樹脂 3D プリンターによる消失模型鋳型の作製と金属鋳造に関する研究
デジタルものづくり課 氷見清和 住岡淳司*1 企画管理部 石黒智明
1. 緒言

合金を流し込み、冷却後に石膏を崩して鋳造製品を取り近年、自動車用部品や産業機械用部品などは、部品の出した。

薄肉・軽量化、複雑形状化、高精度化のため複雑な形状の作製技術の開発が一層求められている。現在、その開3. 実験結果および考察

発の中で複雑形状の金属製品を直接に作製することが3.1 材料測定結果できる金属 3D プリンターが注目されているが、造形でポリアミド材料の熱重量分析の結果、おおよそ 300～きる材料が限られるうえ、粉末材料が高く、またサポー400°C の間で最大の分解があり、450°C では分解がほぼ1)トの除去など造形形状にも様々な制限がある 。そこで、完了していると推測した。この結果から、実験では、充これらの問題を解決する砂型3D プリンターも開発され分に分解させるため炉の設定温度を 600°C とした。ている。従来の砂型での鋳造方法の場合、製品形状が複埋没した消失模型を電気炉で消失する際に、熱により雑になるほど特殊な中子が必要となり、どうしても解決膨張し、固化した鋳型を崩してしまうことが考えられるできない形状になる場合がある。この砂型 3D プリンタ

ことから、加熱による樹脂材料の熱膨張について測定しーは大型製品も鋳造でき、各種類の金属の鋳造ができるた。図 1 に、ポリアミド粉末材料について、応力 100MPa2)

ことから大変注目されている 。しかし、本プリンターおよび 200MP における定圧での温度体積変化を示す。約は高価なことから、安価な製品試作方法が求められてい100°C 付近でガラス転移が観測され、約 200°C 付近で融る。

点が観測されている。測定の結果、50°C 付近から 300°C

そこで、樹脂を材料とする 3D プリンターで消失模型までにおける体積膨張は約 10%あることがわかった。

鋳型を作製することにより、従来方法では困難だった形状の作製について検討した。鋳型内で製品形状の模型を消失させることで、中子や型割形状を考慮する必要が無く、中空形状やアンダーカット形状のある複雑な部品の自由度が大幅に増える。本研究では、樹脂 3D プリンターを用いて、消失模型を試作し、砂や石膏などの耐火材料に模型を埋め込み、消失させてから溶融金属を流し込むインベストメント鋳造法にて鋳造を試みた。
2. 実験方法
2.1 試験および測定方法

図 1 ポリアミド粉末材料の定圧温度変化
3.2 鋳造試験結果
図 2 に、(a)3D プリンターで作製した消失模型の外観、樹脂材料の分析は、赤外分光光度計により結晶構造を(b)模型を消失後に中空となった鋳型に溶融金属を流し込分析した。また、熱による状態変化については、熱分析

み取り出した鋳造製品の外観、(c)鋳造製品の表面の拡大装置を用いた熱重量分析(TGA) 、および PVT 試験機を観察を示す。実験の結果、樹脂模型は完全に消失してお用いて樹脂材料の体積変化を測定した。

り、細部まで鋳造できていることがわかる。

2.2 消失模型の作製と鋳造
消失模型は 3D-CAD で設計し、材料にポリアミド樹脂を用いて樹脂 3D プリンター（EOS 社製 Formiga P100）にて作製した。鋳型材料には石膏を用い、模型を埋没させて固化後に電気炉内にて最高温度 600°C まで上昇させて模型を消失させた。
模型が消失して空洞となった石膏鋳型に、溶解した錫*1 現

図 2 (a)消失模型, (b)鋳造製品, (c)鋳造製品の拡大

企画管理部
富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.34 (2020)15近年では、3D プリンターの有効な利用法として、トポ

4. 結言

ロジー最適化技術を利用した軽量化設計が注目されてい本研究では、樹脂 3D プリンターを用いて、積層造形る。トポロジー最適化技術とは、製品が利用される上で法による消失模型を試作し、鋳型内の空間に溶融金属を想定される構造的な条件（荷重、形状など）の下で、設定流し込むインベストメント鋳造法にて金属製品の作製をした設計空間において、最も効率のよい形状を見出す手試みた。実験の結果、樹脂模型は完全に消失しており、法である 。一般では、普及している樹脂 3D プリンター鋳造製品は細部まで鋳造できることを確認できた。
特に、を用いて、トポロジー最適化によって得られた樹脂製のトポロジー最適化技術を利用した軽量化金属部品の作製造形品が試作されているが、樹脂では強度が不十分なたにおいては、従来の加工方法では作製が困難な形状でもめ、強度が必要とされる金属部品の代用としての利用はほぼ最終形状の金属部品が作製できることを確認し、金できない。また一方で、金属 3D プリンターによる造形で属 3D プリンターと比較して金属材料や設計の自由度はは、前述のように造形できる形状に制約があることや造大変に高いことが示唆された。

3)形コストがかかる問題点がある。そこで、本研究手法に大型で肉厚の製品の作製では、消失の際に樹脂模型のよって、複雑形状の造形および金属部品の作製可能性に膨張により鋳型を崩してしまうことが考えられる。そのついて試みた。図 3 に、(a)金属製ブラケット部品、 (b) 軽対策として、3D プリンターが得意とする模型内部を中空量化を検討した設計 3D 画像、 (c)樹脂製の消失模型、おにした極薄いシェル構造にすることにより、熱膨張によよび(d)金属鋳造製品の外観を示す。鋳造の結果、湯口やる型の破壊を防ぐことができる。

堰の切除作業は必要であるが、ほぼ最終形状の金属部品

現在、3D プリンターや AM 技術をはじめとする生産・が作製でき、金属 3D プリンターに比べて金属材料や設加工技術のさらなる進歩に伴い、トポロジー最適化技術計の自由度は大変に高いことが示唆された。

も一層進んでいることから、複雑形状した製品の可能性はますます拡大するものと考えられる。現在は、航空宇宙関連部品や高付加価値製品に利用研究が進んでおり、将来は、汎用機械製品（溶接ロボット部品、建設機械部品など）にも必ず利用されると推測される。
参考文献
1)永田, 滝沢ら:若い研究者を育てる会, 30 (2017)
pp. 14-20
2)岡根利光ら: 鋳造工学, 90(2018) pp.265-327
3)野村壮史ら:自動車技術会論文集,51(2020)pp.127-133図 3 (a)金属製ブラケット部品、 (b)設計 3D 画像、(c)樹脂製の消失模型、 (d)金属鋳造製品
キーワード：3D プリンター、積層造形、消失模型、鋳造

Research on Fabrication of Sacrificial Patterns by 3D Printer and Metal Casting
Digital Manufacturing Section; Kiyokazu HIMI, Junji SUMIOKA,
and Tomoaki ISHIKURO
In this study, the basic characteristics of sacrificial patterns fabricated by 3D printer were investigated. The polyamide powdermaterial decomposes completely at about 450 °C. Polyamide material has about 10% volume expansion from around 50 to300 °C. Polyamide sacrificial patterns were fabricated by 3D printer. We tried to cast metal products by investment casting
method. As a result of the experiment, the pattern completely disappeared, and metal was flowing to details in the cavity. Thesemethods can be used to make metal products of complex shapes.

16

Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.34 (2020)