JP4292358B2 - ダイレクトツーリングモールドの作製方法およびその使用方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ポリマー性（即ち、ポリマー製又はポリマーからなる）モールドを使用する機能原型（functional prototype）（即ち、所望の最終成形品と同じ特性を有する原型）の作製方法に関する。該ポリマー性モールドは比較的低費用で、寸法が正確でかつ素早く形成される。本発明は、素早い原型作製が成功のために欠かせない自動車、玩具、消費者電気工業および生物医学装置のような産業における製品設計および準備製造段階において特別な有益性を有する。
【０００２】
原型とは製造される成形品の全体または構成要素の三次元像である。該原型は実際の寸法にまたは一定の比率で縮小して作られ得る。青写真またはさらにコンピュータースクリーン上での三次元解釈に対する原型の利点は、実際の部材を手に持ち、回しそして触ることができることである。製造する部材の複雑さが増加するにつれて、その設計段階の間に成形品を目で検査する必要が増大する。初期設計段階の間に原型を利用することの有意な利点が与えられるので、原型が不可欠であると考えられる領域が増え続けているのは驚くべきことではない。
【０００３】
原型部材を作製するための良く知られた手段は、積層したポリウレタンまたはエポキシベースの模型厚板を利用する。該積層した厚板は木材の外見、触感および一致性を有する。原型模型は、余分な厚板材料を切断および削り除去によって作製される。該厚板は外部表面の特徴および詳細を表すことができる。そのような系は比較的大きな成形品を検査するために特に有用である。積層した厚板からの原型の作製は、多大な時間および経験を必要とする。
【０００４】
非常に正確かつ詳細な原型を作製するためのもう一つの技術は立体リソグラフィーである。三次元物体は、樹脂浴、照射源および移動性支持体を含む立体リソグラフ系において作製される。該移動性支持体は該樹脂浴内で垂直に移動することができる。該樹脂浴は、紫外線を受けたときに硬化可能である選択した高性能樹脂を含む。該照射源は該樹脂浴の表面にそのエネルギーを向けて、樹脂の最上層の領域を選択的に硬化する。
該照射源はコンピューターにより制御される。該コンピューターは、所望の物体のコンピューター援用設計の解析に基づいて該照射源の移動および方向を決定する。該コンピューターは、層毎の基礎（layer by layer basis）に基づいて該所望の物体の輪郭を本質的に決定する。該コンピューターはその後該照射源を向けて、各々の層の輪郭に従い、該最上層の領域を選択的に硬化する。各々の層が完了すると、該移動性支持体は以前に硬化した層を該樹脂浴中に下げ、新しい樹脂が該以前に硬化した層上を満たすことを可能にする。この操作は該所望の物体が作製されるまで反復される。熱後硬化工程が通常、得られた硬化成形品に十分な強度を与えるために必要とされる。
【０００５】
同様な付加的な作製方法は融解付着モデリングであり、熱可塑性ワイヤ状フィラメントを使用する。該フィラメントは融解され、そして送達ヘッドを通し層毎の基礎に基づいて押し出される。該押出物は、コンピューター援用設計の層輪郭に従う該送達ヘッドにより位置決めされる。層が付着させられるにつれて、プラットホームは層化した押出物を支持するように下げられる。
【０００６】
さらなる付加的な作製方法は三次元印刷である。三次元印刷は、耐熱性粉末のような粉末材料およびバインダ材料を使用する。三次元部材は、耐熱性粉末の薄層にバインダを選択的に適用し、該粉末を一緒に粘着させることによって作製される。該層は、以前に議論した付加的な作製方法に類似した方法において、連続的に形成される。
【０００７】
弾道粒子（ballistic particle）製造は、層毎の基礎に基づいてワックス状材料を付着させるインクジェット機構を使用して三次元物体を作製する。関連した方法は、層の基礎に基づいて溶融金属を付着させるインクジェット機構を利用する。
【０００８】
積層物品製造は、裁断されたシート材料の層を積層することによって三次元物体を作製する。材料からなる積層シートはレーザーを使用して裁断される。シート材料の連続した層は、熱接着剤を活性化する熱および圧力を使用して互いに接着する。
【０００９】
上記した作製方法は、実際の原型であって、それら自身のモールドでないものを作製するために利用されることができる。この理由のために、上記した全ての作製方法は、一つの原型のみしか各々の組立サイクルから得られないという同じ欠点を被る。
消失コアモールドが実際の部材のためのモールドを作製するために使用されている。例えば、自動車産業は、製造費用を制御しつつ自動車における重量およびエネルギー消費を減少させるために、アルミニウムエンジン構成要素を増加して使用している。しかし、慣用の鋳造についてのコアおよびモールドの作製および組立機構は、鋳造されることができるデザインを制限していた。乾燥砂中に埋設されたスチロフォーム模型が、熱金属がプラスチック発泡体を蒸発させたときに金属鋳物となる消失発泡鋳造方法は、自動車会社が、現代の内燃エンジンのために必要とされる複雑な幾何形状を有するシリンダーヘッドの鋳造することを可能にする。しかしながら、該発泡模型を作るためのツールを作製する費用は高価であり、そしてツールでの変更は相当な時間がかかる。
【００１０】
加えて、少なくとも一つの会社が、自動車製造において使用するためのプラスチック、セラミックおよび金属ツールを作製する低費用ツール作製機械および関連した方法の開発を提案している。提案されたモーター・ビークル・ラピッド・ツール・メーカー（ＭＶＲＴＭ）は、熱可塑性材料またはセラミックもしくは粉末金属のスラリーからなる“作製”材料の小滴を付着させるノズルを位置決めする精密プロッターを使用する。他のノズルは部材ブレーシングおよび精密な鮮明度のための“支持”材料として働くワックスを付着させる。その後該モールドは所望の高さに裁断され、そして該ワックスを融解する溶媒中に浸漬される。“作製”材料の得られた模型はインベストメント鋳造法または焼結方法によって金属ツールに転換される。
【００１１】
ナショナル・リサーチ・カウンシル・オブ・カナダに譲渡された合衆国特許第５，６４１，４４８号は、立体リソグラフィー系を使用する原型モールドの製造方法を開示する。固体支持体が該原型モールドに備えられ、屈曲を防止する。加えて、該モールドの内部表面は薄い金属コーティングで被覆される。該モールドは、射出成形機に取り付けられて、比較的低圧で原型部材を作製する。モトローラ・インコーポレイションに譲渡された合衆国特許第５，４３９，６２２号もまた、立体リソグラフィーシステムを使用する原型モールドの作製方法を開示する。フーバー・ユニバーサル・インコーポレイションに譲渡された合衆国特許第５，４５８，８２５号は、素早い容器原型作製のための、立体リソグラフィーにより製造された吹込成形ツーリングの製造方法を開示する。ノーザン・テレコム・リミテッドに譲渡された合衆国特許第５，５６２，８４６号は、立体リソグラフィー系における、冷却路を有するモールド部材の製造方法を開示する。
【００１２】
ゼネラル・モータース・コーポレイションに譲渡された合衆国特許第４，８６３，６６３号は、自動車構成要素部材の製造方法を開示する。所望の構成要素部材のラフ模型は、複数の互いに噛み合う切断された硬質シート材料から組み立てられる。前記互いに噛み合う切断された硬質シートによって定義された外面は、シート材料で被覆される。得られた模型は、引き続く原型部材の製造のためのモールドを製造するために使用されることができる。該モールドは得られた模型を樹脂およびガラス繊維布で連続して層化することによって組み立てられる。
【００１３】
ジョン・Ｈ・ユッチンソンに譲渡された合衆国特許第５，２３１，７４９号は、内部および外部設計検証模型の製造方法に関する。該設計模型を製造するために使用される材料は、粘土、ＲＥＮ、木材、複合模型化合物、高密度発泡材およびガラス繊維を含む。
【００１４】
ブルダー・ヘルスケア・コーポレイションに譲渡された合衆国特許第５，４３２，３２２号は、改良された加熱パッドおよびその製造方法に関する。該方法の一つの態様において、加熱要素は、該要素上にポリマーを成形することにより、外部有機ポリマーの連続層によって覆われている。モールドは複合ツーリング材料であるＲＥＮ−シェイプ^TM材料を使用して製作される。該モールドが製作された後、該加熱要素および関連した構成要素は該モールド中に置かれ、クランプ締めされる。注型ポリウレタン組成物がその後該モールド中にポンプで送られて、装置を封入する。該モールドは硬化後にクランプを外されて、オーバー成形された（overmolded）密封加熱パッドを除去する。
【００１５】
進行中の研究努力にもかかわらず、多数の、寸法が正確で機能性の原型を作製することができる系についての必要が存在する。該系は多数の設計変更を顕著な時間遅延を伴わずに可能とするように柔軟でなければならない。加えて、該系は好ましくは最終成形品を製造するに使用されるのと同じ材料を使用して原型を作製するべきである。
【００１６】
本発明は、モールドの製造方法であって、熱可塑性成形材料の溶融温度より低いガラス転移温度を有する少なくとも一つのポリマー性厚板材料を用意し、そして該ポリマー性厚板材料の少なくとも一部を除去して、コンピューター援用設計に従って、成形される所望の成形品の反転像を形成することによる方法に関する。好ましくは、該ポリマー性厚板材料の少なくとも一部は高速ＣＮＣ機械加工装置を使用して除去される。該ポリマー性厚板材料は、硬化したポリウレタン形成性（forming ）組成物、または平均で分子当り１個以上のグリシジル基を有する少なくとも一つのエポキシ樹脂を含む硬化した混合物であることができる。該熱可塑性成形材料は好ましくは、ポリプロピレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマーおよびポリカーボネートからなる群より選択される。
【００１７】
本発明のさらなる態様は、モールドの製造方法であって、少なくとも一つのポリマー性厚板材料を用意し、そしてコンピューター援用設計に従って、ＣＮＣ機械加工により該ポリマー性厚板材料の少なくとも一部を除去して、成形される所望の成形品の反転像を形成することによる方法である。該ポリマー性材料は、前記モールド中に射出される熱可塑性成形樹脂の溶融温度より低いガラス転移温度を有する。該ポリマー性厚板材料は、硬化したポリウレタン形成性組成物、または平均で分子当り１個以上のグリシジル基を有する少なくとも一つのエポキシ樹脂を含む硬化した混合物であることができる。該熱可塑性成形材料は好ましくは、ポリプロピレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマーおよびポリカーボネートからなる群より選択される。
【００１８】
本発明のさらなる態様は、原型の製造方法であって、選択したポリマー性成形材料の溶融温度より低いガラス転移温度を有する硬化したポリマー性材料から作製されたモールドを用意し、そして前記選択した溶融ポリマー性成形材料を、コンピューター援用設計に従って前記モールド内に形成されたキャビティ中に射出して原型を作製することによる方法である。本発明はさらに、この方法から得られた原型に関する。
【００１９】
本発明の他のさらなる態様は、原型の製造方法であって、硬化したポリマー性材料から作製したモールドを用意し、そして選択した溶融成形材料を、ＣＮＣ機械加工により、コンピューター援用設計に従って、前記モールド内に形成されたキャビティ中に射出して原型を作製することによる方法である。本発明はさらにこの方法から得られた原型に関する。
【００２０】
本発明の他のさらなる態様は、選択したポリマー性材料から造られる最終成形品の機能原型の製造方法であって、選択したポリマー性成形材料の溶融温度より低いガラス転移温度を有する硬化したポリマー性材料から作製されたモールドを用意し、そして該最終成形品のための選択したポリマー性材料に実質的に同一である該選択した溶融ポリマー性成形材料を、コンピューター援用設計に従って該モールド内に形成されたキャビティ中に射出することによる方法である。本発明はさらにこの方法から得られた機能原型に関する。
【００２１】
本発明の他のさらなる態様は、選択したポリマー性材料から造られる最終成形品の機能原型の製造方法であって、硬化したポリマー性材料から作製されたモールドを用意し、そして該最終成形品のための選択したポリマー性材料に実質的に同一である選択した溶融ポリマー性成形材料を、ＣＮＣ機械加工により、コンピューター援用設計に従って、該モールド内に形成されたキャビティ中に射出して原型を作製することによる方法である。本発明はさらにこの方法から得られた原型に関する。
【００２２】
本発明はさらに、平均で分子あたり１個以上のグリシジル基を有する少なくとも一つのエポキシ樹脂、エポキシ−イソシアナート組成物またはポリウレタン形成性組成物を含む硬化したポリマー性材料から作製された、原型および機能原型を製造するためのポリマー性モールドに関する。
【００２３】
本発明は、多数の、寸法が正確でかつ機能性の原型の作製方法に関する。該原型の特に好ましい製造方法は、射出成形系におけるポリマー性モールドの使用を含む。以下の記載の第一の焦点は射出成形に関するけれども、当業者は、他の成形系、例えば吹込成形も原型を作製するために適していることを認識するだろう。
【００２４】
射出成形は、ポリマー性材料の粒子が溶融するまで加熱される断続的な循環方法である。溶融した材料はその後、それが凝固する密閉モールド中に押込められて、所望の成形品を形成する。該溶融した材料が凝固する方法は、射出する材料の種類に依存する。熱可塑性材料は冷却により硬化し、一方熱硬化性材料は熱の付加により凝固する。射出成形系は典型的に、混合部および融解部、融解したマスを射出するための手段、並びに成形部を含む。
【００２５】
射出成形系内のモールドは、所望の成形品の反転像であるキャビティ部分を含む。該モールドは慣用的に二つの部材で与えられ、圧力下で一緒にクランプ締めされる。開口部が、融解したマスをモールドのキャビティ中に導入するために該モールドに備えられる。モールド設計は、溶融した材料がモールド中に導入されるときに、空気の脱出を可能にするガス抜きを備えなければならない。
【００２６】
モールド構成のために選択された材料は、射出成形作業に耐えることができなければならない。十分な温度および圧力が、成形製品が樹脂製造者の性能規格を反映することを確実にするためにツール内で生じなければならない。射出およびパックの間に樹脂に適用されるおおよその可塑圧（plastic pressure）は、約８２７４ｋＰａ（１２００ｐｓｉ）ないし約１３７．９ＭＰａ（２０，０００ｐｓｉ）に変化する。
【００２７】
ここでの使用のためのモールドは、所望の成形品の形状を解析するコンピューター援用設計ソフトウェアパッケージを使用して設計される。該ソフトウェアプログラムはその後該所望の成形品の反転像を計算し、そして所望によるガス抜き、冷却溝および突出し溝の組み込みを可能にする。
原型は多くの異なるポリマー性材料から成形される。本発明は、選択した成形材料が最終成形品について使用される材料の種類に相当することをもくろんでいる。同じ種類の成形材料を使用する結果として、使用者は機能原型を作製することができる。機能原型は、得られた原型が所望の最終成形品と実質的に同じ特性、例えば重量、密度、触感、柔軟性を有することを意味する。機能原型は、一連の性能試験並びに精度についての視覚での検査を受けることができる。得られた原型が破壊試験を受けられることは、作製サイクル当り一つのみの原型を作製する系を超える顕著な利点である。慣用的に使用するポリマー性、特に熱可塑性材料の例は、ポリプロピレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー（ＡＢＳ）のようなスチレニック（styrenic）、ポリカーボネート、アセタール等を含む。
【００２８】
この系内で使用されるモールドはポリマー性模型材料から造られる。該模型材料は低い吸水性、低い粉塵発生、低いチッピング、低いカッター磨耗、良好な機械加工性および低い密度を有するべきである。該模型材料を機械加工して、所望に成形された表面模様および内部詳細を作製することができることは特に重要である。該模型材料は十分な圧縮強さおよび曲げ強さを有して、機械加工および成形の作業に耐えなければならない。好ましくは該模型材料は、約５５．１６ＭＰａ（８，０００ｐｓｉ）を上回る圧縮強さおよび曲げ強さを有する。加えて該模型材料は、成形作業の間に射出される溶融した材料の温度に耐えることができなければならない。驚くべきことに、該模型材料のガラス転移温度が成形系中に射出される成形材料の融点未満であることができることが発見された。
【００２９】
好ましい模型材料は硬化したポリマー性厚板である。該厚板は一般に、少なくとも約１０ｃｍ（４インチ）の厚さ、約４６ないし６１ｃｍ（１８ないし２４インチ）の幅、および約６１ないし９１ｃｍ（２４ないし３６インチ）の長さを有する矩形で与えられる。
【００３０】
好ましい厚板は熱硬化性樹脂系の混合物から得られる。該熱硬化性樹脂系は、選択したマトリクス成分、硬化剤、触媒、充填剤および他の慣例の添加剤を含む。該マトリクス成分は好ましくは、ポリウレタン形成性組成物、エポキシ樹脂、および所謂エポキシ−イソシアナート樹脂（ＥＰＩＣ、ドイツ国のバイエルからの入手可能）から選択される。ポリウレタンベースの模型厚板はポリプロピレンおよびＡＢＳベースの原型を成形するために使用されることができる。エポキシベースの模型厚板が、ポリプロピレン原型、ＡＢＳベースの原型およびポリカーボネートベースの原型を成形するために最も適している。
硬化性ポリウレタン形成性組成物は、少なくとも一つのポリマー性イソシアナートと少なくとも一つのポリオールとの混合物から生成される。好ましいポリウレタンベースの厚板は、ａ）約１５０までのヒドロキシル当量および４ないし８の官能性を有するポリオールと、ｂ）１９００よりより多いヒドロキシル当量および２ないし４の官能性を有するポリエーテル−ポリオールと、およびｃ）２ないし４の官能性を有するプロピレングリコールまたはポリテトラヒドロフランであって、各々が１５０ないし５００のヒドロキシル当量を有するものとを含むポリオールの選択した混合物を含む反応混合物、またはその混合物から生成される。
【００３１】
約１５０までのヒドロキシル当量を有する前記ポリオール成分の例は、４ないし８個のヒドロキシル基を有するポリヒドロキシル化合物、例えばエリトリトールまたはペンタエリトリトール、ペンチトール、例えばアラビトール、アドニトールまたはキシリトール、ヘキシトール、例えばソルビトール、マンニトールまたはズルシトール、糖、例えばスクロースまたは糖誘導体およびデンプン誘導体である。さらなる例は、上述したもののようなポリヒドロキシ化合物とエチレンオキシドおよび／またはプロピレンオキシドとの低分子量反応生成物、およびまた、エチレンオキシドおよび／またはプロピレンオキシドと反応することができる十分な数の基を含む他の化合物であって、例えばアンモニア、エチレンジアミン、１，４−ジアミノベンゼン、２，４−ジアミノトルエン、２，４’−ジアミノジフェニルメタン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、１−メチル−３，５−ジエチル−２，４−ジアミノベンゼンおよび／または１−メチル−３，５−ジエチル−２，６−ジアミノベンゼンを含むポリアミンの低分子量反応生成物である。該ポリオールのヒドロキシル当量についての下限は好ましくは約６０であり、より好ましくはヒドロキシル当量は約７０よりも大きい。
【００３２】
スクロースまたはデンプン誘導ポリオールが特に好ましい。そのような生成物は、オリン・コーポレイションから市販品を入手可能である。
該ポリオール成分は、約１５０までのヒドロキシル当量および４ないし８の官能性を有するポリオール約５重量％ないし約３０重量％を含むことができる。
【００３３】
前記ポリエーテルポリオールは、開始剤とアルキレンオキシド、例えばエチレンオキシド、プロピレンオキシドまたはブチレンオキシド、またはテトラヒドロフランとの反応によって得られることができる。ここでの開始剤は、２ないし４の官能性を有するポリエーテルポリオールの生成のために通常に適した全ての開始剤、例えば水、２ないし４個のヒドロキシル基を有する脂肪族、環式脂肪族もしくは芳香族のポリヒドロキシ化合物、例えばエチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、ジヒドロキシベンゼンまたはビスフェノール、グリセロール、エリトリトール、またはペンタエリトリトール、または相当するポリアミン、例えばエチレンジアミンまたはジアニリンである。エチレンオキシドおよび／またはプロピレンオキシドベースのポリエーテル−ポリオールが好ましい。該ポリエーテル−ポリオールのヒドロキシル当量は、約１９００より大きいべきである。該当量についての上限は好ましくは約３０００である。ポリエーテル−ポリオールの量は、全ポリオール成分の好ましくは約３ないし約４０重量％、より好ましくは５重量％ないし３０重量％である。
【００３４】
外界温度または僅かに昇温された温度で液状であるポリイソシアナートが一般に好ましい。適したポリイソシアナートは、モノマー性ジイソシアナートジフェニルメタン異性体、ポリメチレンポリフェニルイソシアナート、４，４’−イソフェニルメタンジイソシアナートおよびその態種、トルエンジイソシアナート、フェニルインダンジイソシアナート、ヘキサメチレンジイソシアナート、イソホロンジイソシアナート、２，２，４−トリメチレンヘキサメチレンジイソシアナート、およびそれらのブレンドである。前記硬化性ポリウレタン形成性組成物はさらに、慣例の添加剤、例えば、第三アミンのような触媒、抑泡剤、界面活性剤、内部離型剤、染料、顔料、および難燃剤および分子篩を含むことができる。該硬化性ポリウレタン形成性組成物はさらに、不導性充填剤、例えばアルミニウム三水和物および炭酸カルシウムを含む。
【００３５】
ポリカーボネートのような高ＨＤＴ熱可塑性プラスチックからなる機能原型の成形のための好ましい厚板材料は、エポキシ樹脂またはエポキシ−イソシアナート樹脂をベースとする。適したエポキシ樹脂は、室温での低い粘度および平均で分子当り１個以上のグリシジル基を有する。低粘度ビスフェノール−Ａ樹脂の混合物、２，２−ビス（４’−ヒドロキシフェニル）プロパン（ビスフェノールＡ）のアドバンスされていない（non-advanced）ポリグリシジルエーテル、２，２’−ビス（３’，５’−ジブロモ−４’−ヒドロキシフェニル）メタン（テトラブロモビスフェノールＡ），ビス（４−ヒドロキシフェニル）メタン（ビスフェノールＦ），およびそれらのアドバンスされたノボラックが特に好ましい。上記したような慣用の添加剤は該硬化性エポキシ組成物に混入されることができる。樹脂混合物は、充填剤、特に不導性充填剤、例えばアルミニウム三水和物および炭酸カルシウムの混入を可能とするために、十分低い粘度を有しなければならない。
【００３６】
前記エポキシ樹脂は、塩基性または酸性の硬化剤を使用して硬化されることができる。硬化剤は低い反応性を有し、そして室温で開始されることができる低い発熱反応を生じるべきである。塩基性硬化剤の例は、ルイス塩基、第一および第二アミン、例えばジエタノールアミン、エチル−およびメチルエタノールアミンジメチルアミン、ジエチルアミン、メチルエチルアミン、およびメチル−ｎ−プロピルアミン、ピペリジン、およびピペラジン、環式脂肪族アミン、例えばイソホロンジアミン、および芳香族第一アミン、例えばフェニレンジアミン、メチレンジアニリン、およびジアミノジフェニルスルホン、およびアミド、例えばジシアンジアミドおよびアクリルアミドである。該酸性硬化剤は、カルボン酸無水物、第二有機酸、フェノール、およびルイス酸である。好ましい硬化剤は、第一、第二および第三アミンの混合物（触媒）である。無水物硬化剤は、ある適用のために適しているけれども、硬化反応を開始するに少なくとも僅かな加熱を必要とする傾向がある。硬化剤の十分量が、該エポキシ樹脂成分を完全に硬化するために添加される。
【００３７】
前記ポリウレタンベースの厚板は、イソシアナートプレミックスをポリオール成分と化合させることにより作製される。得られた混合物をブロックモールド中に射出して硬化する。好ましくは、該硬化工程の間に加熱は付加されない。得られた硬化ブロックはその後、後硬化アニールを受ける。前記エポキシベースの厚板は、樹脂成分および硬化剤成分を混合し、そしてその後ブロック中に射出して硬化することにおいて類似して生成される。硬化サイクルの温度は選択した硬化剤に依存する。好ましくは、過熱は付加されず、また僅かな熱のみが硬化反応により発生される。得られた硬化したエポキシベースのブロックはまた後硬化アニールを受ける。
【００３８】
本発明における使用のためのポリマー性モールドは好ましくは、高速ＣＮＣ機械加工装置を使用して形成される。高速機械加工は、必要ではないけれども、原型作製操作における大変な時間圧縮を与える好ましい工程である。該ＣＮＣ機械加工装置は、切断装置を制御するコンピューターを用いる。該切断装置は、硬化したポリマー性厚板から材料を削り、切断し、掘り出し、穴あけし、そして除去する。該切断装置は、該硬化したポリマー性厚板から材料を除去して、その中に上記したＣＡＤ設計に基づいて所望の最終成形品の反転像を作製する。好ましいＣＮＣ機械加工装置は精密かつ反復可能で、適した表面仕上げおよび寸法要求を伴う均一な結果を与えるべきである。該好ましい機械加工装置は、材料を該硬化したポリマー性厚板から分当り５０８ｃｍ（２００インチ）より大きく“荒削り（rough）”除去することができる。
【００３９】
得られたポリマー性モールドの性能を向上させるために、金属性支持体を該モールドの背面に取り付けて良い。該金属性支持体は、該ポリマー性モールドが時間のより長い期間の間およびより多くのサイクルの間、射出成形の力および応力に耐えることを可能にする。適したフレームまたは支持体が、所望の成形プレス中への模型化合物の取付および固定を与えるために必要とされる。このフレームはまた、自動または半自動作製を可能にする機能詳細（即ち、突出し）の固定のためにも備えられる。
【００４０】
前記射出成形系の温度および圧力は成形される材料の種類に依存する。成形されるために選択した材料は、均一な溶融マスを作製するために十分な温度に加熱されなければならない。慣用の成形材料を融解するに必要とされる温度は、約１７７℃（３５０°Ｆ）ないし約３１６℃（６００°Ｆ）の範囲である。加えて溶融マスは、該モールド中に溶融マスを押込むに十分な圧力を受けなければならない。典型的に、射出成形系内の圧力は１３７．９ＭＰａ（２０，０００ｐｓｉ（可塑圧））に達する。
カバーおよびエジェクタの機械加工は、インサートのスカーリング（squaring）および該インサートの保持装置への固定で始まる。該保持装置は、高速機械加工中心への素早く反復可能な据付を可能にする。ブリッジポート（bridgeport）のスカーリングおよび生成は固体カーバイド末端ミル（solid carbide end mill）およびＨＳＳでの穴あけ、ねじ立ておよびリーマー仕上げで達成される。スピンドル速度はツールの種類および条件に基づいて変化する。送り速度は２５４ｃｍ（１００インチ）／分までであることができる。真空型集塵機が推奨され、ポータブル系の使用を通して利用できる。
【００４１】
カッターパッシング（pathing）において定義されるような高速ＣＮＣ機械加工整備パラメーターは、作製物幾何形状によって必要とされるようなツール整備を可能とする。好ましいツーリングはドラフトについて側面当り１と１／２°のテーパーを有する固体カーバイトボールノーズド末端ミル（solid carbide ball nosed end mill）である。スピンドル速度は一般に、粗削りについて分当り６０００ないし１０，０００回転、また仕上げについて１５，０００である。粗削りについてのテーブル送り速度は、３／４のボールでの５／３２の深さの切れ目で、分当り５０８ｃｍ（２４０インチ）である。仕上げの送り速度は、表面データを翻訳するための機械加工言語アーキテクチャーの能力に依存する。図１（ａ）および１（ｂ）において図示される部材について、カッター磨耗は無視でき、一方、０．０１５ｃｍ（０．００６インチ）のストップオーバー（stopover）を使用し、３Ｄドライブ曲線機械加工経路プログラミングを利用する３／３２直径カッターで優良な表面性質を与える。
【００４２】
好ましいＣＮＣ機械加工中心は、下側ドラフト真空系を有する密閉キャビネット設計を有して、作業者の暴露および清掃を最小にする。
インサートは、ＣＮＣ作業の間に、ポケットを有するフレーム中への容易な据付を可能とするように寸法決定される。一般に、インサートは該ポケット寸法より小さく０．００２５ないし０．００５ｃｍ（０．００１ないし０．００２インチ）である。ツール圧縮またはプレロードもまた、型割線で全部で０．００２５ないし０．００５ｃｍ（０．００１ないし０．００２インチ）を可能とするように、本操作の間に決定される。型割線は軽減されない。しかしながら、ベントは必要により加えられることができる。
【００４３】
ゲート付けは、目的とする部材樹脂に基づく樹脂製造者の指針に従うべきであり、モールド流れ技術は適当なゲート付け位置を定める助けとなる。
機械加工されたインサートは、機械加工中心から除去され、清浄にされ、そしてバリ取りされる。第二手仕上げは、十分な管理がプログラミングおよび機械加工の作業の間になされているならば、必要とされない。
表面は、所望により、平滑で完全に切り傷の無い仕上げにまで研かれることができる。表面模様付けは可能であり、またモールド密閉が推薦される。
【００４４】
完成したインサートは支持フレームに固定され、そして適当な大きさのエジェクタピンが取り付けられる。完成したモールドツールは今や成形作業のための準備ができている。成形プレス整備および成形技術は型割線完全性に対する鍵である。クランプ力は該ツールの過剰な圧縮を避けるために最小限にされるべきである。射出の圧力および温度は成形作業内で相互作用し、成形の間の内部部分圧応力を最小にするように注意が払われなければならない。圧力および温度は、樹脂製造者の指針に従いつつ、許容可能な製品性能を与えるに十分でなければならない。部材突出しは、目的とする樹脂の熱撓み温度未満で行われるべきである。
【００４５】
冷却は、前記モールドの表面上へ空気を向けることによって達成される。サイクル時間は、選択した樹脂の融点およびツール表面温度を許容可能な水準に減じるに必要とされるモールド開放時間の量によって指定される。
【００４６】
図２において図示される部材のための操作条件の例
【表１】

^* 充填およびパックの圧力は可塑圧近似である。
^# 近似ツール温度はエジェクタ側のゲートに最も近い点で測定した。
【００４７】
ツールの予熱は必要でない。しかしながら、ツールの寿命および完全性は、ツールがツール表面について６５．６℃（１５０°Ｆ）より高く作業される場合、犠牲にされる。
ピックアップ（pick-up）が、部材保持における助けとなるためにエジェクタ側に付加されることができる。チップアウト（chip-out）を避けるためにそれらを型割線から十分離れて位置付けするように注意が払われなければならない（少数のより浅いピックアップが好ましい。）。
【００４８】
実施例
１．エポキシ厚板材料Ｃ１の製造
以下のエポキシ樹脂Ａ１を配合した。
【表２】

以下の硬化剤Ｂ１を配合した。
【表３】

¹ 低粘度ビス−Ａ樹脂は、１７８〜１９６ｇ／当量のエポキシ当量（ＥＥＷ）を有するＧＹ６００４として、アメリカ合衆国のチバ・スペシャルティ・ケミカルズ・コーポレイションから入手可能である。
² 多官能性エポキシノボラック樹脂は、１７６〜１８１ｇ／当量のＥＥＷを有しかつ多官能性３．６のＥＰＮ１１３８として、アメリカ合衆国のチバ・スペシャルティ・ケミカルズ・コーポレイションから入手可能である。
³ 反応性希釈剤は、ＲＤ−２（１，４−ブタンジオールジグリシジルエーテル）として、アメリカ合衆国のチバ・スペシャルティ・ケミカルズ・コーポレイションから入手可能である。
⁴ イソホロンジアミンは、ＩＰＤとしてフルス・アメリカから入手可能である。
⁵ エタキュア１００は、アメリカ合衆国のアルベマール・コーポレイションから入手可能である。エタキュア１００とＥＰＮ１１３８との付加物は、エタキュア１００・８５重量％とＥＰＮ１１３８・１５重量％との比率で二つを反応させることによって生成した。
⁶ ＭＸＤＡメタキシレンジアミンは、ＭＸＤＡとしてアメリカ合衆国のミツビシ・ケミカルから入手可能である。
⁷ ジエチレントリアミンＤＥＴＡは、アメリカ合衆国のユニオン・カーバイド・コーポレイションから入手可能である。
⁸ ビスフェノール−Ａは、パラビスとしてアメリカ合衆国のチバ・スペシャルティ・ケミカルズ・コーポレイションから入手可能である。
配合物Ｃ１を以下のように生成した。
【表４】

⁹ アルミニウム三水和物ＡＴＨ充填剤は、ＤＴ・Ｏ８２としてアメリカ合衆国のチバ・スペシャルティ・ケミカルズ・コーポレイションから入手可能である。
¹⁰ アンチフォームＡは、アメリカ合衆国のダウ−コーニング・コーポレイションから入手可能である。
始めに、樹脂および硬化剤をハンドミキサーを使用し容器中で混合した。アンチフォームＡを添加し、そして良く混合した。その後、充填剤を徐々に混合し添加した。該混合物を脱気し、そしてその後１８・１８・１３ｃｍ（７”×７”×５”）の不導性モールド中に注型した。該モールドを５５２ｋＰａ（８０ｐｓｉ）で２４時間、２５℃の室温で圧力容器中に置いた。その後室温でさらに２４時間硬化した。ブロックを型から取出し、そして８時間中に１５０℃に徐々に加熱し、そして１５０℃で４時間後硬化し、そして徐々に冷却した。得られた厚板材料を熱的および機械的特性について試験した。
【表５】

【００４９】
１．エポキシ厚板材料Ｃ２の製造
配合物Ｃ２を以下のように生成した。
【表６】

¹¹ アルミニウム粉末充填剤は、ＲＰ３４としてアメリカ合衆国のチバ・スペシャルティ・ケミカルズ・コーポレイションから入手可能である。
始めに、樹脂および硬化剤をハンドミキサーを使用し容器中で混合した。アンチフォームＡを添加し、そして良く混合した。その後、充填剤を徐々に混合し添加した。該混合物を脱気し、そしてその後１８・１８・１３ｃｍ（７”×７”×５”）の不導性モールド中に注型した。該モールドを５５２ｋＰａ（８０ｐｓｉ）で２４時間、２５℃の室温で圧力容器中に置いた。その後、室温でさらに２４時間さらに硬化した。ブロックを型から取出し、そして８時間中に１５０℃に徐々に加熱し、そして１５０℃で４時間後硬化し、そして徐々に冷却した。得られた厚板材料を熱的および機械的特性について試験した。
【表７】

【００５０】
１．ポリウレタン厚板材料Ｃ３の製造
以下のイソシアナート樹脂Ａ３および硬化剤Ｂ３を、ポリウレタン硬化厚板材料Ｃ３を製造するために使用した。
【表８】

¹² ルビナート１６８０は、ＩＣＩアメリカズから入手可能である。
¹³ ポリオールはオリン・コーポレイションから入手可能である。
¹⁴ 湿潤剤は、バイクヘミＵＳＡから入手可能である。
¹⁵ ＣａＣＯ₃充填剤は、ポーラー・ミネラルズ・インコーポレイテッドから入手可能である。
¹⁶ ＭＤＥＡは、ユニオン・カーバイドから入手可能である。
¹⁷ 分子篩は、ゼオケム・コーポレイションから入手可能である。
【表９】

厚板を金属性モールド中で配合物Ｃ３から硬化した。硬化した厚板を７０℃で１０時間後硬化した。厚板Ｃ３の特性は以下のようであった。
【表１０】

【００５１】
１．エポキシ厚板材料Ｃ４の製造
以下のエポキシ樹脂Ａ４を配合した。
【表１１】

以下の硬化剤Ｂ４を配合した。
【表１２】

¹⁸ 標準ビス−Ａ樹脂は、１８２〜１９２ｇ／当量のエポキシ当量（ＥＥＷ）を有するＧＹ６０１０として、アメリカ合衆国のチバ・スペシャルティ・ケミカルズ・コーポレイションから入手可能である。
¹⁹ 多官能性エポキシ樹脂は、１０９〜１１５ｇ／当量のＥＥＷを有するテトラ官能性エポキシであるＭＹ７２１が、アメリカ合衆国のチバ・スペシャルティ・ケミカルズ・コーポレイションから入手可能である。
²⁰ 無水物硬化剤は、アメリカ合衆国のロンザ・インコーポレイテッドから入手可能である。
配合物Ｃ４を以下のように生成した。
【表１３】

²¹ ＥＭＩ−２４および同様なイミダゾール触媒は、アメリカ合衆国のエア・プロダクツから入手可能である。
始めに、樹脂および硬化剤を混合した。充填剤を徐々に混合し添加した。触媒を添加し、そして良く混合した。該混合物を脱気し、そしてその後２０・８・５ｃｍ（８”×３”×２”）の不導性モールド中に注型した。その後６０℃で２４時間硬化した。その後１２１℃に徐々に加熱し、そして４時間硬化した。その後１５０℃に徐々に加熱し、そして４時間硬化し、そして徐々に冷却した。得られた厚板材料は優秀な熱的および機械的特性を有していた。
【表１４】

【００５２】
１．エポキシ厚板材料Ｃ５の製造
以下のエポキシ樹脂Ａ４を配合した。
【表１５】

以下の硬化剤Ｂ５を配合した。
【表１６】

²² ＮＭＡ無水物硬化剤は、ＨＹ９０６としてアメリカ合衆国のチバ・スペシャルティ・ケミカルズ・コーポレイションから入手可能である。
配合物Ｃ５を以下のように生成した。
【表１７】

始めに、樹脂および硬化剤を混合した。その後充填剤を徐々に混合し添加した。触媒を添加し、そして良く混合した。該混合物を脱気し、そしてその後３０・３０・１３ｃｍ（１２”×１２”×５”）の不導性モールド中に注型した。その後６０℃で４８時間硬化した。その後２１８℃に徐々に加熱し、そして２１８℃で１２時間後硬化し、そして徐々に冷却した。得られた厚板材料は優秀な熱的、機械的および機械加工的特性を有していた。機械加工した該原型を試験し、そして射出モールドを製造するために十分であることを見出した。
【００５３】
１．エポキシ／ポリウレタンモールドの製造
前記厚板材料Ｃ１およびＣ２を１８・１８・５ｃｍ（７”×７”×２”）の試験片に機械加工切断し、そしてＣＡＤ模型において表される斜視図である、図１（ａ）および１（ｂ）において図示される形状に機械加工した。コア（図１（ａ））およびキャビティ（図１（ｂ））をその後密封し、そして適したフレームに取り付け、製品を成形した。
【００５４】
２．ポリプロピレン、ＡＢＳおよび／またはポリカーボネート原型を製造するためのエポキシ厚板の使用
Ｃ１、Ｃ２およびＣ５として上記したエポキシ化合物から製造し図２において上記した製品を反映するツールを、ジェネラル・エレクトリック・レザン^R１４１クリアーを使用し、２５０ピース以上の量まで以下の設定で成形した。
【表１８】

Ｃ１として上記したエポキシ化合物から製造し、かつ図２において上記した製品を反映するツールを、ジェネラル・エレクトリック・サイコラック^R（ＡＢＳ）ＧＤＴ６４００で、３０ピース以上の量まで以下の設定で成形した。
【表１９】

Ｃ１として上記したエポキシ化合物から製造し、かつ図２において上記した製品を反映するツールを、シュルマン・ポリプロピレン２２６８において、３０ピース以上の量まで以下の設定で成形した。
【表２０】

【００５５】
３．ポリプロピレンおよび／またはＡＢＳ原型を製造するためのポリウレタン厚板の使用
Ｃ３として上記したポリウレタン化合物から製造し、かつ図２において上記した製品を反映するツールを、ジェネラル・エレクトリック・サイコラック^R（ＡＢＳ）ＧＤＴ６４００を使用し、３０ピース以上の量まで以下の設定で成形した。
【表２１】

Ｃ３として上記したポリウレタン化合物から製造し、かつ図において上記した製品を反映するツールを、シュルマン・ポリプロピレン−２２６８において、３０ピース以上の量まで以下の設定で成形した。
【表２２】

【００５６】
本発明を詳細にかつその特別な態様を引用して記載してきたけれども、数多くの改良および変更が添付した請求項によって定義される本発明の思想および範囲から外れることなく可能であることは、当業者により認識される。
【図面の簡単な説明】
【図１（ａ）】 図１（ａ）は、ＣＡＤ模型からのコア（エジェクタ）インサートを表す斜視図である。
【図１（ｂ）】 図１（ｂ）は、ＣＡＤ模型からのカバー（キャビティ）インサートを表す斜視図である。
【図２】 図２は、成形された原型およびランナーの斜視図である。

Claims (9)

1. 熱可塑性成形材料から成形される所望の成形品の反転像であるキャビティを有するモールドの製造方法であって、
   該モールドのための、前記熱可塑性成形材料の溶融温度より低いガラス転移温度を有する少なくとも一つのポリマー材料製厚板材料を用意し、そして
   該厚板材料の少なくとも一部をＣＮＣ機械加工装置によって除去して、コンピューター援用設計に従うキャビティを形成する
   ことからなる方法。
2. 前記ＣＮＣ機械加工装置は高速ＣＮＣ機械加工装置である、請求項１に記載の方法。
3. 前記厚板材料は硬化したポリウレタン形成性組成物である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記厚板材料は、平均で分子当り１個以上のグリシジル基を有する少なくとも一つのエポキシ樹脂を含む硬化した混合物である、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記厚板材料は硬化したエポキシ−シアナート組成物である、請求項１または２に記載の方法。
6. 原型の製造方法であって、請求項１ないし５のうちのいずれか一項記載の操作、および溶融した熱可塑性成形材料を前記キャビティ中に射出して、原型を作製することからなる方法。
7. 前記溶融した熱可塑性成形材料は、少なくとも約８２７４ｋＰａ（１２００ｐｓｉ）の圧力を受ける、請求項６記載の方法。
8. 前記熱可塑性成形材料は、ポリプロピレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマーおよびポリカーボネートからなる群より選択される、請求項６または７に記載の方法。
9. 前記原型は所望の最終成形品と同じ特性を有する原型であり、また射出される溶融した熱可塑性成形材料は前記最終成形品のための選択した熱可塑性材料と同一である、請求項６ないし８のうちのいずれか一項記載の方法。

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