(57)【要約】【課題】鋳型を用いずに鋳造等を行える凝固物の製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、波動を送出して溶融物（ｍ）の表面上に溶融物の暫定的な盛り上りからなる基礎部を描出する描出工程と、基礎部の頂部に冷却体（ｃ）を接触させる接触工程と、接触工程後の冷却体を所望の経路に沿って引き上げる引上工程とを備える。溶融物への波動の送出は、造波板等の造波部と造波部の駆動を制御できる制御部とを有する造波機によりなされる。本発明の製造方法によれば、枠型の製作に要するコストや期間を削減でき、量産物に限らず一品物や少量生産物であっても、低コスト、短時間（期間）で製作可能である。本発明の製造方法は、金属の鋳造方法や樹脂の成形方法のみならず、食品（例えば、チョコレートや飴等）の造形方法等にも利用可能である。【選択図】図１Ａ
2019135056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波動を送出して溶融物の表面上に該溶融物の暫定的な盛り上りからなる基礎部を描出する描出工程と、
該基礎部の頂部に冷却体を接触させる接触工程と、
該接触工程後の冷却体を所望の経路に沿って引き上げる引上工程とを備え、
枠型に依らずに所望形状の凝固物を得る凝固物の製造方法。
【請求項２】
前記冷却体は強制冷却される請求項１に記載の凝固物の製造方法。
【請求項３】
前記基礎部は、複数の造波機から前記溶融物へ送出された複数の波動の合成により描出される請求項１または２に記載の凝固物の製造方法。
【請求項４】
前記溶融物は金属溶湯であり、前記凝固物は鋳物である請求項１〜３のいずれかに記載の凝固物の製造方法。
【請求項５】
溶融物を収容する容体と、
該溶融物に波動を送出する造波部と該造波部を制御して該溶融物の表面上に該溶融物の
暫定的な盛り上りからなる基礎部を描出させる制御部とを有する造波機と、
該基礎部の頂部に接触させる冷却体と、
該冷却体を少なくとも上下方向に移動させ得る移動機構とを備え、
枠型に依らずに所望形状の凝固物を得る凝固物の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型等の型や枠（単に「枠型」という。）を用いるまでもなく、所望形状の凝固物を得ることができる製造方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属製品や樹脂製品に限らず食品等でも、所望の造形は、通常、溶融した原料（単に「溶融物」という。）を所望形状のキャビティを有する枠型に注入し、冷却凝固させてなされる。
【０００３】
しかし、枠型の製作に多くのコストや時間を要することが多いため、従来の方法は、同一形状物の大量生産には適しているが、一品物や少量物の生産には適してはいない。
【０００４】
枠型を用いない製造方法として、粉末を用いた付加製造法（粉末積層造形法）がある。しかし、この方法では、造形速度が遅く、高価な粉末や装置（いわゆる３Ｄプリンタ）が必要となる。さらに、現状得られる積層造形物は、内部欠陥等により実用強度が十分ではない。
【０００５】
このような状況下、枠型を用いない鋳造方法（自由鋳造方法）も提案されており、これに関連する記載が下記の特許文献にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許５３７３７２８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２７６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の自由鋳造方法は、鋳型を用いない鋳造方法として画期的である。ただ、鋳物の初期形状を規定するために、湯面上に設ける形状付与部材等が必要となる。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる手法により、枠型を用いるまでもなく、所望形状の凝固物を得ることができる製造方法等を提供する。なお、特許文献２には、水面上における造波方法等について記載されているに過ぎず、凝固物やその製造方法等に関する記載は一切ない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、波動により溶融物の表面に所望形状をした盛上部（基礎部）を描出して、その盛上部を利用して所望形状の凝固物を得ることを着想および具現化した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１０】
《凝固物の製造方法》
（１）本発明は、波動を送出して溶融物の表面上に該溶融物の暫定的な盛り上りからなる基礎部を描出する描出工程と、該基礎部の頂部に冷却体を接触させる接触工程と、該接触工程後の冷却体を所望の経路に沿って引き上げる引上工程とを備え、枠型に依らずに所望形状の凝固物を得る凝固物の製造方法である。
【００１１】
（２）本発明の製造方法によれば、枠型の製作に要するコストや期間を削減でき、量産物に限らず一品物や少量生産物であっても、低コスト、短時間（期間）で製作可能となり、生産柔軟性の向上を図れる。また本発明の製造方法によれば、凝固時に生じ易い欠陥（巣、引け、割れ等）の発生を抑止でき、凝固物を歩留まり良く製造できる。
【００１２】
（３）本発明の製造方法により、所望形状の凝固物が得られる理由（メカニズム）は次のように考えられる。造波機等により溶融物へ波動を送出（伝播）させると、溶融物の表面（例えば湯面）上には、その液面が暫定的に盛り上がった部分（盛上部／山部）ができる。造波機を駆使することにより、その形状を任意に制御できることは周知である（参考文献：既述した特許文献２、「大松重雄：時間領域における Transient Wave の造波・吸収法について、海技研研究報告第９巻第２号（2009）」等）。
【００１３】
そこで、溶融物の表面に所望形状の基礎部を生成する（描出工程）。このタイミングで、その基礎部を形成している頂部付近に冷却体（冷し金等）を接触させる（接触工程）。これにより、その接触界面近傍において、溶融物は基礎部の形状（「基礎形状」という。）をほぼ維持しつつ凝固を始める。この状態で冷却体を所望の経路に沿って引き上げると、冷却体および既に凝固している部分（「既凝固部」という。）を通じて、それらに連なる溶融物も漸次冷却されていき、基礎形状と同様な断面形状がほぼ維持された連続体（凝固物）が得られる（引上工程）。こうして、本発明によれば、枠型を用いるまでもなく、所望形状の凝固物の製造が可能になると考えられる。
【００１４】
なお、冷却体の移動中（引上中）に基礎形状を変化させてもよい。これにより、断面形状が部位毎に異なる凝固物を得ることも可能となる。また、冷却体を引上げる経路（移動経路）は、直線状でも、曲線状でもよい。例えば、冷却体を上昇させつつ横方向にも移動させると、屈曲状、せん状等をした凝固物を得ることも可能となる。さらに、基礎形状に沿って得られる凝固物の断面形状は、ほぼ任意に調整でき、一般的な形状（円状、楕円状、方形状等）の他、特殊な形状（文字状、記号状等）とすることもできる。また、凝固物は、中実状（柱状）、中空状（管状）、板状、網状等でもよい。さらに凝固物は、その長さや厚さを問わず、長尺物の他、基礎形状が板面に転写されたレリーフ状のもの等でもよい。
【００１５】
《凝固物の製造装置》
本発明は上述した製造方法の実施に適した製造装置としても把握できる。すなわち本発明は、溶融物を収容する容体と、該溶融物に波動を送出する造波部と該造波部を制御して該溶融物の表面上に該溶融物の暫定的な盛り上りからなる基礎部を描出させる制御部とを有する造波機と、該基礎部の頂部に接触させる冷却体と、該冷却体を少なくとも上下方向に移動させ得る移動機構とを備え、枠型に依らずに所望形状の凝固物を得る凝固物の製造装置でもよい。
【００１６】
《凝固物》
本発明は、上述した製造方法や製造装置を用いて得られた凝固物としても把握できる。本発明に係る凝固物は、通常、冷却体側から順に凝固していくため、凝固組織が一方向に指向した指向凝固組織を有するものとなり易い。例えば、溶融物が金属溶湯である場合、そのような組織の鋳物（凝固物）が得られ易い。
【００１７】
《その他》
特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】第１実施例に係る鋳造装置を模式的に示す平面図と縦断面図である。
【図１Ｂ】その鋳造装置の稼働により金属溶湯上に描出された基礎部を示す写真である。
【図２Ａ】第２実施例に係る鋳造装置を模式的に示す平面図である。
【図２Ｂ】その鋳造装置の稼働により金属溶湯上に描出された基礎部を示す模式図である。
【図３Ａ】第３実施例に係る鋳造装置を模式的に示す縦断面図である。
【図３Ｂ】その鋳造装置の稼働により得られた鋳物の概観写真である。
【図４】本発明に係る溶融物の凝固過程の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、製造方法のみならず、製造装置や凝固物にも適宜該当し得る。方法に関する内容も、物に関する構成要素となり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等により異なる。
【００２０】
《溶融物》
溶融物は、加熱により流動し、冷却により固化する物質からなればよく、その種類（対象）は問わない。例えば、金属、樹脂、ガラス等の他、チョコレートや飴等の食品でもよい。なお、本明細書でいう溶融物は、全体が液相状態でも、固液共存状態でもよい。
【００２１】
《冷却体》
冷却体は、溶融物の種類に応じて適切な材質が選択され得るが、高熱伝導材であると好ましい。また、凝固物の成形中、冷却体は強制冷却されていると好ましい。これにより冷却体側からの凝固が進行し易くなる。強制冷却は、例えば、冷媒ガスを冷却体に吹付けたり、冷媒液を冷却体内部で流動させることにより行える。なお、冷媒ガスの冷却体への吹付けは、冷却体の外側から行っても、その内側（さらには凝固物側）から行ってもよい。
【００２２】
《波動》
（１）波動は、所望の基礎部が得られる限り、その形態（波形、振動数、振幅等）、合成される波動数等を問わない。波動は、見かけ上の進行がない定常波（定在波）であると、溶融物の表面に基礎部が安定的に生成されて好ましい。
【００２３】
定常波の場合、「節」以外の各点は周期的に変位している。通常、定常波の「腹」部により基礎形状の輪郭が形成され、その「山」部が基礎部の頂部となる。この頂部に冷却体を接触させて、溶融物の凝固を進行させる様子（一例）を図４に示した。定常波の腹の変位が上方に最大（いわゆる「山」）になると、溶融物は表面張力に支えられて、冷却体との接触部分から末広がりな状態となる。この状態から、定常波の腹の変位が下方に最大（いわゆる「谷」）になると、冷却体との接触部から連なる溶融物は、表面張力に支えられつつ断面積が減少する。この断面積の減少部は冷却され易く、凝固が進行し易い。この結果、溶融物の凝固はある範囲（幅）内で進行し、例えば、略均一的な厚さの凝固物が得られるようになる。
【００２４】
（２）基礎部は、例えば、複数の造波機から溶融物へ送出された複数の波動の合成により描出される。造波機の配置数が増加するほど、溶融物の表面に描出される基礎部の複雑化や円滑化が可能となる。造波機の配置形態は、その配置数に応じて調整される。例えば、配置数が少ないとき、造波機は方形状または角形状に配置される。逆に、配置数が多くなると、造波機を略円形（円環）状、放射状等に配置することも可能となる。
【００２５】
造波機は、溶融物に波動を送出する造波部と、造波部を制御する制御部とを備える。造波部は、例えば、少なくとも一部が溶融物に浸漬される造波板等と、それを駆動するアクチュエーターとを備える。制御部は、例えば、造波理論に基づく演算を行い、所望する基礎形状に応じた造波信号をアクチュエーターに送信する。造波理論に依る演算は、例えば、凝固物の所望形状に関する３次元データ（ＣＡＤデータ等）に基づいて、造形に必要となる造波データを生成するものでもよい。
【実施例】
【００２６】
金属溶湯（溶融物）を保持した坩堝に造波機を配設して、湯面上に基礎部を描出させ、その基礎部を利用して、鋳型なしで鋳物を実際に製作した。このような具体例に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
【００２７】
［第１実施例］
（１）装置概要
鋳造装置Ｓ１（凝固物の製造装置）の平面図と縦断面図を図１Ａに示した。鋳造装置Ｓ１は、上方が略正方形状に開口した略直方体状の坩堝ｐ1（容体）と、坩堝ｐ１の上方側四方に配設された４つの造波機１１〜１４（これらを併せて単に「造波機１」ともいう。）と、坩堝ｐ1および造波機１を保持する架台ｔ１とを備える。
【００２８】
造波機１１〜１４は、造波板１１１〜１４１と、造波板１１１〜１４１を駆動するアクチュエータ１１２〜１４２をそれぞれ備える（造波部）。アクチュエータ１１２〜１４２は、パソコン等のコンピュータからなる制御装置（図略）により統合制御される（制御部）。
【００２９】
造波板１１１〜１４１は、略Ｌ字状をした鋼板等からなり、坩堝ｐ１の内壁面から少し離間されて配置されており、その先端部は金属溶湯ｍの上層域に浸漬されている。
【００３０】
（２）波動の送出
アルミナからなる坩堝ｐ１に純アルミニウム（原料）を入れて、電気炉（図略）で溶解した。坩堝ｐ１を架台ｔ１に載置して、坩堝ｐ１内の純アルミニウムからなる金属溶湯ｍを６８０℃に保持した。造波機１を稼働させて、金属溶湯ｍへ波動を送出した。この際、各諸元および運転条件は次のように設定した。
【００３１】
造波板の諸元
板幅（ｗ１１）：１００ｍｍ、対向間隔（ｗ１２）：１８０ｍｍ、
浸漬量（ｗ１３）：５ｍｍ、
造波板の運転条件
振幅：±５ｍｍ、周波数：７Ｈｚ、波形：正弦波、
金属溶湯ｍの深さ（ｗ１４）：１００ｍｍ、
【００３２】
（３）基礎形状
造波機１を用いて、上記の条件下で金属溶湯ｍへ波動を送出すると、図１Ｂに示すような碁盤目状（格子状）の定常波（基礎部）が現れた（描出工程）。このとき、隣接する頂部の間隔（ｗ１５／定在波の山と山の間隔）は３５ｍｍであった。
【００３３】
［第２実施例］
（１）装置概要
鋳造装置Ｓ２（凝固物の製造装置）の平面図を図２Ａに示した。鋳造装置Ｓ２は、上方が開口した円筒状の坩堝ｐ２と、坩堝ｐ２の上方側に等間隔で円状（放射状）に配設された１６個の造波機２０１〜２１６（これらを併せて単に「造波機２」ともいう。）と、坩堝ｐ２および造波機２を保持する架台ｔ２（図３Ａ参照）とを備える。
【００３４】
造波機２も造波機１と同様な構造・形態を有するが、造波機２の各造波板の板幅は２０ｍｍとした。その他は、既述した第１実施例の場合と同様である。
【００３５】
（２）波動の送出
第１実施例の場合と同様にして、造波機２により、坩堝ｐ２内の純アルミニウムからなる金属溶湯ｍ（６８０℃）に波動を送出した。各造波板の周波数を１１．３Ｈｚとした以外、他の運転条件は第１実施例と同様とした。
【００３６】
その結果、図２Ｂに示すような円環状の定常波（基礎部）が現れた（描出工程）。このとき、頂部の直径（ｗ２３／定在波の山の直径）は４０ｍｍであった。
【００３７】
［第３実施例］
（１）鋳造装置Ｓ２に引上器ｃ（冷却体）と冷却ノズルｎを追加した鋳造装置Ｓ３の断面図を図３Ａに示した。引上器ｃは、図２Ｂに示した基礎部（直径４０ｍｍの盛上部）に合せて、純アルミニウム製の短円柱部材（直径４０ｍｍ）からなる。引上器ｃは、引上機構（図略）により、上下方向に所定速度で移動可能となっている。なお、引上機構（移動機構）の制御は、造波機２の制御と統合してなされる。
【００３８】
冷却ノズルｎは、各造波板と干渉しないように坩堝ｐ２内に配設されたパイプからなり、コンプレッサから圧送されてきた空気（冷媒）を、金属溶湯ｍの湯面上へ噴出する。冷却ノズルｎの先端口から噴出された空気により、引上器ｃとその下方に連なる既凝固部ｆ（さらに、表面張力や表面膜により保持された金属溶湯）は連続的に空冷される。
【００３９】
（２）引上器ｃを金属溶湯ｍの湯面上に形成された頂部（直径４０ｍｍの環状部）に接触させた（接触工程）。その後、引上器ｃを冷却ノズルｎで冷却しながら、引上速度：０．２ｍｍ／ｓで移動させた（引上工程）。こうして、図３Ｂに示すアルミニウム鋳物（凝固物）を得た。
【００４０】
なお、引上器ｃの移動途中、造波板の周波数を変動させた。具体的にいうと、その周波数を１１．３Ｈｚから９Ｈｚまで徐々に低下させた後、９Ｈｚから１０Ｈｚまで徐々に増加させた。造波板の周波数を変動させることにより、金属溶湯ｍの湯面に形成される定常波の形態（基礎形状）も変化した。その結果、図３Ｂに示すように、断面形状が長手方向で異なる異径円筒状の鋳物を得ることができた。
【００４１】
以上のように、金属溶湯（溶融物）に波動を送出して湯面上に出現させた基礎部を利用することにより、鋳型を用いずに所望形状の鋳物（凝固物）を得ることができた。
【符号の説明】
【００４２】
Ｓ１            鋳造装置
１１〜１４      造波機
１１１〜１４１  造波板
ｍ              金属溶湯
【図１Ａ】
2019135056.tif 000003
【図１Ｂ】
2019135056.tif 000004
【図２Ａ】
2019135056.tif 000005
【図２Ｂ】
2019135056.tif 000006
【図３Ａ】
2019135056.tif 000007
【図３Ｂ】
2019135056.tif 000008
【図４】
2019135056.tif 000009