JP2017131948A

JP2017131948A - 積層造形用材料、粉末固着積層法による鋳型の製造方法及び鋳型

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Publication number: JP2017131948A
Application number: JP2016014514A
Authority: JP
Inventors: 幸二郎藤山; Kojiro Fujiyama; 貞人平塚; Sadato Hiratsuka
Original assignee: Iwate University; Takatori Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Iwate University; Takatori Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2017-08-03

Abstract

【課題】粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能な積層造形用材料、粉末固着積層法による鋳型の製造方法及び鋳型を提供する。
【解決手段】本発明を適用した積層造形用材料の一例である、鋳型材料は、骨材となる第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドと、粘結剤となるアルミナセメントとを備えている。第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドは、純度９９％以上の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる白色誘電アルミナであり、いずれも１，５００℃以上の耐熱性を有している。また、第１のアルミナサンドは、中心粒径が２０〜２５μｍの粒子で構成されている。また、第２のアルミナサンドは、中心粒径が４５〜５３μｍの粒子で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層造形用材料、粉末固着積層法による鋳型の製造方法及び鋳型に関する。詳しくは、粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能な積層造形用材料、粉末固着積層法による鋳型の製造方法及び鋳型に係るものである。

古くから金属材料を用いて大量生産を行う際に、鋳型を用いる鋳造による加工がなされてきた。鋳造は、鋳型の使用法、鋳型の種類、骨材の固定法等により複数の方法が存在する。

また、近年、三次元造形機の普及に伴い、この機器を用いた鋳型製造手法が注目されている。本手法では、鋳型砂と鋳型砂を結着させる粘結剤を混合した鋳型材料に、インクジェットヘッドで結合剤溶液をかけて一層ずつ積層、硬化させるものであり、粉末固着積層法と称されている。

粉末固着積層法では、鋳物の原型となる木型や金型を製造することなく、直接的に鋳型が製造できる点から、鋳物の製造期間の短縮化やコスト削減が期待できる。また、多種の形状の鋳物を少量生産する用途にも適している。

また、粉末固着積層法での鋳型の製造では、従来の木型を用いた鋳型の製造に比して、寸法精度の高い鋳型を形成することが可能である。また、木型等を鋳型から取り出す際に必要となる抜き勾配を形成する必要がなく、鋳型材料を低減することができるものとなっている。

前述したように、粉末固着積層法でも従来の鋳造と同様に、鋳型の原料として骨材となる鋳物砂と粘結剤が使用される。粘結剤は鋳物砂同士を結着させ、水分や熱により硬化する性質を有するものである。鋳物砂及び粘結剤は、鋳物材料の注湯時にも安定的に鋳物の形状を形成しうる耐熱性を有する必要がある。

しかしながら、粉末固着積層法に使用される鋳型材料は、市販のものを含めて種類が限定されているのが現状である。例えば、骨材となる石膏は、融点が１，０００℃を超える金属を注湯した際には、亜硫酸ガスが生じ、鋳物に気泡巣などの欠陥が生じてしまう。

こうしたなか、融点が１，０００℃を超える高融点金属でも注湯可能な造形用材料が存在し、例えば、特許文献１に記載の造形用材料が提案されている。

ここで、特許文献１には、人工鋳物砂と、人工鋳物砂を相互に結着させる粘結剤であり、ブレーン比表面積値が４０００ｃｍ^２／ｇ以上のセメントが混合された造形用材料が記載されている。

特開２０１０−１１０８０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の造形用材料を含め、従来の粉末固着積層法用の材料で形成した鋳型は、その鋳型表面が粗くなるという問題があった。この結果、鋳物の鋳肌面が粗くなってしまい、鋳物を高精度に製造することが困難であった。

また、従来の粉末固着積層法で用いられる鋳物砂で形成した鋳型は、強度が不充分であった。特に鋳型のサイズが大きくなると、鋳造過程でひびや崩壊が生じるリスクが顕著となる。

本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能な積層造形用材料、粉末固着積層法による鋳型の製造方法及び鋳型を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の積層造形用材料は、少なくとも２つの粒径の異なる粒子で構成された骨材と、該骨材同士を結着させる粘結剤とを含んでいる。

ここで、少なくとも２つの粒径の異なる粒子で構成された骨材によって、混在状態での粒子間の隙間や表面の凹凸が減り、鋳型の表面の平滑性を向上させることができる。また、積層時の鋳型材料の密度が高くなり、鋳型の強度を高めることができる。なお、ここでいう骨材とは、鋳型の原料の主成分を占める物質であり、例えば、再生砂を含むけい砂やアルミナ等の特殊砂等を含むものである。また、強度とは、抗折試験で測定する抗折強度を意味し、試験内容の詳細については後述する。

また、骨材同士を結着させる粘結剤によって、骨材を結着させ硬化させることが可能となる。なお、粘結剤とは、水硬性の樹脂等を含み水溶液等の結合剤と組み合わせることで硬化が開始されるものである。

また、上記の目的を達成するために、本発明の積層造形用材料は、少なくとも、粒径が２０〜２５μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第１の粒子と、粒径が４５〜５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第２の粒子とを含み、かつ、構成粒子の粒径の上限が前記第１の粒子の粒径の２倍以下である骨材と、該骨材同士を結着させる粘結剤とを有するものとなっている。

ここで、少なくとも、粒径が２０〜２５μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第１の粒子と、粒径が４５〜５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第２の粒子とを含んで構成された骨材によって、充分に鋳型の抗折強度を向上させることができる。また、充分に鋳肌面の平滑性を高めることができる。なお、ここでいう第１の粒子の「２０〜２５μｍ」の粒径と、第２の粒子の「４５〜５３μｍ」の粒径は、「JIS Z 2601-1993鋳物砂の試験法の中の鋳物砂の粒度試験方法（付属書２）（参考資料１）」に基づいてふるいわけした鋳物砂の粒度を根拠に規定したものである。また、粒度試験方法に用いたふるいは、「JIS Z 8801（試験用ふるい）（参考資料２）」で規定されているものを使用している。

より詳細には、第２の粒子は、JIS Z 8801のふるいの網目のうち、５３μmと４５μmを重ねて使用し、５３μmのふるいを通過して４５μmのふるいに残ったものである。また、第１の粒子は、JIS Z 8801のふるいの網目のうち、２５μmと２０μmを重ねて使用し、２５μmのふるいを通過して２０μmのふるいに残ったものである。また、ふるい分け機械としては、JIS Z 2601-1993鋳物砂の試験法の中の鋳物砂の粒度試験方法（付属書２）に記載のロータップ形ふるい機を用い、同ふるい機にふるいを設置して試験を行っている。なお、鋳物砂の粒径を上記のように決定することは、鋳造分野において極一般的に行われているものである。この点は、鋳物砂の粒径の規定について、鋳造の分野の資料として一般的に利用されている一般財団法人素形材センター出版の「鋳造技術シリーズ平成１４年３月発行鋳型の生産技術（第２版）」の第５３６頁〜第５３８頁の「１．１．２粒度試験方法」（http://www.sokeizai.or.jp/japanese/publish/shuppan.html）（参考資料３）及び中小企業事業団が作成した「鋳型及び鋳型材料に関する試験方法」の「鋳物砂の粒度試験方法（第１頁）」（https://unit.aist.go.jp/cpiad/ci/techno_kw/mono-kyohon_pdf/technote023.pdf）（参考資料４）に、JIS Z 2601-1993（付属書２）及びJIS Z 8801を採用する点が記載されていることからも明らかである。
なお、参考までに、上述した「JIS Z 2601-1993鋳物砂の試験法の中の鋳物砂の粒度試験方法（付属書２）の写し」を参考資料１として、JIS Z 8801に規定された「JIS標準ふるい表（抜粋）」を参考資料２として、「鋳造技術シリーズ平成１４年３月発行鋳型の生産技術（第２版）の第５３６頁〜第５３８頁」を参考資料３として、及び「鋳型及び鋳型材料に関する試験方法（第１頁）」を参考資料４として掲載する。

また、骨材の構成粒子の粒径の上限が第１の粒子の粒径の２倍以下であることによって、混在状態での粒子間の隙間や表面の凹凸が減り、より一層、鋳型の表面の平滑性を高めることができる。また、積層時の鋳型材料の密度が高くなり、より一層、鋳型の強度を高めることができる。

一方、骨材の構成粒子の粒径の上限が第１の粒子の粒径の２倍を超える場合には、骨材を構成する粒子の粒子間の隙間が生じやすくなり、混在状態の密度が下がり、抗折強度の向上が不充分となる。また、粒径の大きな粒子間の表面の凹凸が生じやすくなり、鋳型の表面の平滑性を高めにくいものとなる。

また、粘結剤が第１の粒子の粒径よりも小さな粒径を有する場合には、第１の粒子及び第２の粒子の混在状態の密度や平滑性に対する粘結剤の存在による影響を少なくすることができる。

また、第１の粒子の骨材の量基準での重量比率に対する第２の粒子の骨材の量基準での重量比率の比が１．５０〜２．３３の範囲内である場合には、より一層、鋳型の抗折強度を向上させることができる。なお、ここでいう重量比率の比の１．５０及び２．３３の数値は、小数点第３位以下の数値を四捨五入して１．５０または２．３３となる数値を含むものを意味する。

ここで、第１の粒子の骨材の量基準での重量比率に対する第２の粒子の骨材の量基準での重量比率の比が１．５０未満または２．３３を超える場合には、鋳型の表面の平滑性が担保しづらいものとなる。また、鋳型の抗折強度が不充分なものとなる。

また、第１の粒子の骨材の量基準での重量比率に対する第２の粒子の骨材の量基準での重量比率の比が１．８６であるである場合には、更に一層、鋳型の抗折強度を向上させることができる。また、更に一層、鋳肌面の平滑性を高めることができる。なお、ここでいう重量比率の日１．８６の数値は、小数点第３位以下の数値を四捨五入して１．８６となる数値を含むものを意味する。

また、粘結剤が全量基準で重量比率が３３％である場合には、より一層、鋳型の抗折強度を向上させることができる。また、より一層、鋳肌面の平滑性を高めることができる。

また、上記の目的を達成するために、本発明の粉末固着積層法による鋳型の製造方法は、少なくとも、粒径が２０〜２５μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第１の粒子と、粒径が４５〜５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第２の粒子とを含み、かつ、構成粒子の粒径の上限が前記第１の粒子の粒径の２倍以下である骨材と、該骨材同士を結着させる粘結剤とを有する積層造形用材料に結着を開始させる結合剤溶液をかけて硬化させる第１の工程と、該第１の工程で硬化された層を前記第２の粒子の粒径と略同等の大きさのピッチで垂直下方にずらし、同第１の工程で硬化された層の上部に前記積層造形用材料を広げて前記結合剤溶液をかけて硬化させる第２の工程とを備える。

ここで、粒径が２０〜２５μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第１の粒子と、粒径が４５〜５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第２の粒子とを含んで構成された骨材によって、混在状態での粒子間の隙間や表面の凹凸が減り、鋳型の表面の平滑性を高めることができる。また、積層時の鋳型材料の密度が高くなり、鋳型の強度を高めることができる。

また、第２の工程で、第１の工程で硬化された層を第２の粒子の粒径と略同等の大きさのピッチで垂直下方にずらし、第１の工程で硬化された層の上部に積層造形用材料を広げて結合剤溶液をかけて硬化させることによって、積層造形用材料の表面の凹凸を減らし、鋳型の表面の平滑性を高めることができる。また、積層造形用材料の密度が高くなり、鋳型の抗折強度を向上させることができる。

また、上記の目的を達成するために、本発明の鋳型は、少なくとも、粒径が２０〜２５μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第１の粒子と、粒径が４５〜５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第２の粒子とを含み、かつ、構成粒子の粒径の上限が前記第１の粒子の粒径の２倍以下である骨材と、該骨材同士を結着させ前記第１の粒子の粒径よりも小さな粒径を有する粘結剤とを含む積層造形用材料で形成されると共に、隣接する部材と嵌合可能な嵌合部を有する部分型を組み合わせて形成されている。

ここで、少なくとも、粒径が２０〜２５μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第１の粒子と、粒径が４５〜５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第２の粒子とを含んで構成された骨材によって、充分に鋳型の抗折強度を向上させることができる。また、充分に鋳肌面の平滑性を高めることができる。

また、鋳型が、隣接する部材と嵌合可能な嵌合部を有する部分型を組み合わせて形成されることによって、大型の鋳型の製造が可能となる。即ち、複数の部分型を用いて、１つの大型の鋳型の形状とすることが可能となる。なお、ここでいう部分型とは、従来の鋳造で使用される上型や下型、中子をさらに分割したものを意味するものである。また、大型の鋳型とは、三次元造型機で製造可能な最大造形サイズにもよるが、一度の積層造形処理で鋳型全体の形状が製造しえないものを意味する。

本発明に係る積層造形用材料は、粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能なものとなっている。
また、本発明に係る粉末固着積層法による鋳型の製造方法は、粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能なものとなっている。
更に、本発明に係る鋳型は、粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能なものとなっている。

主型及び中子の構造を示す概略図である。鋳型から製造する玉形弁用弁箱及び鋳造方案に基づく製品部分と湯口及び上がりを示す概略図である。主型に中子を配置した状態の詳細構造の概略図（ａ）及び中子のほぞ継ぎを示す概略図（ｂ）である。鋳型の支持構造を示す斜視図（ａ）、正面図（ｂ）及び側面図（ｃ）である。支持構造を設けない鋳型の概略図（ａ）及び支持構造を設けた鋳型の概略図（ｂ）である。鋳型のベント部を示す概略図及びその部分拡大図である。上型及び下型と中子を一体化させていない鋳型を示す概略図（ａ）、上型と中子が一体化した鋳型を示す概略図（ｂ）及び下型と中子が一体化した鋳型を示す概略図（ｃ）である。実施例１〜５及び比較例１の板状試験片に対して行った抗折強度試験の結果を示す図である。実施例３の試験片における鋳型の表面状態を示す写真（ａ）及び、比較例１の試験片における鋳型の表面状態を示す写真（ｂ）である。

以下、本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

以下、本発明を適用した積層造形用材料の一例の組成について説明する。なお、以下で説明する組成はあくまで一例であり、本発明を適用した積層造形用材料がこれに限定されるものではない。

本発明を適用した積層造形用材料の一例である、鋳型材料は、骨材となる第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドと、粘結剤となるアルミナセメントとを備えている。

第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドは、純度９９％以上の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる白色誘電アルミナであり、いずれも１，５００℃以上の耐熱性を有している。また、第１のアルミナサンドは、中心粒径が２０〜２５μｍの粒子で構成されている。また、第２のアルミナサンドは、中心粒径が４５〜５３μｍの粒子で構成されている。

また、アルミナセメントは、アルミナセメントの全量基準の重量比率で７２．５％の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び２５．８％の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含む粉状前駆体である。また、アルミナセメントは、平均粒径が４．５μｍの粒子で構成され、１，７３０℃以上の耐熱性を有している。

アルミナセメントは、積層造形時にインクジェットのプリントヘッドから結合剤溶液を吹き付けられることで、混合させた第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドを結着して硬化させる。結合剤溶液は、１％以下の２−ピロリドンを含む水溶液が用いられる。

また、鋳型材料には、粘結剤の硬化速度を速めるための補助剤として、炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）を備えている。

鋳型材料は、全量基準での重量比率が、骨材が６６％、アルミナセメント：３３％、炭酸リチウム：１％を含む組成を有している。また、骨材の量基準で、第１のアルミナサンド：３５％、第２のアルミナサンド：６５％を含む組成を有している。

ここで、第２のアルミナサンドの骨材の量基準での重量比率に対する第１のアルミナサンドの骨材の量基準での重量比率の比が１．６８となっているが、必ずしもこの数値になる必要はない。但し、鋳型の抗折強度の向上と、鋳型の表面の平滑性を高める点から、骨材の量基準での重量比率の比は、１．５０〜２．３３の範囲となるのが好ましく、更に、１．６８となることがより一層好ましい。

また、骨材を構成する鋳物砂が第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドのみで構成されているが、骨材の構成がこれに限定されるものではない。第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドが骨材の主な成分となり、かつ、両アルミナサンドの中心粒径で挟まれた範囲の中心粒径を有する砂を第３の成分として配合することも可能である。例えば、第３の鋳物砂の成分を骨材の量基準で数％含有させてもよい。

また、必ずしも、アルミナセメントの全量基準での重量比率が３３％となる必要はない。但し、鋳型の抗折強度の向上と、鋳型の表面の平滑性を高める点から、アルミナセメントの全量基準での重量比率が３３％に設定されることが好ましい。

また、鋳型材料には、粘結剤の硬化速度を速めるための補助剤として、炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）を入れることが好ましい。また、炭酸リチウムの添加量を増やすことで、硬化が始まる始発時間が短くなり、硬化速度も高くなるが、他の成分の配合量も考慮して、炭酸リチウムの配合量を適宜選択することが好ましい。また、炭酸リチウムの配合により鋳型の抗折強度が向上する。

以下、上記で説明した積層造形用材料を用いて形成した鋳型について説明する。
図１は、主型及び中子の構造を示す概略図である。図２は，鋳型から製造する玉形弁用弁箱及び鋳造方案に基づく製品部分と湯口及び上がりを示す概略図である。図３は、主型に中子を配置した状態の詳細構造の概略図（ａ）及び中子のほぞ継ぎを示す概略図（ｂ）である。

以下、本発明を適用した鋳型の一例である積層造形鋳型１について説明する。

図１に示すように、積層造形鋳型１は、主型２と、中子３を備えている。積層造形鋳型１は、図２の左側に示す形状の玉形弁用弁箱４を鋳造する際の鋳型である。また、主型２は長さ（図１の符号Ｌ）が８００ｍｍの鋳型となっている。

主型２は、内部に玉形弁用弁箱４の外形と同一の形状の空間を有し、複数の部分主型５を組み合わせて形成されている。主型２は高さ方向において、湯口及び湯道が形成された湯道側の領域部分６、製品側の上部領域部分７及び製品側の下部領域部分８に分割された構造となっている。符号９及び符号１０は主型２の高さ方向の分割位置を示している。

また、主型２の幅方向に隣接する部分主型５同士の間は組継ぎ１１で組み合わされている。組継ぎ１１の部分の溶湯が流れない領域は、図示しないボルトナットやクランプ等の部材で固定されている。詳細な分割構造は後述する。

図１に示すように、中子３は、上部中子１２、中間中子１３及び下部中子１４の部材を組み合わせて形成されている。中子３は、主型２の内部空間に収容され、玉形弁用弁箱４の空洞を形成する。また、上部中子１２と中間中子１３、及び中間中子１３と下部中子１４の間はほぞ継ぎで組み合わされ、ボルトナットやクランプ等の部材で固定されている。ほぞ継ぎの詳細な構造は後述する。

主型２及び中子３は、肉抜きした形状となっており、鋳造に用いられない部分は削られ、形状を担保するために必要な鋳型材料のみが使用されている。

主型２及び中子３を用いて鋳造を行うと、図２の左側に示す形状の玉形弁用弁箱４を製造することができる。また、図２の右側には、鋳造時の玉形弁用弁箱となる製品部分１５と、湯口５０及び上がり１６の形成位置を示している。

ここで、必ずしも、本発明を適用した鋳型が主型２と中子３で構成される必要はない。例えば、主型のみを複数の部分主型で形成して中子を使用しない鋳型や、主型のうち上型または下型のみを複数の部分主型で形成する場合があってもよい。

また、必ずしも、主型２の長さが８００ｍｍに限定されるものではなく、造形対象物も玉形弁用弁箱である必要はない。製造したい対象物の大きさと、それに必要となる複数の部分主型を形成することで、例えば、長さ１０００ｍｍ以上の主型を形成することも可能である。

また、主型２及び中子３が分割される位置は特に限定されるものではなく、適宜、部材の組み合わせや取扱いが容易な形状へと、適宜設計変更を行うことが可能である。但し、主型２では、湯口及び湯道が形成された湯道側の領域部分６、製品側の上部領域部分７及び製品側の下部領域部分８に分割された構造とすることで、各々の用途に合わせた形状に加工しやすいものとなる。

即ち、主型２では、湯道側の領域と製品側の領域とで分割可能な構造とすることが好ましい。例えば、湯道側の領域は製品側の領域に比べて、鋳型材料が必要な領域が少なくなっており、湯道側の領域の形状のみを形成した方が、主型の形成効率を高めることができる。

また、必ずしも、隣接する部分主型や中子部材が組継ぎやほぞ継ぎで組み合わされる構造とされる必要はない。但し、組み合わせた構造体が安定した構造となる点から、隣接する部分主型や中子部材が組継ぎやほぞ継ぎで組み合わされる構造とされることが好ましい。また、同様の観点から、接合する領域の両方に凹部を設け、組み合わせた凹部に嵌合する雇い実部材を使用して組み合わせる構造も採用しうる。

図３（ａ）には、主型２及び中子３のより詳細な分割構造を示している。主型２は複数の部分主型５によって形成されている。また、中子３は前述したように、上部中子１２、中間中子１３及び下部中子１４の３つの部材で形成されている。

各々の部分主型５、上部中子１２、中間中子１３及び下部中子１４は、長さ２０ｍｍ程度の一般的な造形対応サイズの造形物を製造可能な三次元造形機で製造されるものとなっている。

個々の部分主型５を更に細かく見ると、符号１７及び符号１８が上がり部、符号１９が湯口部、符号２０及び符号２１が中間主型、符号２２及び符号２３が下部主型となっている。また上がり部１７及び上がり部１８は、図２の右側の図で示した上がり１６を形成する部分となる。

また、図３（ｂ）には、中子３の詳細な構造を示している。上部中子１２は下部に凸部４２が、中間中子１３の上部に凹部４３がそれぞれ形成されている。また、中間中子の下部に凹部（図示せず）が、下部中子１４の上部に凸部４４がそれぞれ形成されている。

対向する各凹凸部が中子３のほぞ継ぎ部分であり、この部分で組み合わされることで、中子３は安定した構造体となる。

このように１つの主型を細分化することで、高精度かつ大型の鋳型を形成することが可能となっている。また、個々の部材は、積層造形装置用に所望の形状の３ＤＣＡＤデータを入力して形成される。

本発明を適用した鋳型では、以下図４〜図７で説明するような構造を採用しうる。

図４には、鋳型のキャビティ部の反対側の領域を肉抜きし、柱状部材による支持構造を設けた鋳型を示している。

図４に示す鋳型２４は、溶湯が流れ込むキャビティ部２５の反対側の領域に、支持構造２６を形成している。支持構造２６は、一定間隔を有して略平行に配置された柱部２７と、隣接する柱部２７同士を連結した桟部材２８で構成されている。

また、柱部２７及び桟部材２８が交わる部分は、各々の部材より体積の大きな球状部２９が形成され、交点を補強する構造となっている。なお、鋳型２４をキャビティ部２５の反対側の領域から見た正面図を図４（ｂ）、側面から見た図を図４（ｃ）に示している。

図５（ａ）には、支持構造２６を設けない鋳型３０を、図５（ｂ）には前述した支持構造２６を有する鋳型２４を示している。鋳型２４は鋳型３０に比べ、キャビティ部の反対側の領域を肉抜きすることで、鋳型を形成する鋳型材料を大きく低減させることができるものとなっている。

また、鋳型２４は、支持構造２６を有することで鋳型の強度を担保しうるものとなっている。また、鋳型２４は肉抜きされたことで、キャビティ部の反対側の領域からキャビティ部２５に風を当てる等して、鋳物材料を注湯後に強制冷却させることができる。この結果、凝固が促進され、冷却速度に起因する凝固欠陥の発生を低減させることができる。

また、鋳型は、上述したような支持構造２６を設けた部分型と、支持構造２６を設けない通常の形状の部分型を組み合わせて形成した構造とすることもできる。このような構造とすることで、鋳型の形状の必要な箇所を補強した構造を実現することが可能となる。

図６には、鋳型のキャビティ部にガス抜き用のベント部を設けた構造を示している。

図６に示す鋳型３１はキャビティ部３２に複数のベント部３３を有している。ベント部３３は、図６の拡大図部分に示すように、直径が５ｍｍ程の貫通孔３４が多数集合して形成されたものである。

貫通孔３４は鋳型３１をキャビティ部からその背面側に向けて貫通している。また、貫通孔３４の内部には、鋳型３１の鋳型材料となる鋳物砂（図示せず）が収容されている。鋳物砂は、鋳型３１の積層造形時に硬化を開始させる結合剤が吹きかけられていないものである。

鋳物砂は未結着の状態であるため、貫通孔３４の内部に収容されても一定の通気性を保ち、鋳造時に鋳型から生じるガスを逃がすことができる。この結果、鋳物にガス欠陥が生じにくいものとなる。

また、鋳物砂が収容されたことで、貫通孔３４を介して溶湯が外部への漏れを抑えることができる。このように鋳型にベント部３３を設けることで、鋳造時のガス抜きを促進させることができる構造となっている。

ここで、必ずしも、貫通孔３４の直径が５ｍｍ程に設定される必要はなく、鋳型材料の種類や鋳型の形状により適宜選択しうる。但し、貫通孔の直径をあまりに大きくすると溶湯漏れが生じることとなるため、未結着の鋳物砂が容易に抜け落ちてしまわない程度の大きさが選択されることが好ましい。

図７では、中子を主型の一部と連結させ、一体化させた構造について説明する。

図７（ａ）は、中子３５が主型を構成する上型３６または下型３７のいずれとも連結されていない構造を示している。ここで、図７（ｂ）では、中子及び上型が連結して一体化した主型３８と、主型３８と対になる下型３９を示している。

図７（ａ）に示す鋳型では、中子３５及び上型３６の間に隙間が存在し、鋳ばりが隙間の部分に生じてしまう。一方、図７（ｂ）に示す主型３８では、中子と上型が一体化されたことで間に隙間が生じず、鋳ばりの発生を低減させることができる構造となっている。

また、図７（ｃ）には、中子及び下型が連結して一体化した主型４０と、主型４０と対になる上型４１を示している。主型４０も主型３８と同様に、中子と下型の間に隙間が生じず、鋳ばりの発生を低減させることができる構造となっている。

以下、積層造形鋳型１の製造から玉形弁用弁箱４の製造までの流れを説明する。

（３ＤＣＡＤデータの準備）
まず、製造する玉形弁用弁箱４の形状の３ＤＣＡＤデータを作製した。３ＤＣＡＤデータの作製では、鋳物の鋳造方案に基づき、鋳込みの系統等を反映させた積層造形鋳型１の３ＤＣＡＤデータを作製した。

また、使用する積層造形装置（三次元造形機）の造形エリア寸法に合わせて、積層造形鋳型１の３ＤＣＡＤデータを分割し、部分主型５及び各中子構成部材の形状に対応するデータを作製した。ここでは、組継ぎやほぞ継ぎの形状も反映される。

（鋳型材料の準備）
前述した鋳型材料を調整した。骨材となる第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドと、アルミナセメント及び炭酸リチウムを混合させ、鋳型材料とした。

（積層造形処理）
各部材の形状に対応する３ＤＣＡＤデータを積層造形装置で使用可能なデータ形式に変換し、積層造形装置用ソフトに入力した。また、造形に必要な各種材料やプリントヘッドを装置に補充し、取り付けを行った。

積層造形装置は、次の性能の装置を使用した。造形枠寸法：５０８ｍｍ×３８１ｍｍ×２２９ｍｍ、高さ方向造形速度：５〜１５ｍｍ／ｈｒ、最小積層ピッチ：０．１ｍｍ。各種造形材料から所望の形状を有する砂型が積層造形され、造形終了後に、余分な鋳型材料を除去し、造形物を装置から取り出した。

（注湯準備）
分割して造形した各砂型を連結して組み合わせて、主型２及び中子３を形成した。組継ぎやほぞ継ぎの部分を組み合わせ、ボルトやクランプ等で固定した。主型２の内部に中子３をセットして積層造形鋳型１とした。積層造形鋳型１に塗布剤を塗布し、２００℃の温度で乾燥させた。

（注湯）
上記の工程で製造した積層造形鋳型１に溶湯を注湯し、鋳込みを行った。自然冷却または一部強制冷却により凝固させ、鋳型をばらし、ばり取り、仕上げを経て、図２の左側に示す玉形弁用弁箱４を製造した。

以上までで説明した本発明を適用した鋳型の一例である積層造形用鋳型は、主型や中子を更に分割した部材を積層造形処理で製造することから、大型の鋳型を製造可能なものとなっている。また、鋳型を直接製造することが可能であり、鋳物製造にかかる製造期間を大幅に短縮することができる。

また、積層造形用鋳型は、主型や中子を分割した各部材は充分な抗折強度を有するものとなっている。また、鋳型材料を低減しても形状を維持し得る支持構造や連結構造を有するものとなっている。

更に、冷却時の凝固欠陥やガス欠陥等の鋳物の品質に影響する欠陥が生じにくく、高精度な鋳物となっている。また、鋳肌面の平滑性にも優れた鋳物となっている。

以上説明したように、本発明を適用した鋳型は粉末固着積層法で形成され、大型の鋳物に適用可能かつ、高精度な鋳物を鋳造可能なものとなっている。

以下、本発明の鋳型材料に関する実施例を説明する。

（１）試験片の化学成分
まず、前述した鋳型材料のうち、骨材となる第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドについて、骨材の全量基準で第１のアルミナサンドと第２のアルミナサンドが表１に示す配合割合となるように鋳型材料成分を調整して、実施例１〜５及び比較例１とした。また、実施例１〜５及び比較例１の鋳型材料には、鋳型材料の全量基準で３３％のアルミナセメントと、１％の炭酸リチウムが配合されている。実施例１〜５及び比較例１は、積層造形装置を用いて１０ｍｍ（Ｗ）×２０ｍｍ（ｔ）×７５ｍｍのサイズの板状試験片とした。なお、以下の表１の第１段目及び第２段目の数値は、鋳型材料粉末のうち骨材の全量を基準にした重量比率（％）を示したものである。また、表２には、アルミナセメントの化学成分を示している。

（２）抗折強度試験及び鋳型の平滑性
図８は、実施例１〜５及び比較例１の板状試験片に対して行った抗折強度試験の結果を示す図である。図８では、縦軸は抗折強度（ＭＰａ）、横軸は骨材を全量基準とした第１のアルミナサンドの重量比率（％）を示している。
上記の組成で調整した各試験片について抗折強度を調べるために抗折強度試験を行った。鋳物砂強度試験機にて、試験片を支点間距離５０ｍｍ（Ｌ）で支持し、試験片の中央に荷重を加え、試験片が破壊された際の破壊荷重（Ｐ）を求めた。本試験における抗折強度（ＭＰａ）は、試験片の破壊荷重を用いて、以下の式（１）で算出した。
抗折強度（ＭＰａ）＝１．５×ＬＰ／１００Ｗｔ^２・・・式（１）
Ｌ：支点間距離（５０ｍｍ）、Ｐ：破壊荷重（ｋｇｆ）、Ｗ：試験片の幅（１０ｍｍ）、ｔ：試験片の厚み（２０ｍｍ）
また、各試験片の表面の荒れの程度を目視で観察して、鋳型の表面の平滑性を確認した。

実施例１〜５はいずれも抗折強度が１．６ＭＰａ以上の数値であった。特に、実施例２〜４では抗折強度が１．７５ＭＰａ以上の数値であり、実施例３では１．９ＭＰａの高い数値を示した。また、鋳型の表面の平滑性は、実施例２〜４で良好であった。また、実施例１及び５では、比較例１の表面の荒れた平滑性に比べてやや改善が見られた。
なお、参考として、実施例３の試験片における鋳型の表面状態を示す写真を図９（ａ）及び、比較例１の試験片における鋳型の表面状態を示す写真を図９（ｂ）に示す。

鋳型材料における粘結剤の配合量と鋳型の表面の平滑性の関係性ついて試験を行った。
（３）試験片の化学成分
前述した鋳型材料のうち、粘結剤となるアルミナセメントが鋳型材料の全量基準で３３％となるように鋳型材料成分を調整して、実施例６とした。また、実施例６の鋳型材料には、骨材の全量基準で第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドがそれぞれ５０％となるように配合されている。また、鋳型材料の全量基準で１％の炭酸リチウムが配合されている。実施例６は、積層造形装置を用いて１０ｍｍ（Ｗ）×２０ｍｍ（ｔ）×７０ｍｍのサイズの板状試験片とした。なお、ここで使用したアルミナセメントは表２に示す化学成分を有するものである。

（４）鋳型の平滑性
鋳型の平滑性の確認は、前述した（２）と同様の手法で試験を行った。

実施例６の鋳型の表面の平滑性は良好であった。

１積層造形鋳型
２主型
３中子
４玉形弁用弁箱
５部分主型
６湯道側の領域部分
７製品側の上部領域部分
８製品側の下部領域部分
９主型の高さ方向の分割位置
１０主型の高さ方向の分割位置
１１組継ぎ
１２上部中子
１３中間中子
１４下部中子
１５製品部分
１６上がり
１７上がり部
１８上がり部
１９湯口部
２０中間主型
２１中間主型
２２下部主型
２３下部主型
２４鋳型
２５キャビティ部
２６支持構造
２７柱部
２８桟部材
２９球状部
３０鋳型
３１鋳型
３２キャビティ部
３３ベント部
３４貫通孔
３５中子
３６上型
３７下型
３８主型
３９下型
４０主型
４１上型
４２凸部
４３凹部
４４凸部
５０湯口

Claims

少なくとも、粒径が２０〜２５μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第１の粒子と、粒径が４５〜５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第２の粒子とを含み、かつ、構成粒子の粒径の上限が前記第１の粒子の粒径の２倍以下である骨材と、
該骨材同士を結着させる粘結剤とを有する
積層造形用材料。
前記第１の粒子の骨材の量基準での重量比率に対する前記第２の粒子の骨材の量基準での重量比率の比が１．５０〜２．３３の範囲内である
請求項１に記載の積層造形用材料。
前記第１の粒子の骨材の量基準での重量比率に対する前記第２の粒子の骨材の量基準での重量比率の比が１．８６である
請求項１または請求項２に記載の積層造形用材料。
前記粘結剤は全量基準で重量比率が３３％である
請求項１、請求項２または請求項３に記載の積層造形用材料。
前記粘結剤が、酸化アルミニウムを主成分とするアルミナセメントである
請求項１、請求項２、請求項３または請求項４に記載の積層造形用材料。
少なくとも、粒径が２０〜２５μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第１の粒子と、粒径が４５〜５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第２の粒子とを含み、かつ、構成粒子の粒径の上限が前記第１の粒子の粒径の２倍以下である骨材と、該骨材同士を結着させる粘結剤とを有する積層造形用材料に結着を開始させる結合剤溶液をかけて硬化させる第１の工程と、
該第１の工程で硬化された層を前記第２の粒子の粒径と略同等の大きさのピッチで垂直下方にずらし、同第１の工程で硬化された層の上部に前記積層造形用材料を広げて前記結合剤溶液をかけて硬化させる第２の工程とを備える
粉末固着積層法による鋳型の製造方法。
少なくとも、粒径が２０〜２５μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第１の粒子と、粒径が４５〜５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムで構成された第２の粒子とを含み、かつ、構成粒子の粒径の上限が前記第１の粒子の粒径の２倍以下である骨材と、該骨材同士を結着させ前記第１の粒子の粒径よりも小さな粒径を有する粘結剤とを含む積層造形用材料で形成されると共に、隣接する部材と嵌合可能な嵌合部を有する部分型を組み合わせて形成された
鋳型。