JP6744172B2

JP6744172B2 - 鋳造品を製造するための成形品モデルの積層体の製造方法及びこの成形品モデルの積層体を用いた鋳造品の製造方法

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Publication number: JP6744172B2
Application number: JP2016156128A
Authority: JP
Inventors: 拓夫戸田; 宗作相良
Original assignee: CASTEM CO., LTD.
Current assignee: CASTEM CO., LTD.
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2036-08-09
Also published as: JP2018023982A

Description

本発明は、鋳造品をロストワックス法で製造するための熱可塑性樹脂からなる成形品モデルの積層体を製造する方法と、この成形品モデルの積層体を用いて鋳造品を製造する方法に関するものである。

従来、光硬化樹脂からなり被鋳造物と略同一形状の消失性模型の表面に耐火物を被覆して鋳型の前駆体を形成し、光硬化樹脂の分解温度以上の温度で前駆体の内部に酸素含有気体を吹込んで消失性模型を燃焼除去する精密鋳造用鋳型の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この精密鋳造用鋳型の製造方法では、消失性模型を光造形法により作製する。この光造形法は、被鋳造物の３次元形状データをコンピュータに入力し、この値に基づいて光硬化樹脂液の所定位置に光（レーザ、紫外線等）を照射し、樹脂を硬化させて行われる。そして、硬化した部分を高さ方向に移動させ、未硬化の樹脂液に対して同様に光を照射することにより、樹脂液を順次高さ方向に硬化させて樹脂模型を作製する。光造形法を用いた場合、３次元形状データから直接模型が作製されるため、複雑な形状や薄肉を有する模型を高い精度で、容易に作製することができ、鋳型の生産効率も向上できる。また、被鋳造物と同一形状の中空状の消失性模型を作製する。ここで、消失性模型を中空にすると、樹脂の使用量が減り、樹脂の燃焼時間を短縮できる。更に、鋳型の前駆体の内部に酸素含有気体を吹込む方法としては、湯口に吹込みノズルの先端を対向させ、このノズルから酸素含有気体を吹込むことができる。酸素含有気体としては、空気を用いることができるが、酸素の富化されたガスを用いてもよい。

このように構成された精密鋳造用鋳型の製造方法では、樹脂を燃焼させる際に十分な酸素を供給することができ、樹脂の燃焼に伴って周囲の酸素濃度が低下するのを抑制することができるので、樹脂の燃焼が促進され、樹脂の大部分は短時間に一気に燃焼除去される。このため、樹脂の熱膨張による鋳型への応力負荷が低減され、鋳型の破壊を防止できる。そして、樹脂の大部分が除去されれば、樹脂の熱膨張による鋳型への影響は無視できるので、その後、十分な時間をかけて鋳型内部の残渣（スート）を完全に燃焼除去できる。

一方、骨材成分の合計質量を基準としてジルコンサンド８０〜２５質量％とジルコンフラワー０〜４５質量％を含み、上記ジルコンサンド及びジルコンフラワーの合計が骨材成分の合計の５２〜８０質量％であり、骨材成分の合計質量を基準として溶融シリカ１０〜２５質量％とケイセキ０〜１５質量％を含み、上記溶融シリカ及びケイセキの合計が骨材成分の合計の１０〜４０質量％であり、骨材成分の合計質量を基準としてミルドファイバ８〜１５質量％を含み、更に骨材成分の合計質量１ｋｇを基準としてエチルシリケート加水分解液２００〜４００ｃｍ³と硬化剤０．５〜３ｃｍ³を含む光硬化樹脂消失モデル用鋳型材料が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この光硬化樹脂消失モデル用鋳型材料では、ミルドファイバは、ガラス繊維を粉砕した粉末状又は綿状の外観を有するものであり、その平均繊維長は３０〜３００μｍであり、その平均径は８〜１５μｍ程度であり、その断面の平均径と長さとの比（アスペクト比）は２．０〜４０程度である。

このように構成された光硬化樹脂消失モデル用鋳型材料を用いて消失モデルを作製するには、先ず、コンピュータ上でＣＡＤにより鋳型模型を厚さ数十〜数百μｍ単位の複数層に平行スライスしたときの各断面パターンのデータを作成する。次に、このデータを、光造形装置の制御装置に入力し、光硬化樹脂の溶液を貯留した造形槽内に配置した昇降台座を液面から上記スライスした一層分の厚みに相当する深さに設定し、この液面にＸＹ−スキャナ付きのレーザヘッドから発せられるレーザビームを最下層の断面パターンに沿って照射することにより、この断面パターン形状の光硬化樹脂層を形成する。更に、昇降台座を上記一層分の厚みだけ下降させ、リコータにて光硬化樹脂層上に溶液を行き渡らせ、同様にレーザビームを照射して第二層の断面パターンに対応する光硬化樹脂層を形成し、以降同様にして順次一層分ずつ昇降台座を下降させてレーザビームを照射することにより、最終的に平行スライスした全ての断面パターンに対応する光硬化樹脂層を積層した消失モデルを作製する。

このように製造された消失モデルを用いて鋳型を作製すると、消失モデルの熱膨張に耐え、寸法精度が高く、鋳型の破損が少なく、更に強度のある鋳型を製造できる。また、この鋳型を用いて鋳造品を作製すると、優れた寸法精度、鋳肌を有する鋳造品を効率良く製造できる。

特開２０００−２５４７５９号公報（請求項１、段落［００１０］、［００１２］、［００１５］、［００２５］、［００２６］、図１）特開２００６−２４７６８５号公報（請求項１、段落［００２２］、［００２６］、［００２８］）

しかし、上記従来の特許文献１に示された精密鋳造用鋳型の製造方法では、光造形法により作製された消失性模型が硬化後に架橋構造になるため、この消失性模型は加熱しても溶けず、消失性模型が鋳型内で燃焼したときに膨張することにより鋳型が損傷してしまう不具合があった。また、上記従来の特許文献１に示された精密鋳造用鋳型の製造方法では、消失性模型が光造形法によって作製されているため、消失性模型の表面に一定ピッチでの凹凸が存在し、それを元に作成された鋳型のキャビティ表面にも凹凸が形成されるため鋳造品の表面粗さが大きくなる問題点があった。更に、上記従来の特許文献１に示された精密鋳造用鋳型の製造方法では、鋳型の前駆体の内部に酸素含有気体を吹込むために、鋳型の前駆体の湯口に吹込みノズルの先端を対向させる工夫をしなければならず、既存の鋳造設備をそのまま用いることができない問題点もあった。

一方、上記従来の特許文献２に示された光硬化樹脂消失モデル用鋳型材料により作製した消失モデルでは、光造形装置により作製された消失モデルが硬化後に架橋構造になるため、この消失モデルは加熱しても溶けず、消失モデルが鋳型内で燃焼し、ガス化するまで膨張を続けることにより鋳型が損傷してしまう問題点があった。また、上記従来の特許文献２に示された光硬化樹脂消失モデル用鋳型材料により作製した消失モデルでは、消失モデルが光造形装置によって作製されているため、消失モデルの表面に一定ピッチでの凹凸が存在し、それを元に作成された鋳型のキャビティ表面にも凹凸が形成されるため鋳造品の表面粗さが大きくなる問題点があった。更に、上記従来の特許文献２に示された光硬化樹脂消失モデル用鋳型材料により作製した消失モデルでは、この消失モデルを用いて鋳型を作製した後に加熱することにより消失モデルを燃焼し消失させるけれども、鋳型材料に含まれていたミドルファイバ（粉砕されたガラス繊維）が鋳型内に残存するため、この鋳型を用いて作製された成形品の表面粗さが大きくなる問題点もあった。

本発明の第１の目的は、硬化後に架橋しない熱可塑性樹脂からなる成形品モデルの積層体を用い、この成形品モデルの積層体が加熱したときに溶けることにより、燃焼し、ガス化するまでの膨張負荷が鋳型にかかりにくく、鋳型を損傷させない、鋳造品を製造するための成形品モデルの積層体の製造方法を提供することにある。本発明の第２の目的は、成形品モデルの積層体の表面粗さを小さくすることにより、この成形品モデルの積層体を用いて作製された鋳型の内面の面粗さを小さくして、この鋳型を用いて作製された鋳造品の表面粗さを小さくすることができる、鋳造品を製造するための成形品モデルの積層体の製造方法及びこの成形品モデルの積層体を用いた鋳造品の製造方法を提供することにある。本発明の第３の目的は、ワックスツリーを燃焼し消失させるために、ワックスツリーが加熱されたときに、ワックスツリーが速やかに軟化して溶融することにより、ワックスツリーの熱膨張による鋳型の損傷を防止できる、成形品モデルの積層体を用いた鋳造品の製造方法を提供することにある。本発明の第４の目的は、ワックスツリーを燃焼し消失させるときに発生するガス等をスムーズに排出できる、成形品モデルの積層体を用いた鋳造品の製造方法を提供することにある。本発明の第５の目的は、ワックスツリーを燃焼させるために必要な空気をスムーズに導入でき、鋳造品を既存の鋳造設備をそのまま用いて製造できる、成形品モデルの積層体を用いた鋳造品の製造方法を提供することにある。本発明の第６の目的は、ワックスツリーの燃焼後に不燃残渣が鋳型内に残らず、この鋳型を用いて表面が滑らかな鋳造品を製造できる、成形品モデルの積層体を用いた鋳造品の製造方法を提供することにある。

本発明の第１の観点は、図１及び図２に示すように、鋳造品１１をロストワックス法で製造するために３次元プリンタ１３を用いた熱溶解積層法により熱可塑性樹脂からなる成形品モデルの積層体１２を中空状に積層造形する工程と、この成形品モデルの積層体１２の表面にパラフィン系ワックス又はカルナバワックスをコーティングする工程とを含む鋳造品１１を製造するための成形品モデル１２の積層体の製造方法であって、成形品モデルの積層体１２内部に空隙が形成され、この成形品モデルの積層体１２の壁の厚さが少なくとも０．４ｍｍに形成され、上記空隙の割合が成形品モデルの積層体１２の壁の体積を除いた成形品モデルの積層体内部の体積を１００％とするとき２０％以上であることを特徴とする。

本発明の第２の観点は、図２及び図３に示すように、第１の観点に記載の方法で製造された成形品モデルの積層体１２に、パラフィン系ワックス、カルナバワックス又は熱可塑性樹脂からなる中空状のゲートモデル１７を介して、パラフィン系ワックス、カルナバワックス又は熱可塑性樹脂からなる中空状のスプルーモデル１８を接着してワックスツリー１９を作製する工程と、このワックスツリー１９の表面に鋳型１５を作製してこの鋳型１５内のワックスツリー１９を燃焼して消失させるとともに鋳型１５を焼成する工程と、この焼成された鋳型１５内に溶融金属を流し込んで冷却した後に鋳型１５を除去してゲート２２及びスプルー２３付きの鋳造品１１を取出す工程と、ゲート２２及びスプルー２３付きの鋳造品１１からゲート２２及びスプルー２３を切り離して鋳造品１１を得る工程とを含む成形品モデルの積層体１２を用いた鋳造品１１の製造方法であって、中空状のスプルーモデル１８がパラフィン系ワックス又はカルナバワックスからなるとき、この中空状のスプルーモデル１８の壁の厚さが１ｍｍ〜２０ｍｍであり、中空状のゲートモデル１７がパラフィン系ワックス又はカルナバワックスからなるとき、この中空状のゲートモデル１７の壁の厚さが１ｍｍ〜２０ｍｍであることを特徴とする。

本発明の第１の観点の成形品モデルの積層体の製造方法では、３次元プリンタを用いた熱溶解積層法により熱可塑性樹脂からなる成形品モデルの積層体を中空状に積層造形したので、高価な金型を用いずに複雑な形状の成形品モデルの積層体を容易に作製できる。また、成形品モデルの積層体を硬化後に架橋しない熱可塑性樹脂により形成したので、この成形品モデルの積層体が加熱したときに溶けることにより、燃焼し、ガス化するまでの膨張負荷が鋳型にかかりにくい。この結果、鋳型を損傷させることはない。また、成形品モデルの積層体の表面にパラフィン系ワックス又はカルナバワックスをコーティングしたので、成形品モデルの積層体の表面に生じた上記積層造形による積層段差がパラフィン系ワックス又はカルナバワックスにより埋められ、成形品モデルの積層体の表面粗さを小さくすることができる。この結果、成形品モデルの積層体を用いて作製された鋳型の内面の面粗さが小さくなるので、この鋳型を用いて作製された鋳造品の表面粗さを小さくすることができ、表面が滑らかな鋳造品を得ることができる。

本発明の第２の観点の成形品モデルの積層体を用いた鋳造品の製造方法では、上記成形品モデルの積層体に、パラフィン系ワックス、カルナバワックス又は熱可塑性樹脂からなる中空状のゲートモデルを介して、パラフィン系ワックス、カルナバワックス又は熱可塑性樹脂からなる中空状のスプルーモデルを接着してワックスツリーを作製し、このワックスツリーの表面に鋳型を作製してこの鋳型内のワックスツリーを燃焼して消失させるとともに鋳型を焼成したので、鋳型及びワックスツリーを比較的速い昇温速度で加熱すると、可塑化温度が存在する熱可塑性樹脂やパラフィン系ワックス等により大部分が構成されたワックスツリーは熱膨張する前又は熱膨張すると略同時に軟化して溶融する。この結果、ワックスツリーの熱膨張により鋳型が損傷するのを防止できる。また、溶融したワックスツリーは燃焼して二酸化炭素や水蒸気などのガス等が発生するけれども、これらのガス等は、ワックスツリーの溶融により連通した煙突状の鋳型内を通ってスムーズに排出される。具体的には、鋳型のキャビティ（鋳造品を製造する部分）で発生したガス等は、ゲート及びスプルーを通って鋳型外にスムーズに排出される。

また、上記ワックスツリーを燃焼させるための空気は、ワックスツリーの溶融により連通した煙突状の鋳型内を通ってスムーズに導入される。具体的には、キャビティで溶融した成形品モデルの積層体を燃焼させるための空気は、スプルー及びゲートを通って上記キャビティにスムーズに導入される。この結果、鋳型の前駆体の湯口に酸素含有気体を吹込むための吹込みノズルの先端を対向させる工夫が必要があり、既存の鋳造設備をそのまま用いることができない従来の精密鋳造用鋳型の製造方法と比較して、本発明では、鋳型内に酸素含有気体を吹込むための吹込みノズルを用いなくても、上述のように鋳型内に空気をスムーズに導入できるので、鋳造品を既存の鋳造設備をそのまま用いて製造できる。また、ワックスツリーが熱可塑性樹脂及びパラフィン系ワックス又はカルナバワックスのみで形成されているので、このワックスツリーが鋳型内で燃焼したときに、ワックスツリーの殆ど全てが二酸化炭素や水蒸気などのガス等になって排出され、鋳型内に不燃残渣が残らず、鋳型内面に不燃残渣が付着することはない。この結果、上記鋳型を用いて製造された鋳造品の表面粗さが不燃残渣により大きくなることはないので、表面が滑らかな鋳造品を得ることができる。更に、上記成形品モデルを作製した後の工程は、既存のロストワックス法による鋳造設備をそのまま用いて実施できるので、専用又は新規の鋳造設備を構築する必要がなく、製造コストを低減できる。

本発明実施形態の鋳造品を製造するための成形品モデルの積層体を製造する手順を示す要部斜視図である。その成形品モデルの積層体を用いてワックスツリーを作製する手順を示す断面構成図である。そのワックスツリーを用いて鋳型を作製した後にこの鋳型を用いて鋳造品を作製する手順を示す断面構成図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。なお、［本発明の実施の形態］及び［実施例］において、鋳造品をロストワックス法で製造するために３次元プリンタを用いた熱溶解積層法により中空状に積層造形された熱可塑性樹脂からなる成形品モデルの積層体を、単に「成形品モデル」という。図１に示すように、鋳造品１１を製造するための成形品モデル１２を製造するには、先ず、鋳造品１１をロストワックス法で製造するために３次元プリンタ１３を用いた熱溶解積層法により熱可塑性樹脂からなる成形品モデル１２を中空状に積層造形する。上記鋳造品１１は、この実施の形態では、金属により直方体状に形成された物品である。この鋳造品１１を構成する金属としては、金、銀、プラチナなどの貴金属や鉄をベースとした合金や、銅合金、アルミ合金、チタン合金などロストワックス法（精密鋳造法）で扱える種々の金属が挙げられる。なお、この実施の形態では、鋳造品を立方体状の物品としたが、直方体状、球体状、円錐体状、多角錐体状、楕円体状、又は一般的な金属の射出成型法では成形できない複雑な形状の物品でもよい。

ここで、熱溶解積層法（Fused Deposition Modeling法：ＦＤＭ法）は、米国ストラタシス社によって開発された造形法であり、フィラメントと呼ばれる熱可塑性樹脂の巻線を２００℃程度の温度で溶解しながら、押出して積層することによって成形体を造形する方法であり、３次元プリンタ１３を用いた熱溶解積層法は、加熱して溶解した熱可塑性樹脂を３次元プリンタ１３のノズル１３ａから押出して積層することにより成形体を造形する方法である。また、上記熱可塑性樹脂としては、ポリ乳酸（Poly Lactic Acid：ＰＬＡ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（Acrylonitrile Butadiene Styrene：ＡＢＳ）、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミド、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、ポリアセタール等の樹脂が挙げられる。

具体的な成形品モデル１２の積層造形の手順を図１及び図２に基づいて説明する。先ず、ベッド１６上に熱可塑性樹脂からなるフィラメント１２ａを、３次元プリンタ１３のノズル１３ａから押出し互いに平行になるように並べて底壁１２ｂを造形した後に、この底壁１２ｂの１辺に沿って３次元プリンタ１３のノズル１３ａからフィラメント１２ａを押出し積重ねて側壁１２ｃを立設する（図１（ａ））。次いで、底壁１２ｂの他の３辺についても上記と同様にフィラメント１２ａを積重ねて３つの側壁１２ｃを立設することにより、底壁１２ｂの４辺が４枚の側壁１２ｃにより囲まれて上面が開放された箱が造形される（図１（ｂ））。次に、この上面が開放された箱の上面に沿って３次元プリンタ１３のノズル１３ａからフィラメント１２ａを押出して四角枠を形成し、この四角枠の内面に接するように３次元プリンタ１３のノズル１３ａからフィラメント１２ａを押出して更に四角枠を形成し、この工程を連続的に繰返してフィラメント１２ａの渦巻き体を形成することにより、箱の上面を閉止する上壁１２ｄを造形して中空の立方体状の成形品モデル１２を造形する（図１（ｃ）、図１（ｄ）及び図２（ａ））。

次に、上記成形品モデル１２の表面に、パラフィン系ワックス又はカルナバワックスをコーティングしてワックス層１２ｅを形成する（図１（ｅ）及び図２（ｂ））。パラフィン系ワックスとしては、パラフィンワックスや、パラフィンにポリメタクリル酸メチルの粒子、アガローズの粒子等を分散させたフィラーワックスなどが挙げられる。また、成形品モデル１２内部に空隙が形成される。そして、成形品モデル１２の壁の厚さは、少なくとも０．４ｍｍに形成されることが好ましく、かつ上記空隙の割合は成形品モデル１２の壁の体積を除いた成形品モデル内部の体積を１００％とするとき２０％以上であることが好ましい。成形体モデル１２内部に天井を保持するための柱を立てない場合は、空隙の割合は１００％となり、成形体モデル１２内部に天井を保持するための柱（図示せず）を立てる場合は、空隙の割合は１００％未満となる。例えば、成形体モデル１２内部にこの成形品モデル内部の体積の半分を占める柱を立てる場合は、空隙の割合は５０％となる。上記柱としては、平面視でＳ字状に形成された柱等が挙げられる。ここで、成形品モデル１２の壁の厚さを少なくとも０．４ｍｍに限定したのは、０．４ｍｍ未満では成形品モデル１２が損傷するおそれがあるからである。即ち、壁の厚さが０．４ｍｍあれば、構造上十分な強度が得られるからである。このため、成形品モデル１２の壁の厚さの上限値は、特に限定されず、０．５ｍｍ又は０．６ｍｍ程度でよい。また、成形品モデル１２内部に形成される空隙の割合を２０％以上に限定したのは、２０％未満ではワックスツリーの燃焼・消失時に鋳型がワックスツリーの熱膨張により損傷してしまうからである。なお、成形品モデル１２内部に形成される空隙の割合は、成形品モデル１２の大きさに拘らず壁の厚さが略一定であるため、成形品モデル１２が大きくなるに従って大きくなる。

このように製造された成形品モデル１２では、高価な金型を用いずに複雑な形状の成形品モデル１２を容易に作製できる。また、成形品モデル１２の表面に、パラフィン系ワックス又はカルナバワックスをコーティングしてワックス層１２ｅを形成したので、成形品モデル１２の表面に生じた上記積層造形による積層段差がパラフィン系ワックス又はカルナバワックスにより埋められ、成形品モデル１２の表面粗さを小さくすることができる。この結果、成形品モデル１２を用いて作製された鋳型１５の内面の面粗さが小さくなるので、この鋳型１５を用いて作製された鋳造品１１の表面粗さを小さくすることができ、表面が滑らかな鋳造品１１を得ることができる。

次に、上記成形品モデル１２を用いてロストワックス法により鋳造品１１を製造する方法を図２及び図３に基づいて説明する。先ず、成形品モデル１２に、パラフィン系ワックス、カルナバワックス又は熱可塑性樹脂からなる中空状のゲートモデル１７を介して、パラフィン系ワックス、カルナバワックス又は熱可塑性樹脂からなる中空状のスプルーモデル１８を接着してワックスツリー１９を作製する（図２（ｃ）及び図３（ａ））。上記パラフィン系ワックスとしては、上記ワックス層１２ｅと同様のワックスが挙げられ、上記熱可塑性樹脂としては、上記成形品モデル１２と同様の樹脂が挙げられる。ゲートモデル１７は、溶融金属を鋳型のキャビティ（鋳造品となる部分）１５ａに流し込む入口となるゲート１５ｂを造形するためのモデルである。また、スプルーモデル１８は、溶融金属を鋳型１５に流し込むときの最初の通路であるスプルー１５ｃを造形するためのモデルである。パラフィン系ワックスやカルナバワックスからなるゲートモデル１７及びスプルーモデル１８は、金型を作製して射出成形により中空状に形成されることが好ましい。また、熱可塑性樹脂からなるゲートモデル１７及びスプルーモデル１８は、成形品モデル１２と同様に、３次元プリンタ１３を用いた熱溶解積層法により中空状に積層造形することができる。上記パラフィン系ワックスやカルナバワックスからなる中空状のスプルーモデル１８の壁の厚さは、１ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましく、３〜５ｍｍであることが更に好ましい。また、パラフィン系ワックスやカルナバワックスからなる中空状のゲートモデル１７の壁の厚さは、１ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましく、３〜５ｍｍであることが更に好ましい。更に、３次元プリンタを用いた熱溶解積層法により中空状に積層造形され熱可塑性樹脂からなるゲートモデル１７及びスプルーモデル１８の壁の厚さは、０．４ｍｍ以上であることが好ましい。

ここで、パラフィン系ワックスやカルナバワックスからなる中空状のスプルーモデル１８の壁の厚さを１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に限定したのは、１ｍｍ未満ではスプルーモデル１８の壁の厚さが薄くなり過ぎてスプルーモデル１８の強度が不足してしまい、２０ｍｍを超えるとスプルーモデル１８の燃焼消失に必要なエネルギ及び時間が必要以上に増大するとともに、スプルーモデル１８内、ゲートモデル１７内及び成形品モデル１２内にその燃焼に必要な空気を十分に供給できず、成形品モデル１２の燃焼により発生したガス等を鋳型１５内からスムーズに排出できず、更にスプルーモデル１８の加熱時の熱膨張により鋳型１５を損傷するおそれがあるからである。また、パラフィン系ワックスやカルナバワックスからなる中空状のゲートモデル１７の壁の厚さを１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に限定したのは、１ｍｍ未満ではゲートモデル１７の壁の厚さが薄くなり過ぎてゲートモデル１７の強度が不足してしまい、２０ｍｍを超えるとゲートモデル１７の燃焼消失に必要なエネルギ及び時間が必要以上に増大するとともに、ゲートモデル１７内及び成形品モデル１２内にその燃焼に必要な空気を十分に供給できず、成形品モデル１２の燃焼により発生したガス等を鋳型１５内からスムーズに排出できず、更にゲートモデル１７の加熱時の熱膨張により鋳型１５を損傷するおそれがあるからである。更に、３次元プリンタを用いた熱溶解積層法により中空状に積層造形され熱可塑性樹脂からなるゲートモデル１７及びスプルーモデル１８の壁の厚さを０．４ｍｍ以上の範囲に限定したのは、０．４ｍｍ未満ではゲートモデル１７及びスプルーモデル１８が損傷するおそれがあるからである。即ち、壁の厚さが０．４ｍｍあれば、構造上十分な強度が得られるからである。

次いで、ワックスツリー１９の表面に鋳型１５を作製した後に（図３（ｂ））、この鋳型１５内のワックスツリー１９を燃焼して消失させるとともに鋳型１５を焼成する（図３（ｃ））。焼成前の鋳型１５、即ち生型は、ワックスツリー１９の表面に泥漿をコーティングし、このコーティング層が乾燥する前にその表面に砂をまぶして乾燥するという工程を複数回繰り返して形成される。泥漿は、セラミック粒子を液状バインダに分散させたスラリーであり、このスラリーは、耐火材、バインダ及びバインダを固化させるための硬化剤から構成される。耐火材としては、平均粒径２０μｍ〜１００μｍのシリカ、アルミナ、ケイ酸ジルコニウム等のセラミック粉末が挙げられ、バインダとしては、コロイダルシリカ、エチルシリケート等が挙げられる。また、砂としては、平均粒径０．１ｍｍ〜３ｍｍのシリカ、アルミナ、ケイ酸ジルコニウム等の砂粒（セラミック粉末）が挙げられる。なお、上記スラリーは乾燥させるだけで成形できるため、硬化剤は不要である。

ワックスツリー１９を燃焼させるために鋳型１５及びワックスツリー１９を比較的速い昇温速度で加熱すると、可塑化温度が存在する熱可塑性樹脂により大部分が構成されたワックスツリー１９は熱膨張する前又は熱膨張すると略同時に軟化して溶融する。この結果、ワックスツリー１９の熱膨張により鋳型１５が損傷するのを防止できる。また、溶融したワックスツリー１９は燃焼して二酸化炭素や水蒸気などのガス等が発生するけれども、これらのガス等は、ワックスツリー１９の溶融により連通した煙突状の鋳型１５内を通ってスムーズに排出される。具体的には、鋳型１５のキャビティ１５ａで発生したガス等は、ゲート１５ｂ及びスプルー１５ｃを通って鋳型１５外にスムーズに排出される。更に、上記ワックスツリー１９を燃焼させるための空気は、ワックスツリー１９の溶融により連通した煙突状の鋳型２５内を通ってスムーズに導入される。具体的には、鋳型１５のキャビティ１５ａで溶融した成形品モデル１２を燃焼させるための空気は、スプルー１５ｃ及びゲート１５ｂを通って上記キャビティ１５ａにスムーズに導入される。この結果、鋳型１５内に空気を吹込むための吹込みノズルを用いなくても、上述のように鋳型１５内に空気をスムーズに導入できるので、鋳造品１１を既存の鋳造設備をそのまま用いて製造できる。なお、上記鋳型１５の焼成温度は、７００℃以上であることが好ましく、１０００〜１１００℃の範囲内であることが更に好ましい。

次に、上記焼成された鋳型１５内に溶融金属を流し込む（図３（ｄ））。これにより溶融金属は、鋳型１５のスプルー１５ｃ及びゲート１５ｂを通ってキャビティ１５ａに流入する。そして、溶融金属を流し込んだ鋳型１５を冷却した後に、この鋳型１５を割って除去し、ゲート２２及びスプルー２３付きの鋳造品１１を取出す（図３（ｅ））。更に、ゲート２２及びスプルー２３付きの鋳造品１１からゲート２２及びスプルー２３を切り離すことにより、鋳造品１１が得られる（図３（ｆ））。なお、上記成形品モデル１２を作製した後の工程は、既存のロストワックス法による鋳造設備をそのまま用いて実施できるので、専用又は新規の鋳造設備を構築する必要がなく、製造コストを低減できる。

このように製造された鋳造品１１では、ワックスツリー１９が熱可塑性樹脂及びパラフィン系ワックス又はカルナバワックスのみで形成されているので、このワックスツリー１９が鋳型１５内で燃焼したときに、ワックスツリー１９の殆ど全てが二酸化炭素や水蒸気などのガス等になって排出され、鋳型１５内に不燃残渣が残らず、鋳型１５内面に不燃残渣が付着することはない。この結果、上記鋳型１５を用いて製造された鋳造品１１の表面粗さが不燃残渣により大きくなることはないので、表面が滑らかな鋳造品１１を得ることができる。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。

＜実施例１＞
先ず、３次元プリンタ１３を用いてポリ乳酸（ＰＬＡ：熱可塑性樹脂）製の中空の立方体状の成形品モデル１２を造形した（図１（ｃ）、図１（ｄ）及び図２（ａ））。次に、この成形品モデル１２の表面に、パラフィンワックスをコーティングしてワックス層１２ｅを形成した（図１（ｅ）及び図２（ｂ））。ここで、成形品モデル１２の縦、横及び高さは、それぞれ５０ｍｍ、５０ｍｍ及び５０ｍｍであった。また、中空の成形品モデル１２の壁の厚さは０．４ｍｍであり、中空の成形品モデル１２内部の空隙の割合は成形品モデル１２の壁の体積を除いた成形品モデル内部の体積を１００％とするとき２０％であった。

上記成形品モデル１２を用いてロストワックス法により鋳造品１１を製造した。具体的には、先ず、成形品モデル１２にパラフィンワックスからなる中空状のゲートモデル１７を介してパラフィンワックスからなる中空状のスプルーモデル１８を接着してワックスツリー１９を作製した（図２（ｃ）及び図３（ａ））。ここで、中空状のスプルーモデル１８の外径及び長さはそれぞれ３０ｍｍ及び３００ｍｍであり、壁の厚さは１．０ｍｍであった。また、中空状のゲートモデル１７の外径及び長さはそれぞれ２０ｍｍ及び２０ｍｍであり、壁の厚さは１．０ｍｍであった。次いで、ワックスツリー１９の表面に鋳型１５を作製した後に（図３（ｂ））、この鋳型１５内のワックスツリー１９を燃焼して消失させるとともに鋳型１５を焼成した（図３（ｃ））。ここで、焼成前の鋳型１５、即ち生型は、ワックスツリー１９の表面に泥漿をコーティングし、このコーティング層が乾燥する前にその表面に砂をまぶして乾燥するという工程を複数回繰り返して形成した。また、上記鋳型１５の焼成温度は１１００℃であった。次に、上記焼成された鋳型１５内に溶融金属を流し込んだ（図３（ｄ））。これにより溶融金属は、鋳型１５のスプルー１５ｃ及びゲート１５ｂを通ってキャビティ１５ａに流入した。そして、溶融金属を流し込んだ鋳型１５を冷却した後に、この鋳型１５を割って除去し、ゲート２２及びスプルー２３付きの鋳造品１１を取出した（図３（ｅ））。更に、ゲート２２及びスプルー２３付きの鋳造品１１からゲート２２及びスプルー２３を切り離すことにより、鋳造品１１が得られた（図３（ｆ））。

＜実施例２〜７及び比較例１〜２＞
実施例２〜７及び比較例１〜２の鋳造品を、表１に示すような条件で作製した。なお、表１に示した条件以外の条件は、実施例１に記載した条件と同一とした。

＜比較試験１及び評価＞
実施例１〜７及び比較例１〜２において、ワックスツリーの表面に鋳型を作製しているときに成形品モデルが割れたか否かを目視により観察した。また、実施例１〜７及び比較例１〜２において、鋳型の焼成時に鋳型が割れたか否かを目視により観察した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、中空の成形品モデルの壁の厚さが０．２ｍｍ及び０．３ｍｍと薄すぎた比較例１及び２では、成形品モデルが鋳型作製中に割れてしまったのに対し、中空の成形品モデルの壁の厚さが０．４ｍｍ〜０．７ｍｍと適正な範囲（０．４ｍｍ以上）にあった実施例１〜４では、成形品モデルは鋳型作製中に割れなかった。なお、実施例１〜４では、鋳型も焼成時に割れなかった。一方、立方体状の成形品モデルの一辺を１００ｍｍ及び２００ｍｍに変更しかつ中空の成形品モデルの壁の厚さが０．４ｍｍと適正な範囲（０．４ｍｍ以上）にあった実施例５〜６や、直方体状の成形品モデルの縦、横及び高さをそれぞれ２００ｍｍ、２００ｍｍ及び３００ｍｍに変更しかつ中空の成形品モデルの壁の厚さが０．４ｍｍと適正な範囲（０．４ｍｍ以上）にあった実施例７では、成形品モデルは鋳型作製中に割れず、鋳型も焼成時に割れなかった。

＜実施例８〜１４及び比較例３〜４＞
実施例８〜１４及び比較例３〜４の鋳造品を、表２に示すような条件で作製した。なお、表２に示した条件以外の条件は、実施例１に記載した条件と同一とした。

＜比較試験２及び評価＞
実施例１、実施例８〜１４及び比較例３〜４において、ワックスツリーの表面に鋳型を作製しているときに成形品モデルが割れたか否かを目視により観察した。また、実施例１、実施例８〜１４及び比較例３〜４において、鋳型の焼成時に鋳型が割れたか否かを目視により観察した。その結果を表２に示す。

表２から明らかなように、中空の成形品モデルの空隙の割合が１０％及び１５％と少なすぎた比較例３及び４では、鋳型が焼成時に割れてしまったのに対し、中空の成形品モデルの空隙の割合が２０％〜１００％と適正な範囲（２０％以上）にあった実施例１及び８〜１３では、鋳型は焼成時に割れなかった。なお、実施例１、実施例８〜１３及び比較例３〜４では、成形品モデルが鋳型作製中に割れなかった。また、直方体状の成形品モデルの縦、横及び高さをそれぞれ２００ｍｍ、２００ｍｍ及び３００ｍｍに変更しかつ中空の成形品モデルの空隙の割合が１００％と適正な範囲（２０％以上）にあった実施例１４では、成形品モデルは鋳型作製中に割れず、鋳型も焼成時に割れなかった。

＜実施例１５〜１９及び比較例５〜７＞
実施例１５〜１９及び比較例５〜７の鋳造品を、表３に示すような条件で作製した。なお、表３に示した条件以外の条件は、実施例１に記載した条件と同一とした。

＜比較試験３及び評価＞
実施例１、実施例１５〜１９及び比較例５〜７において、ワックスツリーの表面に鋳型を作製しているときにスプルーモデルが割れたか否かを目視により観察した。また、実施例１５〜２０及び比較例５〜７において、鋳型の焼成時に鋳型が割れたか否かを目視により観察した。その結果を表３に示す。

表３から明らかなように、中空のスプルーモデルの壁の厚さが０．５ｍｍと薄すぎた比較例５では、スプルーモデルが鋳型作製中に割れてしまったのに対し、中空のスプルーモデルの壁の厚さが１．０ｍｍ〜２．０ｍｍと適正な範囲（１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内の下限値近傍）にあった実施例１及び１５〜１６では、スプルーモデルは鋳型作製中に割れなかった。なお、実施例１及び１５〜１６では、鋳型も焼成時に割れなかった。一方、中空のスプルーモデルの壁の厚さが２０．５ｍｍ及び２１．０ｍｍと厚すぎた比較例６〜７では、鋳型が焼成時に割れてしまったのに対し、中空のスプルーモデルの壁の厚さが１９．０ｍｍ〜２０．０ｍｍと適正な範囲（１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内の上限値近傍）にあった実施例１７〜１９では、鋳型は焼成時に割れなかった。なお、実施例１７〜１９及び比較例６〜７では、スプルーモデルは鋳型作製中に割れなかった。

＜実施例２０〜２４及び比較例８〜１０＞
実施例２０〜２４及び比較例８〜１０の鋳造品を、表４に示すような条件で作製した。なお、表４に示した条件以外の条件は、実施例１に記載した条件と同一とした。

＜比較試験４及び評価＞
実施例１、実施例２０〜２４及び比較例８〜１０において、ワックスツリーの表面に鋳型を作製しているときにゲートモデルが割れたか否かを目視により観察した。また、実施例１、実施例２０〜２４及び比較例８〜１０において、鋳型の焼成時に鋳型が割れたか否かを目視により観察した。その結果を表４に示す。

表４から明らかなように、中空のゲートモデルの壁の厚さが０．５ｍｍと薄すぎた比較例８では、ゲートモデルが鋳型作製中に割れてしまったのに対し、中空のゲートモデルの壁の厚さが１．０ｍｍ〜２．０ｍｍと適正な範囲（１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内の下限値近傍）にあった実施例１及び２０〜２１では、ゲートモデルは鋳型作製中に割れなかった。なお、実施例１及び２０〜２１では、鋳型も焼成時に割れなかった。一方、中空のゲートモデルの壁の厚さが２０．５ｍｍ及び２１．０ｍｍと厚すぎた比較例９〜１０では、鋳型が焼成時に割れてしまったのに対し、中空のゲートモデルの壁の厚さが１９．０ｍｍ〜２０．０ｍｍと適正な範囲（１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内の上限値近傍）にあった実施例２２〜２４では、鋳型は焼成時に割れなかった。なお、実施例２２〜２４及び比較例９〜１０では、ゲートモデルは鋳型作製中に割れなかった。

１１鋳造品
１２成形品モデルの積層体
１３３次元プリンタ
１５鋳型
１７ゲートモデル
１８スプルーモデル
１９ワックスツリー
２２ゲート
２３スプルー

Claims

鋳造品をロストワックス法で製造するために３次元プリンタを用いた熱溶解積層法により熱可塑性樹脂からなる成形品モデルの積層体を中空状に積層造形する工程と、
前記成形品モデルの積層体の表面にパラフィン系ワックス又はカルナバワックスをコーティングする工程と
を含む鋳造品を製造するための成形品モデルの積層体の製造方法であって、
前記成形品モデルの積層体内部に空隙が形成され、前記成形品モデルの積層体の壁の厚さが少なくとも０．４ｍｍに形成され、かつ前記空隙の割合が前記成形品モデルの積層体の壁の体積を除いた前記成形品モデルの積層体内部の体積を１００％とするとき２０％以上であることを特徴とする鋳造品を製造するための成形品モデルの積層体の製造方法。
請求項１記載の方法で製造された成形品モデルの積層体に、パラフィン系ワックス、カルナバワックス又は熱可塑性樹脂からなる中空状のゲートモデルを介して、パラフィン系ワックス、カルナバワックス又は熱可塑性樹脂からなる中空状のスプルーモデルを接着して熱可塑性樹脂からなるワックスツリーを作製する工程と、
前記ワックスツリーの表面に鋳型を作製してこの鋳型内の前記ワックスツリーを燃焼して消失させるとともに前記鋳型を焼成する工程と、
前記焼成された鋳型内に溶融金属を流し込んで冷却した後に前記鋳型を除去してゲート及びスプルー付きの鋳造品を取出す工程と、
前記ゲート及びスプルー付きの鋳造品から前記ゲート及びスプルーを切り離して前記鋳造品を得る工程と
を含む成形品モデルの積層体を用いた鋳造品の製造方法であって、
前記中空状のスプルーモデルがパラフィン系ワックス又はカルナバワックスからなるとき、この中空状のスプルーモデルの肉厚が１ｍｍ〜２０ｍｍであり、
前記中空状のゲートモデルがパラフィン系ワックス又はカルナバワックスからなるとき、この中空状のゲートモデルの肉厚が１ｍｍ〜２０ｍｍである
ことを特徴とする成形品モデルの積層体を用いた鋳造品の製造方法。