다이 구성요소의 근사 형상으로 스티로폼®(Styrofoam®)편을 함께 접착한 후에 그 스티로폼®을 주조될 상기 다이 구성요소의 원하는 형상 및 크기로 기계가공하는 것을 포함한다. 최근, 이러한 기술은 서브트랙티브 제조(subtractive manufacturing)로 불리우며 다이 구성요소의 근사 형상에 이르기까지 기계가공되는 금속 블럭이나 다른 이러한 빌렛(billet)과 함께 이용되기도 한다. 이러한 기계가공 공정은 상기 다이 구성요소의 거의 최종 형상을 주조하는데 요구되는 정밀성이 부족하다. 따라서, 10mm만큼의 여분의 기계가공 스탁이 서브트랙티브 제조된 패턴 부품과 그 결과로 초래된 주물에 남게 된다. 이러한 여분의 주물 스탁은 상당히 긴 공정을 이용하여 기계가공되어야 하고, 상기 상당히 긴 공정은 대상체를 스캐닝하여 원하는 부품의 실제 형상에 기초하여 이루어지는 CNC 프로그램을 만드는 것을 포함한다. 최종 주조 부품에서 여분의 기계가공 스탁을 갖는 것은, 특히 절삭 에지가 상기 다이 구성요소에 원해질 때 다수의 거친 기계가공 단계를 필요로 한다. 상기 주조 부품에서 여분의 스탁은 CNC 기계의 관통 깊이를 흔히 초과하기 때문에 상기 다수의 거친 기계가공 단계는 필수적이고, 이에 따라 상기 여분의 스탁은 임의의 수의 거친 절단 작업을 통해 먼저 제거되어야 한다. 상기 부품은 거친 기계가공 공정들 사이에서 경화되어야 하고, 최종적으로 마무리 기계가공되어야 한다. 본 발명은 완성된 다이 구성요소를 만드는데 포함된 몇몇의 후주조 단계를 없앤다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 다이 구성요소를 주조하는데 사용하기 위한 패턴 부품을 제조하는 방법은 (a) 빌드 플랫폼에 폴리머 분말의 얇은 층을 증착하는 단계 및 (b) 폴리머 분말의 얇은 층의 특정 영역에 용매(solvent)를 선택적으로 적용하여 패턴 부품의 단면을 형성하도록 상기 영역에 폴리머 분말을 결합시키는 단계를 포함한다. 단계 (a)와 (b)는 주조될 다이 구성요소의 구성을 갖는 완성된 패턴 부품을 제조하기 위하여 반복된다. 그리고 나서, 상기 패턴 부품은 패턴 부품을 둘러싸는 쉘을 형성하기 위하여 슬러리로 코팅된다. 그리고 나서, 상기 쉘은 패턴 부품의 음화 영상(negative image)을 포함하는 쉘을 생성하기 위하여 상기 쉘을 경화시키며 상기 패턴 부품을 증발시키도록 가열된다. 상기 다이 구성요소를 형성하기 위하여 상기 쉘에 용융 재료가 주조된다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 다이 구성요소를 제조하는 방법은 첨가 제조 공정을 이용하여 몰드 코어 패키지를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 몰드 코어 패키지는 주조될 다이 구성요소의 음화 영상을 포함한다. 상기 몰드 코어 패키지에 용융 재료가 주조되고, 1mm에서 5mm 전후의 정확도 범위 내에서 상기 몰드 코어 패키지의 거의 최종 구성(near net configuration)을 갖는 다이 구성요소를 형성하기 위하여 상기 용융 재료가 냉각된다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 다이 구성요소를 주조하는데 사용하기 위한 복수의 샌드 몰드 패키지를 제조하는 방법은 첨가 3D 프린터를 이용하여 복수의 샌드 몰드 패키지를 인쇄하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 샌드 몰드 패키지는 하나 이상의 다이 구성요소 구성을 포함한다. 복수의 샌드 몰드 패키지로부터 선택 샌드 몰드 패키지는 각 선택 샌드 몰드 패키지와 연통하는 러너(runner)를 갖는 주조 구조물에 위치된다. 상기 러너를 이용하여 각 선택 샌드 몰드 패키지를 채우기 위하여 상기 주조 구조물에 용융 재료가 주조된다. 그리고 나서, 각 선택 샌드 몰드 패키지의 거의 최종 구성을 갖는 특유의 다이 구성요소를 형성하기 위하여 상기 용융 재료가 냉각된다.

다음의 상세한 설명, 청구범위, 및 첨부된 도면을 이해함에 따라 상기 그리고 다른 관점, 목적, 및 특징이 당업자에 의해 이해될 것이며 인식될 것이다.

도면에 있어서,
도 1은 샌드인쇄 장치에 의한 샌드 몰드 패키지의 형성에 앞서 작업 박스나 경질 봉쇄 박스를 나타낸 상부 사시도이고;
도 2는 미세 입자의 층이 작업 박스에 펼쳐지는 동안의 도 1의 작업 박스를 나타낸 상부 사시도이고;
도 3은 샌드 몰드 패키지의 단면 층을 형성하기 위하여 샌드인쇄 장치에 의해 바인더가 인쇄 영역에서 부가되는 동안의 도 1의 작업 박스를 나타낸 상부 사시도이고;
도 4는 샌드의 수개의 층이 샌드인쇄 장치에 의해 인쇄된 후의 도 1의 작업 박스를 나타낸 상부 사시도이고;
도 5는 미세 입자의 새로운 층이 작업 박스의 인쇄면 위에 펼쳐지는 도 1의 작업 박스를 나타낸 상부 사시도이고;
도 6은 복수의 몰드 코어 패키지가 인쇄된 후의 도 1의 작업 박스를 나타낸 상부 사시도로서, 상기 작업 박스는 인쇄 장치로부터 제거되어 있는 상부 사시도이고;
도 6a는 작업 박스로부터 제거됨에 따른 복수의 몰드 코어 패키지를 나타낸 사시도이고, 여기서 상기 몰드 코어 패키지는 결합 샌드로 이루어지고 과잉의 비결합 샌드는 제거되도록 제안된 사시도이고;
도 7은 내부에 내포된 인쇄된 샌드 몰드 패키지를 갖는 코프(cope) 및 드래그(drag) 몰드 어셈블리를 나타낸 상부 사시도이고;
도 8은 주조 다이 구성요소를 나타낸 사시도이고;
도 9는 그에 부착된 다이 구성요소를 갖는 다이 어셈블리를 나타낸 사시도이고;
도 10은 패턴 부품을 생성하기 위한 첨가 제조 공정을 나타낸 플로우차트이다.

본 명세서에서 설명을 위하여, "상부(upper)", "하부(lower)", "우측(right)", "좌측(left)", "후방(rear)", "전방(front)", "수직(vertical)", "수평(horizontal)", 및 이의 파생어는 도 1에 배향된 것과 같이 본 발명에 관련된다. 그러나, 본 발명은 반대로 명확하게 명시되는 것을 제외하고는 다양한 대체적인 방향을 상정할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 첨부된 도면에 예시되고 다음의 상세한 설명에 기술된 구체적인 장치와 공정은 단지 예시적인 실시예이다. 그러므로, 본 명세서에 개시된 실시예와 관련한 구체적인 치수와 다른 물리적인 특성은 그 밖에 명확하게 나타내지 않는 한 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 발명은 정확성 및 자동화로 인해 다이 구성요소를 제조하는 공정에서 여러 단계를 없애고, 이는 다이 구성요소를 제조하는데 있어서 많은 시간, 재료, 및 비용을 절약한다. 첨가 제조나 첨가 제조 기술을 이용하여, 본 발명의 정확성 및 자동화는 원하는 다이 구성요소를 생성하기 위한 수개의 후주조 공정 단계의 제거를 가능하게 한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 희생 다이 및 희생 패턴 부품이 몰드 또는 패턴 부품의 3차원 하나의 층을 한번에 제조하는 다양한 첨가 제조 공정을 통해 제공된다. 본 발명의 첨가 제조 공정에서 사용되는 희생 재료는 에폭시, 샌드, 샌드-세라믹 혼합체, 분말 금속, 플라스틱 수지 등을 포함한다. 본 발명의 첨가 제조 공정에서, 3차원(3D) 몰드 또는 패턴 부품은 첨가 제조 공정에서 발생되는 것과 같이 원하는 몰드 또는 부품의 얇은 단면 층을 제조하여 연속적으로 적층함으로써 조립된다. 본 발명의 방법에서 사용되는 3차원 부품을 생성하기 위하여, CAD 프로그램이나 그 밖의 유사한 컴퓨터-지원 도면 소프트웨어가 형성될 상기 몰드 또는 패턴 부품의 설계 데이터를 생성하는데 사용된다.

공지된 첨가 제조 공정의 유형으로는 스테레오리소그래피 장치(SLA; stereolithography apparatus), 3D 샌드인쇄(sandprinting) 프린터와 다른 3차원 프린터, 분말 재료, 결합 용매를 이용하는 플라스틱 구성물, 레이저 소결 장치를 이용하는 금속계 분말의 층을 접합하는 잉크젯 프린터, 및 당업자에 의해 인식될 것인 이러한 여러 다른 공정을 포함한다. 따라서, 이러한 임의의 공정은 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 다이 구성요소의 희생 패턴 부품이나 다이 구성요소용 희생 몰드를 생성하는데 있어서 본 발명과 관련하여 적절할 수 있다.

이러한 급속 제조 공정의 하나로는 이하 기술될 샌드인쇄 공정을 포함한다. 이러한 방법은, 아래에서 예시될 바와 같이, 트림 스틸 다이 구성요소의 형태로 있을 것인 다이 구성요소용 샌드 몰드 패키지를 생성하기 위한 CAD 모델 프로그램을 이용하여 3D 데이터 설계를 먼저 획득함으로써 시작된다. 그러나, 이러한 임의의 다이 구성요소는 이러한 공정을 이용하여 생성될 수 있다는 것을 고려한다. 먼저, 상기 패턴 부품의 3D 영상이 CAD 프로그램을 이용하여 생성된다. 그리고 나서, 상기 패턴 부품이 모델은 샌드 몰드 패키지 설계를 생성하기 위한 3D CAD 모델로부터 공제된다. 그리고 나서, 그 결과로 인한 상기 샌드 몰드 패키지의 3D 모델은 도 1 내지 6을 참조하여 설명된 바와 같은 기술을 이용하여 제조된다.

이하, 도 1 내지 6을 참조하면, 나무, 금속 등을 포함하는 임의의 수의 재료로 형성된 작업 박스(job box)(40)는 인쇄 장치(42) 아래에 위치된다. 상기 작업 박스(40)는, 아래에서 더 설명될 바와 같이, 몰드 코어 패키지가 복수의 적층된 입자 층으로 형성될 것인 인쇄 영역(44)을 형성한다. 상기 인쇄 장치(42)는 본 발명에서 사용하기 위한 3D 몰드, 코어, 및 몰드 코어 패키지를 인쇄할 수 있다.

이러한 개시물 전체에서 사용된 바와 같이, "몰드 코어 패키지(mold core package)"란 용어는 용융 재료의 주조를 위한 준비가 된 인쇄된 샌드나 그 밖에 형성된 몰드를 나타낸다. "몰드(mold)"란 용어는 상기 몰드 코어 패키지의 구성요소를 나타내고, "코어(core)"란 용어는 상기 몰드 코어 패키지로 주조될 때 용융 재료를 대체하기 위하여 몰드로 삽입되는 인서트(insert)를 나타낸다. 따라서, 상기 몰드와 코어의 조합은 주조용 몰드 코어 패키지를 생성한다. 아래에서 논의되는 3차원 인쇄 공정을 이용하여 몰드 코어 패키지나 샌드 몰드 패키지의 형성을 설명하기 위하여, 도 7에 도시된 바와 같은 샌드 몰드 패키지(110)는 단지 예시적인 목적을 위해 참조될 것이다. 수개의 상이한 샌드 몰드 패키지가 다른 다이 구성요소를 주조하기 위해 인쇄될 수 있으며 이러한 샌드 몰드 패키지가 단일의 인쇄 공정에서 동시에 인쇄될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

상기 인쇄 장치(42)는 실리카 샌드, 세라믹-샌드 혼합체 등과 같은 활성화된 미세 입자(50)의 얇은 층을 상기 인쇄 영역(44) 내에 놓는 증착 홈통(deposition trough)(48)에서의 호퍼(46)를 포함한다. 상기 입자(50)는 직경이 0.002mm에서 2mm를 포함하는 임의의 크기일 수 있다. 또한, 상기 인쇄 장치(42)는 바인더 증착 장치나 바인더 디스펜서(52)를 포함한다. 상세하게 후술될 바와 같이, 상기 바인더 디스펜서(52)는 원하는 샌드 몰드 패키지나 샌드 코어 패키지의 단일 층의 구성이나 패턴(80)에서 바인더의 얇은 층이나 결합제(16)를 살포한다. 상기 미세 입자(50) 상에 상기 바인더 디스펜서(52)에 의해 샌드를 층층히 놓고 결합제(16)를 살포하는 반복은 복수의 적층된 입자 층으로부터 3차원 샌드 몰드 패키지나 샌드 코어 패키지의 제작을 초래한다. 상기 3D 샌드 몰드 패키지는 미세 입자(50)의 각 얇은 층을 계속해서 인쇄하기 위하여 충분한 기간에 걸쳐 부가적으로 제조되고, 이에 따라 결합 입자의 각 층은 인접한 층에 더 결합되어 완성된 샌드 몰드 패키지를 형성한다. 상기 완성된 샌드 몰드 패키지의 각 얇은 층은 약 0.28mm이다. 궁극적으로, 상기 샌드 몰드 패키지는 도 8에 도시된 바와 같이 트림 스틸(trim steel)(120)과 같은 다이 구성요소를 제조하기 위하여 희생 몰드로 이용될 것이다.

구체적으로 도 1을 참조하면, 컴퓨터-지원 설계(CAD) 프로그램이 개발되고, 복수의 샌드 몰드 패키지(100)(도 6a 참조)의 구체적 구성이 상기 인쇄 장치(42)에 결합되는 컴퓨터(60)로 들어가서 로딩된다. 상기 컴퓨터(60)는 복수의 샌드 몰드 패키지(100)의 구체적 구성을 갖는 CAD 프로그램으로부터 정보를 상기 샌드 몰드 패키지(100)의 형성을 위한 인쇄 장치(42)로 이송한다.

CAD나 임의의 다른 형태의 3D 모델링 소프트웨어가 원하는 샌드 몰드 패키지(100)를 형성하기 위하여 상기 3D 인쇄 장치(42)에 충분한 정보를 제공하는데 이용될 수 있다는 것이 고려된다. 상기 3D 인쇄 장치(42)의 작동에 앞서, 미리 결정된 양의 미세 입자(50)가 활성제 스파우트(activator spout)(72)에 의해 공급되는 활성화 코팅이나 활성제(70)와 함께 입자 스파우트(62)에 의해 상기 호퍼(46)로 부어진다. 예시된 실시예는 전술한 바와 같이 상기 미세 입자(50)와 같은 미세 샌드를 이용하였지만, 상기 미세 입자(50)는 본 명세서에 개시된 첨가 제조 기술에 적합한 임의의 다양한 재료나 이의 조합을 포함할 수 있다. 상기 미세 입자(50)는 호퍼(46)에서 활성제(70)와 혼합된다. 상기 미세 입자(50)와 활성제(70)의 혼합물은, 상기 미세 입자(50)가 완전히 혼합되어 활성화되도록 교반기(74)나 다른 공지된 혼합 장치에 의해 혼합될 수 있다. 상기 미세 입자(50)와 활성제(70)가 완전히 혼합된 후, 상기 미세 입자(50)는 증착 홈통(48)으로 이동한다.

이하, 도 2 내지 6을 참조하면, 상기 미세 입자(50)가 증착 홈통(48)으로 이동한 후, 상기 미세 입자(50)는 증착 홈통(48)에 의해 미결합 샌드(90)의 얇은 평평한 층에서 상기 인쇄 영역(44)으로 가로질러 펼쳐진다. 상기 작업 박스(40)에서 인쇄 영역(44) 상의 얇은 층에 펼쳐진 후, 상기 활성화된 미세 입자(50)는 바인더 또는 결합제(16)(도 3 참조)에 의해 펼쳐진다. 상기 결합제(16)는 원하는 샌드 몰드 패키지(100)의 제1 얇은 단면 층을 나타내는 패턴(80)에 상기 결합제(16)의 얇은 층을 살포하는 바인더 디스펜서(52)로부터 배출된다. 상기 결합제(16)가 살포된 후, 다른 미세 입자(50)와 활성제(70)의 혼합물이 준비되어 상기 증착 홈통(48)으로 부어진다. 그리고 나서, 상기 증착 홈통(48)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 작업 박스(40)에서 이전에 펼쳐진 미세 입자(50) 층 위에 미결합 활성화된 미세 입자(50)의 다른 층(90)을 배출한다. 상기 바인더 디스펜서(52)는 제1 단면 얇은 층에 인접한 원하는 샌드 몰드 패키지(100)의 제2 얇은 단면 층을 나타내는 패턴(80)에 상기 결합제(16)의 얇은 층을 살포하면서 다시 인쇄 영역(44) 위로 지나간다. 이러한 단계는, 상기 완성된 샌드 몰드 패키지(110)(도 7 참조)의 모든 얇은 단면 층이 인쇄될 때까지, 여러 번 반복된다. 이러한 첨가 제조 기술을 이용하여, 샌드 몰드 패키지의 거의 임의의 형상이 형성될 수 있다. 더 나아가, 3D 샌드인쇄를 이용하여 제조된 샌드 몰드 패키지는 그렇지 않았다면 다른 공지된 서브트랙티브 방법에 의해 생성될 수 없는 내부의 구조적인 특징을 가질 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전술된 바와 같은 예시된 샌드인쇄 공정은 다이 구성요소를 형성하기 위한 몰드로서 사용될 것인 복수의 샌드 몰드 패키지(100)를 생성한다. 따라서, 전술한 상기 인쇄 공정은 다양한 특유의 다이 구성요소를 주조하는데 사용하기 위한 단일의 인쇄 기간 중에 수개의 상이한 샌드 몰드 패키지를 인쇄할 수 있다. 상기 3D 샌드인쇄 기술의 정밀성과 정확성으로, 80 내지 150개 사이의 샌드 몰드 패키지가 단일의 인쇄 공정에서 인쇄될 수 있다. 따라서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 복수의 샌드 몰드 패키지(100)가 전술한 바와 같은 첨가 제조 공정으로 인쇄되는 것이 도시되어 있고, 미결합 샌드는 도 8에 도시된 바와 같이 다이 구성요소를 트림 스틸(120)의 형태로 생성하는데 사용되는 도 7에 도시된 샌드 몰드 패키지(110)와 같은 개별적인 샌드 몰드 패키지를 나타내기 위하여 제거된다.

상기 샌드 몰드 패키지(100)가 인쇄되면, 이들은 상기 작업 박스(40)로부터 제거된 후에 주조될 주조소(foundry)로 송부된다. 상기 샌드 몰드 패키지(100)는 다양한 다이 구성요소를 주조하기 위한 특유의 몰드일 수 있고, 각각의 샌드 몰드 패키지는 주조될 다이 구성요소의 음화 영상(negative image)을 포함한다. 이러한 개시물 전체에 걸쳐 사용된 바와 같이, "음화 영상" 또는 "음화 구성"이란 용어는 이전의 주조에서 상호간의 양화 영상(positive image)이나 구성을 부여하는 몰드에서 또는 이와 달리 상기 몰드로부터 형성된 몰드에서 형성된 영상이나 구성을 나타낸다. 상기 주조소에서, 복수의 인쇄된 샌드 몰드 패키지(100)로부터 선택된 샌드 몰드 패키지(110-114)와 같은 상기 샌드 몰드 패키지는, 도 7에 도시된 바와 같이, 코프(116) 및 드래그(118) 프레임 장치 또는 주조 구조물에 위치되고, 통상의 주조소 샌드(foundry sand)와 다이 구성요소 주조로 지원된다. 도 7의 예에 도시된 바와 같이, 그 내부에 위치된 샌드 몰드 패키지(110a-114a)를 갖는 코프 몰드(116)가 도시되어 있다. 도 7에 더 도시된 바와 같이, 그 내부에 또한 위치된 것과 연관성이 있는 샌드 코어 패키지(110-114)를 갖는 드래그 몰드(118)가 도시되어 있다. 주조 공정시, 상기 코프 몰드(116)의 상부에 배치된 접근 지점(미도시)이 코프 및 드래그 몰드(116, 118)로 용융 재료를 붓는데 사용되어 상기 용융 주조 재료로 상기 샌드 몰드 패키지(110-114)를 채운다. 일반적으로, 다이 구성요소를 제조하기 위하여, 공구 스틸이 용융 재료로서 사용된다. 상기 공구 스틸은 코프 몰드(116)의 상부에 배치된 접근 지점에 부어지고, 그리고 나서 이는 상기 코프 몰드(116)를 통해 드래그 몰드(118)로 그 후에 상기 샌드 몰드 패키지(110-114)를 최대한으로 채우기 위하여 상기 샌드 몰드 패키지(110-114)로 연장될 수 있는 일련의 러너를 통해 주유할 것이다. 상기 러너가 인접한 샌드 몰드 패키지 사이에서 인쇄될 수 있어서 하나의 샌드 몰드 패키지로부터 인접한 샌드 몰드 패키지로 용융 재료의 연통이 가능하게 되는 것이 더 고려된다. 상기 용융 재료가 코프 및 드래그 몰드 장치에 배치된 샌드 코어 패키지에 채워질 때를 나타내기 위하여 하나 이상의 라이저(riser)(미도시)가 코프 몰드(116)의 상부에 배치될 수 있다. 상기 용융 재료가 샌드 몰드 패키지에서 고형화되어 경화되는 경우, 코프 및 드래그 몰드(116, 118)는 제거되고, 상기 샌드 코어 패키지(110-114)는 박리되거나 또는 그 이외에 상기 주조 다이 구성요소를 나타내기 위하여 파괴된다. 상기 샌드 몰드 주조 공정시 상기 샌드 몰드 패키지(110-114)를 채우는데 사용된 러너 시스템은 상기 주조 다이 구성요소로부터 제거되고, 그 후에 상기 주조 다이 구성요소는 다이 어셈블리에서 기능하기 위한 마무리 기계가공이 거의 또는 전혀 필요로 하지 않는 정밀하게 이루어지며 정확하게 구성된 다이 구성요소를 나타내기 위하여 스크럽되며 세척된다. 전술한 바와 같이, 다이 구성요소가 스탬핑 공정에서 사용하기 위한 완성된 다이 어셈블리를 제조하기 위해 부착될 수 있는 다이 슈(140)(도 9 참조)를 주조하기 위한 다이 슈 샌드 몰드 패키지를 생성하기 위하여 기술된 바와 같은 상기 3D 샌드인쇄 기술이 사용될 수도 있다.

상기 다이 구성요소의 주조의 정확성과 정밀성은 약 1-5mm, 또는 더 바람직하게는 0.8mm 전후의 정확도의 범위 내에 있다. 따라서, 상기 주조 다이 구성요소는 부가될 약 1mm에서 1.5mm의 매우 작은 여분의 기계가공 스탁을 필요로 한다. 약 10mm의 여분의 기계가공 스탁을 만드는 표준적인 샌드 주조 방법에 비해 감소된 스탁의 양으로, 본 발명의 주조 다이 구성요소는 도 8에 도시된 장착 베이스(122)에서 경화되어 분쇄될 수 있고, 이후에 마무리 기계가공될 수 있다. 이는 백색광 스캐닝, 프로그래밍, 거친 기계가공, 경화, 경화용 운송, 및 장착 베이스의 래핑(lapping)을 없앤다. 부가적으로, 상기 주조의 정확성으로 인하여, 절삭 에지를 갖는 다이 구성요소의 절삭면의 기계가공은 완전히 제거될 수 있다.

본 발명은 완성된 다이 세트를 제조하기 위한 일정이 10일에서 17일 정도로 감소될 수 있기 때문에 시장 대응 시간(time-to-market)의 상당한 감소가 있는 점에서 전통적인 주조 공정에 비해 여러 이점을 부여한다. 다른 상당한 이점으로는 상기 다이 구성요소에 설계 제약을 제거하는 것이다. 상기 샌드 몰드 패키지가 전술한 첨가 제조 기술을 이용하여 인쇄되므로, 서브트랙티브 제조에서 발견된 전통적인 제한은 제거되고, 이에 따라 복잡한 샌드 몰드 패키지가 복잡한 기하학적 구조 및 기능성을 갖는 다이 구성요소를 제조하기 위하여 생성될 수 있다. 더 나아가, 상기 주조의 정확성으로 인하여, 현재 시간이 많이 소요되는 후주조 기계가공을 필요로 하는 다이 구성요소의 일부 특징이 주조로서 남겨질 수 있거나 또는 어떠한 마무리 기계가공도 거의 필요로 하지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 8의 트림 스틸(120)에 도시된 바와 같이, 보어 홀(124)과 카운터 보어 홀(126)은 다이 구성요소의 부품으로서 주조될 수 있고, 도 9에 도시된 다이 슈(140)와 같은 다이 슈에 상기 트림 스틸(120)을 부착하기 위하여 사용가능한 부착 구멍을 발달시키기 위하여 적은 후주조 기계가공을 필요로 한다. 도 8의 트림 스틸(120)에 도시된 바와 같이, 상기 보어 홀(124)과 카운터 보어 홀(126)과 같은 부착 특징부를 생성하기 위하여, 상기 샌드 몰드 패키지는 이러한 부착 특징부의 음화 영상으로 인쇄될 수 있다. 더 나아가, 상기 샌드 몰드 패키지는 도 8의 트림 스틸(120)에 도시된 절삭 에지(128)와 같은 다이 구성요소의 다른 특징의 음화 영상으로 인쇄될 수 있다. 본 발명의 유연성은 다이 구성요소가 열처리 깊이 최적화 특징으로 생성되는 것을 가능하게 한다. 현재, 열처리 깊이 최적화는 상기 다이 구성요소의 기하학적 구조와 두께에 좌우된다. 본 발명의 방법을 이용하는 다이 구성요소는 열처리 깊이를 최적화하는데 요구되는 복잡한 기하학적 구조와 두께를 가질 수 있다. 주조 공정시에 생성될 수 있는 주조 플래시가 인쇄되는 샌드 코어 패키지의 정확성으로 인하여 또한 제거된다. 일반적으로, 주조 플래시는 전통적인 샌드 주조 공정시에 만들어지고, 이러한 주조 플래시는 후에 기계가공되어 제거된다. 본 발명의 방법은 결과로 초래된 주조 다이 구성요소에서 주조 플래시의 양을 크게 감소시키거나 완전히 제거한다.

전술한 바와 같이, 빌렛의 CNC 기계가공이나 스티로폼®(Styrofoam®)은 다이 구성요소를 주조하기 위한 몰드를 형성하는데 후에 사용되는 패턴 부품을 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 다이 구성요소를 주조하기 위한 몰드의 생성에 후에 사용되는 패턴 부품을 생성하기 위한 첨가 제조 기술을 이용하는 것에 관한 것이다. 전술한 첨가 제조 기술들 중, 하나의 바람직한 공정은 폴리머 패턴 부품을 형성하기 위하여 기본 구성 재료로서 폴리머 분말 함유 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)를 이용하는 첨가 제조 기술이다. 이러한 개시물 전체에 걸쳐 사용된 바와 같이, 상기 PMMA 분말을 이용하는 첨가 제조 공정을 PMMA 공정으로 나타낼 것이다. 당업자라면 다른 첨가 제조 기술이 주조 공정에서 후에 사용하기 위한 패턴 부품을 생성하는데 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 상기 PMMA 공정은 컴퓨터(200)로부터 패턴 부품의 3D 설계 데이터를 만들기 위하여 STL 또는 CAD 파일의 사용을 포함한다. 도 10에 도시된 패턴 부품(220)과 같은 패턴 부품은 주조될 다이 구성요소 부품의 구성을 가질 것이다. 상기 컴퓨터에서 발생된 설계 데이터를 이용하여, 리코터(recoater)(202)는 빌드 플랫폼(build platform)(206) 위에 PMMA 분말(204)의 얇은 층을 펼친다. 상기 PMMA 분말의 펼쳐짐은 도 1 내지 6을 참조하여 설명된 바와 같이 상기 미세 입자(50)의 펼쳐짐과 개념적으로 유사하다. PMMA 분말(204)의 층이 빌드 플랫폼(206) 위에 펼쳐진 후, 컴퓨터 제어 인쇄 헤드는 상기 패턴 부품의 단면 층(208)을 형성하기 위하여 상기 PMMA 분말 입자를 결합시키기 위한 용매나 바인더의 작은 액적을 분사한다. 단면 층이 완성되면, 상기 빌드 플랫폼(206)은 약 0.28mm 하강되고, PMMA 분말(204)의 다른 층이 상기 빌드 플랫폼(206) 위에 펼쳐진다. 상기 공정은 패턴 부품이 완성될 때까지 층층이 0.28mm가 되도록 반복된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 PMMA 공정이 완료된 경우에 상기 패턴 부품(220)은 미결합된 PMMA 분말(204)에 본질적으로 매립된다. 이러한 미결합된 PMMA 분말(204)은 진공청소되거나 그렇지 않으면 상기 패턴 부품(220)으로부터 제거되어 다른 PMMA 공정에서 재사용될 수 있다. 상기 패턴 부품(220)이 완성되면, 저온의 오븐에서 후처리 경화될 수 있다. 도 1 내지 6에 도시된 작업 박스(40)와 같은 작업 박스가 미결합된 PMMA 분말을 함유하기 위하여 PMMA 형성 공정에서 시행될 수도 있다는 것이 고려된다. 그리고 나서, 패턴 부품(220)을 밀봉하기 위해 패턴 부품(220)은 왁스 수지로 함침될 수 있다.

상기 패턴 부품이 생성되면, 인베스트먼트 주조 공정에서 사용될 쉘(shell)의 생성을 위하여 주조소로 가져오게 된다. 인베스트먼트 주조 공정에서 상기 패턴 부품을 사용하기 위하여, 상기 부품(220)은 전체 부품(220)을 코팅하는 세라믹 슬러리에 잠기거나 또는 그렇지 않으면 코팅된다. 그리고 나서, 상기 부품은 적셔지거나 또는 이와 달리 액체 세라믹 슬러리에 부착되는 샌드, 세라믹 샌드, 또는 그 밖에 유사한 분말 재료의 유동화된 베드(fluidized bed)로 유입된다. 상기 샌드의 유동화된 베드로부터의 샌드가 적용되면, 상기 액체 세라믹 슬러리와 샌드 혼합물은 건조하여 경화하고, 그 후 상기 공정이 패턴 부품에 대하여 그리고 둘레에 경질 세라믹 쉘을 형성하기 위하여 여러 번 반복된다. 충분한 두께의 쉘이 형성되면, 상기 패턴 부품을 함유하는 쉘이 그 후에 가열되고, 이에 따라 상기 세라믹 쉘 내에 배치된 폴리머 패턴 부품은 타 없어지거나 증발된다. 따라서, 가열 공정 후, 조작자는 상기 패턴 부품의 음화 영상을 포함하는 세라믹 쉘에 남기게 된다. 인베스트먼트 주조나 쉘 주조 공정을 이용하여, 공구 스틸과 같은 용융 재료가 패턴 부품의 음화 영상을 갖는 세라믹 쉘로 부어진다. 상기 용융 재료가 고형화된 후, 상기 세라믹 쉘은, 본 발명에 따르면 도 8에 도시된 다이 구성요소(120)와 같은 다이 구성요소가 되는 주조 금속 부품을 나타내기 위하여 박리되거나 또는 이와 달리 파괴된다.

이러한 PMMA 공정을 이용하여, 다이 구성요소를 나타내는 정확하며 정밀한 패턴 부품이 층층이 이루어질 수 있고, 이에 따라 복잡한 기하학적 구조가 상기 패턴 부품의 거의 최종 형상을 갖는 다이 구성요소 주조를 만들기 위하여 상기 패턴 부품 내에 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이 3차원 샌드인쇄 공정과 함께, 상기 PMMA 공정은 완성된 다이 구성요소를 만드는데 흔히 요구되는 후주조 거친 기계가공 및 마감 단계를 또한 감소시킨다. 전술한 바와 같이 상기 PMMA 패턴 부품을 이용하는 다이 구성요소 주조는 약 1-5mm의 정확도 범위 내에서 상기 패턴 부품의 거의 최종 형상을 가질 수 있다. 더 나아가, 상기 정확도의 범위는 상기 쉘이 형성되는 패턴 부품의 0.8mm 전후 내에 있을 수 있다.

본 명세서에 개시된 바와 같이, 몰드 코어 패키지 및 다이 구성요소와 같은 몰드 코어 패키지로부터 공구를 만드는 방법은 필요에 따라 최적화된 벽 두께 및 열처리 깊이로 개선된 능력의 생성 구성을 제공하고, 이에 의하여 잠재적인 뒤틀림, 크랙 등을 감소시킨다. 또한, 상기 인쇄 공정으로부터 몰드 코어 패키지를 만드는 것과 연관된 정확도는 더 나은 부품의 품질, 정밀성, 및 설계 유연성을 제공한다. 더 나아가, 상기 몰드 코어 패키지 및 상기 몰드 코어 패키지로 이루어진 다이 구성요소는 사이클 타임을 향상시키도록 설계될 수 있고, 이에 의하여 부품 제조 용량을 증가시킨다.

기술된 본 발명과 다른 구성요소의 구성은 임의의 구체적인 재료에 제한되지 않는다는 것을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시된 다른 예시적인 실시예는 본 명세서에서 이와 달리 설명되지 않는 한 매우 다양한 재료 및 첨부물 제조 기술로 형성될 수 있다.

예시적인 실시예에 도시된 바와 같은 본 발명의 요소의 구성 및 배치가 단지 예시적라는 것을 유의하는 것이 또한 중요하다. 본 개시물에서 본 발명의 몇 실시예만이 상세하게 설명되었지만, 이러한 개시물을 검토하는 당업자는 인용된 요지의 새로운 기술 및 장점으로부터 실질적으로 벗어남이 없이 다양한 변형(예를 들면, 크기, 치수, 구조, 다양한 요소의 형상과 비율, 변수 값, 장착 배치, 재료의 사용, 컬러, 방향 등의 변화)이 가능하다는 것을 쉽게 인식할 수 있을 것이다. 예를 들면, 일체로 형성된 바와 같이 도시된 요소는 다수의 부품이 일체로 형성된 바와 같이 도시된 다수의 부품이나 요소로 구성될 수 있고, 인터페이스의 작동은 역전되거나 그렇지 않으면 변화될 수 있고, 시스템의 구조물 및/또는 부재, 또는 커넥터, 또는 다른 요소의 길이나 폭은 변화될 수 있고, 요소들 사이에 제공된 조정 위치의 본질이나 수는 변화될 수 있다. 시스템의 요소 및/또는 어셈블리는 매우 다양한 컬러, 텍스처, 및 조합으로 충분한 강도나 내구성을 제공하는 임의의 매우 다양한 재료로 구성될 수 있다. 따라서, 이러한 모든 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 그 밖의 치환, 변형, 변화, 및 생략이 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 바람직한 실시예 및 다른 예시적인 실시예의 설계, 작동 조건, 및 배치에서 이루어질 수 있다.

기술된 공정 내에서 임의로 설명된 공정이나 단계는 본 발명의 범위 내에서 구조물을 형성하기 위하여 다른 개시된 공정이나 단계와 조합될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시된 예시적인 구조나 공정은 예시적인 목적을 위한 것으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

또한, 변화 및 변형이 본 발명의 개념을 벗어남이 없이 전술한 구조에서 이루어질 수 있다는 것을 또한 이해하여야 하고, 더 나아가 그 표현에 의한 청구범위가 달리 명확하게 나타내지 않는 한 이러한 개념이 다음의 청구범위에 의해 포함되도록 의도된다는 것을 이해하여야 한다.

Claims

다이 구성요소를 주조하는데 사용하기 위한 패턴 부품을 제조하는 방법이며,
(a) 빌드 플랫폼에 폴리머 분말의 얇은 층을 증착하는 단계와,
(b) 패턴 부품의 단면을 형성하기 위해 폴리머 분말의 얇은 층의 특정 영역에 폴리머 분말을 결합하도록 폴리머 분말의 얇은 층의 특정 영역에 용매를 선택적으로 적용하는 단계와,
다이 구성요소의 구성을 갖는 완성된 패턴 부품을 제조하기 위하여 (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계와,
패턴 부품에 대하여 쉘을 형성하기 위하여 패턴 부품을 슬러리로 코팅하는 단계와,
패턴 부품의 음화 영상을 포함하는 쉘을 생성하기 위하여 쉘을 경화시키며 패턴 부품을 증발시키도록 쉘을 가열하는 단계와,
다이 구성요소를 형성하기 위하여 쉘에 용융 재료를 주조하는 단계를 포함하는
패턴 부품을 제조하는 방법.
제1항에 있어서,
빌드 플랫폼에 폴리머 분말의 얇은 층을 증착하는 단계는 폴리(메틸 메타크릴레이트)를 포함하는 폴리머 분말의 층을 증착하는 단계를 더 포함하는,
패턴 부품을 제조하는 방법.
제2항에 있어서,
폴리머 분말의 얇은 층의 특정 영역에 용매를 선택적으로 적용하는 단계는 폴리머 분말의 얇은 층에 인쇄 헤드를 이용하여 용매의 액적을 분사하는 단계를 더 포함하는,
패턴 부품을 제조하는 방법.
제3항에 있어서,
패턴 부품을 경화시키는 단계를 더 포함하는,
패턴 부품을 제조하는 방법.
제4항에 있어서,
패턴 부품을 밀봉하기 위하여 패턴 부품을 왁스 수지로 함침시키는 단계를 더 포함하는,
패턴 부품을 제조하는 방법.
제1항에 있어서,
패턴 부품에 대하여 쉘을 형성하기 위하여 패턴 부품을 슬러리로 코팅하는 단계는 패턴 부품을 세라믹 슬러리로 코팅하는 단계를 더 포함하는,
패턴 부품을 제조하는 방법.
제4항에 있어서,
패턴 부품을 세라믹 슬러리로 코팅하는 단계 후에 샌드의 유동화된 베드에 패턴 부품을 적시는 단계를 더 포함하는,
패턴 부품을 제조하는 방법.
제1항에 있어서,
다이 구성요소를 형성하기 위하여 쉘에 용융 재료를 주조하는 단계는 1mm에서 5mm의 정확도 범위 내에서 패턴 부품의 거의 최종 형상을 갖는 다이 구성요소를 형성하는 단계를 더 포함하는,
패턴 부품을 제조하는 방법.
다이 구성요소를 제조하는 방법이며,
첨가 제조 공정을 이용하여 다이 구성요소의 음화 영상을 포함하는 몰드 코어 패키지를 형성하는 단계와,
몰드 코어 패키지에 용융 재료를 주조하는 단계와,
1mm에서 5mm의 정확도 범위 내에서 몰드 코어 패키지의 거의 최종 구성을 갖는 다이 구성요소를 형성하기 위하여 용융 재료를 냉각시키는 단계를 포함하는
다이 구성요소를 제조하는 방법.
제9항에 있어서,
첨가 제조 공정을 이용하여 몰드 코어 패키지를 형성하는 단계는,
(a) 입자의 얇은 층을 증착하는 단계와,
(b) 몰드 코어 패키지의 단면을 형성하기 위하여 얇은 층에 바인더를 선택적으로 적용하는 단계와,
완성된 몰드 코어 패키지를 제조하기 위하여 (a) 단계와 (b) 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는,
다이 구성요소를 제조하는 방법.
제10항에 있어서,
몰드 코어 패키지의 단면을 형성하기 위하여 얇은 층에 바인더를 선택적으로 적용하는 단계는 얇은 층에 3차원 샌드인쇄 장치를 이용하여 바인더를 인쇄하는 단계를 더 포함하는,
다이 구성요소를 제조하는 방법.
제11항에 있어서,
1mm에서 5mm의 정확도 범위 내에서 몰드 코어 패키지의 거의 최종 구성을 갖는 다이 구성요소를 형성하기 위하여 용융 재료를 냉각시키는 단계는 0.8mm 내에서 몰드 코어 패키지의 거의 최종 구성을 갖는 다이 구성요소를 형성하는 단계를 더 포함하는,
다이 구성요소를 제조하는 방법.
제9항에 있어서,
첨가 제조 공정을 이용하여 다이 구성요소의 음화 영상을 포함하는 몰드 코어 패키지를 형성하는 단계는 다이 구성요소를 다이 스탬핑 어셈블리에 부착하기 위한 부착 특징부의 음화 영상을 갖는 몰드 코어 패키지를 형성하는 단계를 더 포함하는,
다이 구성요소를 제조하는 방법.
제13항에 있어서,
다이 구성요소를 다이 스탬핑 어셈블리에 부착하기 위한 부착 특징부의 음화 영상을 갖는 몰드 코어 패키지를 형성하는 단계는 보어와 카운터 보어의 음화 영상을 갖는 몰드 코어 패키지를 형성하는 단계를 더 포함하는,
다이 구성요소를 제조하는 방법.
제9항에 있어서,
첨가 제조 공정을 이용하여 다이 구성요소의 음화 영상을 포함하는 몰드 코어 패키지를 형성하는 단계는 절삭 에지의 음화 영상을 갖는 몰드 코어 패키지를 형성하는 단계를 더 포함하는,
다이 구성요소를 제조하는 방법.
다이 구성요소를 주조하는데 사용하기 위한 복수의 샌드 몰드 패키지를 제조하는 방법이며,
첨가 3D 프린터를 이용하여 복수의 샌드 몰드 패키지를 인쇄하는 단계로서, 복수의 샌드 몰드 패키지는 하나 이상의 다이 구성요소 구성을 포함하는, 단계와,
복수의 샌드 몰드 패키지로부터 선택 샌드 몰드 패키지를 각 선택 샌드 몰드 패키지와 연통하는 러너를 갖는 주조 구조물 내에 위치시키는 단계와,
러너를 이용하여 각 선택 샌드 몰드 패키지를 채우기 위하여 주조 구조물에 용융 재료를 주조하는 단계와,
각 선택 샌드 몰드 패키지의 거의 최종 구성을 갖는 상기 다이 구성요소를 형성하기 위하여 용융 재료가 냉각되게 하는 단계를 포함하는
복수의 샌드 몰드 패키지를 제조하는 방법.
제16항에 있어서,
첨가 3D 프린터를 이용하여 복수의 샌드 몰드 패키지를 인쇄하는 단계는 약 80-150개의 샌드 몰드 패키지의 범위에서 단일 인쇄 공정으로 복수의 샌드 몰드 패키지를 인쇄하는 단계를 더 포함하는,
복수의 샌드 몰드 패키지를 제조하는 방법.
제16항에 있어서,
첨가 3D 프린터를 이용하여 복수의 샌드 몰드 패키지를 인쇄하는 단계는 복수의 샌드 몰드 패키지의 각 샌드 몰드 패키지와 연통하는 러너를 인쇄하는 단계를 더 포함하는,
복수의 샌드 몰드 패키지를 제조하는 방법.
제16항에 있어서,
각 선택 샌드 몰드 패키지를 채우기 위하여 주조 구조물에 용융 재료를 주조하는 단계는 주조 구조물에 공구 스틸을 주조하는 단계를 더 포함하는,
복수의 샌드 몰드 패키지를 제조하는 방법.
제16항에 있어서,
복수의 샌드 몰드 패키지로부터 선택 샌드 몰드 패키지를 각 선택 샌드 몰드 패키지와 연통하는 러너를 갖는 주조 구조물 내에 위치시키는 단계는 샌드 몰드 패키지에 용융 재료를 인베스트먼트 주조하기 위하여 코프 및 드래그 몰드 어셈블리를 이용하는 단계를 더 포함하는,
복수의 샌드 몰드 패키지를 제조하는 방법.