(57)【要約】【課題】  インクジェット式粉末積層ＲＰ成形装置で成形可能で、その成形体を鋳型・中子として鋳鉄等の高融点金属を鋳造できる高い耐熱性をもつ粉末材料を提供する。【解決手段】  主骨材に珪砂、オリビン砂、人工砂等の粗粒と細粒を目的の粒度分布を構成するように配合し、これに粘結材として速硬性セメントを１５〜５０％配合して乾燥混練し、これを既存のインクジェット式粉末積層ＲＰ装置で水性バインダを用いて短時間に固化・積層して実立体が成形でき、鋳造用鋳型として取り扱うのに十分な強度を保ち、かつ、１２００℃以上の高温でも熱分解ガス等の発生しない高い耐熱性を有する粉末材料を開発した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクジェット式粉末積層成形法による立体成形が可能で、その成形体を鋳造用の鋳型として用いるための強度を保ち、かつ、鋳鉄・鋳鋼等の高融点金属を鋳造するのに適用できる程度の高い耐熱性を有する粉末材料。
【請求項２】
請求項１の粉末材料で、インクジェット式粉末積層成形法で成形可能とするために、珪砂、オリビン砂、人工砂等の耐火砂に速硬性セメントを粘結材として１５〜５０％配合して混練したもので、これに水性バインダを加えて固化・積層して得た成形体を１２００℃以上に加熱したときに材料成分の熱分解等による重量減が１％以下でガス発生が少ない高耐熱性粉末材料。
【請求項３】
請求項１の粉末材料で、インクジェット式粉末積層成形法で製作した成形体を鋳鉄鋳造用の鋳型として使用するための耐熱性と強度を得るために、主材に耐火性の高いオリビン砂あるいはこれと同等以上の耐火性をもつ砂粒状材料を用い、かつ、主材の粒径が１００μｍ〜１７０μｍの粗粒と、数μｍ〜１００μｍの細粒を適度に配合し、これに３０％程度の粘結材を加えて乾燥混練した粉末材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、水性バインダを加えることにより実立体成形が可能なインクジェット式粉末積層成形装置に用いられる積層成形用粉末材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  ラピッド・プロトタイピング（以下「ＲＰ」という）技法とは、３次元ＣＡＤ等で作成した立体形状データを利用して実立体を製作する技術手法の総称である。ここで「実立体」とは、物理的な物質を材料として形成された実体を有する物体をいう。一般にＲＰ技法では、３次元ＣＡＤ等で作成した立体形状データを基にして、これを多数の水平平面に分割し、それらの切断面形状を鉛直方向に順次積層して実立体に復元する方式を採る。ＲＰ手法のうち実立体成形材料として金属粉や耐火物粉を用いる技法によれば、耐熱性の高い実立体を製作することができる。【０００３】  鋳造は、代表的な金属加工法の一つであり、金属を高温で溶解し、それを耐熱性のある鋳型に注入し、冷却・凝固させて鋳物を製作する。鋳造は、複雑な形状の金属製品を短時間かつ低コストで製作できることを特徴とする。鋳造法で用いる鋳型は、高耐火性骨材を用いた砂型、あるいは金属製の金型が用いられる。砂型は造型に用いられる粘結材によっていくつかの種類に分けられるが、いずれの砂型も造型の際に製品の原型となる模型や、これに湯道やセキなどを付加した木型を必要とする。【０００４】  一般的に、木型の製作には大きな費用を要するため、鋳造は一つの木型で数多くの鋳型を製作して同じものを多量に作る「量産鋳物」の製造に適している。しかしながら、製品によっては単品や数個だけ必要とする鋳物や、量産に至る前の試作などの需要もあり、これらの場合は製品製作費に占める木型費の割合が大きくなるため、他の加工法と比較して製造コストの点で不利となる。【０００５】  そこで、［０００２］で述べたように、耐火度の高い材料を使用した粉末積層成形の技法で鋳型や中子を簡単かつ迅速に製作し、これに直接溶融金属を注湯して鋳物を得ることができれば、模型や木型を必要としない新たな鋳造プロセスを提案できる。この方法によれば、単品鋳物や試作品鋳物でも相対的に安価な型費で鋳物を製作できることに加え、木型製作等に費やす時間を大幅に削減できるので、工期の短縮による短納期化や、人件費削減による低製造コスト化などのメリットも享受できる。【０００６】  耐火性粉末を材料とし、金属の鋳造に耐える実立体を成形でき、かつ、実用水準に達しているＲＰ技法として、１）熱硬化性樹脂バインダ方式、２）二液性有機樹脂バインダ方式、３）インクジェット式の３つの方式がある。【０００７】  熱硬化性樹脂バインダ方式は、耐火度を有する主材粉末表面を熱硬化性樹脂で被覆した粉末材料を用いる。実立体の成形方法は、この粉末材料を水平かつ滑らかに敷き詰めた平面上にレーザー光線を照射し、主材に被覆した樹脂を加熱して隣接する主材どうしを結合・固化させる原理に基づいて断面形状を選択的に硬化させ、これを鉛直方向に積層して立体を成形する。この方式によって製作された鋳型・中子は、鋳造現場で一般に「シェル型」と呼ばれる方法で造型されたものと共通する性質をもつ。【０００８】  二液性有機樹脂バインダ方式は、耐火度を有する主材粉末にフラン系樹脂を加えて混練し、これを水平かつ滑らかに敷き詰めた平面上に専用ノズルを用いて硬化剤を噴射し、断面形状に相当する領域のフラン系樹脂を選択的に硬化させ、これを鉛直方向に積層し���立体を成形するＲＰ技法である。この方式によって製作された鋳型・中子は、鋳造現場で一般に「有機自硬型」と呼ばれる方法で造型されたものと共通する性質をもつ。【０００９】  インクジェット方式は、耐火度を有する主材粉末と無機粘結材を混合した粉末材料を用いる。実立体の成形は、この混合粉末を水平かつ滑らかに敷き詰めた砂平面の上にインクジェットプリンタに用いられているカートリッジノズルを用いて断面形状に相当する部分に水性バインダを噴射し、主材を無機粘結材で固化させ、これを鉛直方向に積層して実立体を成形するＲＰ技法である。【００１０】  ［０００７］〜［０００９］で示した３つの方式に基づく粉末積層成形装置は既に開発・商品化され、その一部について試作用あるいは製品用の鋳型・中子を製作する目的で鋳造メーカー等に装置導入されている例が報告されている。これら３方式のうち、熱硬化性樹脂バインダ方式および二液性有機樹脂バインダ方式で製作される鋳型・中子が一般鋳造用に採用されている造型法によるものと類似していることから、そのまま鋳物製品の生産に適用することが可能である。しかしながら、これら２方式による粉末積層成形装置の価格が極めて高価なことに加えて、レーザー光源あるいは専用の樹脂混練装置等のメンテナンスが必要なため稼動コストも高いという問題点がある。【００１１】  一方、インクジェット方式で製作した鋳型・中子は、鋳造現場で採用される一般的な造型方法には類似が見られない型であるが、アルミニウム合金等の鋳物製作例が報告されており、鋳造用鋳型を製作する技法として可能性を有している。インクジェット方式による粉末積層成形装置は、前述の２方式によるものと比較して装置価格が格段に安価であることに加えて、特別な付帯装置やメンテナンスに費用のかかる部品等が少ないため稼動コストも低い。【００１２】  インクジェット方式粉末ＲＰ装置は「３次元プリンタ」と称し、任意形状の実立体を手軽に作製して提供することを主目的とした製品である。この装置のメーカーは、３次元プリンタで製作した実立体を鋳造用の鋳型・中子として利用することも特殊な用途して提案しており、その目的に合わせた耐火度の高い粉末材料も提供している。しかしながら、これまでに実施した試験により、この粉末材料を使って製作した鋳型・中子は耐熱性が低く、アルミ合金等の軽合金鋳物と一部の銅合金鋳物の製作に適用可能であるが、鋳鉄品や鋳鋼品の鋳造には適用できないことを確かめた。【００１３】  インクジェット方式の粉末積層成形装置メーカーが提供する耐熱性粉末材料は、耐火性主材粉末に無機粘結材を混合したものであり、その耐熱性は混合した粘結材の耐熱性に支配されると考える。後述の熱分析結果から、この粉末材料に混合される粘結材の耐火度は概ね１２００℃以下である。このことから、この粉末材料を用いて作製した鋳型・中子で鋳造できるのは７００℃以下で鋳込むアルミ合金等の軽合金鋳物と、１２００℃以下で鋳込む青銅等の銅合金鋳物が限度である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】  本発明が解決しようとする課題は、インクジェット方式の粉末積層成形装置で成形でき、かつ鋳鉄・鋳鋼等の高融点金属の鋳造に耐える鋳型・中子を製作できる高い耐熱性をもった粉末積層成形用粉末材料を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】  本発明は、主材となる耐火性粉末と耐熱性粘結材とを混合した粉末材料で、これに水性バインダを選択的に加えて固化・積層することで立体成形でき、製作した実立体が高い耐熱性と適切な強度をもつための主材粉末の粒度構成および主材と粘結材の混合比率を選定することで目的の粉末材料を得る。
【発明の効果】
【００１６】  耐火性の高い主材粉末と粘結材とを混合した粉末材料は、従来のインクジェット式粉末積層ＲＰ成形装置で水性バインダを用いて実立体を成形することが可能で、これにより製作した鋳型・中子は１３５０℃以上で鋳込む鋳鉄等の鋳物製作に耐える耐熱性を有するため、模型・木型を必要としない迅速鋳造プロセス技法の適用範囲を鋳系の高融点金属にまで拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】粉末積層成形体の模式図である。
【図２】積層成形装置メーカーが提供する粉末材料の熱分析結果を示す図である。
【図３】速硬性セメントの混合比と成形体強度の関係を示す図である。
【図４】主材として用いたオリビン砂の粒度分布を示す図である。
【図５】主材の粒度構成（粒度指数）と成形体強度の関係を示す図である。
【図６】発明した粉末材料の熱分析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】  主材となる珪砂、オリビン砂、人工砂等の耐火性粉末に、耐熱性を有し、かつ、加水固化する粘結材として速硬性セメントを混合し、これを積層成形して製作した実立体の強度を得るのに最適な主材粉末の粒度構成と粘結材の混合比率を明らかにした。
【実施例】
【００１９】  課題解決のため、粉末材料には少なくとも、１）現行のインクジェット方式の粉末積層成形装置を使用し、水性バインダを加えることで主材を固化・積層して立体を成形できること、２）成形した実立体を鋳型・中子として使用するために取り扱い際に破損しない程度の強度を有すること、３）鉄系の高融点金属を鋳造して欠陥等の不具合のない鋳物が得られるように耐熱性が高いこと、の３条件を満たす必要がある。【００２０】  図１は、粉末積層成形による立体成形の状態を示す模式図である。１は１層分の積層厚さを示しており、粉末粒径に応じて８０〜１２０μｍに設定する。２は水平分割断面に立体の断面定義によって生じる２つの領域を示しており、２ａは水性バインダを加えて固化させた領域、２ｂは水性バインダを加えず固化しないままの領域である。３は主材の耐火粉末に含まれる粒径の大きな粗粒粉を示し、４は粒径の細かい細粒粉を示す。５は主材を固化させるために混合した粘結材を示す。後述のとおり、粗粒と細粒の混合比は粉末材料の流動性と成形体強度に影響を及ぼす。【００２１】  図２は、インクジェット式粉末積層ＲＰ装置メーカーが鋳造用として提供している粉末材料の熱分析結果を示す。実線で示したＴＧ（熱重量分析）は温度上昇に伴う重量の増減、ＤＴＡ（示差熱分析）は温度上昇に伴う熱量の出入りを表しており、これらの変化の状態から昇温過程で起こる化学反応を推定する。図２から、１６０℃付近で重量減を伴う吸熱反応、２８０〜３００℃付近でも重量減を伴う発熱反応、１１００〜１２００℃以降にかけて吸熱反応を伴う大きな重量減が見られる。このような経過を示す物質としては石膏（硫酸カルシウム）が知られており、現行粉末材料の粘結材には石膏が多く混合されていると推測される。２９０℃付近の反応は粉末材料中の有機物の燃焼等が考えられる。【００２２】  加水されて硫酸カルシウム・２水和物となった石膏は、１６０℃付近で結晶水を放出して硫酸カルシウム・半水和物（焼石膏）に変化する反応が起こり、１２００℃で熱分解して酸化カルシウムに変化するとともに三酸化硫黄の大量のガスを発生する。粉末成形で用いる粉末材料には微細粒径の素材が多く含まれ、成形体そのものの通気性が悪いため、鋳造において鋳型内部で発生したガスは外に排出しにくい条件となる。したがって、高融点金属を鋳造できる成形体を製作する粉末材料に配合する素材には、高温で熱分解ガス等の発生が少ないものを選定しなければならない。【００２３】  本発明では、［００１９］で示した３つの条件のうち、１）の成形性と３）の耐熱性を満たすために、粉末材料の主材に混合させる粘結材として速硬性セメントを採用した。セメントの素材はもともと高温で焼成されるので、高温に加熱しても熱分解ガス等を発生しにくいと考える。一方、粉末材料に配合される粘結材には水性バインダを加えて短時間で固化する性質が求められる。一般のセメントは加水してから十分な強度を発現するのに約２４時間を要するとされているが、これに対して加水後約３時間で硬度を発現するように成分配合された速硬性セメント（商品名；スーパージェットセメント／小野田ケミコ（株）製）を粘結材として用いた。【００２４】  粉末材料の主材には、���火性が高く、一般の鋳鉄鋳造用鋳型を製作するのに使用されている珪砂、オリビン砂、人口砂などが選択できる。本発明では、鋳造用の砂型製作に用いられている砂材の中から、比較的安価で粒度選択肢の多い珪砂、および耐火度が高く熱膨張率が低いなどの特性を有するオリビン砂を用いた。【００２５】  図３は、粘結材とする速硬性セメントの混合量と成形体の抗折強度との関係を示した図である。概ね粘結材の混合量が増大するに連れて成形体の強度が大きくなる傾向が認められる。粘結材の混合比が３０％〜６０％の範囲では、粘結材の混合比を増やしても抗折強度の増大は得られにくいという試験結果から、粉末材料に混合する粘結材の割合は３０％程度が最適な混合比であると思われる。粘結材の混合比は、鋳型の通気性や製作する鋳物の形状等を考慮して増減させることも可能である。【００２６】  図４は、市販の鋳物砂用オリビン砂と速硬性セメントの粒度構成を示す。オリビン砂６号および７号は、それぞれ粒径３００μｍ、１７０μｍにピークを持つ比較的粒度の揃った製品である。オリビン砂Ｐａｎ号は、篩い分けした後に残った微粉であり、７０μｍ程度の粒径を中心に、数μｍ〜１００μｍを超える広い範囲の粒度構成をもつ製品である。既存の粉末積層装置の積層厚さは２００μｍ以下なので、粉末材料の主材として使用できるのはオリビン砂７号とＰａｎ号である。【００２７】  図５は、［００２６］で示した素材を用い、それぞれの混合比を調整して粉末材料の粒度構成を変化させた場合の抗折強度への影響に関する試験結果を示す図である。試料は粘結材の混合比を３０％とし、主材のオリビン砂７号とオリビン砂Ｐａｎ号の混合比を変えて作成した。粒度指数は鋳型砂の粒度構成を示す指標として用いられている数値で、微粉の割合が多くなるほど粒度指数値は大きくなる。一般に鋳造用の鋳型に用いられる砂の粒度指数は１００〜１５０の値である。【００２８】  図５に示す試験結果から、粉末材料の粒度構成は粗粒と微粉とが混合された広い粒度分布をもつ方が高い抗折強度を示すことがわかる。これは、粗粒どうしが積み重なるときにできる砂粒間の隙間を微粉が埋めることで総体的に嵩密度が高くなることや、粉末材料を所定厚さに敷き延ばす際に粗粒が流動性向上に寄与することなどが影響していると考えられる。本発明において積層成形体で鋳型・中子を製作する場合は、粗粒成分を含むオリビン砂７号を３０％〜５０％程度混合することを推奨する。【００２９】  図６は、本発明が提案する粉末積層成形用粉末で製作した成形体の熱分析結果を示した図である。実線で示すＴＧと、破線で示すＤＴＡの意味合いは［００２１］で説明したものと同じである。ここで、特にＴＧの変化に注目すると、温度上昇に従って大きな変化が無く、１２００℃付近まで加熱したときの重量減は１％程度である。この結果から、発明した粉末材料の耐熱性は極めて高く、この粉末材料を用いて成形した鋳型・中子を使用して鋳鉄等の高融点金属を鋳造した場合に熱分解ガス等の発生が抑えられることを示している。
【産業上の利用可能性】
【００３０】  発明した粉末材料は既存のインクジェット式粉末積層ＲＰ成形装置で実立体成形が可能で、これで製作した鋳型・中子を用いて鋳鉄等の高融点金属を鋳造して欠陥のない鋳物を得ることができる。この技法を応用することにより、鋳鉄等の高融点金属に対しても模型や木型を必要としない鋳造プロセスが適用でき、特に単品鋳物、小ロット鋳物製品の製造分野で本発明の効果を大きく発揮できる。
【符号の説明】
【００３１】  １    積層厚さ
２ａ  水性バインダを加えた固化領域
２ｂ  未固化領域
３    主骨材（粗粒）
４    主骨材（細粒）
５    １次バインダ（速硬セメント）
【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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