金属鋳造と砂型1.その歴史と最近の進展
永 瀬 丈 嗣柏 井 茂 雄兼 吉 高 宏淺 野 和 典 北 村 一 浩


.

は じめに持 続 可 能 な 開 発 目 標 ( SDGs : SustainableDevelopmentGoals)は，地球を救うための行動指針と言われるほど環境問題を解決するために大切な役割を果たすまでになっている．
SDGs と金属・鋳造という言葉からは，希少金属元素と限られた資源の分配，金属資源生産における二酸化炭素の排出，資源循環とリサイクル，エネルギー・水・医療衛生などの社会インフラ，など様々な課題を連想できる．金属素形材は，環境というキーワードを抜きには語ることが出来ない時代になっている．
本解説記事のキーワードは，金属素形材の生産に必要不可欠な「砂」である．金属素形材が SDGs と強い関連があることは言うまでもないが，「砂」が SDGs と関連したものと

図1

代表的な鋳物砂の写真．(a) 砂型プリンターに利用される砂，( b ) 山砂(大阪・羽曳野)，( c ) 天然珪砂(島根・大田温泉津)，( d) 人工砂．写真データは山川産業株式会社(3)より提供いただいた．

は考えにくい．砂はありふれた物質のようであり，山・川・海(砂浜)にいけば無尽蔵に存在する物質のように思われる．
しかし，砂の種類と用途を考えた場合，非常に限られた範囲源であること，その戦略物質としての重要性は，文献(1)(2)にで採取できる砂しか産業利用できない．図に，鋳物や砂型詳細に記載されている．鋳物砂の産地は大きく限られ，鋳物プリンターに利用される代表的な砂の写真を示す．(a)砂型が発達してきた場所は砂の産地と密接に関連してきた．現在プリンターに利用される砂，( b )鋳造に利用される山砂，では，多くの人工砂が利用されるに至っている．

( c )天然珪砂，( d )人工砂は，形状や粒度分布が大きく異な「砂」は地理に大きく依存する貴重な資源・戦略物質であっていることがわかる．見た目だけではなく，材質や成分にり，この資源の偏在性が鋳造・鋳鉄の発展とその歴史に大きも違いがある．これは，鋳造される金属の種類と求められるな影響を与えてきた．本解説記事では，金属鋳造における古特性の違いを反映しているためである．別の言い方をすれ

代から現代の三次元積層造形技術にいたる歴史と地理との関ば，選び抜かれた砂でなければ，金属素形材の中核生産技術連性を，「砂」という観点から，( 1 )砂型の歴史と最近の進の一つである鋳造に使用される鋳物砂として利用できないと展，(2)金属の歴史と地理を学習する砂型実習教材の開発，いうことを意味している．鋳物砂に限らず，砂が限られた資(3)大学における砂型鋳造実習の現状，の 3 部からなる解説兵庫県立大学教授(〒6712280 姫路市書写2167)
公益財団法人 新産業創造研究機構技術コーディネーター
兵庫県立工業技術センター部長
近畿大学教授愛知教育大学教授
Metal Casting and Sand Mold: (1) History and Recent Development; Takeshi Nagase, Shigeo Kashiwai, Takahiro Kaneyoshi,Kazunori Asanoand Kazuhiro Kitamura(University of Hyogo, Himeji. The New Industry Research Organization(NIRO), Kobe. Hyogo Prefectural Institute of Technology, Kobe. Kindai University, HigashiOsaka. Aichi Universityof Education, Kariya)
Keywords: casting, sand mold, history, geography, additive manufacturing, 3D printer2022年 1 月 6 日受理[doi:10.2320/materia.61.340]

材 料 教 育記事として，特に兵庫県や大阪府を中心とする関西地区の活戦後，鋳鉄としては強度・靭性に優れた球状黒鉛鋳鉄が普及動について紹介をする．

するとともに，鉄や銅だけではなくアルミニウム鋳物やマグネシウム鋳物の生産が本格化した．近年では，三次元積層造

.

鋳造の歴史と鋳型の歴史

形法の実用化が進むに至っている．金属素形材の基礎的生産技術である鋳造は，何千年にもわたる歴史を持っており，鋳鋳造の歴史は鋳型の発展と密接に関連している(4)(6) ．表

造の歴史は人類の金属使用の歴史そのものであると言える．

に，文献(4)を参考とした鋳造の歴史と鋳型の歴史の対応

表 1 より，鋳造法・鋳造に用いられる金属元素・鋳造で生表を示す．古代文明発祥の国々では，銅器・青銅器時代を経産された製品の移り変わりとともに，鋳型も連動して変化して鉄器時代へと金属文化が進み，石器，青銅器，鉄器と時代ていることが分かる．別の言い方をすれば，鋳造の歴史は鋳が明確に区分される．一方，我が国では，中国大陸から朝鮮型の歴史であり，鋳型の歴史は鋳造の歴史であると言える．

半島へ伝播した青銅器・鉄器およびその製造技術が，弥生時鋳型の歴史の中心として「砂」の存在がある．鋳型への砂の代に日本へ渡来したため，この 2 種の金属である銅と鉄が利用の開始，鋳物砂の発展，そして砂型プリンターへと至るほぼ同時に使用され始めた(7)．鉄に関して注目すると，我が歴史と地理の関係を，次節で解説する．

国では古代から近世にかけて，砂鉄や鉄鉱石を粘土製の炉で木炭を用いて比較的低温で還元し純度の高い鉄を生産する

.

砂型の誕生と歴史「たたら製鉄」が発展した．たたら製鉄と言えば，日本刀の原料になる玉鋼のような純度の高い鉄である「ケラ・ 」の鋳造を鋳型・粉体工学からみた視点で解説した文献(4)を生産を思い浮かべる場合も多いが，銑鉄・鋳鉄にあたる「ズ 石型，◯
 土型，◯
 砂型と金型，と発参照すれば，鋳型は，◯ク・銑」の生産も主流であったとも言える．明治維新を経砂展してきたとされている．図は，鋳型の歴史として，◯て，明治時代後半から工業用鋳鉄鋳物の生産が本格化した．

型と金型の発展形である AM ( Additive Manufacturing ，◯

表1

ま て り あ 第61巻 第 6 号(2022)
Materia Japan

鋳造の歴史と鋳型の歴史の対応．文献(4)を引用改変．



図3

図2

古代日本における石型，土型に関する代表的な遺跡．
(6)を引用改変．
文献(4)

鋳型の移り変わり．文献(4)を引用改変．

型・土型ともに存在するものの石型が主であったのが，古墳時代までに地域差を持ちながら土型が主となっていくという
金属直接積層造形と砂型プリンター)を加えた図である．

イメージを想像することができる．土型への転換という意味

我が国に鋳造技術が入ってきたのは弥生時代である．弥生

では，関西は九州と比べて「先進的」とも考えられる．600

時代前期にも青銅器の出土は認められるものの，これらの事年代ごろの飛鳥大仏(奈良県)の製造では，土型が利用されて例は舶載品を再加工したものであり，日本列島における青銅いる(4)．

器鋳造を示すものではない．この時代における確実な鋳造に石型では大きな製品や複雑な製品は，鋳造しにくい．さら関連する遺物の出土は弥生時代「中期」になる．鋳造技術がに，石型では，凝固に伴う金属の収縮に対応することが出来最初に入ってきたのは北部九州であり，北部九州からの伝播ない．このため，石型から土型，さらには砂型へと鋳型は進として関西にその技術がもたらされたと考えられる．これら化した．砂型は，江戸時代末期から明治時代にかけて日本古の時代の鋳造関連遺物が出土した代表的な遺跡としては，熊来の手法として発展し，明治維新以降は欧米の技術を導入し本県熊本市・八ノ坪遺跡(8)(9)，福岡県春日市・須玖タカウタながら発展してきた(2)(4) ．現在では砂型プリンターが開発

遺跡(10)，兵庫県姫路市・名古山遺跡(11)，兵庫県赤穂市・上されるにいたる，現在も発展しつづけている分野である．砂高野遺跡(12)(13) ，大阪府茨木市・東奈良遺跡(14)(15) ，奈良県型に利用される鋳物砂は，すべて砂というわけではなく，一磯城郡田原本町・唐古・鍵遺跡(16)，大阪府寝屋川市・楠遺般に「砂」と「粘土」と「水」を適度に混合したものである．

跡(17)などがある．図は，これら砂型・土型に関する遺跡

鋳物砂と砂型には，( 1 )造形性，( 2 )流動性，( 3 )通気性，の場所を示した地図である．九州では弥生時代を通じて非常(4)強度，(5)耐熱性，(6)再利用特性，(7)均一性，(8)崩壊に数多くの石型が出土することから，九州では基本的には石性，など多くの特性が必要とされる．流動性が良く，かつ室製鋳型の使用が主流であった考えられている．一方，関西で温において造形性に優れ，造形後は鋳型が鋳造時の熱衝撃には，当初は石型の使用が主流だったが，弥生時代中期後半段耐えかつ変形しないような強度を持ちつつも発生するガスに

階では一部の青銅器に土型の利用が始まり，弥生時代中期末対処するため通気性にすぐれ，鋳物を取り出す際には型ばら～後期初頭には，土製鋳型外枠のなかに真土(まね)(現在にしが容易であるだけではなく作業環境の点から発生する粉塵

おいて金属工芸・鋳金などの分野で利用されている真土とはが少ないものでなくてはならない．さらに，再利用が可能で異なるもの)を詰めて鋳型とする技術が登場しこの鋳型が主あるかも極めて重要な因子となる．これらの条件を満足する流になっていくという違いがみられる．弥生時代の次の時代ためには，砂の材質だけでなくその粒度，砂と粘土の比率なである古墳時代では，青銅器鋳造に関連する遺物がほとんどどが重要となる．したがって，鋳物砂として利用可能な砂見つかっていないが， 製三角縁神獣鏡などの青銅鏡をはじは，海砂や川砂では満足することができず，ごく一部の限らめ，各種青銅器の多くは土型で製作されたと考えられる．弥れた地域において産出される山砂でしか対応できない．様々

生時代・古墳時代における鋳造の全体像は明らかとはなってな特性を満足する必要があるという大きな制約，さらに砂はいないが，石型から土型の移行は単純ではなく，当初は石重量物であり輸送インフラの整っていない時代では輸送が大

材 料 教 育

変に困難であるという成約から，金属鋳造は，山砂が産出さ産地として報告されている地名を示す(7)．図に，日本各地れる地域で発達してきたことは自然であると考えられる．砂における鋳物業発祥と伝わる地名と年代(18)(19)を示す．早い型に利用される鋳物砂は「砂」と「粘土」と「水」を適度に年代では，大阪・河内( 700頃)，栃木・佐野( 781 )，埼玉・混合したものであるので，資源的制約が大きい山砂だけでは川口(940)，奈良・香芝下田(1000頃)，山形(1051)，兵庫・なく，「砂」と結合材である「粘土」を混ぜ合わせることで姫路野里( 1130 頃)，などが見られる．図 4 より，山砂や天鋳物に適した砂を得る技術が発達した．このような混練での然珪砂の産地と，現代でも鋳造が盛んな地域に相関関係があ

造形に適した鋳物砂に利用される天然砂の原料としては，ることが分かる．図 4 と図 5 より，古代から鋳造が盛んで「天然珪砂」が利用される．図に，山砂および天然珪砂のあった地域が，現在でも鋳造が盛んである傾向が分かる．これらの傾向は，良質な山砂や天然珪砂が取れる地域で鋳造が発達し，その伝統を引き継いで現在まで鋳造がその地域を支える主力産業として活躍している，と理解することが出来る．我が国における鋳造の歴史は，鋳型の歴史であり，さらに砂の地域偏在性と関連した地理と歴史と密接に関連がある．我が国において，「鋳鉄・鋳造」と「鋼・鍛冶」が発達してきた場所が異なる特徴を持つことの要因として「砂」の地理的偏在性も大きな要因となっていることは，文献(20) の歴史地理学的研究の立場から検証された文献においても指摘されている．
現在では，人工砂が開発・実用化されている．人工砂とは，耐火度に優れた砂を配合して，そして天然の砂の欠点である砂粒の不規則な形を球状にしたものである．図 1 に示
すように，人工砂は球状で流動性がよい．人工砂は耐火度が高く，熱伝導が良く，各種鋳型製造プロセスへの応用が可能である．さらに，人工砂で作製された砂型は「型落ち」や「すくわれ」などの鋳型の欠陥が少なく，産業廃棄物がほとんどでないなどのメリットがある．型ばらし時に発生する粉

図4

山砂と天然珪砂の産地．文献(7)を引用改変．現代でも鋳造が盛んな地域との対応関係がある．

塵が極度に少ないことから，鋳物工場での作業環境の劇的な改善をもたらしたことも特筆すべき点である．我が国の鋳造，そして自動車・重工業・建築・水道などの社会インフラの発展の一端を，「鋳物砂」の発展が担ってきたとも言える．

.

砂型プリンターへ

砂は戦略物質・重要資源であり，古来においては山砂や天然珪砂が利用できる地域が必然的に鋳物の産地が形成される重要条件であった．輸送インフラの発達や人工砂の開発に伴い，砂の産地は大きく広がるとともに鋳物の産地も日本全国へと広がった．金属鋳造の歴史は，金属そのものだけではなく，鋳型発展の歴史と砂の地理的制約にも大きく依存してきたと言える．
この砂と鋳型との歴史に近年新しい展開が訪れようとしている．これまで必要としてきた木型等の模型が不要で直接造形を行う砂型三次元積層造形(砂型 3D プリンター)である．
三次元積層造形法は，三次元データを基に断面形状データ(スライスデータ)を計算し，スライスデータを造形，積層することにより三次元形状を具現化する方法である．図に砂型 3D プリンターおよび砂型の例(19)を示す．
図5

鋳物業発祥の年代．文献( 18 )( 19 )を引用改変．早い年
代では，大阪・河内( 700 頃)，栃木・佐野( 781 )，埼玉 ・ 川 口 ( 940 ) ， 奈 良 ・ 香 芝 下 田 ( 1000 頃 ) ， 山 形(1051)，兵庫・姫路野里(1130頃)，などが見られる．

ま て り あ 第61巻 第 6 号(2022)
Materia Japan砂型 3D プリンターでは，バインダーをレーザー照射して溶融させる方法と直接バインダーを噴射する方式(バインダージェット方式)が存在するが，いずれも砂そのものを結合図7

砂型プリンターが設置されている公設試験研究機関．

レーション等の Computer Aided Engineering(CAE)技術にも活用できるため，設計・解析・製造の各プロセスで利用でき，これからのデジタルトランスフォーメーション(DX)に
図6

兵庫県立工業技術センターに設置されている砂型プリンターと造形体の例．文献(21)を引用改変．(a)国産砂型積層造形装置砂型プリンター SCM 10H，(b)砂型プリンターの内部，(c)造形した砂型の一例．

欠かすことができないものとなっていくのは間違いなく，砂型プリンターは DX と結びついてさらに発展していくと考えられる．
上述のように，3D プリンターにもメリット・デメリットがあり，従来砂型製造法と 3D プリンター造形法それぞれのさせて形作るのではなく，バインダー(樹脂などの有機バイメリットを活かした利用方法が存在するため，砂型 3D プリンダー，あるいは無機バインダー)により砂を結合させる方ンターが従来の砂型製造に完全に取って代わることはないと法で砂型の造形を行う．これは，従来の砂とバインダーを混思われるが，従来技術との連携や新たな製造技術として活用練して型取りすることによる方法と基本的には同じ方式であされることは間違いないと考えられる．そのため，鋳造業界るため，3D プリンターで造形した砂型は従来法で作製したにおいて砂型 3D プリンターやデジタルデータの活用技術を砂型とほとんど同じものであると言える．

習得していくことが非常に重要となってくる．現在，国内の砂型 3D プリンターを使うことのメリットとしては，( 1 )公設試験研究機関等に砂型 3D プリンターが導入されている木型等の模型が不要で直接砂型を造形できる，(2)木型等か(図)．公設試験研究機関では，セミナーや機器利用等の技らの抜け勾配が不要となり，形状制限があまり無い，(3)型術支援を行われているので，活用をお勧めする．の割り面や分割等に制限がなく，自由度の高い方案が可能，等が挙げられる．一方で 3D プリンターも万能ではなく，デ.

終わりにメリットとして，( 1 )現状では高価(造形サイズによるが，数千万円～数億円)な装置が必要，( 2 )粒度の均一性や特殊金属鋳造の歴史は，金属だけではなく砂にも大きく支配さ加工が必要な砂材料を使うため，材料も高価となる，(3)原れてきた．このような背景は，たたら製鉄の歴史(鋼ケラ

理上，硬化した部分と未硬化部分が混在し，境界の不鮮明さを原料とする鋼の歴史)(銑鉄・鋳物ズクを原料とする銑が発生するとともに，未硬化砂の除去が必要となる，(4)積鉄・鋳物の歴史)，明治期における鉄鋼・鋳鉄産業の発展

層造形の原理上，局面等において階段状の積層痕が生じる，(鋼世界遺産・明治日本の産業革命遺産( 5 ) 3D プリンターを活かす砂型設計，デジタルデータ技術

船，石炭産業(22) )(鋳鉄鉄鋼と同じく集成館からはじまが必須，等が挙げられる．特に，デメリットの(5)にある砂り，大阪砲兵工廠へと続く歴史(23))において，鉄鋼と鋳鉄が型設計やデジタルデータ技術については，3D プリンターを異なる道を歩んできた歴史とも深く関連している．金属鋳造活用するために非常に重要となってくる．なお，デジタルデは，「砂」に関連した，地域の地理と歴史に深く関連した金ータは，3D プリンターに利用するだけでなく，鋳造シミュ属素形材生産の中核技術であり，最近では三次元積層造形技



製鉄・製鋼，造材 料 教 育

術として新しい展開を見せている．金属鋳造は，古代から地域に根差し，最先端の技術を取り込みつつさらに発展する金属の基礎基盤技術である．金属鋳造の発展は，いかに地域に根差し(ローカライズし)，グローバルに発展できるかにかかっている．第 1 部となる本解説では，金属歴史地理学の一例として「金属鋳造と砂型」を取り上げ，砂型の過去・現在・未来といった歴史軸と，砂という地域偏在性が強い資源の分布といった地理軸を組み合わせ，金属鋳造を歴史地理学的視点から再考し次世代の鋳造・三次元積層造形へとつなげる新たな試みを紹介した．第 2 部では，金属歴史地理学の観点から次世代を担う小学生・中学生向けに金属材料・鋳造の重要性を知ってもらうための教材として開発を進めている「単に金属と触れ合うというだけではなく，金属の歴史と地理をも学習する金属鋳造・砂型実習教材の開発」について，第 3部では大学における砂型を用いた金属鋳造実習の現状について解説する．
本解説論文の執筆に際し，日本鋳造工学会関西支部から全面的なご協力をいただきました．茨木市立文化財資料館の清水邦彦氏より，様々な助言をいただきました．鋳物砂の写真
データは山川産業株式会社より提供いただきました．ここに感謝の意を表します．

文献( 1 ) Beiser Vince 著，藤崎百合(訳)砂と人類「いかにして砂が文明を変容させたか」ISBN 9784794224446, https://www.
kinokuniya.co.jp/f/dsg019784794224446( 2 ) Wedge 資源ウォーズの真実 砂，土，水を飲み込む世界，
https://wedge.ismedia.jp/ud/wedge/release/20210620( 3 ) 山川産業株式会社，http://yks
net.jp/( 4 ) 橋本建次粉体工学会誌， 17 ( 1980 ) , 442 449., https: // doi.
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11279/imono.67.2_118( 6 ) 中江秀雄鋳造工学， 85 ( 2013 ) , 305 309., https: // doi.org /10.11279/jfes.85.305( 7 ) 日本鋳物協会改訂 3 版 鋳物便覧(1973).
( 8 ) 熊本県熊本市・八ノ坪遺跡， https: // www.city.kumamoto.jp /common / UploadFileDsp.aspx?c _ id ＝ 5&id ＝ 8014&sub _ id ＝

ま て り あ 第61巻 第 6 号(2022)
Materia Japan

3&flid＝144338( 9 ) 林田和人，下村 智，玉川剛司史学論叢，1122(48) 201803.
(10) 福岡県春日市，須玖タカウタ遺跡 2・5 次調査出土青銅器生産
関連遺物および土器類，https://www.city.kasuga.fukuoka.jp/
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html( 11 ) 兵庫県姫路市，名古山弥生遺跡出土遺物， https: // www.city.
himeji.lg.jp/kanko/0000002036.html(12) 兵庫県赤穂市，兵庫県赤穂市の文化財，http://www.akohyg.
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( 14 ) 大阪府茨木市，茨木市立文化財資料館， https: // www.city.
ibaraki.osaka.jp / kikou / kyoikuiinkaikyoikusoumu / rekibun /rekishibunkazai_jigyou/bunkazai_sihryoukan/index.html( 15 ) 文化庁・国指定文化財等データベース，摂津東奈良遺跡出土
鎔 笵 関 係 遺 物 ， https: // kunishitei.bunka.go.jp / heritage /detail/201/10010(16) 奈 良 県 磯 城 郡 田 原 本 町 ， 遺 跡 ( 国 史 跡 ) 唐 古 ・ 鍵 遺 跡 ，
https: / / www.town.tawaramoto.nara.jp / kanko / bunkazai /iseki/5178.html(17) 大阪府寝屋川市，楠遺跡，https://www.city.neyagawa.osaka.
jp / organization _ list / kyoiku _ shakaikyoiku / bunkasport /bunkazai/namesagasu/1378188437368.html( 18 ) 石 野 亨  産 業 技 術 セ ン タ ー ， 鋳 造 技 術 の 源 流 と 歴 史(1977).
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(20) 河 島 一 仁  立 命 館 文 学 ， 627 ( 2012 ) , 65 99., http: // www.
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Shipbuilding and Coal Mining(明治日本の産業革命遺産 製
鉄・製鋼，造船，石炭産業)，https://whc.unesco.org/en/list/
1484/(23) 中江秀雄鋳造工学全国講演大会講演概要集，166(2015), 3.,https://doi.org/10.11279/jfeskouen.166_3★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
2003 年

永瀬丈嗣

大阪大学大学院工学研究科博士後期課程修了，工学博士(大阪大学)
2003年 4 月2008年 2 月，大阪大学大学院工学研究科
2008年 3 月2021年 3 月，大阪大学超高圧電子顕微鏡センター
2021年 4 月現職
専門分野材料組織学，材料設計学◎電子顕微鏡法を中心とする材料組織学，マテリアル
DX による材料設計学に従事．金属新素材開発と地方創生を実現する金属歴史地理学に基づく教育法の開発なども行っている．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

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