(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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た本体と、
前記部分型の溶湯と接触しない領域に、隣接する部材同士が所定の間隔を有して配置された柱状部材と、
隣接する前記柱状部材同士を連結する桟部材と、
前記柱状部材及び前記桟部材の交差箇所に位置し、同交差箇所を覆う補強部とを備え、
前記本体、前記柱状部材、前記桟部材及び前記補強部は鋳物砂で構成された
鋳型。
【請求項２】
前記部分型の溶湯が流れ込むキャビティ部の少なくとも一部に同部分型を貫通して形成され、その内部に同部分型を形成する未結着の鋳物砂が収容されたベント部を備える
請求項１に記載の鋳型。
【請求項３】
前記嵌合部は、隣接する部分型同士の接合領域に形成された凹部と、該凹部と嵌合して隣接する部材同士を連結する連結部材とを有する
請求項１または請求項２に記載の鋳型。
【請求項４】
前記部分型は、鋳物が形成される領域を含む鋳物用部分型と、湯口及び湯道が形成された領域を含む湯道用部分型とを組み合わせた
請求項１、請求項２または請求項３に記載の鋳型。
【請求項５】
前記部分型の少なくとも一部と連結された中子を備える
請求項１、請求項２、請求項３または請求項４に記載の鋳型。
【請求項６】
前記部分型は、第１の粒子と、該第１の粒子の粒径の１．５〜２倍の粒径を有する第２の粒子で構成される骨材と、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た
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５に記載の鋳型。
【請求項７】
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１．５〜３．０の範囲内である
請求項６に記載の鋳型。
【請求項８】
嵌合部を有する部分型と、該部分型の溶湯と接触しない領域に、隣接する部材同士が所定の間隔を有して配置された柱状部材と、隣接する前記柱状部材同士を連結する桟部材と、前記柱状部材及び前記桟部材の交差箇所に位置し、同交差箇所を覆う補強部とを粉末固着積層法による積層造形により形成する工程と、
前記嵌合部を嵌合させて部分型を組み合わせて鋳型を形成する工程とを備える
鋳型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳型及び鋳型の製造方法に関する。詳しくは、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鋳型及び鋳型の製造方法に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
しかし、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、鋳物の金属材料の融点温度に鋳型材料が対応できず欠陥が生じることがある。そこで、例えば、特許文献１では、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提案されている。
【０００８】
このように粉末固着積層法による鋳型の製造では、鋳型材料の改良により、注湯可能な金属の種類の多様化や、鋳物の品質を向上させようとする試みがなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１１０８０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、粉末固着積層法での鋳型の製造では、製造可能な造形物の大きさについても問題を有しており、鋳型の大きさは、使用する三次元造形機の最大造形サイズに依存するものとなっている。即ち、汎用性の高い機種では一般的に長さ２０ｃｍ程度の造形物が一度の積層造形において製造可能なサイズの限界となっている。
【００１１】
そのため、長さ１ｍ超の大型の鋳型については、一回の積層造形で製造することができなかった。また、約１ｍ四方の造形物を高精度に製造可能な機種は装置が非常に高額であり、製造現場で容易に導入できるものとはなっていない。
【００１２】
また、大型の鋳型を形成した際の形状安定性や鋳型の強度が不充分になるリスクが存在する。また、大型の鋳型で製造する鋳物の鋳肌面の平滑性等、鋳物の品質においても精度を担保する必要がある。
【００１３】
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鋳型及び鋳型の製造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】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明の鋳型は、隣接する部材と嵌合可能な嵌合部を有し、粉末固着積層法による積層造形により形成された部分型を組み合わせて形成されている。
【００１５】
ここで、鋳型が、粉末固着積層法による積層造形により形成された部分型を組み合わせて形成されたことによって、大型の鋳型とすることができる。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。
【００１６】
また、隣接する部材と嵌合可能な嵌合部を有する部分型によって、部分型同士の組み合わせ作業を容易にすることができる。また、部分型同士を組み合わせた構造体を安定化させることができる。
【００１７】
また、部分型が、鋳物が形成される領域を含む鋳物用部分型と、湯口及び湯道が形成された領域を含む湯道用部分型とを組み合わせて形成された場合には、各々の用途に合わせた形状に加工しやすいものとなる。例えば、湯道用の部分型であれば、溶湯が流れる領域以外の部分は不要であるため、必要最低限の形状に加工し、鋳型材料を低減させた部分型への加工がしやすいものとなる。
【００１８】
また、嵌合部が隣接する部分型同士の接合領域に形成された互いに嵌合可能な凹凸部である場合には、部分型同士を組み合わせた構造物をより一層安定化させることが可能となる。例えば、接合する面の凹凸を組み合わせる組継ぎや、部分型の一部に凹部と凸部を設けて組み合わせるほぞ継ぎ等の形状で嵌合させることができる。
【００１９】
また、嵌合部が、隣接する部分型同士の接合領域に形成された凹部と、凹部と嵌合して隣接する部材同士を連結する連結部材とを有する場合には、部分型同士を組み合わせた構造物をより一層安定化させることが可能となる。例えば、隣接する部分型の接合する面に凹部を設け、その凹部に嵌る別部材の雇い実を連結部材として嵌合させることができる。
【００２０】
また、部分型の溶湯と接触しない領域に、隣接する部材同士が所定の間隔を有して配置された柱状部材と、隣接する柱状部材同士を連結する桟部材とが形成された場合には、部分型の形状の安定性を担保しながら、部分型の形成に必要な鋳型材料を低減させることができる。また、部分型の溶湯と接触しない領域の側から風を当てる等して強制冷却させて凝固を促進でき、凝固欠陥を低減させることができる。
【００２１】
また、部分型の溶湯が流れ込むキャビティ部の少なくとも一部に部分型を貫通して形成され、その内部に部分型を形成する未結着の鋳物砂が収容されたベント部を備える場合には、鋳造時に鋳型から発生したガスのガス抜きが良好となり、鋳物へのガス欠陥が生じにくいものとすることができる。即ち、貫孔した領域からガスを逃がしつつ、鋳物砂で溶湯漏れを抑えることが可能となる。ここでいう未決着の鋳物砂とは、粉末固着積層法の積層時において、粘結剤による硬化を開始させる結合剤をかけない鋳物砂を意味し、未硬化の状態で貫通した領域に配置されるものとなる。
【００２２】
また、部分型の少なくとも一部と連結された中子を備える場合には、鋳型に生じる鋳ばりを低減させることができる。即ち、従来は中子と、主型となる上型または下型との間に鋳ばりが形成されるが、部分型と中子が連結しているため、鋳ばりを減らすことができる。
【００２３】
また、部分型が、第１の粒子と、第１の粒子の粒径の１．５〜２倍の粒径を有する第２の粒子で構成される骨材を含む積層造形用材料で形成された場合には、鋳型材料の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。なお、ここでいう粒子の粒径は平均粒径を意味し、粒子製造時のばらつきを含むものである。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。
【００２４】
一方、第１の粒子の粒径の１．５倍未満の粒径を有する第２の粒子である場合には、第２の粒子が第１の粒子に近づくこととなる。この結果、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、粒径が小さくなるため、積層時に粒子の抜けが生じやすくなり、鋳型の表面の平滑性を高めにくいものとなる。また、第１の粒子の粒径の２倍を超える粒径を有する第２の粒子である場合には、第２の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、第２の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。
【００２５】
また、第１の粒子の全量基準での重量比率に対する第２の粒子の全量基準での重量比率の比が１．５〜３．０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。
【００２６】
ここで、第１の粒子の全量基準での重量比率に対する第２の粒子の全量基準での重量比率の比が１．５未満である場合には、鋳型の表面の平滑性が担保しづらいものとなる。また、第１の粒子の全量基準での含有量の重量比率に対する第２の粒子の全量基準での重量比率の比が３．０を超える場合には、鋳型の抗折強度が不充分なものとなる。
【００２７】
また、粘結剤が全量基準での重量比率が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。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る鋳型は、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。
また、本発明に係る鋳型の製造方法は、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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】主型及び中子の構造を示す概略図である。
【図２】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】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】実施例１〜６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９】実施例４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
【図１０】実施例７〜１１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１１】凝固試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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三次元データを入力して形成される。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
続いて、積層造形鋳型１の製造に用いる鋳型材料の一例について説明する。なお、以下で説明する鋳型材料はあくまで一例であり、本発明を適用した鋳型の材料がこれに限定されるものではない。
【００６６】
積層造形鋳型１の鋳型材料は、骨材（鋳物砂）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。
【００６７】
第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンド２は、純度９９％以上の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）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４５〜５３μｍ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７５〜１０６μｍの粒子で構成されている。
【００６８】
また、アルミナセメントは、アルミナセメントの全量基準での重量比率で７２．５％の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）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。
【００６９】
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させて硬化させる。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。
【００７０】
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（Ｌｉ２ＣＯ３）を備えている。
【００７１】
鋳型材料は、全量基準での重量比率が、第１のアルミナサンド：４４％、第２のアルミナサンド：２２％、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。
【００７２】
ここで、第２のアルミナサンドの全量基準での重量比率に対する第１のアルミナサンドの全量基準での重量比率の比が２．０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、重量比率の比は、１．５〜３．０の範囲となるのが好ましく、更に、２．０となることがより一層好ましい。
【００７３】
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。
【００７４】
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（Ｌｉ２ＣＯ３）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、硬化速度も速くなるが、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。
【００７５】
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。
【００７６】
（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。
【００７７】
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。
【００７８】
（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。
【００７９】
（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。
【００８０】
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。
【００８１】
（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。
【００８２】
（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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
また、本発明を適用した鋳型の製造方法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。
【実施例】
【００８７】
以下、本発明の鋳型材料に関する実施例を説明する。
【００８８】
（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１〜６及び比較例１とした。また、実施例１〜６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１〜６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。
【００８９】
【表１】
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【００９０】
【表２】
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【００９１】
（２）抗折強度試験及び鋳型の平滑性
図８は、実施例１〜６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／１００Ｗｔ２・・・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。
【００９２】
実施例１〜６はいずれも抗折強度が１．４ＭＰａ以上の数値であった。特に、実施例２〜４では抗折強度が１．７ＭＰａ以上の数値であり、実施例４では２．０ＭＰａの高い数値を示した。また、鋳型の表面の平滑性は、実施例３〜６で良好であった。また、実施例１〜２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４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。
【００９３】
鋳型材料における粘結剤の配合量と、鋳型の抗折強度及び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表３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７〜１１とした。また、実施例７〜１１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７〜１１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、以下の表３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、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。
【００９４】
【表３】
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【００９５】
（４）抗折強度試験及び鋳型の平滑性
抗折強度試験及び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。なお、抗折強度試験は各実施例について２つの試験片を作製して試験を行った。
図１０は、実施例７〜１１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１０では、縦軸は抗折強度（ＭＰａ）、横軸は鋳型材料を全量基準としたアルミナセメントの重量比率（％）を示している。
【００９６】
実施例７〜１１はいずれも抗折強度が１．０ＭＰａ以上の数値であった。また、鋳型の表面の平滑性は、実施例７及び実施例８で良好であった。
【００９７】
続いて、鋳型材料における炭酸リチウムの配合量と、鋳型材料の硬化速度の関係性について試験を行った。
（５）試料の化学成分
炭酸リチウムは粘結剤による硬化速度を促進させる補助剤である。ここでは試料として、炭酸リチウムが試料の全量基準で表４に示す配合割合となるように試料成分を調整して、実施例１２〜１６とした。また、実施例１２〜１６の試料には、第２のアルミナサンドが２９２．５ｇ、アルミナセメントが１５７．５ｇ、結合剤溶液が６７．５ｇ配合されている。なお、以下の表４の数値は、試料の全量を基準にした重量比率（％）を示したものである。
【００９８】
【表４】
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【００９９】
（６）試料の凝固試験
図１１は、実施例１２〜１６の試料に対して行った凝固試験の結果を示す図である。図１１では、縦軸は凝固試験機におけるスラリー底面と始発針の先端との距離（ｍｍ）、横軸は測定開始からの経過時間（ｍｉｎ）を示している。
上記の組成で調整した各試料について鋳型材料の凝固時間を調べるためにＪＩＳ  Ｒ５２０１−１９７７「セメントの物理試験法」に記載の凝結試験に準じて試験を行った。第２のアルミナサンド及びアルミナセメントに炭酸リチウム（１％〜１０％）を添加撹拌し、結合剤溶液を入れて１分間混練後、凝固試験機（ビカー針装置）を用いて、試料スラリーと始発針の先端の距離を測定した。測定は、試料スラリー底面と始発針の先端の距離が３回４０ｍｍになる時間まで１分毎に測定を行った。なお、図１１では、符号４５は実施例１２、符号４６は実施例１３、符号４７は実施例１４、符号４８は実施例１５、及び符号４９は実施例１６を示している。
【０１００】
実施例１２〜１６では、炭酸リチウムの配合量の増加に伴い、鋳型材料の硬化速度の増加が確認された。また、炭酸リチウムの配合量の増加に伴い、硬化が始まるまでの始発時間が短くなった。
【符号の説明】
【０１０１】
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
４５      実施例１２に対応する凝固試験の結果
４６      実施例１３に対応する凝固試験の結果
４７      実施例１４に対応する凝固試験の結果
４８      実施例１５に対応する凝固試験の結果
４９      実施例１６に対応する凝固試験の結果
５０      湯口
【要約】
【課題】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鋳型を提供する。
【解決手段】本発明を適用した鋳型の一例である、積層造形鋳型１は、主型２と、中子３を備えている。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。
【選択図】図１【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１０】
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【図１１】
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【図９】
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