Translation from “GIESSEREI” 99 (2012), Heft 2, Seiten 52 – 58
© Giesserei-Verlag, Düsseldorf

INOTEC による量産中子造型“無機バインダーシステム～技術プッシュ型”と“市場プッシュ型”で起こる相乗効果
永続的な成功に向けた基盤とは？
JENS MÜLLER, HILDEN から

無機材料や無機バインダーの重要性が高まっていることは、国内外の学会や業界誌で発表される論文の数からも伺い知ることができる。しかし、自動車分野での無機バインダーを使った生産プロセスに関する議論は、どのような要因で起こったのだろうか？バインダーメーカ
ーだけでなく、機械エンジニアリング、金型システム、そしてこの技術に関連するサービスの分野でも、新製品やイノベーション、製品の改良など、全く新しい市場が育っていることは否定できない。 無機バインダーが鋳造市場で歓迎されるようになったのは、技術プッシ
ュ型と市場プル型の効果が混在しているためと思われる。しかし、「技術プッシュ型」と「市場プル型」とは、具体的にどのようなものだろうか？特に INOTEC のような無機バインダーの開発においては、技術プッシュ型と市場プル型の両方が重要な意味を持つ。技術プッシュ型と市場プル型の境界はあいまいなことが多いが、以下、この分野における最近 4 年間の動きを分類してみることにする。

技術プッシュ型の場合、率先した行動が主に企業自身から始まる。ここでは、技術的な専門知識を通じて、イノベーションを実現する試みがなされている。そのために、企業が研究開発に多大な投資を行い、それに見合ったリソースにも投資することが前提になる。同時に、このイノベーションの成果は、製品だけでなく、サービスも含まれる。一方、市場プルの効果とは、顧客が自らの要求を表明し、その要求を満たす最適な形で新製品が提供されるというもので、主導権は顧客にある。

一般的には、革新的な創造性を高めるのは技術プッシュ型であり、市場プル型は既存製品の改良にとどまることが多い。しかし、技術プッシュ一辺倒の開発では、明らかな市場要求が無視される危険性がある。その有名な事例（正確には、技術プッシュ型の代表的な顔）がアップル社のスティーブ・ジョブズである。彼は技術プッシュ型を実践する模範的な人物であり、この分野で高いレベルのイノベーションがもたらすメガトレンドを創出し続けた。市場プル型の例としては、大型のノートパソコンを起源とするネットブックが開発されたことが挙げられる。

以下に無機バインダーの最新動向を簡単に紹介する。鋳造の展示会である GIFA2003 では、無機バインダーのルネサンスが起こり、来場者の大きな関心を集めた。しかし、残念ながらその期待に応えるには至らず、中子の安定性は、大規模量産工程で使用するにはまだ十分とは言えなかった。また、鋳肌には砂の付着が多く、品質的に十分とは言えなかった。しかし、バインダーシステムの改良により、GIFA2007 ではクランクケース用ウォータージャケ
ット中子[1]など、初の連続生産が可能になったのである。ウォータージャケットの複雑な形状は、鋳造時の形状安定性を向上させるために、⾧い時間をかけてさらなる開発が必要だった。バインダー開発における新しいソリューションは、造型材料の混錬物の流動性向上に役立ち、その結果、シリンダーヘッド用のウォータージャケットのような非常に複雑な形状を製造できるようになった。これらすべてを支えているのは、シミュレーション技術の発展であり、特に中子型の設計に役立った。お客様やプロバイダーは、コールドボックスのような従来の方法とは対照的に、技術的なセットアップ、つまり機械や金型が著しく重要であることに気づいた。砂のリサイクルというテーマも、大規模量産工程の最初の段階で重要であることがわかった。初期の再生装置の開発は、実験室での試験とパイロットシステムによって実施された。そして量産工場は、つい最近操業を開始した。特にこの 6 年間を振り返ってみると、まさに技術の押し上げが語られている。

概要:
アルミニウムのエンジンブロックやシリンダーヘッドのような大量生産鋳物の分野では、6 年前から「無機中子」を使った鋳物の生産量が増えつづけている。アルミニウムのエンジンブロックやシリンダーヘッドの生産など、生産性の面で非常に厳しい鋳造分野においてである。相互に影響し合う要因、例えばバインダーメーカーの革新的な強さ、機械・金型メーカーのソリューション指向のアプローチなどが開発の本質的な柱になっている。また、シミュレーションのような新しい技術的な選択肢も、この発展に重要な役割を果たしている。技術プッシュ型と市場プル型の相互作用は、無機中子生産における既存の概念に対してだけでなく、新しい考え方にも影響を与えた。造型工程の生産性が従来に比べて大幅に向上する、あるいは清掃やメンテナンス作業が大幅に削減されるといったプロセス上の利点は、初めて実を結び、環境面での利点だけでなく、今後の無機中子生産への移行が有利になることを意味している。鋳型の温度を下げ、凝固時間を短縮することで、構造的な特性を改善し、鋳造部品の機械的特性を意図的に最適化することができる。

研究開発
研究開発は、実際に技術を押し進める役割を担っているものの、もちろん顧客要求との比較の中で継続的に行われるものである。最新の無機バインダーの開発の出発点は、シリケート系の加熱硬化であった。しかし、すでに冒頭で述べたように、強度レベル（特に抜型強度）が圧倒的に足りず、大規模量産工程を実現することはできなかった。この問題の解決は、鉱物ベースの添加物であるプロモーターの開発のきっかけとなった。また、鋳物の表面品質や形状安定性など，さらなる要件に対応するため，プロモーターが洗練され、改良された[2]。継続的な開発により、流動特性が大幅に改善され、複雑な形状の製造に適したシステムが完成した（図 1）。砂の消費量の増加に伴い、無機中子砂の適切な再生方法が自然に求められるようになった。そこで研究開発を進め、2011 年に初期の連続プラントが建設されることになった。個々の開発は特許出願中であり、一部は既に特許が成立している。

図 1: 6 気筒ディーゼルエンジンのシリンダーヘッドとその中子

鋳造工程における利点
鋳造用金型の清掃やメンテナンスにおける特⾧は、無機バインダーの成功に欠かせない原動力です。無機バインダーが自然環境に有効なだけでなく、生産性に関しても重要な利点をもたらすことは、重力鋳造法（表 1）で製造された 6 気筒ディーゼルエンジン用の鋳物片または中子の例で見ることができる。従来、コールドボックス中子で鋳造した製品は、凝固に 6分程度必要でしたが、INOTEC 中子の場合、ヤニの付着がない分、金型のベースプレート温度を下げることができ、5 分半で製品を取り出すことができる。コールドボックス中子の場
合、15 回造型したら鋳造金型を清掃しなければならない。一方、INOTEC の場合、24 時間の連続製造が可能で、24 時間後に定期的に鋳造金型を清掃すれば良い。これは、生産性の大幅な向上につながります。コールドボックスでは約 7.8 個/h の製造しかできないのに対し、INOTEC では約 10.8 個/h の鋳造が可能となる。

改良された中子品質
もちろん、硬化時間の短縮はサイクルタイムに好影響を与えるだけでなく、主に構造体としての品質に好影響を与える。これは実際に明らかになったことですが、Leoben にあるÖsterreichisches Gießerei-Institut (Austria Foundry Research Institute, ÖGI) と共同で行われた研究でも検証された[3]。ここでは、コールドボックス中子と INOTEC 中子が温度制御された二段式金型で同時に製造され、鋳物試験片は静的および動的強度特性に関して検査された。ポロシティの減少に加え、伸びと引張強度の向上が明らかになった。また、
INOTEC で製造された鋳造品は、回転曲げ疲労試験でも有意に高い値を示した（図 2）。つまり、鋳造部品がより高い負荷に耐えることができ、材料に高い信頼性があると言える。このことは、ひいては薄肉化に関しても新しい展望を開くことになり、小型化と同時に低排出ガスでより強力なエンジンの開発へのさらなる一歩となるのである。無機材料の利点は、環境面だけにとどまらず、品質、経済性、技術面など、一連の生産プロセスにおいても、さらなる利点を見いだすことができる[4]。言い換えると、環境適合型バインダーシステムという当初の要求以上に、技術プッシュ効果があったということだ。数年前までは、無機バインダーシステムの量産実績が乏しいこともあり、まだそれほど顕在化していなかった。無機バ
インダーの重要性に関して、環境面だけでなく、特性開発が優先されたことは、重要な変革だった[5]。また、生態環境的な影響が経済的に表されるだけでなく、製造への利点さえ伴うのであれば、それは真の持続可能性の証である。特に清掃やメンテナンスに利点が得られる。これはコスト面でのメリットだけでなく、例にあるように、生産性も大幅に向上する。
とりわけ、技術的な側面は、昔も今も OEM（相手先ブランド製造）にとって重要なポイントであり、無機中子の生産へのアプローチを強化している[6]。

図 2：回転曲げ疲労試験 – INOTEC(ベースプレート温度が低い)と Cold Box の比較

シミュレーションを使った開発時間の短縮
無機中子の製造は、適切な金型設計に大きく依存する。無機中子製造のプロセスウィンドウは、従来の中子製造方法よりもはるかに狭いという特徴がある。そのため、できるだけ最適なセットアップを確立することが重要である。そこで欠かせないのが、最近増えているシミュレーションである。中子の砂充填が十分かどうか、中子型の設計に弱点はないかなどを事前に確認することができる。また、加熱された金型や高温の掃気による中子の乾燥も、適切なプログラムでシミュレーションすることが可能である。いずれも、重要な部分を事前に発見し、対応策を講じるのに役立つ。シミュレーションはすでに多くのお客様で標準的に使用されており、新規プロジェクトのために使う貴重な時間を節約することができ、通常であれば金型の修正や適合に費やさなければならない時間を低減できる。
市場プル型と技術プッシュ型の間の中子生産受託
ASK ケミカルズ社（ヒルデン市）の無機化学へのこだわりは、あえてリスクをとって純粋な無機材料を使った中子製造拠点を独自に設立したことからも明らかである（図 3）。これは、外部生産に対する顧客の希望に沿ったものであり、すなわち市場プルに対応したものであった。しかし、ここで得られた連続生産の条件下での知見は、技術プッシュにおいても推し進めるに十分価値のあるものである。さらに、この工場は、現在、無機中子生産に対応する設備を持たない他の顧客とのプロジェクトに、顧客が大きな投資をすることなく、試作できる方法を提供している。現在、ここでは 2 つ種類の量産が行われている。

図 3: Moosburg にある ASK 中子技術センターでの中子生産

金型・機械技術分野での新たな提案
新市場において、無機バインダーを中心に置こうとしている。それは、ある種の勢いを作り出していると言える。機械メーカーが無機バインダーの特性を検討するようになり、お客様の現場での打ち合わせから、無機バインダーを考慮した新しいソリューションが開発されるようになった。以下、ほんの一例を簡単に紹介する。これらの技術革新は、無機材料使用の必須条件ではないが、無機バインダーの取り扱いを容易にし、システムの性能をさらに向上させる一連の利点を提供するものである。図 4 は、ブロープレートの近くに設置された超音波霧化装置である。この微粒化された液滴は、高温の金型に直接または間接的に接触するブ
ローノズルにおいて、砂がすぐに硬化して、ノズルを塞いでしまうことを防止できる。耐湿性という弱点が、逆に効果的に使われています。

図 4: ノズルの乾燥防止 – ブロープレート付近の超音波霧化ユニット

また、図 5 に示すように、ブローパイプや混錬砂を装置内に排出するミキサーやサンドコンベアなど、混錬砂に接する様々な箇所についても同様である。これらの対策により、関連する機械部品の寿命や稼働率も大幅に向上させることができる。従来の中子製造方法と比較して、清掃の手間を最小限に抑え、コストを削減することができる。また、図 6 に示すサンドホッパー（砂投入の漏斗）のカバーのように、細かい点ではあるが、既存のシステム技術を無機バインダー専用に変更したものもある。

図 5: 砂コンベヤーでの超音波霧化

図 6: サンドホッパーのカバー

このような改善により、連続的な空気の入れ替えや、空気や CO2 による混錬材料の乾燥や反応を防ぐことができる。図 7 のスクリューフィーディング装置での計量システムには、プロモーターとも呼ばれる微量の添加剤をできるだけ正確に投与するために、ロードセルが付いている。わずかな変動や不正確さが、良質の造型部品と不良品の違いにつながる可能性があるためだ。

図 7: ロードセルが付いたスクリューフィーダー

中子射出成形機の新しいコンセプト（図 8）は、無機バインダーの要求に応え、システムの⾧所と短所に最適な対応をしている。このコンセプトの目的は、混錬砂に接触するすべての機械部品を、高温で接触する領域から遠ざけることである。金型の温度は約 180℃ですか
ら、当然、熱が伝わっていく。これは必然的に想定よりも早い（部分的な）反応につながり、混練砂の可使時間に影響を与える可能性がある。これは 1 回目や 2 回目のショットでは問題にならないが、連続生産の条件下では機械の稼働時間を短くする結果になる。ブローユニットは、ショット中だけ加熱した中子型上にあるため、結果的に接触時間を最小にすることができます。さらに技術的な革新は、サンドホッパー、ブローパイプ、ブローヘッド、ブ
ロープレートからブローノズルに至るまで、原則的にすべての領域が水冷式である（図9）。

このため、ショットユニット内で望ましくない予備反応が起こらないことが保証されている。これにより、砂の可使時間が飛躍的に延びる。また、中子を最適に硬化させることも重要である。一方では加熱された中子型によって、また他方では高温のパージエアーによって、中子を最適に硬化させることができる。こうして、従来の方法と同等以上のサイクルタイムを実現した。一定に温度を制御するために、連続生産において 150℃を超えるサイクル間温度に十分耐えることができるガッシング装置などが設計されている（図 10）。これは、プロセスのバラツキを防ぎ、硬化のバラツキ、ひいては中子品質のバラツキを抑制するために特に重要である。

図 10: 高温エア生成のための強力な気化ユニット

廃棄される砂の再生
ずっと議論されてきた本質的テーマが、無機バインダーを使った廃棄砂の再生である。もちろん、このテーマは、最適な方法で廃棄・再生されるべき大量の砂がある場合にのみ考えなければならない。また、無機プロセスの真の持続可能性は、ここで表現されている中子生産から鋳造、再生までの砂のサイクルが閉じている場合にのみ成立することは明らかである。
ふさわしい再生する砂の量であったランツフート市の BMW 軽合金鋳造工場とミュンヘン工科大学と共同で広範囲な研究を行い、ついに中子と鋳物の品質要求を満たす再生コンセプトが生まれた[7]。この開発は、最初の実験室試験やパイロットシステムから、最近稼働を開始した世界初の再生装置である現在の商用システムに至るまで、段階的に必要な条件を満たして製造された装置である。 中子の強度レベルに関しては、何ら制約を受けることはないことが図 11 に示されている。

再生砂を用いた試験片は、1 サイクル目、5 サイクル目ともに驚異的な強度特性を示している。その強度は新砂を使ったときのレベルをも上回っており、一連の生産工程でバインダーの含有量を減らして作業することも可能である。再生技術には、技術プッシュと市場プルが共存していると断言できる。一方では、このようなソリューションを提供することが市場の要求であり、他方では、プロセスやパラメーターを無機バインダーに適合させるために、研究開発には多大な時間が費やされたのである。図 12 は、BMW の軽合金鋳造工場に設置された、自動車分野における世界初の無機中子生産用の再生装置である。この装置は、機械的な部分と熱的な部分の 2 つから構成されている。

図 12: BMW グループ軽合金鋳造工場(ランツフート)における無機バインダー砂の再生用直列生産システム

鋳鉄製造への適用
アルミニウム合金鋳造法における技術プッシュから多かれ少なかれ生じる市場プル効果は、多くの鋳物工場が鋳鉄と同等性能の製造に関心を寄せていることである[8]。砂型鋳造法では、鋳造金型の清掃作業の軽減や、その結果としての生産性の向上といったプラスの効果が当然適用されないため、ここでの利点は確かに生態環境に関係している傾向がある。とはいえ、この分野でも無機バインダーが技術的なメリットを発揮することは明らかである。図
13 は、ねずみ鋳鉄のドーム型中子試験鋳物で、INOTEC の中子（青丸）を使用している。
鋳物によっては、時には重大な鋳造欠陥があり、コールドボックスの混錬砂と異なることによって発生している。一連の実用化試験で明らかになったように、無機物バインダーではベーニングが発生しないなど、ここでも利点があることがわかる。革新的な可能性を鋳鉄にも適用するという、研究開発にさらなる焦点が当てられている。

図 13：無機中子を使ったドーム型ねずみ鋳鉄 (鋳込み温度：1420℃)- INOTEC で製造した中子では、コールドボックス中子と比べてベーニングが発生していない

まとめ
この 4 年間、無機バインダーは様々な市場プル効果と技術プッシュ効果によって、鋳造分野において大きな発展を遂げてきた。無機バインダーの登場当初は、環境に配慮したメリット「だけ」が注目されていたが、最近では、清掃の手間を減らすことによる鋳造工程の生産性向上や、鋳型の底板温度を下げることによる新しい鋳造システムの選択肢など、他のメリットも見出されるようになり、状況は変化している。無機中子製造への関心が高まるにつれ、金型メーカーや機械メーカーはこのテーマに集中的に取り組み、製造工程内で見られる欠点を解消するため、個別のソリューションを開発している。無機バインダーの特⾧は、今では最適に活用することができるようになった。無機バインダーに対する最初の量産ユーザーの熱意と、新しいが有望な技術を導入するために一定のリスクを取るという決意が、最新の開発には不可欠であったし、またそうでなければならない。そうして初めて、後続の企業も同じ道を歩み、最終的に認めてもらうことができるのである。"本当に効果的な技術である"

参考文献[1] Giesserei (2008) Nr. 6, S. 32-35. [2] Giesserei-Praxis (2007) Nr. 5, S. 192- 194. [3]Giesserei-Praxis (2009) Nr. 11, S. 359- 366. [4] Giesserei-Erfahrungsaustausch (2009)
Nr. 11, S. 6-7. [5] Giesserei (2010) Nr. 8, S. 66-69. [6] MTZ 72 (2011) Nr. 6, S. 484-489.
[7] Giesserei (2009) Nr. 11, S. 40-44. [8] Giesserei (2011) Nr. 4, S. 36-40