JPH04500929A - 光硬化性コンパウンドおよびインベストメント鋳造法 - Google Patents
光硬化性コンパウンドおよびインベストメント鋳造法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
光硬化性コンパウンドおよびインベストメント鋳造法梁上の」 野
本発明は、光硬化性の液体コンパウンド、および光硬化性コンパウンドから三次
元の目的物を製造するためにステレオリトグラフィーを利用するインベストメン
ト鋳造法に関する。このコンパウンドは熱可塑性材料を含む。
鳳SO遺1゜
インベストメント鋳造とは、使い捨ての原型を用いた通常の工業的方法であり、
これは、製品を鋳造することができるセラミックの鋳型を製造するために用いら
れる。
この原型は、通常、液体KW材料、たとえば、ろう、熱軟化性プラスチック等を
原型キャビティに射出することにより製造される。この原型キャビティは、通常
は、耐久性材料、たとえばアルミニウム、鋼等から通常の機械的方法により製造
される。この原型は、H型材料が固まってからキャビティから取り出される。
耐火性材料、たとえば水性セラミックススラリーは、原型を包込むために、原型
の周囲に形成される。鋳型は、中に包込まれた原型ごと耐火材料を加熱し、原型
を除去し、耐火性材料を融着させることにより製造される。このインベストメン
ト鋳造法の詳細は、鋳型中に流し込む材料のタイプに依存する。合金鉄の鋳造は
、通常のインベストメント鋳造法の説明のために用いられる。
この原型は耐火性材料の連続層で被覆されている。
それぞれの層はファインセラミックス砂で被覆され、次の層を設ける前に乾燥さ
れる0通常、耐火性材料中に原型を埋め込むために、約lO〜20の層が用いら
れる。包込まれた原型は、開口の金属コンテナに入れられ、このコンテナは、硬
化するセラミックのバックアップ材料の粗製スラリーで充填されている0次にこ
のコンテナを炉またはオートクレーブに入れる。炉またはオートクレーブの温度
は、耐火性材料を乾燥し、次いで融着させるまで高められる。この原型は、加熱
工程の間に、原型を構成している材料を溶出するかまたは焼き飛ばすことにより
除去される。生じた融着セラミック構造体は、所望の鋳型である。
原型の除去により、コンテナ中に、形状および寸法において最終的製品と一致す
るキャビティが生じる。
このキャビティ(およびこれに対して原型)は、引き続く鋳造工程において生じ
る収縮を補償するため、または所望の場合に機械加工のために、最終的製品より
もわずかに大きくすることができる。
この鋳型は、しばしば、このキャビティに鋳造金属を充填する前に、原型材料の
最終的痕跡を焼き飛ばし、かつ耐火性材料を融着させるために燃焼させる。この
燃焼工程は、制御したサイクルでゆっくりと進められ、このサイクルは鋳型のク
ラッキングを避けるために12から18時間の範囲内で行われる。
鋳造金属は鋳型のキャビティに導入され、鋳物を形成させるために冷却して凝固
させる。凝固させた後に、この鋳型を壊して製品を取り出す。
前記した方法は、原型の形成において使用するキャビティの製造のために必要な
機械加工のための時間および費宙が原因で、比較的時間がかかり、費用がかかる
。その結果、先行技術の方法は、若干数の製品を所望とする場合でさえ現実的で
ない。
比較的多い数の製品が所望の場合にも同様に、先行技術は高価である。それとい
うのも、この方法は多様な寸法を有する多数の原型キャビティセットを製造する
必要があるためである。これは、原型の収縮または鋳物の収縮および機械加工を
補償するために必要な原型のサイズ(および原型キャビティのサイズ)を、経験
的に決定しなければならないためである。多様なサイズの原型の数は、通常、鋳
造製品の所望の寸法を達成するのに適当なサイズが決まるまで製造される。この
収縮の問題は、鋳造材料(たとえば収縮が鋳造製品の35容量%以上に達するよ
うな粉末材料)のような場合とは別である。高価な機械加工を排除した原型キャ
ビティは経済性および生産性の理由から有利である。
Hullの米国特許第4575330号明細書に記載されたように、紫外線硬化
性のエチレン性の不飽和液体材料の上層を凝固させるために、このような材料の
液体のコンテナの表面で、コンピュータでガイドした紫外線を用いて複雑な形状
の三次元の目的物を成形することは公知である。この方法により成形した部分重
合した目的物をコンテナから取り出し、この目的物を強化するために硬化させる
1通常、壁部が薄い寸法上正確な目的物がこの方法で成形される。この壁部が薄
い目的物は、通常、約0.05インチの厚さの壁を有する。より厚い壁は薄い壁
をハネカム構造に成形することにより得られ、中空の壁の目的物が生じる。目的
物を製造するためのこの方法は、「ステレオリトグラフィー(stereoli
thography) jとして公知である。
インベストメント鋳造用の原型としての目的物を製造するためにこのステレオリ
トグラフィーを利用する試みは、今まで成功しなかった。この方法は、エチレン
性不飽和材料に関する放射線硬化により製造した架橋した硬質熱硬化性ポリマー
を成形した原型にするためである。このように、この原型は加熱の際に、溶融は
しないが、そのかわり膨張してしまう、この硬質の目的物の熱膨張は、原型を除
去するために十分な加熱ができる前に、原型が埋め込まれた耐火性物質を破損す
るかまたは歪めてしまう。
熱膨張の問題は、ステレオリトグラフィーにより製造した固体の目的物またはま
たは比較的厚い固体壁を有する目的物を利用する場合にも同様に生じる。厚い固
体壁は、中空壁の目的物のハネカム構造に、エチレン性不飽和材料を充填し、こ
れを硬化させることにより製造することができる。この方法は、178インチま
で、または1/4インチまでの厚さの壁を有する目的物を製造することもできる
。これらの厚い壁部の目的物はその熱膨張性よりも強い強度を有する。この、固
体の目的物および厚い固体壁部を有する目的物は、薄い壁部の目的物よりも鋳型
が破損させるかまたは歪む原因がより多い。鋳型が破損されるかまたは歪んだ場
合、もはや使用することができない。
本発明において、ステレオリトグラフィーとインベストメント鋳造との組合せは
、強力な生産システムを提供する。それというのも、この組合せは、インへスト
メント鋳造法に使用するための正確な原型の比較的速いかつ廉価な生産を可能に
するためであるにれを達成することで、本発明は通常のインベストメント鋳造お
よびステレオリトグラフィーの双方の前記の欠点を克服した。さらに特に、この
原型を成形するための負担および費用は、ステレオリトグラフィーを用いた成形
により減少し、生じた原型は、インベストメント鋳造方法で使用する場合、鋳型
を歪めることはない。
叉尻亘見豊
本発明に従って、ステレオリトグラフィーにより成形した原型を使用するインベ
ストメント鋳造法は、高めた温度に曝した場合、構造上の硬さを失うことが明ら
かである。前記した原型を製造することができるような放射線重合性(光重合性
)の液体コンパウンドは公知である。このような液体コンパウンドは、エチレン
性不飽和材料および、(1)エチレン性不飽和材料に対して不活性でかつそれに
可溶性であり、(2)約150℃よりも低い融点を有するような熱可塑性低分子
材料、たとえばオリゴマーまたは化合物からなる。
オリゴマーを使用する場合、融点は約100℃よりも低い温度が有利である。化
合物を使用する場合、これは周囲温度、つまり約20℃〜35℃では固体であり
、かつ150℃より低い温度の鋭い融点を有する。オリゴマーと化合物の混合物
も使用することができる。
ステレオリトグラフィーにより製造することができる原型から鋳型を製造するた
めに適した方法は、つぎの工程二la)原型を耐熱材料中に埋め込むが、その際
、この材料は放射線硬化性のエチレン性不飽和材料の架橋した重合マトリックス
であり、この材料は前記熱可塑性材料中に分配されており、この熱可塑性材料は
、鋳型の加熱工程の際に原型のクラッキングまたは歪みを防ぐために有効な量で
存在する;および(b)鋳型の製造のための耐火性材料および原型を加熱するこ
とからなる。原型の埋込法は前に詳細に述べている。
この原型は、放射線重合性のエチレン性不飽和材料の、架橋した熱硬化性ポリマ
ー材料である。容易に熱軟化する熱可塑性材料がマトリックス中に分配されてい
る。この熱可塑性材料は、原型を加熱した場合、マトリックスから流れ出し、マ
トリックスを弱体化し、その熱膨張を阻止する。このマトリックスの弱体化は、
原型が、クラッキングまたは歪によるような鋳型の破損を阻止するために十分低
い温度の軟化点を有することからなる。さらに加熱した場合、原型を分解しかつ
鋳型から焼き飛ばすことができる。
前記したように、約1/4インチまでの厚さを有し、通常の熱可塑性材料を有し
ていないコンパウンドから製造した固体の厚壁の原型は、インへストメント鋳造
法において用いられる高めた温度で、鋳型を破損するほど高い硬さを維持する。
しかし、この液体コンパウンドから製造し、その中に熱可塑性材料を分配して有
する固体の、薄壁および厚壁の原型は、インベストメント鋳造に使用することが
できる。それというのもこの熱可塑性材料は原型のマトリックスから流れだし、
高めた温度で原型の硬さを低下させるためである。
前記した熱可塑性化合物は、周囲温度で固体であり、約150℃より低い鋭い融
点を有し、オリゴマーと比較して、インへストメント鋳造において、ステレオリ
トグラフィーにより製造した目的物の効果をより高めている。この化合物は、鋭
い融点を有し、比較的少ない温度範囲で固体状態から液体状態に移行する。この
化合物の液体状態での流動性は、原型からこの化合物をより容易に排除し、ひい
ては構造上の硬さを失わせる。
の詳細な説明
本発明は多様な形態の実施態様が存在するが、本発明の有利な実施態様を示す、
この開示は本発明の原則の実施例としてみなされるが、記載した実施例について
本発明を制限するものではないと理解される。
本発明は、熱可塑性材料をその中に分配して含有するポリマーマトリックスから
なる原型を耐火性材料中に埋め込む工程と、原型を除去し鋳型を製造するために
耐火性材料および原型を加熱する工程とからなり、ステレオリトグラフィーによ
り製造した原型から鋳型を製造するために適した方法である。この熱可塑性材料
は、鋳型を加熱する際に原型のクラッキングまたは歪を防ぐために有効な量で存
在し、低分子量であり、約150℃よりも低い融点を有するオリゴマーまたは化
合物である。このオリゴマーを使用する場合、この融点は約100℃よりも低い
温度であるのが有利である。化合物を使用する場合、周囲温度、つまり約り0℃
〜約35℃で固体であり、約150℃より低い鋭い融点を有する。オリゴマーお
よび化合物の混合物も本発明において使用するのに適している。
文章中の「鋭い融点」とは、化合物が狭い温度範囲内で、固体状態から液体状態
に移行することを表す。
原型を製造するために適した放射線重合性液体コンパウンドは前記しである。こ
のコンパウンドはエチレン性不飽和材料と熱可塑性材料とからなる。
この熱可塑性材料はエチレン性不飽和材料中に溶解する。この原型は、熱可塑性
材料を含有する間隙を有する硬化したエチレン性不飽和材料の重合マトリックス
を製造するために、コンパウンドを硬化させることにより製造することができる
。
前記したHullの明細書に記載されたような、通常のステレオリトグラフィー
法は、原型の製造のために利用することができる。この放射線重合性(光重合性
)の液体コンパウンドはコンテナ中で使用することができる。
原型を構成する目的物は、前記したような通常のインベストメント鋳造法におい
て利用することができる。
この熱可塑性材料は、実際に、化学的に不活性、つまり他の材料、成分およびコ
ンパウンドに対して不反応性である。このように、熱可塑性材料は、反応性のエ
チレン性官能基、たとえばアクリル基を含有していてはならない、ヒドロキシ基
またはカルボニル基のような反応性の基は熱可塑性材料中に存在することができ
るが、エチレン性不飽和材料はこれと反応する基を含むことができない、この熱
可塑性材料は、コンパウンドを液体状態から固体状態に放射線硬化させるのに、
悪影響をおよぼさない、このように、硬化させるのに悪影響を及ぼし、熱可塑性
材料を成形した重合マトリックスと化学的°に結合させるアミン基は排除される
のが有利である。
この熱可塑性材料はエチレン性不飽和材料に十分に溶解し、製造した架橋した熱
硬化性ポリマーマトリックス中の熱可塑性材料の均一な分配が生じる。不溶性の
熱可塑性材料は、コンパウンドを硬化させるために使用する放射線の分散が原因
で、原型の寸法精度の損失が生でしまう。
このような適用に使用するのに適したこの熱可塑性材料は、原型の膨張による鋳
型の破損または歪が生じる程度の温度より低い温度で流動しなければならない(
この場合、流動は軟化と同様に解重合により生じる)、原型が鋳型を破壊する温
度は、鋳型のサイズ、厚さおよび組成、原型の厚さなどにより部分的に左右され
る。熱可塑性材料の存在は、原型の軟化温度を低下させる。
前記した「解重合」とは分子量の減少を意味する。
このような減少は、熱可塑性材料が、より軟化することにより、または融点を低
下させることにより、または部分的に蒸発することにより流動する原因となる。
この目的は、鋳型を破壊する代わりに原型のポリマーマトリックスを弱体化させ
ることである。
この熱可塑性材料は、有利に、全体のコンパウンドの粘度が約10000センチ
ポイズ(cp)より低くなるまで無作為に添加される。この粘度は約200〜約
2000cpの範囲内にあるのがさらに有利である。
この粘度が、約300〜約800cpの範囲内にあるのが特に有利である。この
粘度は、それについて提供された指示に従って、ブロックフィールド粘度計を使
用して25℃の温度で測定する。低い粘度は、ステレオリトグラフィ一工程で、
薄層の形成において有利であり、かつ、成形した液体フンバウンド浴から試験片
を除去する際にも有利である。
熱可塑性オリゴマーは周囲温度で液体である。しかし、このコンパウンドにより
成形した原型(試験片)は周囲温度で固体であり、この液体オリゴマーは、成形
した架橋ポリマーマトリックスに保持されている。
好ましい熱可塑性オリゴマーは約200〜約5000、有利に250〜1500
ダルトンの範囲内の数平均分子量を有し、室温で液体かロウ状の固体であるのが
有利であり、エチレン性の不飽和の液体に溶解する。
前記した「ダルトン」とは、炭素−12の質量の1/12の質量単位と定義する
。
この有利なオリゴマーは、約100℃より下、特に有利に約り0℃〜約40℃の
温度の融点を有し、加熱の際にポリマーマトリックスを適当に弱体化するが、室
温では最大の強度(引張弾性率により測定)を有する。
通常、このオリゴマーは比較的高い分子量(熱可塑性化合物と比べた場合)を有
するか、または約±10特表平4−500929 (5)
℃のよりも広い温度範囲にわたり溶融する。このようなオリゴマーは、M型の膨
張を防ぐために、約100℃よりも低い融点を有するのが有利である。
このコンパウンドに使用するのに適当な実際のオリゴマーは、天然ワックス、た
とえば動物性ワックス(蜜蝋)、植物性ワックス(カルナバ)、鉱物性ワックス
(オシケライト、パラフィン、および微結晶性石油)、合成ワックス(エチレン
性ポリマー、エチレン性ポリオールエーテル−エステル、および塩素化ナフタレ
ン)、可塑剤(約4個〜22個の炭素原子を有するアルコールおよびエチレング
リコール、グリセロールおよびペンタエリトリトールのようなポリオールのフタ
ル酸エステル、アジピン酸エステルおよびセバシン酸エステル)である、ジオー
ルの大過剰量をポリカルボキシル酸、たとえばアジピン酸またはトリメリド酸と
反応させることにより生じる低分子量のポリエステルも使用することができる。
前記のものの組合せも使用することができる。
有利な熱可塑性オリゴマーは、低い数平均分子量のポリエステル、たとえばε−
カプロラクトンポリエステルポリオールである。これらはポリオール、たとえば
エチレングリコール、プロピレングリコールまたはブチレングリコールをラクト
ンでポリエステル化することにより製造することができる。2個より多いヒドロ
キシ基を有するポリオール、たとえばトリメチロールプロパンおよびペンタエリ
トリトールも使用可能である。ラクトンの割合およびポリオールの選択の制御は
、所望の数平均分子量を有するポリエステルを選択することができる。トリオー
ル、たとえばトリメチロールプロパンは、この方法において特に有効であり、有
利なオリゴマーである。
多価アルコールのε−カプロラクトンポリエステルでありかつ有効である2つの
熱可塑性オリゴマーは、市販品、Tone 0301およびTone 03]0
である。これらはユニオンカーバイド社(Union Carbide Car
p、 New Y。
rk、NY)により市販されている。Tone 0301は、約300ダルトン
の数平均分子量を得るために、エチレングリコールをカプロラクトンでエステル
化することにより得られたポリエステルである。この生成物は室温で液体である
。 Tone 03]0は、約900ダルトンの数平均分子量を得るために、ト
リメチロールブロノくンをカプロラクトンでエステル化することにより得られた
ポリエステルである。この生成物は室温でワ・ソクス状の固体であり、約32℃
の融点を有する。
この熱可塑性化合物は周囲温度で固体であり、簡単に加熱して軟化させることが
できる。この熱可塑性化合物の融点は、約150℃より低く、有利には約125
℃よりも低い温度である。この化合物は鋭1)融点を有し、有利には、融点の約
±5℃の温度範囲で、特に有利には、約±3℃の温度範囲で、固体状怒から液体
状態に移行する0通常、このような化合物は、比較的純粋、つまり工業的なグレ
ードで純粋である。このコンパウンドから成形したM型は、周囲温度で固体であ
る。
有利な熱可塑性化合物は、約250ダルトンより少ない、有利に約120〜21
0ダルトンの数平均分子量を有する。
この化合物は、種類において脂肪族または芳誉族であってもよく、構造的に直鎖
、分枝鎖または環状であってもよい、これは、実際にモノマーであり、周囲温度
で固体であり、エチレン性の不飽和の液体コンパウンドに可溶性で、不飽和の液
体材料の遊離基反応に関して非反応性であり、約150℃よりも低い温度の鋭い
融点を有するという要求を満たす。
適当な熱可塑性化合物は、カプロラクタム、2,2−ジメチル−3−ヒドロキシ
プロピル 2.2−ジメチル−3−ヒドロキシ プロピルプロピオネート(ユ
ニオンカーバイド社(Union Carbide Corp、、NewYor
k、NY)から、Esterdiol 204の商品名で市販されている)、ジ
メチルテレフタレート、ジメチルシクロヘキサノール、ジメチルジオキサンジオ
ン、このようなものおよびこれらの混合物からなるグループから選択される。
この化合物は目下有利な熱可塑性材料である。
ステレオリトグラフィ一工程で使用するこのエチレン性不飽和材料は広い範囲で
変えることができ、かつ常用である。エチレン性不飽和材料は、熱可塑性化合物
との反応の回避を保証するエチレン性不飽和の他に、反応性基を含有しないのが
有利である。エチレン性不飽和の他の反応性基は、この基が熱可塑性化合物と反
応しない場合に限って許容することができる。
本発明において使用するのに適した実際に放射線重合性液体化合物は、フリーラ
ジカル特性により重合する液体のエチレン性不飽和材料を含有することができる
。このエチレン性不飽和材料は、液体の反応性希釈剤、有利にエチレン性の不飽
和の液体に溶解した樹脂の(メタ)アクリレート共重合性の架橋可能成分((メ
タ)アクリレート成分)からなり、これは液体モノ(メタ)アクリレート、液体
ポリ(メタ)アクリレート、またはこのような液体の混合物、および光重合開始
剤を含有していてもよい。
前記した「(メタ)アクリレート」とは、アクリル酸またはメタクリル酸と、モ
ノ−またはポリヒドロキシ化合物、たとえばエタノール、ブタノール、エチレン
グリコール、トリメチロールプロパン等との反応生成物であるエステルと定義さ
れる。
前記した「(メタ)アクリレート共重合性の架橋可能成分」および「(メタ)ア
クリレート成分」とは、(メタ)アクリレートおよびポリ(メタ)アクリレート
と同一である。この用語は(メタ)アクリレートと同様の放射線重合特性を有す
るモノマーおよびポリマーと同一でもある。
前記した「反応性希釈剤」とは、(メタ)アクリレート成分を溶解し、かつ、共
重合することができる希釈剤である。
本発明において使用するのに適した樹脂の(メタ)アクリレート共重合性の架橋
可能な成分は、モノマーおよびポリマーを含むここができ、重要なバリエーショ
ンに属する。この(メタ)アクリレート成分は、1分子あたり約1.2以上、有
利に約2.0以上の数の(メタ)アクリレート基を有する。この(メタ)アクリ
レート成分は流動可能な粘度を存するのが好ましく、処理条件で安定であり、こ
のモノマーおよびポリマーはこれらの末端に達するまで選択される。
樹脂の(メタ)アクリレート成分は、たとえばエポキシ官能樹脂のジアクリレー
ト1分子あたり約2個以上の(メタ)アクリレート基、を含有するポリ(メタ)
アクリレートであってもよい、このようなジアクリレートは、たとえばInte
rez、 Inc、 、 Louisvi lle、 KY、から得られる市販
品Novacure 3700が挙げられ、これはEp。
n828とアクリル酸とのジエステルである。Epon 828はエポキシ官能
樹脂であり、これはビスフェノールAのジグリシジルエーテルであり、5ell
Chemicals、NewYork、 NYから市販されている。このNo
vacure 3700の数平均分子量は、約500ダルトンであり、Epon
828の数平均分子量は、約390ダルトンである。
ポリ(メタ)アクリレート変性ポリウレタンは、樹脂の(メタ)アクリレート成
分、特にポリエステルペースを有するようなものとして使用することができる。
ヒドロキシ官能性ポリエステル、特に1分子あたり約2〜約5個のヒドロキシ基
を有するようなものと、モノアクリレートモノイソシアネートとのウレタン反応
生成物であるポリアクリレート−末端のポリウレタンが有利である。
このポリ(メタ)アクリレート変性ポリウレタンは、約600ダルトンの数平均
分子量までトリメチロールプロパンとカプロラクトンとを反応させ、引き続き、
このポリエステル1molと、2−ヒドロキシエチルアクリレート1 m o
1と、インホロンジイソシアネート1molとの反応生成物3mo 1とを反応
させることにより製造したポリエステルから得ることができる。
この最終生成物はポリウレタントリアクリレートである。ウレタン生成反応は、
通常、ジブチルスズジラウレート約1重量%の存在で、約60℃で実施される。
使用することができる市販のポリエステルベースのポリアクリレート変性ポリウ
レタンはUvithane 893であり、 Th1okol Chemica
l Corp、、Trenton、NJ、から得られる。このUvithane
893中のポリエステル生成物は、約5より下の酸価までのポリエステル化し
たエチレングリコール約1.2mol量と、アジピン酸との反応生成物である。
このポリエステルは、前記したように、ポリアクリレート変性ポリウレタンに変
えることができ、このポリウレタンは、周囲温度で半固体であり、樹脂100グ
ラムあたり、エチレン性不飽和基約0゜15〜0.175個を有している。
ポリエステル工程において、この酸価は、ポリエステル1グラムを中和するのに
必要な塩基のミリグラム数であり、反応の進行を監視するために使用される。
酸価が低ければそれだけ反応は進行している。
(メタ)アクリレート成分として適当な付加的なポリアクリレート変性ポリウレ
タンは、ジイソシアネートと、ヒドロキシアルキルアクリレートと、触媒とを、
約40℃で、約4時間で反応させ、引き続き、約60℃の温度で、約2時間、こ
れを市販のヒドロキシ末端官能性カプロラクトンポリエステルと反応させること
により得られた反応生成物である。前記したポリアクリレート変性ポリウレタン
は、インホロンジイソシアネート1 m o Iと、2−ヒドロキシエチルアク
リレート1molと、ジイソシアネート、アクリレートおよび触媒の重量に対し
て釣1重量%のジブチルスズジラウレート(触媒)と、カプロラクトンポリエス
テル1molとから製造することができる。適当なカプロラクトンポリエステル
は、約60℃で、4時間反応させるたカプロラクトンとアルキレングリコールと
の反応生成物である。前記したカプロラクトンポリエステルは、カプロラクトン
、ポリエステルの比が約2.1で製造することができる。市販のカプロラクトン
ポリエステルは、商品名工one M−100(数平均分子量約345ダルトン
)で、Union Carbide Corp、、New York、NY、か
ら得られる。
本発明において使用するのに適したその他のエチレン性不飽和材料は、Pott
ing Compound 363、変性アクリレート(Locktite C
orporation、Newington、CT、から市販)である。
本発明において使用するのに適したエチレン性不飽和材料を製造する方法は、O
’ Su l l 1vanの米国特許第4100141号明細書に記載されて
いる。
樹脂の(メタ)アクリレート成分は、有利に、ステレオリトグラフィ一工程にお
ける歪を最小にするため、両方のアクリレート−およびメタクリレート官能材料
を含んでいる。さらに有利には、この(メタ)アクリレートコンパウンドは、エ
チレン性不飽和成分の重量に対して約40重量%以下のアクリレート官能性材料
(アクリレートと同様の放射線重合特性を有するビニルポリマーを含む)および
メタクリレート官能性材料約5重量%以下を含有する。
この樹脂の(メタ)アクリレート成分は、液体の反応性希釈剤に溶け、この希釈
剤は、有利にポリエチレン性の不飽和の液体材料、たとえばポリ(メタ)アクリ
レートを含む、液体トリ(メタ)アクリレート、たとえば、トリメチロールプロ
パントリアクリレート、およびジ(メタ)アクリレート、たとえば、1,6−ヘ
キサンシオールジ(メタ)アクリレートが適している。液体テトラ(メタ)アク
リレート、たとえば、ペンタエリトリトールテトラアクリレートも使用すること
ができる。有利な液体ポリ(メタ)アクリレートは、5arto+ner C9
003、約330ダルトンの数平均分子量を有し、1分子あたり2個のプロピレ
ンオキシド単位を有するネオペンチルグリコールのポリプロポキシレート変性ジ
アクリレート、およびSR339,2−フェノキシエチルアクリレートである(
双方ともSartomerjlest Chester、 PA、から市販)。
液体の反応性希釈剤として適当なトリアクリレートは、Photomer 40
94.430ダルトンの数平均分子量を有するプロポキシル化したグリセリルト
リアクリレートである(Henkel Corp、、Ambler、PA、から
市販)。
この液体の反応性希釈剤は、モノ(メタ)アクリレートのようなものエチレン性
不飽和液体材料である。
適当な材料は、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシエチル(メ
タ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、N−ビニルピロ
リドン等である。このようなものエチレン性不飽和材料の混合物も適している。
この液体反応性希釈剤は、それぞれ約4:1〜約14の重量比で、モノエチレン
性およびポリエチレン性不飽和材料の混合物であるのが有利である。
もう一つの反応性希釈剤は、液体N−ビニルモノマーであり、これは(メタ)ア
クリレートと同様の放射線重合特性のため、(メタ)アクリレートの意味に含め
るものとする。前記のN−ビニルモノマーはN−ビニルピロリドンおよびN−ビ
ニルカプロラクタムであり、N−ビニルピロリドンが有利である。
化学エネルギー、たとえば紫外線またはその付近のもの、および可視光線、たと
えば約200〜約500ナノメートルの波長を有する光線を照射した場合に、放
射線重合を開始する作用がある光開始剤が使用される。この放射線重合性の液体
コンパウンドは、光開始剤なしに供給され、この光開始剤は硬化の前に添加して
もよい、この光開始剤は公知であり、常用されている。これは、通常、ケトン化
合物およびしばしば芳誉族化合物、たとえばベンゾフェノンである。 Daro
cur1173は、EM +J6micalsからの市販されたベンジルケター
ルベースの光開始剤であり、これは活性成分として2−ヒドロキシ−2−メチル
−1−フェニル−プロパン−1−オンを含有している。 C1ba Geigy
Corp、から市販されているアリールケトン光開始剤であるIrgacur
e 184は有利であり、これは、活性成分としてヒドロキシシクロへキシルフ
ェニルケトンを有している。
前記した「化学エネルギー」とは、放射線重合性液体コンパウンドにおいて化学
変化を起こさせることができるような放射線であると定義される。
樹脂の(メタ)アクリレート成分は、エチレン性の不飽和材料の重量の約15〜
約80重量%、特に、約40〜約70重量%の量で存在するのが有利である。
液体の反応性希釈剤は、エチレン性の不飽和材料の重量の約20〜約80重量%
、特に約30〜約60重量%の量で存在するのが有利である。
光開始剤は、エチレン性の不飽和材料の重量の約1〜約lO重量%の量で存在す
るのが有利である。
もう一つの反応性希釈剤は、有効な場合に、エチレン性不飽和材料の重量の約1
0〜約40重量%の量で存在し、(メタ)アクリレート成分の同じ量と置き換え
ることができる。
安定剤および重合抑制剤は、エチレン性不飽和材料の約1重量%より少ない量で
存在することができる。
ヒドロキノンのメチルエーテルが挙げられる。
放射線重合性の液体コンパウンドの粘度は、エチレン性不飽和材料に対して不反
応性でかつ不活性の希釈剤を用いて調節することができる。この希釈剤は、エチ
レン性不飽和材料に関して約5重量%までの量で存在する。希釈剤が存在する場
合、エチレン性不飽和材料の量は減少する。sf釈剤の例はn−ヘキサノールで
ある。
熱可塑性材料が熱可塑性オリゴマーである場合、このオリゴマーは、放射線重合
性の液体コンパウンドの総重量に対して約5〜約50、有利に約15〜約35重
量%の量で存在する。このように、エチレン性不飽和液体材料は、放射線重合性
の液体コンパウンドの総重量に対して約50〜約95重量%、有利に約65〜8
5重量%の範囲内の量で存在する。
熱可塑性材料が熱可塑性化合物である場合、この化合物は、放射線重合性の液体
コンパウンドの総重量に対して約5〜約40、有利に約15〜約25重量%の範
囲内の量で存在する。このように、エチレン性不飽和液体材料は、放射線重合性
液体コンパウンドの総重量に対して約60〜約95、有利に約75〜約85重量
%の範囲内の量で存在する。
このコンパウンドから製造した原型は、約180℃以下の軟化温度を有する。
前記の「軟化温度」とは、硬化したコンパウンドおよびこれから製造した原型が
その構造上の固さを失う温度を表す。
通常、コンテナから取り出したこの目的物は多少ゼラチン状である。この目的物
の硬質の固体への硬化は通常の方法、たとえば、この目的物を成形したコンテナ
から取り出した後、化学エネルギーに曝すことで仕上げることができる。もう一
つは、この目的物を熱により硬化させることもできる。フリーラジカル重合触媒
は、熱硬化をより硬質にし、低い温度で効果的にするために利用することができ
る。どのように硬化を行ったかには関係なく、この硬化した目的物は、ポリマー
マトリックスの間隙に分散した熱可塑性材料を有し、原型として使用するのに適
している。
放射線硬化性の液体フンバウンドを硬化させるために適した化学エネルギーは、
Liconix Model 4240 N。
直径350ミクロンに集中した325ナノメートルで15ミリワツトのアウトプ
ットを有するヘリウム−カドミウムレーザーにより製造することができる6通常
の供給量は、約20ミルの厚さの重合層において生じる表面積1平方センチメー
トルあたり、約3.0ジユールである。この化学エネルギーの波長および供給量
は、使用する放射線硬化性の液体コンパウンドに応じて変えられる。
つぎの実施例は1本発明を詳説するが、本発明を制限するものではない。
例1:多様なコンパウンドについてのパーセント重量損失の比較
比較テストは、熱可塑性材料を含まない対照コンパウンド(AおよびB)、それ
ぞれ異なる熱可塑性オリゴマーを含有する本発明のコンパウンド(C,D、Eお
よびF)、およびそれぞれ異なる熱可塑性化合物を含有する本発明のコンパウン
ド(GおよびH)を用いて行った。これらのコンパウンドは、表■の割合で、そ
れぞれのコンパウンドのそれぞれの成分を、周囲温度で通常の均一な状態に混合
することにより製造することができる。
’ Novacure 3700、Interez Corp、、Jeffer
son、NYにより市販、500ダルトンの数平均分子量を有するエポキシジア
クリレートを主体とするビスフェノールA。
” Uvitbane 893、Tb1okol Chemical Corp
、、Trenton。
NJにより市販、ポリエステルベースのアクリル化ポリウレタン。
’ Epon 82g、5hell Chemicals、New York、
NYにより市販、ビスフェノールAのジグリシジルエーテル、これはEpon
828ジアクリレートを製造するため、2モルのアクリル酸と反応させる。
’ Photomer 4094、Henkel Corp、、^mbler、
PAにより市販、430ダルトンの数平均分子量を有するプロポキシ化したグリ
セリルトリアクリレート。
63モル%のアクリル酸と反応させた、428ダルトンの数平均分子量を有する
エトキシル化トリメチロールプロパン。
63モル%のメタクリル酸と反応させた、475ダルトンの数平均分子量を有す
るエトキシル化トリメチロールプロパン。
’5R339は2−フェノキシエチルアクリレートであり、Sartomer
Corp、、West Cbester、FAから市販されている。
8 約400ダルトンの数平均分子量を有するポリエチレングリコール。
’ Tone 03]0、Union Carbide Corp、、New
York、NYにより市販、900ダルトンの数平均分子量を有し、約32℃の
融点を有する熱可塑性オリゴマーのポリカプロラクトンポリエステルポリオール
。
10 カプロラクタム(2−オキソヘキサメチレンイミン)、113ダルトンの
数平均分子量を有し、71℃の融点を有する熱可塑性化合物、Aldrich
Chemical Co、 、MilwaukeeJIにより市販。
” Esterdiol 204 (2、2−ジメチル−3−ヒドロキシプロピ
ル−2,2−ジメチル−3−ヒドロキシプロピオネート)、204ダルトンの数
平均分子量を有し、50℃の融点を有する熱可塑性化合物、Union Car
bide Corp、、New York、NYにより市販。
” lrgacure 184はアルキルケトン光開始剤であり、Ciba−G
eigy Corp、、Oak Brook、ILにより市販。
コンパウンドB、DおよびEの粘度は、ブルックフィールド粘度計を用いて、2
5℃で測定して、それぞれ600.520および620cpであった。
このような放射線重合性の液体の入ったコンテナを、Liconix Mode
l 4240 N、直径350ミクロンに集中させた325ナノメートルで15
ミリワツトのアウトプットを有するヘリウム−カドミウム光を用いて、紫外線に
曝した。この供給量は、約20ミルの厚さの重合層で生じる表面積1平方センチ
メートルあたり約3゜0ジユールであった。この層は、前記したステレオリトグ
ラフィーに従って成形され、目的物として使用した。
この目的物をコンテナから取り出し、未反応の放射線重合性の液体はそのコンテ
ナから排出される。ついで、この目的物は、通常、密封室で紫外線を使用して硬
化させ、硬質の固体にした。約20ミルの厚さを有するこの硬質の目的物は、つ
ぎに記載するテストにおいて原型として使用した。
フンバウンドCから製造した原型は、メチルエチルケトン(MEK)中で、抽出
公約20〜約25重量%を示した。抽出分の重量%は、測定した重量の原型を約
25℃の温度を存するMEK4に2時間浸すことにより測定する。この原型を、
つぎに、浴から取り出し、乾燥し、再び計量し、パーセント重量損失を計算した
。
対照として、コンパウンドCにおいて、熱可塑性オリゴマー(Tone 030
1)を除いた同様のフンパウンドから得られた試験片は、同じ条件下で、1重量
%よりも少ない抽出分を示した。これは、このオリゴマーが反応して、硬化した
試験片を構成する架橋ポリマーマトリックスの一部になるのではな(、マトリッ
クスとは独立していることを示している。コンパウンドCから製造した原型は、
約250℃の温度で、明らかに軟化し、構造的な硬さを失うが、寸法的には変化
しないことを示した。対照として、化合物Cにおいて、熱可塑性オリゴマーを除
いた同様のコンパウンドから製造した試験片は、この温度で、構造的な硬さを保
持し、寸法的に変化しなかった。
コンパウンドCから製造した原型を耐火性のスラリーで覆った。このスラリーは
硬化を引き起こすのに十分な時間乾燥させた。このWL型およびスラリーは、つ
ぎに、原型を除去しかつスラリーを融着させるのに十分な温度で加熱した。鋳型
はこのように製造した。
原型を、それぞれの原型が制御した増大する速度(10℃/分)で加熱するサー
モグラフィー分析にかけ、生じた重量損失を温度の関数としてグラフで示した。
この分析は、熱重量分析機Model 651 (DuPont Co、Jil
mington、Delawareから市販)を利用して、操作のマニュアルに
従って行った。サーモグラフィー分析の結果は次の表Hに示した。
表■
サーモグラフィー分析
成分
指定温度での%重量損失
指定温度
(’C) A B CD E F G Hloo 0 0 NA’ Q OO2
220022NA’ 6 4 4 17 10300 5 5 NA’ 21
13 13 25 22400 26 26 NA’ 56 56 56 50
46’NA=無効
20重量%の損失に達する温度が低ければそれだけ、その原型はインベストメン
ト鋳造により適している。
この重量損失は、インへストメント鋳造における加熱工程の間に、コンパウンド
から製造した原型の構造的な硬さを減少させる。コンパウンドD、GおよびHは
、300℃より低い温度で、20重量%の損失を達成した。これは、それぞれ熱
可塑性材料を使用したコンパウンドが、熱可塑性材料を使用しなかった対照コン
パウンドAおよびBよりも、インベストメント鋳造に使用するのにより適してい
ることを示している。コンパウンドD、GおよびHは、フンバウンドEおよびF
よりも低い温度で、所定の重量%の損失を達成した。しかし、コンパウンドEお
よびFから製造した原型は、400℃で明らかな重量損失、たとえば56重量%
を示しており、これは相当低い温度で20重量%の損失を達成していることを表
しており、インベストメント鋳造に適している。コンパウンドAおよびBから製
造した原型は、十分に低い温度で明らかな重量損失を達成せず、鋳型のクラッキ
ングまたは歪が生じてしまう。
周囲温度での強度を、通常、前記表1のコンパウンドと同様のものに対して測定
し、表■に引張弾性率[pounds per 5quare 1nch (p
si)コとして表した。
表m
引張弾性率
コンパウンド 引張弾性率(pis)
B ] 8000
高めた温度で軟化を示し、周囲温度で適当な強度を有するのが好ましい、前記表
正に示したように、フンバウンドBは比較的高い弾性率を有する。しかし、フン
バウンドBから製造した原型は、十分な軟化を示さず(表■およびそれに伴う説
明参照)、インベストメント鋳造に適していない、一方で、双方のコンパウンド
DおよびEは適当であり、コンパウンドEは、コンパウンドDよりも高い引張弾
性率を示すため最も適している。
この例にしたがって、前記の表1の組成のコンパウンドから製造したiuの物理
的特性、たとえば熱膨張率および軟化点を測定した。この結果は、表■に示した
。
表■
物理的特性
熱膨張率および軟化点の聞定は、Model 943、熱機械分析器、DuFo
nt Co、、Wilmington、Delaware、を用いて、操作の公
開マニュアルにおいて、DuFontにより詳説された方法に従って行った。
コンパウンドAにより製造した原型は、熱により軟化せずに膨張し、そのため鋳
型を破損するか歪ませてしまう、コンパウンドF、GまたはHから製造した原型
は、比較的低い熱膨張率および比較的低い軟化温度のため、鋳型を破損または歪
ませることはない、さらに、熱可塑性化合物を用いたコンパウンドGおよびHか
ら製造した原型は、熱可塑性オリゴマーを用いたコンパウンドFを用いたものよ
りも低い軟化温度を示し、この二つのコンパウンドはそれぞれインへストメント
鋳造に使用するのに適している。
本発明の詳細な説明した特別な実施態様により示したが、これらは単なる例にす
ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。この改良法および変法は、この公
開により明らかであり、当業者に容易になしうるちのとして、本発明の思想から
逸脱しない、従って、前記の方法の改良法および変法は、本発明および以下の請
求項の範囲とみなされる。
国@調査報告
”””””””””””” PCT/US89103301
Claims (10)
- 1.インベストメント鋳造法において、次の工程:(a)三次元の原型を耐火性 材料中に埋め込むが、その際、前記の原型は、150℃より低い融点を有する熱 可塑性材料を分散して有する放射線硬化したエチレン性不飽和材料の架橋したポ リマーマトリックスであり、前記の熱可塑性材料は、前記したエチレン性不飽和 材料と不反応性であり、加熱工程の間に、原型が鋳型のクラッキングまたは歪み を防ぐ作用量で存在し、かつ、 (b)耐火性材料が融着し、前記の原型を除去することにより鋳型が製造される ように前記の耐火性材料を前記の原型と一緒に加熱することを特徴とするインベ ストメント鋳造法。
- 2.前記の原型が、(1)約100℃より低い融点を有し、かつ、約200〜約 5000ダルトンの範囲内の数平均分子量を有するオリゴマーと、(2)前記の エチレン性不飽和材料とからなる放射線重合性液体コンパウンドから製造され、 その際、前記のオリゴマーは、前記の放射線重合性コンパウンドの総重量に対し て、約5〜約50重量%の範囲内の量で存在し、前記のエチレン性不飽和材料は 、前記の放射線重合性コンパウンドの総重量に対して、約50〜約95重量%で 存在する請求項1記載のインベストメント鋳造法。
- 3.原型が、(1)約10〜約40℃の温度範囲内の融点を有し、かつ、約25 0〜約1500ダルトンの数平均分子量を有するオリゴマーと、(2)前記エチ レン性不飽和材料とからなる放射線重合性液体コンパウンドから製造され、その 際、前記のオリゴマーは、前記の放射線重合性コンパウンドの総重量に対して、 約15〜約35重量%の範囲内の量で存在し、前記のエチレン性不飽和材料は、 前記の放射線重合性コンパウンドの総重量に対して、約65〜約85重量%の範 囲で存在する請求項1記載のインベストメント鋳造法。
- 4.原型が、(1)約250より低い数平均分子量を有し、鋭い融点を有する熱 可塑性化合物と、(2)前記エチレン性不飽和材料とからなる放射線重合性コン パウンドから製造され、その際、前記の熱可塑性化合物は、前記の放射線重合性 コンパウンドの約5〜約40重量%の範囲内で存在し、前記のエチレン性不飽和 材料は、前記の放射線重合性コンパウンドの約60〜約95重量%の範囲内の量 で存在する請求項1記載のインベストメント鋳造法。
- 5.前記の原型が、(1)約120〜約210ダルトンの数平均分子量を有し、 かつ、約125℃より低い鋭い融点を有する熱可塑性化合物と、(2)前記のエ チレン性不飽和材料とからなる放射線重合性の液体コンパウンドから製造され、 その際、前記の熱可塑性化合物は、前記の放射線重合性コンパウンドの約15〜 約25重量%の範囲内の量で存在し、前記のエチレン性不飽和材料は、前記の放 射線重合性コンパウンドの約75〜約85重量%の範囲内の量で存在する請求項 1記載のインベストメント鋳造法。
- 6.熱可塑性材料が、カプロラクタム、2,2 ジメチル−3−ヒドロキシ プ ロピル 2,2 ジメチル−3−ヒドロキシ プロピル プロピオネート、ジメ チルテレフタレート、ジメチルシクロヘキサノール、ジメチルジオキサンジオン およびこれらの混合物からなるグループから選択した熱可塑性化合物である請求 項1記載の方法。
- 7.前記の原型が約180℃より低い温度の軟化温度を有する請求項1記載のイ ンベストメント鋳造法。
- 8.(1)約150℃より低い温度での鋭い融点を有し、かつ、約250ダルト ンより低い数平均分子量を有する熱可塑性材料と、(2)エチレン性不飽和材料 とからなり、その際、前記の熱可塑性材料は前記のエチレン性不飽和材料と不反 応性であり、かつ、前記の放射線重合性コンパウンドの約5〜約40重量%の範 囲内の量で存在し、前記のエチレン性不飽和材料は、前記の放射線重合性コンパ ウンドの約60〜約95重量%の範囲内の量で存在する、インベストメント鋳造 に使用するのに適した原型を製造するために適当な放射線重合性の液体コンパウ ンド。
- 9.前記熱可塑性化合物は、約125℃より低い温度の融点を有し、かつ、約1 20〜約210ダルトンの数平均分子量を有し、前記放射線重合性コンパウンド の約15〜25重量%の範囲内の量で存在し、かつ、前記のエチレン性不飽和材 料は、前記の放射線重合性コンパウンドの約75〜約85重量%の範囲内の量で 存在する請求項8記載のコンパウンド。
- 10.前記の熱可塑性化合物は、カプロラクタム、2,2 ジメチル−3−ヒド ロキシ プロピル 2,2ジメチル−3−ヒドロキシ プロピル プロピオネー ト、ジメチルテレフタレート、ジメチルシクロヘキサノール、ジメチルジオキサ ンジオンおよびこれらの混合物からなるグループから選択した熱可塑性化合物で ある請求項9記載のコンパウンド。
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