JP2004508202A - メタルフォームからのボディ成形方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、メタルフォームからボディを成形する方法に関し、当該方法は、ａ）メタルからなる第１の粉剤、および発泡剤からなる第２の粉剤を供給するステップ、ｂ）第１および第２の粉剤を押出成形機に供給するステップであって、この第１および第２の粉剤は成形されていない状態にあり、ｃ）第１および第２の粉剤からなる混合粉剤を押出成形機から鋳型に搬送するステップであって、このステップが行われている間、混合粉剤は部分的に溶解され、この少なくとも部分的に溶解された混合粉剤に対して、発泡剤により発生されるガス圧よりも高い圧力を印加し、ｄ）少なくとも部分的に溶解された混合粉剤を鋳型に射出するステップ、およびｅ）圧力をガス圧よりも低いレベルにまで下げることにより、形成されるメタルフォームを鋳型（９）に完全に充填するステップを備える。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルフォームからのボディ成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＥＰ０　８０４　９８２　Ａ２に開示のメタルフォームからのボディ成形方法では、ガス放出発泡剤とメタル粉とを混合成形したものを開始剤として使用している。通常このタイプの成形混合剤は、押出成形により成形される。この成形混合剤は、ロッド形、チューブ形、または顆粒状である。メタルフォームを成形するには、この成形混合剤を、メタルが溶解し発泡剤が分解するまで熱処理チャンバ内で加熱する。その際に放出されるガスがメタルを発泡させる。こうして成形されたメタルフォームは、プランジャを用いてチャンバから鋳型に押し出される。
【０００３】
ＤＥ１９７　３４　３９４　Ａ１に開示のメタルフォームからのボディの成形方法では、やはりまず最初に成形半仕上げ剤を使用する。他の選択肢としては、まず最初に使用される材料は不発泡メタルであってもよく、メタルフォームを成形するために、ガスまたは発泡剤の添加は個別に行う。
【０００４】
ＤＥ４２　０６　３０３　Ｃ１により、メタルフォームからのボディの成形には、押出成形処理を繰り返してから粉末化したものを成形の開始剤として使用することが知られている。
【０００５】
ＤＥ１９７　４４　３００　Ａ１には、メタルフォームからボディを成形するためのさらなる方法が開示されている。この方法では、ガスを放出する発泡剤およびメタル粉から成る成形半仕上げ剤をレセプタクル内で加熱する。こうして成形されたメタルフォームは、下流に接続される鋳型に運ばれる。
【０００６】
しかしながら上記すべての方法では、成形開始剤、または成形半仕上げ剤を生成するにはコストと時間がかかってしまう。特殊な装置、例えば押出成形プレスを必要とすることも多い。
【０００７】
ＤＥ１　１６４　１０２には、メタルフォームからボディを成形するためのさらなる方法が開示されている。この方法では、メタルを溶解させたものをミキサに注ぎこみ、ミキサの中でガス発生物質と混合される。メタルを溶解させるには、溶解装置を別途備える必要がある。
【０００８】
ＵＳ５，８６５，２３７では、メタルフォームからのボディ成形方法が開示されている。この方法では、鋳型に接続される加熱処理チャンバを使用する。この加熱処理チャンバには、粉末冶金により生成されてメタルと発泡剤とを含む成形混合剤が入れられ、メタルフォームが成形されるまで加熱される。こうして成形されたメタルフォームは、その後、鋳型に押し出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
成形ボディの構造は、チャンバの充填状態、粉剤と発泡剤との混合程度、およびチャンバ内における粉剤の加熱により左右される。これらパラメータは常に最適にかつ再現可能に設定され得るものではない。発泡剤の消費を最小限にとどめ、経済的な処理を実現するためには、一方では加熱を急速に行うことが好ましい。しかしその一方で、急速な加熱は不均一な温度分布を引き起こし、成形ボディのセル構造にむらが生じる。従来の方法で成形されるコンポーネントは、その構造が不均一になる。
【００１０】
本発明の目的は、従来例の不都合を解消することにある。特に、その品質が一定なメタルフォームでボディが構成され、可能な限り簡単にかつ低コストで成形し得る方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本目的は、請求項１の特徴により達成される。本発明の好適な成果は、請求項２〜１９の特徴により明らかである。
【００１２】
本発明によれば、メタルフォームからボディを成形する方法であって、
ａ）メタルからなる第１の粉剤、および発泡剤からなる第２の粉剤を供給するステップ、
ｂ）第１および第２の粉剤を押出成形機に供給するステップであって、この第１および第２の粉剤は成形されていない状態にあり、
ｃ）第１および第２の粉剤からなる混合粉剤を押出成形機から鋳型に搬送するステップであって、このステップが行われている間、混合粉剤は部分的に溶解され、この少なくとも部分的に溶解された混合粉剤に対して、発泡剤により発生されるガス圧よりも高い圧力を印加し、
ｄ）少なくとも部分的に溶解された混合粉剤を鋳型に射出するステップ、および
ｅ）圧力をガス圧よりも低いレベルにまで下げることにより、形成されるメタルフォームを鋳型（９）に完全に充填するステップを備える、方法。
【００１３】
本発明における方法によれば、成形されていない状態で粉剤が押出成形機に直接供給された後、混合されて少なくとも部分的に溶解される。これにより、成形開始粉剤を生成するための高コストで時間のかかる工程が省略される。成形混合剤を生成するための特殊な装置も必要ない。
【００１４】
この方法によれば、少なくとも部分的に溶解された混合粉剤が集中的に混合される。さらに、余分に多大な費用をかけることなく、押出成形機において、発泡剤の好ましからざる早い段階での分解を打ち消す方向に作用する圧力の印加が可能になる。混合粉剤の加熱は、搬送パスに沿って正確に制御され得る。少なくとも部分的に溶解された混合粉剤は、押出成形機から鋳型に押し出されるまで発泡しないため、メタルフォームの組成は鋳型に移行する。よって、そのセル構造が不均一な組成にはならない。この結果、品質が一定な成形ボディが製造され得る。
【００１５】
第１の粉剤の平均粒子直径は５〜２５０μｍの範囲にあり、好ましくは１００μｍである。第２の粉剤の平均粒子直径は５〜２０μｍの範囲にあり、好ましくは１０μｍである。さらなる設計上の特徴によれば、第１および第２の粉剤は、押出成形機に投入される前に混合され、準備される。第１および／または第２の粉剤は、不活性ガス大気下で押出成形機に供給されてもよい。その場合、粉剤の好ましからざる酸化が防止できる。コンポーネントの品質が向上し、さらには再現性も向上する。
【００１６】
第１および第２の粉剤は、好ましくは剪断力の作用により押出成形機で混合される。混合粉剤の混合、および／または搬送は、押出成形機のスクリュの回転運動によって行われる。この場合、剪断力は、少なくとも部分的に溶解した混合粉剤に対しても作用する。好ましからざる樹状結晶の発生が回避し得る。スクリューの回転速度は、１分につきおよそ１００回転が好適である。
【００１７】
好適には、粉剤または混合粉剤は、フィード開口部からアンテチャンバに向かって延びる搬送パスに沿って継続的に加熱される。混合粉剤は、少なくとも部分的に発泡性の溶解物に変換され、この変換は、１回の工程ステップで搬送パスに沿って行われる。この工程では、混合粉剤と、少なくとも部分的に溶解された混合粉剤とが継続的に混合される。さらに、混合粉剤は、少なくとも部分的に溶解された混合粉剤を含むアンテチャンバ（原文のまま）に向かって運ばれる。この工程は押出成形機１台で可能なため、低コストで実行できる。押出成形により成形開始材料を個別に生成すると、次に押出成形後の半仕上げ材料を粉砕する必要が生じるが、成形開始材料を押出成形機に運ぶ工程は省略される。
【００１８】
押出成形機において、混合粉剤は液相温度よりも高い温度まで加熱される。好適には、押出成形機において、溶解物は液相温度よりも５０℃程度、好ましくは２０℃高い温度まで加熱される。混合粉剤の加熱温度を、固相温度と液相温度との間にすると非常に好適であることが証明されている。この場合、混合粉剤は一部分だけが溶解されている。少なくとも部分的に溶解された混合粉剤の固相含有率は２０〜５０％、好ましくは３０〜４０％である。また、この少なくとも部分的に溶解された混合粉剤は、アンテチャンバ内で半固形の揺変性状態で蓄積される。部分的に溶解した状態では、完全に溶解した状態に較べてその粘度が著しく増加される。これにより、鋳型への射出成形中に溶解物のフロントが継続的に形成される。つまり、鋳型に射出された材料の好ましからざる微粒化、および発泡剤により発生したガスの時期尚早な段階での漏洩を防ぐことができる。鋳型内部で圧力が解放されるため、それでもやはり射出材料は完全に溶解する。しかしながら、少なくとも部分的に溶解した混合粉剤を射出成形すると、発泡剤により発生したガスの解放に遅れが生じる。この場合、そのフォーム構成が均一な成形ボディを成形することができる、特に気泡が巨大化するの防止することができる。
【００１９】
発生ガス圧を最低限にとどめるために、使用する発泡剤は予酸化発泡剤が好ましい。
【００２０】
混合粉剤は、外部加熱装置、例えば外部ストリップヒータ、電磁加熱装置などによって押出成形機内で加熱される。このタイプの加熱装置により、押出成形機で混合粉剤を加熱する際の加熱率が正確に設定できるようになる。この結果、発泡剤の早い時期での分解が可能になり、溶解物の発泡が防止できる。さらに、溶解物の樹状化を防ぐことが可能なように温度設定を行うことができる。圧力を適切に設定するには、既知の機械的・プロセスエンジニアリング法を用いて制御し得る。３００℃を超える温度の押出成形機に印加される圧力は１０バールを超え、好ましくは３０バールを超えるとよい。
【００２１】
少なくとも部分的に溶解した混合粉剤の射出成形は、鋳型に向けられるスクリュの軸運動によって行われる。押出成形機には、便宜上、スクリュの下流に配置されるアンテチャンバを必要に応じて開閉するための機械式バルブが含まれる。ＵＳ５，０４０，５８９、またはＥＰ０　４０９　９６６Ｂ１により適切な装置は既知であり、その開示内容はここに引用される。
【００２２】
さらなる設計面での特徴によれば、鋳型は予め加熱される。これにより、溶解物が鋳型と接触している部分が過度に凝固してしまうことが防止し得る。この方法を行うには、使用するメタルはマグネシウム、またはマグネシウムアロイが好ましい。
【００２３】
さらなる設計上の特徴によれば、鋳型で囲まれるキャビティのサイズを射出成形後に大きくするようにする。この場合、使用する鋳型はポジティブモールド（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｍｏｌｄ）であることが好ましい。このタイプのモールドを使用すると、鋳型の少なくとも１つの面がプランジャの動きに伴って移動可能になり、キャビティのサイズを大きくすることができる。
【００２４】
使用するメタルはマグネシウム、アルミニウム、マグネシウムアロイ、またはアルミニウムアロイである。また、使用する発泡剤はメタル水素化物、好ましくはＴｉＨ_２ またはＭｇＨ_２ である。通常、発泡剤は、粉剤の全体重量の０．５％を占める。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の例示的な実施形態について、以下に図面を参照してさらに詳しく説明する。
図１は、本発明に係る方法の実施に適する装置の断面図であり、
図２は、第１の成形ボディの断面図であり、
図３は、第２の成形ボディの断面図である。
【００２６】
図１において総括的に参照符号１で示されるダイカスト成形機は、顆粒または粉末の投入に適したフィードホッパ２を含む。顆粒または粉末は、搬送装置（詳細には説明しない）を経由して、押出成形シリンダ４のフィード開口部３まで運ばれる。
【００２７】
供給材料の酸化を防止するために、搬送装置およびフィードホッパ２を不活性ガスでパージする。使用する不活性ガスは、アルゴンまたは窒素などである。
【００２８】
押出成形シリンダ４内部に備えられるスクリュ５は回転可能であり、軸方向に移動可能である。スクリュ５はブレード６に螺旋状に巻き付けられる。スクリュ５の開放端を参照番号７で示す。押出成形シリンダ４は、その流出端にダイ８を有する。ダイ８は、２部構成の鋳型９のゲートに向かって開口しており、バルブ（図示しない）によって閉口され得る。鋳型９は２つの部分から成ることにより、キャビティ１０を形成する。
【００２９】
スクリュ５の反対側の端は、それ自体が既知である高速射出成形機１１に接続される。この装置は、蓄電池１２、およびベアリング１４および１６で固定されるシリンダ１３を備える。カプリング１７の背圧ベアリングに延びて届くショットまたは射出プランジャ１５は、シリンダ１３の下流に配置される。これにより、それ自体が既知の方法でドライブシャフト１８への接続が可能になり、必要に応じて、射出プランジャ１５は回転せずに往復運動のみを行う。ドライブシャフト１８は、従来の方法でロータリドライブ１９から延びる。これにより、ドライブシャフト１８が水平方向に往復運動すると、射出プランジャ１５が動くようになる。ドライブシャフト１８は、ドライブカプリング２０を介してスクリュ５に既知の方法で連結される。これは回転運動をスクリュ５に伝えるためである。同様に軸運動もスクリュ５に伝えられ得る。
【００３０】
（実施例１）
フィードホッパ２を介して粉剤を投入する。この粉剤はマグネシウムアロイ、例えばＡＺ９１タイプのものから成る。粉剤の平均粒子サイズは１００μｍであり、発泡剤として使用する平均粒子サイズが１０μｍであるＭＧＨ_２ 粉剤と混合する。発泡剤は粉剤の重量の０．５％を占める。
【００３１】
この予混粉剤は、不活性ガス、例えばアルゴン大気下を、搬送装置を経由して押出成形シリンダ４のフィード開口部３まで運ばれる。スクリュ５の動きにより、この混合粉剤がダイ８の方向に向かって運ばれる。同時に、この混合粉剤は加速的に加熱されて加圧される。この混合粉剤は、ストリップヒータなどの外部加熱装置で加熱される。
【００３２】
スクリュ５は１分につきほぼ１００回転する。ダイ８に近づくにつれ、混合粉剤は４６５℃の固相温度より高くなるまで加熱される。押出成形シリンダ４に備えられ、参照符号２１で示されるアンテチャンバの内部圧力は３０バールを超え、５００または１０００バールまで達し得る。射出成形直前の温度は、アロイの液相温度である５９６℃より２０℃ほど高くなる。このため、混合粉剤は完全に溶解状態にある。この溶解物は均一になるまで混合される。アンテチャンバ２１内においてこの溶解物に作用する圧力は、上記温度で発泡剤により発生されるガス圧よりも高くなる。そのため、溶解物は発泡しない。
【００３３】
アンテチャンバ２１内に十分な量の溶解物が入るとすぐに、ダイ８が開口可能な状態になる。同時に、高速射出成形機１１によって、スクリュ５の開放端７がダイ８に向かって打ちこまれる。溶解物がキャビティ１０に運びこまれて圧力が開放される。ガス圧は周囲圧よりも高い。溶解物は突如発泡し始め、キャビティ１０を完全に塞ぐ。鋳型１０を構成する２つの部分は、予め加熱しておくと良い。
【００３４】
（実施例２）
第１の粉剤には、その９９％がアルミニウム、１％がマグネシウムであって、少量のシリコンを含むアロイが使用される。第１の粉剤の平均粒子サイズはおよび１００μｍである。第２の粉剤には、平均粒子サイズが１０μｍのＴｉＨ_２ が使用される。第１および第２の粉剤は不活性ガス、例えばアルゴンガス大気下を、射出シリンダ４のフィード開口部３まで運ばれる。混合粉剤は、フィード開口部３からアンテチャンバ２１に延びる搬送パスに沿って集中的に混練され、外部加熱装置によって、液相温度、ここでは６３０℃、から２０℃ほど低い温度まで加熱される。１００バールのアルゴン圧を印加する。この結果、混合粉剤が部分的に溶解する。この溶解部分の固相含有率はほぼ３５％である。
【００３５】
この部分的に溶解した混合粉剤がアンテチャンバ２１に充填されると直ちに、ダイ８が開口する。この部分溶解した混合粉剤は揺変性状態なまま、鋳型に射出される。鋳型内の圧力は、２６バールまで開放される。
【００３６】
図２は、直接照明下での顕微鏡による、上記方法で成形されたボディの断面図である。成形ボディのエッジ部分には気泡が認められない。半固形で揺変性状態の材料を射出成形しているため、鋳型内で溶解物が抑制不能に発泡しなかったためである。セル構造は均一である。
【００３７】
（実施例３）
一連の工程は実施例２と同様である。ただ、鋳型内の圧力が１１バールまで開放される点が異なる。
【００３８】
図３は、直接照明下での顕微鏡による、この方法で成形されたボディの断面を示す画像である。試料の長さは、同じく２０ｍｍである。同じく、エッジ部分の気泡は実質的に皆無である。成形ボディ内部のセルは均一に分布しているが、セルの平均サイズは図２に示す成形ボディのそれよりも大きい。これは、溶解物における発泡圧力が低めでことに起因する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る方法の実施に適する装置の断面図である。
【図２】
第１の成形ボディの断面図である。
【図３】
第２の成形ボディの断面図である。
【符号の説明】
１　ホットチャンバダイカスト成形機
２　フィードホッパ
３　フィード開口部
４　押出成形シリンダ
５　スクリュ
６　ブレード
７　開放端
８　ダイ
９　鋳型
１０　キャビティ
１１　高速射出成形機
１２　蓄電池
１３ シリンダ
１４　ベアリング
１５　射出プランジャ
１６　ベアリング
１７　カプリング
１８　ドライブシャフト
１９　ロータリドライブ
２０　ドライブカプリング
２１　アンテチャンバ

Claims (19)

1. メタルフォームからボディを成形する方法であって、
   ａ）メタルからなる第１の粉剤、および発泡剤からなる第２の粉剤を供給するステップ、
   ｂ）前記第１および第２の粉剤を押出成形機（４，５，６，７）に供給するステップであって、前記第１および第２の粉剤は成形されていない状態にあり、
   ｃ）前記第１および第２の粉剤からなる混合粉剤を、前記押出成形機（４，５，６，７）から鋳型（９）に搬送するステップであって、このステップが行われている間、前記混合粉剤は部分的に溶解され、この少なくとも部分的に溶解された前記混合粉剤に対して前記発泡剤により発生されるガス圧よりも高い圧力を印加し、
   ｄ）少なくとも部分的に溶解された前記混合粉剤を前記鋳型（９）に射出するステップ、および
   ｅ）前記圧力を前記ガス圧よりも低いレベルにまで下げることにより、形成されるメタルフォームを前記鋳型（９）に完全に充填するステップを備える、方法。
2. 前記第１の粉剤の平均粒子直径は５〜２５０μｍの範囲にあり、好ましくは１００μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の粉剤の平均粒子直径は５〜５０μｍの範囲にあり、好ましくは１０μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１および第２の粉剤は、前記押出成形機（４，５、６，７）に投入される前に混合されることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
5. 前記第１および／または第２の粉剤は、不活性ガス大気下で前記押出成形機（４，５，６、７）に供給されることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
6. 前記第１および第２の粉剤は、剪断力の作用により前記押出成形機（４，５，６，７）で混合されることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
7. 前記混合粉剤の混合、および／または搬送は、前記押出成形機（４，５，６，７）のスクリュ（５）の回転運動によって行われることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
8. 前記混合粉剤は、フィード開口部（３）からアンテチャンバ（２１）に向かって延びる搬送パスに沿って継続的に加熱されることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
9. 前記混合粉剤は、前記押出成形機（４，５，６，７）において、液相温度よりも５０℃程度、好ましくは２０℃高い温度まで加熱されることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
10. 少なくとも部分的に溶解された前記混合粉剤の固相含有率は２０〜５０％、好ましくは３０〜４０％であることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
11. 少なくとも部分的に溶解された前記混合粉剤は、アンテチャンバ（２１）内で半固形の揺変性状態で蓄積されることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
12. 使用される前記発泡剤は予酸化発泡剤であることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
13. 前記混合粉剤は、外部加熱装置によって前記押出成形機（４，５、６、７）内で加熱されることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
14. １０バール、好ましくは３０バールを超える圧力が、３００℃を超える温度の前記押出成形機（４，５，６，７）に印加されることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
15. 少なくとも部分的に溶解した前記混合粉剤の射出成形は、前記鋳型（９）に向けられる前記スクリュ（５）の軸運動によって行われることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
16. 前記鋳型（９）は予め加熱されることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
17. 前記鋳型（９）で囲まれるキャビティのサイズは、射出成形後に大きくされることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
18. 使用される前記メタルはマグネシウム、アルミニウム、マグネシウムアロイ、またはアルミニウムアロイであることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。
19. 使用される前記発泡剤はメタル水素化物、好ましくはＴｉＨ_２ またはＭｇＨ_２ であることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の方法。