(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性材料で鋳型を作る鋳型製造工程と、
前記熱可塑性材料の軟化点よりも低い温度で溶融している易融合金を前記鋳型に流し込み凝固させて鋳造品にする易融合金鋳造工程と、
前記鋳型を分割して取り外し前記鋳造品を目標の立体品として取り出す鋳型取り外し工程とを含む立体品製造方法における前記鋳型形状作成を支援する鋳型形状設計装置において、
前記目標の立体品の形状の全部または一部を外側にオフセットさせ、前記鋳型の外形形状を作成するオフセット鋳型作成手段を備えたことを特徴とする鋳型形状設計装置。
【請求項２】
請求項１に記載の立体品製造方法における前記鋳型形状作成を支援する鋳型形状設計装置において、
複数に分割された前記鋳型を相互に位置合わせするための部分形状を作成する鋳型合わせ形状作成手段を備えたことを特徴とする鋳型形状設計装置。
【請求項３】
請求項１に記載の立体品製造方法における前記鋳型形状作成を支援する鋳型形状設計装置において、
前記鋳型の変形を抑制する保持器に前記鋳型を固定するための部分形状を作成する保持器固定形状作成手段を備えたことを特徴とする鋳型形状設計装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部品，製品，模型などの立体品製造方法および立体品製造装置に係り、特に、高い強度および剛性が要求される立体品の製造方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータの立体データを迅速かつ簡便に実体化する技術をラピッドプロトタイピング(ＲＰ)という。液状の合成樹脂を露光して光化学反応を起こさせ部分的に固化させていく光造形法や粉末にレーザビームを照射して部分的に固化させていく選択的レーザ焼結法(ＳＬＳ法)などがよく知られている。ラピッドプロトタイピングの詳細については、例えば、中川威雄，丸谷洋二著『積層造形システム』(工業調査会)などに記載されている。
【０００３】
一般に、ラピッドプロトタイピングでは、１０μｍ〜１ｍｍの厚さの薄層を多数積み重ねて造形するので、複雑な形状でも工程を変えずに創成できる。この特徴を生かし、例えば、実験を繰り返しながら部品の形状を最適化していくというような設計業務にラピッドプロトタイピングを導入すれば、３次元ＣＡＤのデータから実験用模型をいつでも低コストで製造できるようになる。すなわち３次元ＣＡＤを中心とした形態に設計業務を移行させて、いわゆるコンカレント化できる。
【０００４】
また、利用者に製品の意匠設計を任せ、需要に応じた一品生産によって製品の付加価値を高めるカスタムデザイン生産を実現することもできる。
【０００５】
しかし、これまでのラピッドプロトタイピング用材料は、製品の筐体や実験用模型としての使用に耐えるだけの充分に高い強度および剛性を必ずしも持っていなかった。
【０００６】
これらの問題に対しては、造形物を後処理してラピッドプロトタイピング用樹脂材料を金属に置き換える方法がある。よく利用されるのは、消失模型鋳造(インベストメント鋳造)と呼ばれる方法である。この方法では、ラピッドプロトタイピングで作った造形物を鋳物砂の中に埋め、上から溶融金属を注ぎ込む。すると、その熱で造形物が分解して気体となりまたは溶融して砂にしみ込み、造形物の形状がそのまま金属で置き換えられる。
【０００７】
特開平７−１９５１４１号公報は、光造形法により模型を製造し、この模型をセラミックのスラリに浸してから耐火性の粒子を振りかけ、その後模型を溶融させて除去し、鋳型を迅速に作る方法を示している。
【０００８】
また、ステンレスなどの金属粉末をＳＬＳ法の材料として造形し、これに銅などを溶浸させたり樹脂などを含浸させたりして仕上げる方法も利用されている。
【０００９】
これらの方法によれば、樹脂材料だけの造形物よりも高い強度および剛性を持つ造形物を作ることは、一応できる。
【００１０】
特開平１０−１５６５１４号公報は、表面に熱可塑性樹脂をコーティングした金属粉末などを原料として光造形装置で三次元形状体を造形し、これに砂を塗布してシェルを形成した後、三次元形状体に溶融金属を接触させて含浸させる方法を示している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術では、いずれも、後処理のために、大がかりな設備を必要としている。消失模型鋳造方法では、金属を６００℃以上の温度に加熱して溶融させる設備が必要である。また、金属粉末を使用するＳＬＳ法では、造形物を長時間高温に保つ溶浸のための設備や造形物に樹脂を浸透させる際の加圧，減圧設備が必要である。
【００１２】
これらの設備は、操作するにも相当の熟練を要していた。他社が保有する設備を利用することも考えられるが、その場合には、物流に時間がかかり、ラピッドプロトタイピングの特徴である簡便性，迅速性が損なわれる。
【００１３】
また、前記従来技術では、造形物の精度や表面粗さが劣っていた。そのため、表面の平滑な造形物や精度の高い造形物を必要とする場合は、仕上げに多大な労力と時間とを要することになり、やはり簡便性，迅速性の点で問題があった。
【００１４】
本発明の目的は、ラピッドプロトタイピングを活用し、高い強度および剛性，優れた精度，表面粗さを持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる立体品製造方法および立体品製造装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、熱可塑性材料で鋳型を作る鋳型製造工程と、熱可塑性材料の軟化点よりも低い温度で溶融している易融合金を鋳型に流し込み凝固させて鋳造品にする易融合金鋳造工程と、鋳型を分割して取り外し鋳造品を目標の立体品として取り出す鋳型取り外し工程とを含む立体品製造方法における鋳型形状作成を支援する鋳型形状設計装置において、目標の立体品の形状の全部または一部を外側にオフセットさせ、鋳型の外形形状を作成するオフセット鋳型作成手段を備えたことを特徴とする。このように、熱可塑性材料で鋳型を作り、熱可塑性材料の軟化点よりも低い温度で溶融している易融合金を鋳型に流し込み凝固させて鋳造品にすると、ラピッドプロトタイピングを活用し、高い強度および剛性とともに、優れた精度、表面粗さを持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【００１６】
前記熱可塑性材料は、樹脂材料または樹脂の複合材料であり、鋳型製造工程は、熱可塑性材料の粉末を部分的に焼結して薄層としこの薄層を積み重ねて前記鋳型を作る選択的レーザ焼結法(ＳＬＳ法)造形工程を含むことができる。この場合は、市販の造形装置を活用し、工程を煩雑にせずに、複雑な立体形状を持つ立体品を製造できる。
【００１７】
熱可塑性材料が、樹脂と無機材料ビーズとを含む複合材料であるときには、鋳造の際に生じる鋳型の変形を抑え、精度の高い立体品を製造できる。鋳型の厚さを薄くすれば、易融合金が鋳込まれた鋳型を冷却するための時間が短縮され、その意味でも、立体品を迅速に製造できる。
【００１８】
無機材料ビーズの熱伝導率は、前記樹脂の熱伝導率よりも大きいことが望ましい。易融合金が鋳込まれた鋳型を冷却するための時間を短縮し、立体品をさらに迅速に製造できるからである。
【００１９】
いずれの立体品製造方法においても、鋳型製造工程には、鋳型の表面を平滑化する鋳型平滑化工程を含むことも可能である。鋳型の表面を一度だけ平滑化すればよいから、同じ形状を持つ複数の立体品の表面を平滑化する手間を省き、表面が平滑な多数の立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【００２０】
鋳型取り外し工程に、鋳造品の表面を平滑化する鋳造品平滑化工程を含んでもよい。一般に、鋳型の平滑化工程では手の届きにくい凹部が、鋳造品の平滑化工程では凸部になるので、すべての表面が平滑な立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【００２１】
鋳型製造工程は、鋳型の内部に熱交換のための流路を形成する工程を含み、易融合金鋳造工程が、前記流路に冷却用の流体を循環させて鋳型を冷却する鋳型冷却工程を含む場合もある。この方式では、易融合金が鋳込まれた鋳型を冷却する時間を短縮し、易融合金の材料特性も改善し、高い強度を持ちクリープによる変形も起こりにくい立体品を迅速に製造できる。
【００２２】
易融合金鋳造工程は、鋳型に易融合金を流し込む前に鋳型の中に補強材を配置する補強材設置工程を含むようにしてもよく、高い強度および剛性を持つ立体品を製造できる。
【００２３】
鋳型製造工程が、前記鋳型の内部に熱交換のための流路を形成する工程を含み、易融合金鋳造工程が、前記流路に加熱用の流体を循環させて鋳型を加熱する鋳型加熱工程を含むこともできる。易融合金が常温の補強材に接して不均一に凝固することによる欠陥を避け、高い強度および剛性を持つ立体品を確実に製造できる。
【００２４】
易融合金よりも高融点の金属小片を前記補強材とすると、より高い強度および剛性を持つ立体品を製造できる。
【００２５】
易融合金よりも高融点の金属粉末を部分的に焼結して薄層としこの薄層を積み重ねて前記補強材を作る補強材形成工程を含む場合は、鋳型の容積に対する補強材の充填率を高めて、特に高い強度および剛性を持つ立体品を製造できる。
【００２６】
多孔質の前記補強材に金属を溶浸させる補強材溶浸工程を含むようにすれば、市販の造形装置を活用し、特に高い強度および剛性を持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【００２７】
鋳型取り外し工程は、鋳型に衝撃または振動を加え鋳型と鋳造品とを分離する工程を含むと、鋳型にはまり込んだ立体品を簡単に取り出すことができ、複雑で壊れやすい形状を持つ立体品を簡便かつ確実に製造できる。
【００２８】
目標の立体品の形状の全部または一部をオフセットさせて鋳型の形状を作成するオフセット鋳型形状作成工程を含めると、鋳造の際の鋳型の変形を抑え、精度の高い立体品を製造できる。
【００２９】
目標の立体品の形状の全部または一部を外側にオフセットさせ、鋳型の外形形状を作成するオフセット鋳型作成手段を備えた鋳型形状設計装置、または、複数に分割された前記鋳型を相互に位置合わせするための部分形状を作成する鋳型合わせ形状作成手段を備えた鋳型形状設計装置、または、鋳型の変形を抑制する保持器に前記鋳型を固定するための部分形状を作成する保持器固定形状作成手段を備えた鋳型形状設計装置を用いると、形状操作の手間を省きながら精度の高い立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【００３０】
前記鋳型の形状に前記流路の形状を付加する流路形成手段を備えれば、形状操作の手間を省きながら、高い強度および剛性を持つ立体品を迅速かつ確実に製造できる。
【００３１】
目標の立体品の形状に基づいて前記補強材の形状を作成する補強材形状作成手段を備えた場合、形状操作の手間を省きながら、特に高い強度および剛性を持つ立体品を製造できる。
【００３２】
溶融している易融合金を熱可塑性材料の軟化点より５℃ないし２０℃低い温度に保つ温度調節器を備えると、鋳造によって鋳型が変形しないように、易融合金の温度を調節しながら融解する手間を省き、簡便かつ安全に立体品を製造できる。
【００３３】
加熱用流体を熱可塑性材料の軟化点よりも低く前記易融合金の融点よりも高い温度に保つ温度調節器と、前記流路に前記加熱用流体を吐出するポンプとを備えれば、補強材の置かれた鋳型を予熱するための液体を用意して流す手間を省き、高い強度および剛性を持つ立体品を簡便かつ確実に製造できる。
【００３４】
加熱用流体を、多価アルコールまたは多価アルコールを主成分として含む混合物にすれば、鋳型を予熱するための液体が環境汚染の原因にならず、高い強度および剛性を持つ立体品を安全，簡便，確実に製造できる。
【００３５】
前記加熱用流体を前記熱可塑性の材料の軟化点よりも低く前記易融合金の融点よりも高い温度に保つ温度調節器と、前記流路に前記加熱用流体または前記冷却用流体を吐出するポンプと、一つの前記流路への前記加熱用流体または前記冷却用流体の吐出を切り換えるバルブとを備えれば、鋳型を予熱するための液体の吐出口と、鋳型を冷却するための液体の吐出口を接続し直す手間を省き、高い剛性を持つ立体品を安全，簡便，確実，迅速に製造できる。
【００３６】
易融合金を被覆された金属の小片を採用すると、立体品の形状に合わせて補強材を用意する手間を省き、高い剛性を持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【００３７】
金属が鉄または鉄系の合金である場合、補強材と易融合金の親和性が強まるので、高い強度および剛性を持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【００３８】
相互に直交する三方向に沿って測った前記金属の小片の寸法のうち、最大の寸法と最小の寸法との比が３倍以上であるようにすると、鋳型の容積に対する補強材の充填率が高まるので、より高い剛性を持つ立体品を製造できる。
【００３９】
溶融している易融合金から補強材を分離するスクリーンを備えた場合、易融合金を再利用でき、高い強度および剛性を持つ立体品を迅速，簡便，低価格に製造できる。
【００４０】
加熱流体循環装置を兼ねる易融合金融解装置では、必要な装置を小型化，低価格化し、高い強度および剛性を持つ立体品を迅速，簡便，低価格に製造できる。
【００４１】
易融合金再生装置を兼ねる易融合金融解装置では、必要な装置を小型化，低価格化し、高い強度および剛性を持つ立体品を迅速，簡便，低価格に製造できる。
【００４２】
ビスマスとスズとを主成分として含む易融合金を採用すると、易融合金が環境汚染の原因になりにくく、高い強度および剛性を持つ立体品を安全，簡便，確実に製造できる。
【００４３】
さらに、０.５％ないし５％の銅または０.５％ないし５％の銀を易融合金に含ませれば、易融合金の材料特性を改善し、高い強度および剛性を持ち、クリープによる変形が起こりにくい立体品を安全，簡便，確実に製造できる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図１６を参照して、本発明による立体品製造方法および立体品製造装置の実施例を説明する。
【００４５】
《実施例１》
図１は、本発明による立体品製造方法Ｐの処理手順を示すフローチャートである。目標の立体品の形状を記述しているＣＡＤデータＤから完成立体品Ｍ３を製造する立体品製造方法Ｐは、鋳型製造工程Ｐ１と、易融合金鋳造工程Ｐ２と、鋳型取り外し工程Ｐ３とからなる。
【００４６】
鋳型製造工程Ｐ１は、ＣＡＤデータＤに基づき、ＳＬＳ法で鋳型Ｍ１を作る工程である。易融合金鋳造工程Ｐ２は、溶融している易融合金を鋳型Ｍ１に流し込んでから、冷まして凝固させる工程である。易融合金を鋳込んだ鋳型Ｍ１を鋳造済み鋳型Ｍ２という。鋳型取り外し工程Ｐ３は、鋳造済み鋳型Ｍ２から鋳型Ｍ１を取り外し、易融合金で作られた完成立体品Ｍ３を残す工程である。
【００４７】
図２は、鋳型製造工程Ｐ１のさらに詳細な処理手順を示すフローチャートである。データ受信工程Ｐ１１は、接続されているコンピュータからソリッドモデルであるＣＡＤデータＤを受信し、このソリッドモデルをサーフェイスモデルである表面形状データＤ１に変換する工程である。
【００４８】
鋳型形状作成工程Ｐ１２は、表面形状データＤ１をオフセットさせて、外形形状データＤ２を作り、これらを組み合わせて鋳型形状データＤ３を作る工程である。
【００４９】
鋳型形状データＤ３には、造形物Ｗを鋳型Ｍ１として使用するために必要となる型分割面Ｔ１などの部分形状も付加する。
【００５０】
ＳＬＳ造形工程Ｐ１３は、鋳型形状データＤ３によって記述された形状を持つ鋳型Ｍ１をＳＬＳ法により製造する工程である。
【００５１】
図３は、ＳＬＳ造形工程Ｐ１３で使われるＳＬＳ造形装置Ａの構造を示す図である。ＳＬＳ造形装置Ａは、材料粉末Ｓを保持するコンテナＡ１と、材料粉末Ｓの表面を平坦化するリコータＡ２と、送りネジＡ８を回してリコータＡ２を往復させるリコータ駆動装置Ａ３と、材料粉末Ｓの表面にレーザビームを照射するレーザヘッドＡ４と、レーザヘッドＡ４を前後左右に走査するスキャナＡ５と、材料粉末Ｓや造形物Ｗを載せて支持するエレベータＡ６と、エレベータＡ６を上下に移動させるエレベータ駆動装置Ａ７と、ＳＬＳ造形装置Ａの動作を全体的に制御する制御装置Ａ９とにより構成されている。
【００５２】
リコータ駆動信号Ｘ１は、リコータ駆動装置Ａ３を動作させ、電力を供給する信号である。スキャナ，レーザ駆動信号Ｘ２は、レーザヘッドＡ４の走査経路とレーザビームの明滅を制御し、電力を供給する信号である。エレベータ駆動信号Ｘ３は、エレベータＡ６の動作を制御し、電力を供給する信号である。
【００５３】
図４は、図３のＳＬＳ造形装置Ａの動作をそれぞれに示す図である。ＳＬＳ造形装置Ａは、平坦化された材料粉末Ｓの表面にレーザビームを走査させながら照射して材料粉末Ｓを焼結し、鋳型形状データＤ３が記述している造形物Ｗの断面形状を持つ層を作る。そして多数の層を積み重ねていき、目標立体形状を持つ造形物Ｗを作成する。
【００５４】
制御装置Ａ９は、鋳型形状データＤ３を受信すると、このデータＤ３に基づいて造形物Ｗの立体形状を持つ立体データを生成する。次に、積層するため、この立体データとそれぞれの層の高さにある水平面との交わりを計算し、造形物Ｗの断面形状を算出し、層ごとに、リコータ駆動信号Ｘ１，スキャナ，レーザ駆動信号Ｘ２，エレベータ駆動信号Ｘ３を自動的に生成する。
【００５５】
ＳＬＳ造形装置Ａは、これらの駆動信号により、エレベータＡ６または造形物Ｗの上に材料粉末Ｓを盛り付け、リコータＡ２を往復させ、材料粉末Ｓの表面を平坦化する。レーザヘッドＡ４からのレーザビームを材料粉末Ｓの表面に照射する。
【００５６】
スキャナＡ５は、レーザヘッドＡ４を造形物Ｗの断面に沿って走査させる。レーザビームにより材料粉末Ｓが焼結され、薄層が作られる。
【００５７】
エレベータＡ６を１枚の層の厚さだけ下降させ、造形物Ｗに新しい層を重ねるために準備する。
【００５８】
このような動作により、最終的に鋳型Ｍ１が作られる。
【００５９】
市販のＳＬＳ造形装置Ａは、ナイロン粉末を材料粉末Ｓとして使用している。結晶性の大きい高分子であるナイロンは、融点とも見なせる鋭い軟化点を持っており、その温度は、約１９０℃である。この軟化点温度は、１６０℃以下である易融合金の融点に対して充分に高いので、易融合金を造形物Ｗとして鋳込むための鋳型として利用することが可能である。
【００６０】
図５は、易融合金鋳造工程Ｐ２の実現方法を示すフローチャートである。鋳型クリーニング工程Ｐ２１は、鋳型Ｍ１の内部に残されている材料粉末Ｓや鋳型Ｍ１に付着している材料粉末Ｓを取り除き、クリーニング済み鋳型Ｍ１１を作る工程である。
【００６１】
鋳型平滑化工程Ｐ２２は、鋳型Ｍ１が積層製造される際にクリーニング済み鋳型Ｍ１１の表面に現れる段差を研磨または塗装により平滑化する工程である。
【００６２】
易融合金溶解工程Ｐ２３は、鋳型Ｍ１の材料の融点を越えないように易融合金Ｆを加熱して融解させ、易融合金溶融物Ｆ１を提供する工程である。
【００６３】
図６は、利用できる易融合金Ｆの組成の例を示す図表である。これら易融合金Ｆのうち、カドミウムや鉛を含むものは使いにくいので、融点が１３８℃のビスマス，スズ共晶合金などが実際的な材料となる。易融合金Ｆの融点は低いので、大がかりな鋳造設備は、不要である。易融合金鋳込み工程Ｐ２４は、クリーニング済み鋳型Ｍ１１に易融合金溶融物Ｆ１を鋳込み、未凝固鋳型Ｍ１２を作る工程である。
【００６４】
易融合金冷却工程Ｐ２５は、未凝固鋳型Ｍ１２を冷却し、鋳込まれた易融合金溶融物Ｆ１を凝固させ、鋳造済み鋳型Ｍ２を作る工程である。
【００６５】
図７は、鋳型取り外し工程Ｐ３を示す図である。鋳造品平滑化工程Ｐ３３は、鋳造品Ｍ２１の表面を研磨または塗装により平滑化し、完成立体品Ｍ３を得る工程である。
【００６６】
型割り工程Ｐ３１は、鋳造済み鋳型Ｍ２を取り囲んでいる鋳型Ｍ１を型分割面で分割し、鋳造品Ｍ２１を取り出す工程である。
【００６７】
型抜き工程Ｐ３２は、鋳型Ｍ１にはまり込んだ鋳造品Ｍ２１から、分割された鋳型Ｍ１を取り外す工程である。鋳造品Ｍ２１や型分割面Ｔ１の形状によっては、鋳造品Ｍ２１から鋳型Ｍ１が外れにくいことがある。そのような場合には、型割り工程Ｐ３１に加えて、型抜き工程Ｐ３２が必要となる。
【００６８】
このような立体品製造方法Ｐによれば、易融合金Ｆでできた完成立体品Ｍ３が作られる。引っ張り強さで表される易融合金Ｆの強度は、約６０ＭＰaであり、ヤング率で表される剛性は、約３０ＧＰaである。これらの値を市販のＳＬＳ造形装置に使用されているナイロンと比較すると、強度は約３倍，剛性は約１５倍である。
【００６９】
易融合金Ｆでできた完成立体品Ｍ３は、研磨，塗装による平滑化も容易である。また、立体品製造方法Ｐには、大がかりな設備を必要とする工程が含まれていない。したがって、立体品製造方法Ｐを利用すると、ラピッドプロトタイピングを活用し、高い強度および剛性だけでなく、優れた精度，表面租さを持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【００７０】
次に立体品製造方法Ｐについて、例を示しながら詳しく説明する。この例では、インテリアとして使われる置物を作る。その立体杉状は、予め用意されたＣＡＤデータＤによって記述されている。
【００７１】
データ受信工程Ｐ１１では、ＣＡＤデータＤをサーフェイスモデルに変換して表面形状データＤ１を作る。図８(Ａ)は、表面形状データＤ１が記述している表面形状Ｒ１を模式的に示す図である。
【００７２】
鋳型形状作成工程Ｐ１２では、表面形状データＤ１を外側にオフセットさせて外形形状データＤ２を作る。図８(Ｂ)は、外形形状データＤ２が記述している外形形状Ｒ２を模式的に示す図である。さらに、外形形状Ｒ２から表面形状Ｒ１を差し引き、厚さがほぼ均一なシェル形状を作る。鋳型Ｍ１の厚さを均一にしておくと、鋳造の際の温度変化により生じる鋳型Ｍ１の変形を最小限に抑えることができる。
【００７３】
こうして作ったシェル形状に、造形物Ｗを鋳型Ｍ１として使用するために必要となる各種の部分形状を付加して鋳型形状Ｒ３を作る。部分形状には、鋳型Ｍ１を複数に分割するための型分割面Ｔ１，鋳型Ｍ１の位置を合わせるためのビットピンＴ２，鋳型Ｍ１を垂直に保持するための支持脚Ｔ３，鋳型Ｍ１に易融合金溶融物Ｆ１を流し込むための湯口Ｔ４，鋳型Ｍ１の中の空気を易融合金溶融物Ｆ１と置換するための空気抜きＴ５，分割された鋳型Ｍ１をクリップ金具で組み立てるためのクリッピングポイントＴ６，鋳型Ｍ１の変形を抑制する固定用金具に取り付けるための固定脚Ｔ７，鋳型Ｍ１を加熱または冷却する液体を流すための流路Ｔ８などが含まれる。図８(Ｃ)は、鋳型形状Ｒ３データが記述している鋳型形状Ｒ３を示す図である。
【００７４】
ＣＡＤデータＤから鋳型形状Ｒを作る形状操作は、通常、ＣＡＤオペレータにより手動でなされる。これを支援するため、専用のＣＡＤソフトウェアとして、モデラＣが用意されている。モデラＣは、表面形状Ｒ１をオフセットさせて外形形状データＤ２やシェル形状を作る操作，型分割面Ｔ１を決定する操作，シェル形状に各種の部分形状を付加する操作などを自動的にまたは非常に簡単に行うためのコマンドを備えている。
【００７５】
図９は、モデラＣの画面の一例を示す図である。モデラＣのコマンドはメニューＣ１に登録されており、ＣＡＤオペレータは、これらのコマンドを使って、複雑な形状操作を簡単な操作で実行できる。例えば「外形形状」コマンドは、選択されている立体形状を外側にオフセットして新しい立体形状を生成するコマンドである。
【００７６】
そこで表面形状Ｒ１を選んでから「外形形状」コマンドを実行すれば、外形形状Ｒ２を簡単に作成できる。また、外形形状Ｒ２と表面形状Ｒ１とを選んでから「シェル形状」コマンドを実行すれば、形状を簡単に作ることができる。さらに、図示画面のように、シェル形状の表面に基準点Ｑを設定し、それから「湯口」コマンドを実行すれば、そこに湯口Ｔ４が付加される。
【００７７】
ＳＬＳ造形工程Ｐ１３では、市販のＳＬＳ造形装置Ａに鋳型形状データＤ３を送信し、鋳型形状Ｒ３を立体形状とする造形物Ｗすなわち鋳型Ｍ１を作る。
【００７８】
鋳型クリーニング工程Ｐ２１では、鋳型Ｍ１を逆さにして振動させ、鋳型Ｍ１の内部に詰まっている材料粉末Ｓを落とす。鋳型Ｍ１の内面に付着した材料粉末Ｓは、細いゴムチューブを鋳型Ｍ１の中に挿入し、その端面から空気を吹き出させて取り除く。このようにして、クリーニング済み鋳型Ｍ１１を作る。
【００７９】
鋳型平滑化工程Ｐ２２では、クリーニング済み鋳型Ｍ１１の内面を所定の面粗さにまで平滑化する。平滑化の方法には、紙ヤスリなどを使って段差の凸部を取り去る研磨方法，充填用の塗料を使って段差の凹部を埋める塗装方法，両者を併用する方法がある。
【００８０】
易融合金溶解工程Ｐ２３では、易融合金Ｆを融解させて適切な温度に保温するため、専用の電気炉Ｈを使用すると便利である。
【００８１】
図１０は、電気炉Ｈの構造を示す図である。るつぼＨ１の中には、融点１３８℃のビスマス，スズ共晶合金が入っており、ヒータＨ３の発熱によって溶融し、易融合金溶融物Ｆ１となっている。易融合金溶融物Ｆ１は、過熱すると空気中の酸素によって酸化されやすくなる。そのため、グリセリン浴Ｈ２を使い、るつぼＨ１を間接的に加熱し、易融合金溶融物Ｆ１の過熱を防いでいる。
【００８２】
グリセリン浴Ｈ２には、ヒータＨ３への通電を制御するサーモスタットＨ４が付属している。ヒータＨ３の発熱によってグリセリンの温度が所定の設定温度を越えると、サーモスタットＨ４が動作してヒータＨ３への通電を止める。グリセリン浴Ｈ２と易融合金溶融物Ｆ１の温度は、サーモスタットＨ４の設定温度に保たれる。サーモスタットＨ４の最適な設定温度は、鋳型Ｍ１の材料によって変わる。通常は、その軟化点に対して、５℃ないし２０℃低い温度に設定する。グリセリンに代えて、エチレングリコールなどの多価アルコールを採用してもよい。
【００８３】
材料粉末Ｓとしてナイロンを使用する場合には、その軟化点が約１９０℃であることを考え、設定温度を１８５℃にすればよい。ナイロンは鋭い軟化点を持っているので、１８５℃でもほとんど軟化しない。
【００８４】
なお、電気炉Ｈの注出口Ｈ５は、るつぼＨ１の底部に付いており、易融合金溶融物Ｆ１の表面に浮いている酸化物が、注出口Ｈ５から鋳型Ｍ１の中に流れ込まないようになっている。
【００８５】
易融合金鋳込み工程Ｐ２４では、まず、複数に分割されているクリーニング済み鋳型Ｍ１１を、クリッピングポイントＴ６にクリップ金具Ｊ３をはめて組み立て、さらに、支持脚Ｔ３を土台金具Ｊ１に固定して垂直に支える。また、土台金具Ｊ１に付属している固定用金具Ｊ２には固定脚Ｔ７を取り付け、鋳造による鋳型Ｍ１の変形を抑える。これを電気炉Ｈの注出口Ｈ５の真下に湯口Ｔ４が来るように置き、上から易融合金Ｆを流し込む。
【００８６】
易融合金冷却工程Ｐ２５では、未凝固鋳型Ｍ１２をしばらく放冷し、易融合金溶融物Ｆ１を凝固させる。図１１は、こうして作られる鋳造済み鋳型Ｍ２の構造を示す図である。
【００８７】
型割り工程Ｐ３１では、鋳造済み鋳型Ｍ２を取り囲んでいる鋳型Ｍ１の隙間にてこＩ１を差し込み、これをねじって、分割されている鋳型Ｍ１を取り外していく方法で、鋳造品Ｍ２１を取り出す。ナイロンを鋳型Ｍ１の材料として使う場合には、ナイロンと易融合金Ｆとの親和性が非常に小さいことから、特に離型剤などを使う必要はない。
【００８８】
しかし、鋳造品Ｍ２１や型分割面Ｔ１の形状によっては、分割された鋳型Ｍ１に鋳造品Ｍ２１がはまり込み、取り出しにくいことがある。型抜き工程Ｐ３２では、はまり込んでいる鋳造品Ｍ２１を上にするように鋳型Ｍ１を保持しておき、鋳造品Ｍ２１の周囲にある鋳型Ｍ１の部分をハンマＩ２で叩く。このようにすると、ナイロンと易融合金Ｆとの密度の違いにより、鋳造品Ｍ２１が鋳型Ｍ１から上に抜けてくる。
【００８９】
鋳型Ｍ１の材料であるナイロンは、衝撃や振動に対して壊れにくいが、大きい力が作用すると、わずかに弾性変形をする。そのため多くの場合、この方法を利用して、鋳造品Ｍ２１を壊すことなく、鋳型Ｍ１から分離できる。図１２は、型割り工程Ｐ３１および型抜き工程Ｐ３２で行う作業を示す図である。
【００９０】
鋳造品平滑化工程Ｐ３３では、研磨や塗装により、鋳造品Ｍ２１の表面を所定の表面粗さにまで平滑化する。鋳型平滑化工程Ｐ２２でも鋳型Ｍ１の内面を平滑化するが、手の届きにくい鋳型Ｍ１の凹部を充分に平滑化することは難しい。
【００９１】
しかし、鋳造によって鋳型Ｍ１の凹部は鋳造品Ｍ２１の凸部となるので、鋳型平滑化工程Ｐ２２では、充分な平滑化ができなかった凹部は、鋳造品平滑化工程Ｐ３３で、研磨や塗装を十分に行って平滑化できる。このように鋳型平滑化工程Ｐ２２と鋳造品平滑化工程Ｐ３３を組み合わせると、鋳造品Ｍ２１の全面を充分に平滑化することが可能となる。
【００９２】
型割り工程Ｐ３１，型抜き工程Ｐ３２で取り外された鋳型Ｍ１は、１０回以上繰り返し使用できる。この繰り返し使用できることは、本発明の特徴の１つである。したがって、複数の完成立体物Ｍ３を作る場合、鋳型平滑化工程Ｐ２２で、鋳型Ｍ１の表面のうちなるべく多くの部分を平滑化しておけば、完成立体物Ｍ３の個数だけしなければならない鋳造品平滑化工程Ｐ３３を省力化できる。
【００９３】
《実施例２》
材料粉末Ｓにガラスなどの無機材料のビーズを混合すれば、鋳型Ｍ１の強度および剛性を増加させ、鋳造の際の変形を抑制できる。また、鋳型Ｍ１の厚さを薄くでき、放熱しやすくできる。これによって、易融合金冷却工程Ｐ２５で、未凝固鋳型Ｍ１２を冷却するための時間が短縮され、完成立体物Ｍ３がより迅速に得られる。
【００９４】
また、金属などの熱伝導率の大きい材料のビーズを使えば、未凝固鋳型Ｍ１２を冷却する時間をさらに短縮できる。
【００９５】
《実施例３》
鋳型製造工程Ｐ１で鋳型Ｍ１を作る際、鋳型Ｍ１の内部に熱交換のための流路を形成しておけば、易融合金冷却工程Ｐ２５での未凝固鋳型Ｍ１２の冷却を速める目的で、流路に冷却用の液体を流すことができる。この方法は、鋳型Ｍ１の厚さを薄くする方法などと異なり、易融合金溶融物Ｆ１の凝固時期を自由に制御できる。そのため、複雑な形状を持つ鋳造物Ｍ２１でも正確に作ることができる。しかも、易融合金溶融物Ｆ１を急速に凝固させることができるので、鋳造物Ｍ２１の材料となる易融合金Ｆの結晶が細かくなり、鋳造物Ｍ２１の材料特性が改善される。
【００９６】
また、完成立体品Ｍ３の強度および剛性をさらに増す方法として、易融合金Ｆよりも融点が高い金属で補強材を作り、鋳造の前に予め鋳型Ｍ１の内部に置いておく方法がある。しかし、この方法では、鋳型Ｍ１の容積に対して補強材の体積の割合が大きい場合など、鋳込まれた易融合金溶融物Ｆ１が常温の補強材に接して冷やされ、不均一に凝固するために、鋳造がうまく行われない。
【００９７】
これに対しては、補強材と鋳型Ｍ１を予め易融合金Ｆの融点よりも高い温度に予熱しておく方法が有効である。この場合にも、鋳型Ｍ１の内部に流路を形成しておけば、易融合金溶融物Ｆ１の鋳造を行う前に、流路に加熱用の液体を流して鋳型Ｍ１を予熱できる。
【００９８】
鋳型Ｍ１の内部に流路を形成する形状操作を支援するため、鋳型形状作成工程Ｐ１２で使用されるモデラＣに専用の「流路」コマンドを登録しておく。このコマンドは、鋳型Ｍ１の内面と外面の間に、内面までの距離と外面までの距離の比が一定となるような中間面を定義し、これに沿って流路Ｔ８を生成する。また、流路Ｔ８の入口，出口にジョイントを設け、チューブを接続できるようにする。
【００９９】
鋳型Ｍ１の内部に形成された流路に冷却用または加熱用液体を流すには、液体循環装置Ｇを使用すると便利である。
【０１００】
図１３は、液体循環装置Ｇの構造を示す図である。液体循環装置Ｇは、ヒータＨ３によって加熱された高温のグリセリンを供給する高温グリセリン槽Ｇ１と、常温のグリセリンを供給する常温グリセリン槽Ｇ２との両方を備えている。高温グリセリン槽Ｇ１には、電気炉Ｈと同様に、ヒータＨ３とサーモスタットＨ４とが付属し、グリセリンの温度を約１８５℃に保っている。
【０１０１】
ポンプＧ３は、高温または常温のグリセリンを吐出口Ｇ５に吐出する。吐出されるグリセリンの温度は、バルブＧ４を操作して切り換えることができる。すなわち、液体循環装置Ｇを使う目的に応じて、易融合金鋳込み工程Ｐ２４で鋳型Ｍ１を予熱する場合は、高温のグリセリンが吐出され、易融合金冷却工程Ｐ２５で未凝固鋳型Ｍ１２を冷却する場合は、常温のグリセリンが吐出されるように、バルブＧ４を切り換える。液体循環装置Ｇは、電気炉Ｈを兼ねる構成になっていてもよい。この場合には、電気炉Ｈのグリセリン浴Ｈ２を液体循環装置Ｇの高温グリセリン槽Ｇ１として使用する。
【０１０２】
鋳造の前に鋳型Ｍ１の内部に置いておく補強材を作るには、いくつかの方法がある。
【０１０３】
一つの方法は、鋼の小片をたくさん用意し、これに易融合金Ｆを被覆して補強材とする方法である。鋼など鉄系の金属は易融合金Ｆとの親和性が強いので、補強材としての使用に特に適している。この補強材は、予め多量に作っておき、必要な分だけ使うことができる。鋼の小片の補強材は、完成立体物Ｍ３の剛性の改善に有効であるが、補強材が相互に接触していないので、強度はあまり改善されない。
【０１０４】
鋳型Ｍ１の容積に対する補強材の充填率を高めると、剛性をさらに改善できることになる。球状小片の充填率は５０％程度であるが、片状または棒状の小片を使用し、さらに振動させながら充填すれば、充填率を７０％以上にまで高めることができる。発明者らの実験によれば、相互に直交する三方向に沿って測った前記金属の小片の寸法のうち、最大の寸法と最小の寸法との比が３倍以上であるようにすると、鋳型の容積に対する補強材の充填率が高まるので、より高い剛性を持つ立体品を製造できる。
【０１０５】
もう一つの方法は、ステンレスなどの金属粉末を材料粉末ＳとするＳＬＳ法であって、完成立体物Ｍ３の形状に基づく最適な形状を持つ補強材を作る方法である。金属粉末を材料粉末ＳとするＳＬＳ法では、一般に造形物Ｗが多孔質に作られるので、これに青銅などの金属を溶浸し、造形物Ｗの空孔を充填して強度を高める方法がすでに実用化されている。この方法を使えば、鋳型Ｍ１の容積に対する補強材の充填率を高めることができるので、完成立体物Ｍ３の強度および剛性を同時に大きく改善できる。金属粉末を材料粉末ＳとするＳＬＳ法には、造形時間が長い、精度が悪いなどの欠点があるが、このように造形物Ｗを補強材として使用する場合には、特に問題なく利用できる。
【０１０６】
図１４は、ＳＬＳ法で作った補強材を使用する例を示す図である。補強材Ｊ４の形状は、表面形状Ｒ１を内側にオフセットさせて作成できる。すなわち、鋳型形状作成工程Ｐ１２で、外形形状Ｒ２と補強材Ｊ１４の形状を同時に作ることが可能である。
【０１０７】
不要になった完成立体物Ｍ３を融解して、易融合金Ｆを再生できる。この場合に、易融合金Ｆに混入している補強材を分離するため、専用の易融合金再生装置Ｕを使用すると便利である。図１５は、易融合金再生装置Ｕの構造を示す図である。
【０１０８】
易融合金再生装置Ｕは、小穴がたくさんあいているスクリーンＵ１を備えており、易融合金溶融物Ｆ１と補強材とを分離する。スクリーンＵ１は、ヒータＵ２により、易融合金Ｆの融点以上の温度に加熱されている。スクリーンＵ１の上に完成立体物Ｍ３を置くと、スクリーンＵ１から伝わる熱で完成立体物Ｍ３が溶融し、補強材を含んだ易融合金溶融物Ｆ１に変わる。このうち易融合金溶融物Ｆ１だけがスクリーンＵ１の小穴から落ち、水槽Ｕ３により冷却され固体の易融合金Ｆとなる。
【０１０９】
易融合金再生装置Ｕも、電気炉Ｈを兼ねる構成になっていてもよい。この場合は、易融合金再生装置Ｕの水槽Ｕ３の代わりに、電気炉ＨのるつぼＨ１を置いておく。図１６は、電気炉Ｈを兼ねるように構成した易融合金再生装置Ｕの構造を示す図である。
【０１１０】
《実施例４》
鋳型製造工程Ｐ１では、ＳＬＳ造形装置Ａを使用する代わりに、光造形装置やＦＤＭ造形装置など、他方式による積層造形装置を使用することも可能である。
【０１１１】
例えば、光造形装置においては、コンピュータ内の形状データを高さ方向に等間隔の水平面で切断し、スライス図形を作成する。次に、スライス図形データを下端から順次取り出して、その形状に基づき、光ビームを例えば光硬化性樹脂に照射し、固化層を形成する。１層の固化層を形成した後、光硬化性樹脂を搭載している台を相対的に下降させ、前記等間隔の厚さの未硬化樹脂層をその上に重ねて、順次、上端までこの操作を繰り返す。その結果、所望の鋳型が得られる。
【０１１２】
《実施例５》
易融合金Ｆとしては、ビスマス，スズ共晶合金を使用する代わりに、０.５％ないし５％の銅または０.５％ないし５％の銀を添加した材料を使用することもできる。好ましくは、２％ほどの銅または銀を添加した材料である。ビスマス，スズ共晶合金は実用的な金属材料の中では、強度および剛性が小さく、また小さい力であっても時間に比例して変形が大きくなっていくクリープが起こりやすいという問題点があった。
【０１１３】
しかし、易融合金Ｆに銅や銀を添加すると、結晶が細かくなるので、強度および剛性が大きくなるとともに、クリープも抑えられる。融点はいくらか高くなるが、問題にはならない。銅または銀が５％を越えると、融点が高くなり過ぎる一方、０.５％未満では、材料特性が改善されない。
【０１１４】
【発明の効果】
本発明によれば、熱可塑性材料で鋳型を作り、熱可塑性材料の軟化点よりも低い温度で溶融している易融合金を鋳型に流し込み凝固させて鋳造品にするので、ラピッドプロトタイピングを活用して、高い強度および剛性とともに、優れた精度，表面粗さを持つ立体品を迅速かつ簡便に製造できる。
【０１１５】
その際に、高温になる設備を一切使わないので、例えばデザイン事務所などの閉じた作業環境内でも、金属でできた立体品を簡便に製造できる。
【０１１６】
鋳型は、１０回以上繰り返し使用できるから、複数の完成立体物を作る場合、鋳型平滑化工程で、鋳型の表面のうちなるべく多くの部分を平滑化しておけば、完成立体物の個数だけしなければならない鋳造品平滑化工程を省力化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による立体品製造方法Ｐの処理手順を示すフローチャートである。
【図２】鋳型製造工程Ｐ１のさらに詳細な処理手順を示すフローチャートである。
【図３】ＳＬＳ造形工程Ｐ１３で使われるＳＬＳ造形装置Ａの構造を示す図である。
【図４】図３のＳＬＳ造形装置Ａの動作を示す図である。
【図５】易融合金鋳造工程Ｐ２の実現方法を示すフローチャートである。
【図６】利用できる易融合金Ｆの組成の例を示す図表である。
【図７】鋳型取り外し工程Ｐ３を示す図である。
【図８】表面形状Ｒ１，外形形状Ｒ２，鋳型形状Ｒ３を示す図である。
【図９】モデラＣの画面の一例を示す図である。
【図１０】電気炉Ｈの構造を示す図である。
【図１１】造済み鋳型Ｍ２の構造を示す図である。
【図１２】型割り工程Ｐ３１および型抜き工程Ｐ３２で行う作業を示す図である。
【図１３】液体循環装置Ｇの構造を示す図である。
【図１４】ＳＬＳ法で作った補強材を使用する例を示す図である。
【図１５】易融合金再生装置Ｕの構造を示す図である。
【図１６】電気炉Ｈを兼ねるように構成した易融合金再生装置Ｕの構造を示す図である。
【符号の説明】
Ａ  選択的レーザ焼結(ＳＬＳ)造形装置
Ａ１  コンテナ
Ａ２  リコータ
Ａ３  リコータ駆動装置
Ａ４  レーザヘッド
Ａ５  スキャナ
Ａ６  エレベータ
Ａ７  エレベータ駆動装置
Ａ８  送りネジ
Ａ９  制御装置
Ｃ  モデラ
Ｃ１  メニュー
Ｄ  ＣＡＤデータ
Ｄ１  表面形状データ
Ｄ２  外形形状データ
Ｄ３  鋳型形状データ
Ｆ  易融合金
Ｆ１  易融合金溶融物
Ｇ  液体循環装置
Ｇ１  高温グリセリン槽
Ｇ２  常温グリセリン槽
Ｇ３  ポンプ
Ｇ４  バルブ
Ｇ５  吐出口
Ｈ  電気炉
Ｈ１  るつぼ
Ｈ２  グリセリン浴
Ｈ３  ヒータ
Ｈ４  サーモスタット
Ｈ５  注出口
Ｉ１  てこ
Ｉ２  ハンマ
Ｊ１  土台金具
Ｊ２  固定用金具
Ｊ３  クリップ金具
Ｊ４  補強材
Ｍ１  鋳型
Ｍ１１  クリーニング済み鋳型
Ｍ１２  未凝固鋳型
Ｍ２  鋳造済み鋳型
Ｍ２１  鋳造品
Ｍ３  完成立体品
Ｐ  立体品製造方法
Ｐ１  鋳型製造工程
Ｐ１１  データ受信工程
Ｐ１２  鋳型形状作成工程
Ｐ１３  ＳＬＳ造形工程
Ｐ２  易融合金鋳造工程
Ｐ２１  鋳型クリーニング工程
Ｐ２２  鋳型平滑化工程
Ｐ２３  易融合金溶解工程
Ｐ２４  易融合金鋳込み工程
Ｐ２５  易融合金冷却工程
Ｐ３  鋳型取り外し工程
Ｐ３１  型割り工程
Ｐ３２  型抜き工程
Ｐ３３  鋳造品平滑化工程
Ｑ  基準点
Ｒ１  表面形状
Ｒ２  外形形状
Ｒ３  鋳型形状
Ｓ  材料粉末
Ｕ  易融合金再生装置
Ｕ１  スクリーン
Ｕ２  ヒータ
Ｕ３  水槽
Ｔ１  型分割面
Ｔ２  ビット  ピン
Ｔ３  支持脚
Ｔ４  湯口
Ｔ５  空気扱き
Ｔ６  クリッピングポイント
Ｔ７  固定脚
Ｔ８  流路
Ｗ  造形物
Ｘ１  リコータ駆動信号
Ｘ２  スキャナレーザ駆動信号
Ｘ３  エレベータ駆動信号
Ｚ  ラピッドプロトタイピング周辺装置
【図１】
0004269116.tif 000002
【図２】
0004269116.tif 000003
【図３】
0004269116.tif 000004
【図４】
0004269116.tif 000005
【図５】
0004269116.tif 000006
【図６】
0004269116.tif 000007
【図７】
0004269116.tif 000008
【図８】
0004269116.tif 000009
【図９】
0004269116.tif 000010
【図１０】
0004269116.tif 000011
【図１１】
0004269116.tif 000012
【図１２】
0004269116.tif 000013
【図１３】
0004269116.tif 000014
【図１４】
0004269116.tif 000015
【図１５】
0004269116.tif 000016
【図１６】
0004269116.tif 000017