(57)【要約】【課題】製造合理性の高い砂型の積層造形方法を提供すること。【解決手段】砂を供給するリコーターと、砂接着用の樹脂を供給するプリントヘッドを有し砂型を作成する積層造形装置を用いた方法である。リコーターによる砂供給ピッチＲｚ２を０．４３ｍｍ以上とし、砂接着用の樹脂をドット印刷により供給する量を砂型の強熱減量に換算して１．５ｍａｓｓ％以上に設定したことにある。積層ピッチが粗くなるほど、同様の体積を印刷するのに要する時間が低減され、生産性が高まり生産コストの低減につながる。従前は強度不足を来したリコーターによる砂供給ピッチを０．４３ｍｍ以上としても、砂接着用の樹脂をドット印刷により供給する量を砂型の強熱減量に換算して１．５ｍａｓｓ％以上に設定することで、十分な強度が得られる。【選択図】    図９
2020183120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂を供給するリコーターと、砂接着用の樹脂を供給するプリントヘッドを有し砂型を作成する積層造形装置を用いた砂型の積層造形方法であって、
前記リコーターによる砂供給ピッチを０．４３ｍｍ以上とし、
砂接着用の樹脂をドット印刷により供給する量を砂型の強熱減量に換算して１．５ｍａｓｓ％以上に設定してある砂型の積層造形方法。
【請求項２】
砂型は主型と中子とを有し、主型のリコーターの砂供給速度より中子のリコーターの砂供給速度を低く設定することで、主型強度より中子強度を高く作成する請求項１記載の砂型の積層造形方法。
【請求項３】
砂を供給するリコーターと、砂接着用の樹脂を供給するプリントヘッドを有し砂型を作成する積層造形装置を用いた砂型の積層造形方法であって、
砂型は主型と中子とを有し、前記リコーターによる砂供給ピッチを０．４３ｍｍ以上とし、主型のリコーターの砂供給速度より中子のリコーターの砂供給速度を低く設定し、砂型の曲げ強度σが主型では１．５ＭＰａ以上、中子では３．０ＭＰａ以上となるように印刷条件を定める砂型の積層造形方法。
【請求項４】
砂型の曲げ強度σは次式により定められる請求項３記載の砂型の積層造形方法。
σ＝０．９４６（ＷLOI≡０．５３８）0.57  ×（３５．７ｆ2−１２．７ｆ）
ただし、    砂充填率ｆ＝０．７７≡０．３０Ｒz≡０．９５ＶR
ＷLOI：強熱減量  ｍａｓｓ％  σ：砂型の曲げ強度  ＭＰｓ
Ｒz  ：積層ピッチ  ｍｍ  ＶR：リコータースピード  ｍ／ｓ
【請求項５】
前記中子の砂供給速度が０．１５ｍ／ｓ以下である請求項２〜４のいずれかに記載の砂型の積層造形方法。
【請求項６】
前記主型の砂供給速度が０．１７ｍ／ｓ以上である請求項２〜４のいずれかに記載の砂型の積層造形方法。
【請求項７】
前記砂型によって作成される鋳物製品の最大長部分の寸法が５００ｍｍ以上である請求項１〜６のいずれかに記載の砂型の積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、砂型の積層造形方法に関する。さらに詳しくは、砂を供給するリコーターと、砂接着用の樹脂を供給するプリントヘッドを有し砂型を作成する積層造形装置を用いた砂型の積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット式の砂型の積層造形装置・造形方法としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。インクジェット式の砂型の積層造形装置は、装置の大型化・高速化が容易で、生産性が高いことで知られている。したがって、これまでは試作用途での運用が主であったが、今後は生産設備としての期待が高まっている。
【０００３】
以前の積層造形装置は小型のものが主流であったが、装置の大型化に伴い、大型製品への適用も期待されるようになった。しかし、積層造形砂型の製造に要するコストは、印刷体積に比例する。例えば、製品一辺の長さが２倍になると、体積は８倍になるため、コストも８倍となってしまう。積層造形ではない従来工法による多品種少量生産では、型製作に要する費用が大部分を占めることになるが、通常、製品の一辺の長さが２倍になっても、コストは８倍まで増加はしない。したがって、大型の製品を製造するにあたっては、積層造形砂型では従来工法と比較して製造の合理性で競争力に劣るという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】再公表ＷＯ２０１５／１４１７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、製造合理性の高い砂型の積層造形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
積層ピッチを大きくとった場合、砂型の強度が顕著に低下することや、適正な形状を得られないことが明らかとなった。これまで、原因が十分に理解されていなかったが、本発明ではその原因を特定し、対策を講じることで積層ピッチを粗くとった場合にも実用可能な砂型を得る方法を模索する必要があった。
【０００７】
そこで、上記目的を達成するため、本発明に係る砂型の積層造形方法の特徴は、砂を供給するリコーターと、砂接着用の樹脂を供給するプリントヘッドを有し砂型を作成する積層造形装置を用いた方法であって、前記リコーターによる砂供給ピッチを０．４３ｍｍ以上とし、砂接着用の樹脂をドット印刷により供給する量を砂型の強熱減量に換算して１．５ｍａｓｓ％以上に設定したことにある。
【０００８】
積層ピッチが粗くなるほど、同様の体積を印刷するのに要する時間が低減され、生産性が高まり生産コストの低減につながる。従前は強度不足を来したリコーターによる砂供給ピッチを０．４３ｍｍ以上としても、砂接着用の樹脂をドット印刷により供給する量を砂型の強熱減量に換算して１．５ｍａｓｓ％以上に設定することで、十分な強度の得られることが判明した。
【０００９】
同特徴において、砂型は主型と中子とを有し、主型のリコーターの砂供給速度より中子のリコーターの砂供給速度を低く設定することで、主型強度より中子強度を高く作成するとよい。中子は主型よりも熱膨張圧力が高くなることから強度が必要である。一方、発明者の実験によれば、砂供給速度を低減することで、砂の充填率を向上させ、強度の向上を図ることが可能となることが判明した。そこで、生産効率を低下させる砂供給速度の低減を強度の必要な中子に配分することで、全体としての砂供給速度を向上させ、必要強度の保持と生産性向上の双方を達成することに成功した。
【００１０】
一方、上記目的を達成するため、本発明に係る砂型の積層造形方法の他の特徴は、砂を供給するリコーターと、砂接着用の樹脂を供給するプリントヘッドを有し砂型を作成する積層造形装置を用いた砂型の方法であって、砂型は主型と中子とを有し、前記リコーターによる砂供給ピッチを０．４３ｍｍ以上とし、主型のリコーターの砂供給速度より中子のリコーターの砂供給速度を低く設定し、砂型の曲げ強度σが主型では１．５ＭＰａ以上、中子では３．０ＭＰａ以上となるように印刷条件を定めることにある。
【００１１】
同他の特徴によれば、砂供給速度の低減を強度の必要な中子に配分することで、全体としての砂供給速度を向上させ、必要強度の保持と生産性向上の双方を達成する。特に、砂型の曲げ強度σが主型では１．５ＭＰａ以上、中子では３．０ＭＰａ以上となるように砂供給速度等を調整すれば、実用的な強度を保持しつつ生産性を向上させることが可能となる。
【００１２】
同他の特徴において、砂型の曲げ強度σは次式１により定めるとよい。同式の活用により、印刷条件を適切に定めることが可能となる。
式１
σ＝０．９４６（ＷLOI−０．５３８）0.57  ×（３５．７ｆ2−１２．７ｆ）
ただし、    砂充填率ｆ＝０．７７−０．３０Ｒz  −０．９５ＶR
ＷLOI：強熱減量  ｍａｓｓ％    σ：砂型の曲げ強度  ＭＰｓ
Ｒz  ：積層ピッチ  ｍｍ    ＶR：リコータースピード  ｍ／ｓ
【００１３】
上記各特徴において、前記中子の砂供給速度が０．１５ｍ／ｓ以下とするとよい。同特徴によれば、砂の充填率を向上させて、砂供給ピッチを広げても、強度低下を防ぐことができる。
【００１４】
一方、上記各特徴において、前記主型の砂供給速度が０．１７ｍ／ｓ以上としてもよい。同特徴によれば、強度が中子よりも低くて足りる主型の生産性が向上し、全体として合理的な生産が可能となる。
【００１５】
特に、前記砂型によって作成される鋳物製品の最大長部分の寸法が５００ｍｍ以上である場合、寸法精度が問題とならず、上述の生産合理性を十分に享受することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
このように、上記本発明に係る砂型の積層造形方法の特徴によれば、従来よりも広い砂供給ピッチでの生産により生産スピードを全体として向上させながら、砂型の必要強度を確保し、製造合理性の高い砂型の積層造形方法を提供することが可能となった。
【００１７】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に用いる積層造形装置の原理図である。
【図２】本発明に用いられる砂型の例である。
【図３】本発明における得るべき結果Ｅ１〜３と、その結果を得るための対策Ｃ１〜４との相関を示す図である。
【図４】砂の充填率と曲げ試験強度との関係を示すグラフである。
【図５】プリントヘッドの印刷間隔と樹脂添加量の関係を示す図である。
【図６】プリント１ドット（ボクセル）のサイズを説明する図である。
【図７】砂の充填率と曲げ試験強度との関係を示すグラフである。
【図８】試験片の採取状況を説明する図である。
【図９】リコート速度の調整方法を示す図である。
【図１０】積層ピッチと砂の充填率との関係を示すグラフである。
【図１１】印刷点密度または強熱減量と充填率５５％換算曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図１２】積層ピッチと充填率５５％換算曲げ強度との関係を示すグラフである。
【図１３】リコーター移動速度変化量と充填率変化量との相関を示すグラフである。
【図１４】本方法により製作された砂型の写真である。
【図１５】主型、中子ともに約３ＭＰａの曲げ強度の砂型で鋳造されたタービンハウジングの試作例２である。
【図１６】主型、中子ともに約１．５ＭＰａの曲げ強度の砂型で鋳造されたタービンハウジングの試作例３であり、（ａ）は全体、（ｂ）は破損部の拡大部を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施に用いる積層造形装置１の概略図であり、砂を収納する筐体２の中にステージ３を昇降アクチュエーター４により鉛直方向Ｚに対して駆動するように支持し、プリントヘッド５及びリコーターユニット６を設ける。リコーターユニット６は、紙面垂直は水平方向であるＹ方向にスリット６ａが連なる形状で、砂をスリットに供給するリコーター６ｂと、スリットの横で砂を水平に均すスキージー６ｃとを有している。そして、Ｘ方向に定期的に駆動して、砂を鉛直方向Ｚに対して一定厚みの積層ピッチＲｚとなるように供給する。プリントヘッド５は、水平方向であるＸＹ方向に複数の図示しないノズルが並んで設けられ、Ｘ，Ｙ方向に交互に進み、上記リコーターユニット６で供給された砂にバインダーを含侵させて固化させる。これらの動作の繰り返しにより砂溜まり２００の中に砂型１１０が形成される。
【００２１】
図２に示す砂型の例では、砂型１１０が２つの主型１１１，１１１と１つの中子１１２からなり、主型１１１と中子１１２との間に溶湯１２０が注がれる。中子とは、鋳造品の穴部・中空内部を形成するための砂型を意味するが、数値的に定義では、砂型のうち、表面積の概ね４０％以上が溶湯にふれるものと当明細書では定義する。中子は主型１１１に支持される空間に溶湯が注がれて熱膨張の圧力が伝わるため、主型１１１よりも材料強度が必要となる。
【００２２】
積層ピッチを大きくとった場合には積層段差の影響が大きくなること、また砂型の寸法精度が悪化する問題がある。積層ピッチを仮に０．５ｍｍとすると、砂型のＺ方向（積層方向）の寸法精度は±０．２５ｍｍが限界となる。中子を有さない上型と下型のみの単純な砂型であっても、合わせて±０．５ｍｍの寸法精度が限界となってしまい、より分割数の多い複雑な砂型では更に鋳造品の精度が悪化することとなる。  
【００２３】
鋳造品の寸法精度は、凝固直後から常温までの冷却過程の収縮による影響が大きい。例えば、鋳鉄の場合、共晶温度のおよそ１１５０℃で凝固が完了した後、常温まで冷却する過程でおよそ１％の熱収縮が発生する。このため、砂型は最終製品の寸法よりおよそ１％大きく作製される。鋳造品の実際の収縮率は砂型による拘束や、製品内の冷却速度の違いにより一定ではなく、製品が理論値よりも縮まなかったり、製品が変形したりすることがある。したがって、鋳造品の寸法精度は、その製品の大きさに比例して悪化する。ＪＩＳ  Ｂ  ０４０３には鋳造品の寸法公差が規定されているが、例えばＣＴ８の場合、寸法１０ｍｍの際には±１ｍｍが求められるのに対し、寸法１５００ｍｍの場合に求められる寸法精度は±３．２ｍｍである。大型の製品においては、熱収縮による影響が大きくなるため、相対的に積層ピッチによる寸法精度の悪化の影響が小さくなる。したがって、大型製品においては積層ピッチを大きく取ることによる寸法精度悪化の問題は小さく、例えば図２における最大寸法Ｈｍａｘが１５００ｍｍ以上の場合に本発明は有効に適用される。
【００２４】
図３に得るべき結果Ｅ１〜３と、その結果を得るための対策Ｃ１〜４との相関を示す。得るべき結果Ｅｎは、生産性の向上Ｅ１、砂型強度σの向上Ｅ２，ガス欠陥の改善Ｅ３であり、Ｅ１は現状よりの向上が望まれるが、Ｅ２，３は現状維持でも良い。対策Ｃｎは、積層ピッチＲｚの増大Ｃ１、砂型充填率（かさ密度）ｆの向上Ｃ２、リコート速度ＶRの低下Ｃ３、樹脂添加量の増加Ｃ４を示す。破線の矢印はマイナスの影響、実践の矢印はプラスの影響を意味する。
【００２５】
本発明の以下に示す検討の概要を図３で説明する。生産性の向上Ｅ１を目指し、積層ピッチＲｚの増大Ｃ１を行った結果、砂型強度σの向上Ｅ２についてはマイナスとなった。その結果、積層ピッチＲｚの増大Ｃ１により、樹脂が１ピッチの砂に十分しみていないことが原因であり、樹脂添加量の増加Ｃ４により、砂型強度σの向上Ｅ２に関し改善に成功した。後述の如くボクセルサイズを合わせることで、強度問題は解消し、しかも、ガス欠陥の改善Ｅ３については問題を生じていない。積層ピッチＲｚの増大Ｃ１に伴う砂型充填率ｆの向上Ｃ２は、マイナスとなったため、これを補うべく、リコート速度ＶRの低下Ｃ３により対策した。リコート速度ＶRの低下Ｃ３は生産性の向上Ｅ１に対してマイナスとなるため、中子のみに同対策を用いることで、生産性の低下を抑えることとなった。
【００２６】
比較実験として、積層造形装置（ＥｘＯｎｅ社製  商品名  Ｓ−ＭＡＸ）で積層ピッチを粗くする試験を行った。積層ピッチは０．５ｍｍとし、他の条件は標準的なメーカー推奨値を用いた。しかし砂型の強度が顕著に低下し、強度試験すらも困難な砂型しか得られなかった。
ところで、これまでの研究で、砂型の強度の充填率依存性は以下の関係式（式２とする）で表されることが明らかとなっている。
【００２７】
【数１】
2020183120.tif 000003
【００２８】
ここで、σは砂型の曲げ強度、σ0は砂粒同士の結合１箇所あたりの強度、Ｅは砂粒同士の結合が破断面に現れる確率、ｆは砂型の充填率、Ｄは砂粒の平均径を表している。Ｅ，σ0，Ｄは砂、樹脂、その他の製造条件に影響を受け、砂型の製造ロットごとに異なる値となるパラメータであるため、これらをまとめて定数Ａとおくと次の式３となる。
【００２９】
σ  ＝  Ａ（３５．７ｆ2  −１２．７ｆ  ）          式３
【００３０】
砂の充填率ｆと曲げ強度σとは図４の関係にあることが判明した。すなわち、砂の種類や粒度毎に定数Ａは異なるが、砂の充填率ｆと曲げ強度σとは上記数２の関係式で示される。
【００３１】
対策１
樹脂添加量の影響で強度が低下していることが示唆されたため、樹脂添加量を揃えたテストを行った。図５、６及び表１，２の如く、ヘッドの印刷間隔を調節することで砂型全体としての樹脂添加量を揃えることとした。
【００３２】
【表１】
2020183120.tif 000004
【００３３】
【表２】
2020183120.tif 000005
【００３４】
図５（ａ）よりも図５（ｂ）の方がＺ方向の砂供給ピッチを増大させると同時にＸ方向の送りピッチ幅を狭くしている。図６の符号Ｖ１，Ｖ２はそれぞれ図５（ａ）（ｂ）のボクセル（Ｖｏｘｅｌ）を示し、例えば、Ｚ１＜Ｚ２，Ｙ１＝Ｙ２とし、Ｘ１＞Ｘ２として両ボクセルＶ１，Ｖ２の容積がほぼ同一となるように調整することで、砂供給ピッチ増大の問題を解消することができる。なお、樹脂の供給は、Ｘ，Ｙ方向に並んでいる複数のノズルから微細な液滴を噴出させるようになされており、単位時間あたりの噴出量を増減調整することで、上記ボクセルＶ１，Ｖ２の容積を調整している。なお、表２の如く、リコーター速度（Ｒ．Ｓｐｅｅｄ）ＶRを０．１４１ｍ／ｓ、有効桁数を考えて０．１５ｍ／ｓ以下とすることで、積層ピッチＲｚを増大させつつボクセルサイズを合わせることが可能となるため、リコーター速度ＶRを０．１５ｍ／ｓ以下にすることが望ましい。
【００３５】
図７は順次積層ピッチを変更したうえで、砂の充填率ｆと砂型の曲げ強度σをプロットしたものであり、砂型の強度は、積層ピッチを粗くするほど低下した。図８は曲げ強度の試験片のサンプリング例を示す。積層ピッチ０．３７ｍｍまでは砂型を得ることができたが、積層ピッチ０．４３ｍｍのテストでは狙い通りの形状の砂型を得ることができなかった。図７によれば、積層ピッチが粗い場合であっても細かい場合であっても、同一の曲線上に分布することから、樹脂のＺ方向（縦方向）の浸透に問題はなく、かさ密度（充填率ｆと同義、以下同様）の低下が強度低下の主原因であることが明らかとなった。
【００３６】
対策２
積層ピッチが厚くなる場合、リコーターから多くの砂を出す必要がある。無対策の場合、砂型の充填率が顕著に低下し、強度が出ないか形にならない。したがって、リコート速度を遅くすることで砂の吐出量をより多く確保することとした。図９（ａ）（ｂ）の比較に示すように、積層ピッチの増加変化（ＲZ1＜ＲZ2）にリコート速度を反比例するように遅くする（ＶR1＞ＶR2）ことで、これまで作製できなかった０．４３ｍｍ以上の積層ピッチで砂型を作製できるようになった。密度低下自体はリコート速度を改善しても完全に防げてはいない。積層ピッチが増すほど、かさ密度も低下しているので、砂型の平均強度も低下している。
【００３７】
図１０に積層ピッチＲｚの変化、縦軸に充填率ｆをとり、両者の相関を求めた。リコーター速度改善前の関数をＧ１，リコーター速度改善後の関数をＧ２で示す。速度改善前関数Ｇ１に比較して速度改善後関数Ｇ２は充填率ｆの低下が鈍っているが、同時に速度低下による生産時間の延長につながるため、速度調整の程度には注意を要する。
【００３８】
図１１は印刷点密度Ｄp、ｍｍ-3（式４）または強熱減量ＷLOI、ｍａｓｓ％（式５）と砂の充填率が５５％であるとの仮定で換算したときの砂型の曲げ強度σc，ＭＰａとの関係を示すものであり、次式４，５で表される。
σc＝０．１７（Ｄp−９７．５）0.57              式４
σc＝３．６１（ＷLOI−０．５３８）0.57          式５
【００３９】
印刷点密度Ｄp、ｍｍ-3は印刷ヘッドによる１ｍｍ3当たりの印刷点の数であるため、単位容積当たりの樹脂添加量を現し、同趣旨である強熱減量ＷLOIと比例関係にある。したがって、両者は換算して用いることができる。
【００４０】
積層ピッチを増大させると実際にはかさ密度が低下しているので、強度も低下している。しかし、上記充填率５５％との仮定での変換によりかさ密度の影響を除くと、図１２に示すように、積層ピッチ０．６ｍｍまで強度低下は発生していない。樹脂が下の層まで浸透せずに剥離する傾向が現れるのは、積層ピッチが０．７ｍｍ以上の条件、ということが明らかとなった。かさ密度を高めることができれば、０．６ｍｍまでのピッチで強度低下が起こらないことが判明した
【００４１】
式５の関係を充填率ｆが変数であるときの一般式化するために、式３のｆ＝０．５５とすると、次式６が成立する。
Ａ＝σc／３．８１４                              式６
【００４２】
したがって、この式を式３に代入し、さらに、式５を代入すると、上述の式１が得られる。
【００４３】
図１３は、リコーターの移動速度変化量ΔＶRｍ／ｓと充填率変化量Δｆとの関係を示し、リコーター速度ＶRを下げるほど充填率ｆは増加し、リコーター速度の標準値は０．１７６ｍ／ｓであるので、次式７が成立する。
ΔＶR＝ＶR−０．１７６                       式７
図１３の相関より次式８が得られる。
Δｆ＝−０．９５（ＶR−０．１７６）          式８
【００４４】
先の図１０のリコーター速度調整なしの関数Ｇ１は次式９により定められる。
ｆ＝０．６０−０．３０ＲZ                    式９
こちらに先の式９のΔｆを補正値として加えることで、次式１０が充填率ｆの一般式として得られる。
ｆ＝０．７７−０．３０ＲZ−０．９５ＶR      式１０
この式が先の式１の但し書きに用いられ、積層ピッチＲZとリコーター速度ＶRとにより充填率ｆ及び砂型の曲げ強度σの算定に用いられる。実験にあたっては、以下のような諸条件を考慮し、設定に用いた。
【００４５】
砂の種類：
焼結法で作製された人工砂を用いた。他に一般的に使用されるものとして、天然ケイ砂、天然ジルコン砂、天然オリビン砂、溶融法人工砂等がある。
【００４６】
砂の粒子径：
平均粒径１２８μｍのものを用いた。積層造形砂型一般で標準的なサイズである。細かいほど面粗度で有利な反面、通気性が劣るようになりガス欠陥を生じることがある。好ましくは５０−２００μｍ、より好ましくは８０−１６０μｍの範囲である。
【００４７】
粘結剤の種類：
フラン樹脂を用いたがフェノール樹脂を印刷するもの、セメントや石膏などに対して水を印刷するものなどがある。フラン樹脂は酸触媒により脱水縮合重合する。インクジェット式の砂型積層造形では最も一般的なものである。
【００４８】
今回使用したのは液体の酸触媒を事前に砂と混練し、ＣＡＤデータに従って樹脂を印刷する２液式のものである。鉄・鋼の鋳造では有機系の粘結剤をよく用い、アルミニウム合金の鋳造では無機系の粘結剤をよく用いる。
【００４９】
硬化剤の種類：
硬化剤は、粘結剤の種類により異なるものが用いられる。フラン自硬性の砂型の場合には、酸触媒を用いる。硫酸、アルキルベンゼンスルホン酸、塩酸、リン酸等またはそれらの混合物が一般的に用いられる。今回は、硫酸及びキシレンスルホン酸及び水の混合物からなる市販の硬化剤を使用した。
【００５０】
上記を考慮しつつ、図２の主型１１１の強度について条件を変更して検討を行った。装置の標準条件を表３に示す。
【００５１】
【表３】
2020183120.tif 000006
【００５２】
後述の如く、主型の上記曲げ強度σは１．５ＭＰａあれば実用に耐えるので、この場合は、積層ピッチＲｚは０．４２２ｍｍが限界である。そこで、表４の如く樹脂添加量を増大させるべく、強熱減量％ＷLOI  を２．００ｍａｓｓ％まで増量することで、曲げ強度σが１．５ＭＰａとなる積層ピッチＲｚを０．５５１ｍｍまで増大させて、製造の効率化を図っている。なお、リコーター速度ＶRは標準値である０．１７６ｍ／ｓとすることで、積層ピッチＲｚを増大させて短縮した製造時間がリコーター速度の低下で打ち消されないように配慮している。リコーター速度ＶRの標準値である０．１７６ｍ／ｓは装置の理想運用値なので、主型の場合は、リコーター速度ＶRを０．１７ｍ／ｓ以上とすることで、効率化を図ることができる。
【００５３】
【表４】
2020183120.tif 000007
【００５４】
次いで、図２の中子１１２の強度について条件を変更して検討を行った。装置の標準条件を表５に示す。
【００５５】
【表５】
2020183120.tif 000008
【００５６】
後述の如く、中子の上記曲げ強度σは３．０ＭＰａあれば実用に耐えるので、この場合は、積層ピッチＲｚは０．２９０ｍｍが限界である。そこで、表６の如く樹脂添加量を増大させるべく、強熱減量ＷLOI  を１．５０ｍａｓｓ％まで増量することで、曲げ強度σが３．０ＭＰａとなる積層ピッチＲｚを０．５７５ｍｍ（境界条件）まで増大させて、製造の効率化を図っている。なお、リコーター速度ＶRは標準値よりも遅い値に適宜調整し、境界条件では０．０７３ｍ／ｓとすることで、上記充填率ｆの低下を防ぎ、強度の確保に努めている。
【００５７】
【表６】
2020183120.tif 000009
【００５８】
上記表３〜６の実験結果によれば、強熱減量ＷLOIを１．５０ｍａｓｓ％まで増量することで、曲げ強度σが３．０ＭＰａとなる積層ピッチＲｚを従来の限界である０．４２２ｍｍを超える０．４３ｍｍ以上、本実施形態では０．５７５ｍｍまで増大させて、製造の効率化を図っている。また、主型と中子がある場合は、主型のリコーターの砂供給速度より中子のリコーターの砂供給速度を低く設定し、砂型の曲げ強度σが主型では１．５ＭＰａ以上、中子では３．０ＭＰａ以上となるように印刷条件を定めることで、生産効率を向上させることが可能となる。
【００５９】
図１４に本方法による試作例１を示す。印刷速度は、約３４．８ｍｍ／ｈであり、現行に対し約１．７倍であった。この試作例１より得られた曲げ試験片は１２６．４４ｇで曲げ強度σは  １．７ＭＰａであった。
【００６０】
従来技術では、上記図６における各軸方向の印刷解像度Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１をそれぞれ０．１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２８ｍｍ程度ととることが一般的である。ここで、従来技術におけるボクセル形状のアスペクト比（長軸と短軸の長さの比）は２．８となる。一般的にボクセル形状のアスペクト比は１に近いほど砂型強度の点から有利と考えられていたが、一方で、本発明により得られた成果によれば、ボクセル形状のアスペクト比に制約はなく、アスペクト比３．０以上を採用することで問題を解決しうる。積層ピッチＺ２を０．５ｍｍとした際には、Ｘ２を０．０５ｍｍ、Ｙ２を０．１ｍｍと設定することにより十分な砂型強度を得ることが可能となるが、その際に長軸であるZ2と短軸であるＸ２の比であるアスペクト比は１０となる。本発明では、砂型の充填率と樹脂添加量を十分に維持することによりアスペクト比の非常に大きいボクセル形状を設定した場合においても砂型を健全に製造できることを明らかとした。なお、上記積層ピッチ０．４３ｍｍのときは、Ｘ２を０．０６ｍｍと設定してアスペクト比は７．１７であった。
【００６１】
図１５，１６に主型と中子を用いた試作例２，３を示す。図１５の試作例２は、主型、中子ともに約３ＭＰａの曲げ強度の砂型で鋳造されたタービンハウジングである。中子の破損はなく、健全に鋳造されている。一方、図１６の試作例３は、主型、中子ともに約１．５ＭＰａの曲げ強度の砂型で鋳造されたタービンハウジング。中子が鋳造で破損してズレ動いている。しかし、主型は健全に鋳造されている。以上の結果より、主型強度は１．５ＭＰａでも鋳造可能であるが、中子強度は３ＭＰａ必要であることが判明した。
【００６２】
本発明は、上記に拘わらず、適宜改変が可能である。硬化剤を固体とし砂表面にあらかじめコーティングし、さらにプリントヘッドから砂接着用の液体樹脂を供給する（１液＋１固体式）として実施してもよい。
【００６３】
なお、樹脂の可使時間の影響から、リコーターのスピードは０．０１ｍ／ｓ以上が望ましい。可使時間とは、樹脂と硬化剤が混練されてから成形されるまでに許される時間であり、この時間を経過した後に成形した場合には十分な強度が発現しない。Ｚ方向に樹脂が十分に浸透し、Ｚ方向の強度が確保されるためには、積層ピッチは０．６ｍｍ以下が望ましい。
【００６４】
リコーターのスピードを０．１５ｍ／ｓ以下とすることで、充填度が向上する旨上記に記載したが、リコーターのスピードはこれに限られない。リコーターの開口部の大きさ、砂の形状、砂の粒度、硬化剤の添加量等によって異なるリコーターからの砂吐出速度と必要な砂量の比から、適切なリコーターのスピードは調整しうるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、砂型の積層造形方法として利用することができる。鋳鉄および鋳鋼品の他アルミニウム合金鋳物、銅合金鋳物などにも用いることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１：積層造形装置、２：筐体、３：ステージ、４：昇降アクチュエーター、５：プリントヘッド、６：リコーターユニット、６ａ：スリット、６ｂ：リコーター、６ｃ：スキージー、１１０：砂型、１１１：主型、１１２：中子、１２０：溶湯、２００：砂溜まり、Ｒｚ：積層ピッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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