平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ血樹脂模型を用いたセラミックス鋳型への検討（第2報）
一光造形システムによる複雑形状部品の一品生産に関する研究一森 智明・吉浦洋之・＊高橋芳朗
機械電子部・＊材料開発部Fabrica七ion of Ceramic Molds Using SteTeOlithography Resin鯛odel（Part2）− Åpplまcation of LaseコごS七ereoli七hography System
to Mono PTOduction of Comple文一Shape Parモー

ChiakiMORI，HiroyukiYOSHIURA，＊Yoshiro TAKAHASHI
Mechanics＆Electronics Division，＊MaterialDevelopment Division
要旨
光造形システムにて作成した樹脂模型を用いてセラミックスシェルモールド法に適用する場合にも，ロストワックス法における脱ろう方法と同様に，この樹脂模型の消失方法が最も重要な課題となってくる．特に光硬化性樹脂の場合は，重合度が高く化学的に融解処理等による流出ができず，且つ加熱による溶融流出も期待できない事から，燃焼での消失法が唯一の方法であり，発火までの膨張を伴う加熱法とならざるを得ない．従ってこの樹脂の膨張と燃焼時に発生する多量のガスによるセラミックス層への圧力負荷を軽減する事が必要になってくる．
昨年度までに，セラミックス層に割れを生じない樹脂模型の消失方法として，セラミックスコーティング層を厚くし，且つ針金で補強する事で，焼成時の樹脂燃焼での害りれが生じにくい知見が得られた．そこで，今年度はこの手法を更に発展させ，工業化の面から生産性を視点に一層迅速な鋳型製造法として，樹脂燃焼過程に於いても割れを生じない最適セラミックス鋳型成形法の検討を実施した。

1． はじめに

2．1実験方法

我が国の鋳造業界では，近年生き残りを懸けて低コ2．1．1型枠の作成

スト◎高生産性等益々多様化してくるユーザーニーズへ

ペニア板を用いて型枠を作成した．樹脂模型（階段の対応や，多品種少量生産を余儀なくされており，コス部分：50×100×30mm）と木枠面との距離を約20mm程度

ト削減・開発期間の短縮化は常に重要課題となっている．

確保するために，大きさは145×140×115mmとした．

この厳しい状況下において，従来の切削加工によら2．1．2 充填材ず複雑な3次元形状モデルを短時間に造形出来る光造形

型枠充填材としては，Tablelに示す様に水ガラス系，システムを用いた新たな精密鋳造技術は，従来のロスト発砲スチロール系，サンド系の3種類を用いて鋳型成形

ワックス法と比較して，一層の製品の高付加価値化と短を行った．

納期化を実現するものと確信する．

Tablel充填材一覧

本年度は，前報までの成果を基に，光造形システム適用による複雑形状鋳物の新たな精密鋳造技術の確立に向けて一層の検討を行った．

2．迅速鋳型成形法の検討
セラミックスコーティング法では樹脂模型燃焼時の膨張による割れ対策として，11層以上のコーティングと加えて針金での補強が必要であり，生産性，作業性の面（注）泥奨セラミックス（ココイデル柏十シヾルコンプラワー，で課題が多い．そこで，この製造工程改善のためにヲ 迅

粘性：サヾ−ンカッデ芹4で90秒）

速に鋳型を成形する方法として，多量の鋳型材に樹脂模2．1．3 模型の事前処理

型を直接浸潰し焼成する迅速鋳型成形法を検討した▲

樹脂模型消失後の鋳肌品質の点から，先ず樹脂模表面

ー 29 一

平成9年度 研究報告 太分県産業科学技輔センタ側に泥梁セラミックスを2画コーティングし，これを乾燥●●させた．更にFlg丘1に示す様に巨樹脂模型には送風口と燃焼時の排煙及び排揮口を作成し型枠内に設置した一の目処を得る事ができた．今後乾燥時問の短縮や排澤方案等，更なる迅速化と最適化を継続検討する．

3− セラ蓋ツタ呆鋳型の検討

3．盲 てラミックス鋳型の製作（その1）迅速鋳型成形法での送風、排煙ロの設置が割れ抑制に効果的である事から，排出口を備える形状に樹脂模型を変更しヲ ロストワックス法に準じたセラミックスコー
ティング法での鋳型割れを回避する実験を実施した．

3．て．1階段型模型の形状変更
迅速鋳型成形法での結果を踏まえてき 前報までの湯口からの送風に替え，湊道部に直接送風口を設け，併せて内部の空気の流れと排煙，排浮のために排出口を設けた．

Flg．1枠内に設置した模型及びその方案
2．1．4焼成温度〆電夕仙ン

約150℃／hrで600℃まで加熱し，樹脂の燃焼と鋳型の一次焼成を行った白 また樹脂の燃焼促進のために鋳型内に空気を送風しながら加熱した，（Fig．2）

旧型

排出口

新型

Figu3 階段型樹脂模型の新旧形状比較
3．1【2 コ叩ティンダ方法
スラリ血及びスタッコ材を樹脂模型にこエー−ティングする方法は、樹脂模型のスラリーへの浸演，スタッコ材ラ乾燥の3つの組み合わせからなり，Table2にそのコーティング方法の詳細を示す‡鋳肌を良くするために第1

Fig．2鋳型焼成状況（鋼ハ〇ィデ：送風用、細線二熱伝対）望．1．5鋳型の評価

層はスラリーのみとしている一 またセラミックスの強度

金属を鋳型に注入し，鋳物製晶を得る場合にはぅ 樹脂を上げるために芦 ここでは充分な乾燥温度と時間（25こc

燃焼後の空洞の品質が最も重要となる￠ そこで，ファイX3hr）を設定した．更に鋳型の補強として中間層に於バースコープを用いて空洞内の肌の状態や樹脂燃焼後のいて針金（0。5mm￠）を締結した彙

残渾の状況等を観察し鋳型としての評価を行った．

Table2 セラミックスコーティング方法と試験水準

か【ソ水ガラス系と発砲スチロ山ル系‡ま内部の模型表面に肩ニ＝一山ティングしたセラミックス層が割れ夕 且つ型枠自体ルニンサント∈

も強度不足であった由 次にサンド材と泥奨セラミックスを混練したサンド系はぎ 型枠が適度な強度を保持した事

第6／㌧最終層、阜 スラリー＋シ1比ンサントヾ

最終層

スラリーのみでき その結果クラック等の発生もなく，また樹脂消失彼（備考）

e試験水準…8層臣

10凰13層 巨￠針金（0．5汀1md）
爪拙晶（閉＿の締結‥ケ
8層→5層後，10層→5層後，13層→8層後（L〔巨）L5mm）の空洞内には残澤もない鋳型が得られた。更にこの鋳型を用いてアルミの鋳込みも実施したが，鋳型は損傷もな

3．1，3 焼成パタⅧン

く充分な強度である事も確認できた．

鋳型の焼成パターーンをFig」＝に示す．加熱による樹3（）

臣【山仙」竺MごニF

2．2 実験結果

平成9年度 研究報告 充分県産業科学書新前センタ仙脂の急激な膨張を防ぎ，更に樹脂の燃焼を確実に行うたし使用した．鋳造上の課題は鋳肌と寸法、形状の転写性めに，600℃までは約150℃／hr程度で徐々に加熱したpであるが，3つの鋳型ともに鋳肌面では粗さが見られラ

また加熱時は併せて送風口より銅パイプにて約10ノ／微小クラックの痕跡も観察された。また形状的には9 コ

minで送風し9 急激な樹脂の膨張を抑制し，更に着火後ーナー部での転写性が悪いがき これは溶湯の押し力によは約30J／mlnで燃焼アップと残樺の排出を図った。そるものと考えられる。鋳造方案に関しても，鋳型成形法の後樹脂燃焼後は一気に1000℃までに加熱し約1時間と併せて今後継続して検討をしていく．

保持し焼成した。

00︵⁚凸0∩︶

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︵h︶

蟹褒

Fig．5 焼成彼のセラミックス鋳型（各層別比較）︹U﹂つハノ
2i 2 3〇 b 7 S 9 10時間（h r）

Fig．4 鋳型焼成昇温パターン

3．1．4 評価方法
鋳型の評価としては，。炉内観察により割れ発生の確認
・焼成後アルミの実鋳込みにより鋳肌等の確認により鋳型への適用可否等総合的に実施した。

Fig．6 アルミ（AC4C）鋳造後の階段型試験片3．1．5 実験結果

3 ≧モ セラミックス鋳型の製作 こその2）実験結果をTable3に示す．鋳型の焼成に於いては，セラミック鋳型の製作（その1）の結果から昇温過程

13層コーティング鋳型のみが割れの現象は見られず，での鋳型の割れは，樹脂燃焼時のガス圧よりむしろ樹脂健全なセラミックス鋳型として得られた．一方8層，10模型の膨張によるセラミックス層への応力集中と推定さ層の鋳型に関しては，加熱の早い段階（約250℃）で楷段塾の端面部より初期亀裂が発生し，徐々に拡大し完全れる．そこで5 この樹脂膨張時の応力緩和手段としての模型消失方法を策定し鋳型の成型法を検討した．

な割れに至った，この実験結果からタ 送風、排煙口を設

3−2、1応力緩和対策

け樹脂燃焼時のガス庄低下を行っても，セラミックス層Table4 に示す応力緩和属儲案を設定し9 鋳型焼成の割れ回避には，針金補強に加え樹脂膨張による応力増実験を実施した．に抗するセラミックスの厚みも必要である事を確認した，

3．2．2 コnティンダ方法

Table3焼成実験結果一覧

コーティング方法はその1と比較し，10層鋳型のコーティング数を補強針金の完全被覆のために11層に変更しタ 更に針金締結補強は牒層後（その1では5層後う

約 25i〕

生，その後昇温に従い割れ拡とした．その他泥柴セラミックス組成，サンド材9 乾燥

大．特に堰近傍の割れ大び
約 250〇cで微小クラック発条件は全てその1と同一一条件とした．
32、3 実験結果

1Y O［生，その後昇温に従い割れ拡実験結果を総括してつ「able5に示す，ショックヒートるも程度中，13 望鋳型の割れの現象発生なし，

法でほ8層鋳型は破壊が大きかったが，11層−13層鋳

次にアルミニウムの実鋳込み試験では，書けしの発生型は揚ロ、湯道に割れは発生するもこれまでの様な本体した鋳型もジルコンフラワ｝とコロイダルシリカで補修（階段部）の割れは見られなかった，また造形直後の模tう1

平成9年度 研究報告 大分県産業科学技楠センタ仙塾を用いた場合には割れの発生は全くなく健全な鋳型が針金締結iこよる補強が効果的である事を確認している．

得られた 以上の結果から今回設定した応力緩和対策はそこで今回この割れ発生メカニズムの解明のために有る程度効果が見られ，引き続き検討し当システムにて歪ゲージを用いて，熱膨張によりどの程度の歪がセラミ使用する樹脂への対策として方案化していく．

ック層内部に発生するのか測定を行った。この時には，Table4 鋳型焼成法の対策案
対 策

内容（考え方）ショック
芦（a）

ヒノートで針金締結による補強効果も併せて確認するために，針金水準締結有無での温度上昇に伴う歪の変化として測定した．
4．1実験方法

投入し，一気に樹脂を燃Flg．7の要領にて樹脂模型にセラミックスをコーティ8，11，書緩和する。但し同時iこ送 13層の脱模型については，8層コーティング終了時に0．5mm￠の針金を行う．

を用いた．尚セラミックのコーティング方法については，樹脂模型は経時変化により約 2。4倍に硬化するため，拘束圧縮による破壊が遅れる．作成後間も粘性，スタッコ材の種類等はすべてこれまでの実験と同一条件で実施した。また昇温パターンもこれまでと同様に，約150℃／hrで実施した．昇温時には，鋳型内に約造形直後の模型に が弱い．よって周りの拘10J／mln，樹脂着火後には約30ノ／minで送風した．
11層（測定条件）。使用歪ゲージ：共和電業製

（b）

焼成

ングし，歪ゲb｛一川一ジを貼付した。また針金締結による補強ものと推定する．そこで造形直後の硬化前の模型を用いて鋳型焼成を行型式 SKW−10190
使用温度範囲 〜550℃。サンプリング：60sピッチ

う．焼成ハニターンはその1と同一とする．

11層

Table5 焼成実験結果一覧

8層＋針金コーテイ

対 策

焼成結果

ンク÷

評価

7層

層数
湯口付近折損。

3層8も破壊大。
湯口，湯道，ガスショックヒートでの脱（a）

模型

1113△

歪ゲージ

0層

樹脂模型

Flg．7 セラミックスコーテルク÷と歪ゲージの貼付位置

抜き部の一部割れ発生，但し，階段型部分は健全。
湯道部分のみに大きな割れ発生．他部分は健全．

（b） 造形直後の 模型による 鋳型焼成l 肘 1 ‡ 異常なし．

。

4．セラミックス鋳型の歪測定
セラミックス鋳型の焼成では，コーティングしたセラ

Fig，8 歪ケヾ−シや貼付彼のセラミックス鋳型

ミックシェル（熱膨張係数：9．0＊106）と樹脂模型（130＊10mら）との熱膨張差が非常に大きいために，脱模4．2 実験結果と考察

型時にシェルに割れが発生する．特にセラミックスコー

今回の鋳型焼成では，これまでの実験結果より，鋳型ティング層は，曲げ強度試験では1000℃焼成後でもを針金で補強した場合はセラミック層に割れが生じずに16勒a レベルで強度的には弱い。またセラミックス層内焼成できた事から，針金補強の有無で鋳型内部の歪分布部の特にコーナー部にはこの熱膨張差により大きな引張の変化を把握し，割れ発生メカニズム解明の血助とする応力が発生している（FEん壬解析による）。

事を目的とした．Fig。10 に昇温パターンを示す．約

一方セラミックスコーティング層の割れ対策として，200，300，400℃に変局点があるのは，小型電気炉でのタ

これまでコーティング層の厚みを厚くし，且つ中間層でップ切り替えのタイミングである．次に各鋳型の昇温時】一一一 32 一、

平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

今回の実験により得られた歪測定値をFig∴ほに示す．の炉内及び鋳型内の温度変化として，針金補強なしの鋳型焼成時のパターンをFlg．11に示す．鋳型内には樹脂

但し歪3（7層）は針金補強有り鋳型で断線したためこの急激な膨張の抑制と発火後の助燃効果のために，約こでは省略した。測定結果より針金補強有無での鋳型内10J／mlnの送風を行っており，従って炉内とは約130℃

での歪の温度による変化は，約400℃付近までは殆ど差程度の差が出ている．更に樹脂の発火点である 400Cc近はない− しかし400℃以降の樹脂発火後では，針金補強傍で鋳型内温度は急激に立ち上がっているが，これは樹なしの鋳型が温度上昇に伴い歪も増加するのに対して，脂が燃焼開始したためで，樹脂燃焼時は一層の助燃のた補強有りの鋳型では歪の大きな増加は見られない．特にめに送風量を約30J／mlnに増加しており，鋳型内は急歪4（11層）は外層に近い享もあり，炉内温度の影響激な温度上昇を来している。

を受けやすく，約400〇c前で急激に上昇し両者に大きな差が発生している．しかしこの現象は，400℃以降の炉内温度上昇が補強有りの鋳型の方が急激であったために，
歪1（0層）︵琉〇︻×︶
軽量

Flg．9 歪測定用鋳型焼成状況
400

200

0600

800

600

800

炉内温度（℃）
800 ＋− 】 −ルーーーーー山仙山一鮒−〟…−▼−−−−

歪2（3層）

700 一−WⅣ−−m−・＝ニ＝ニ＝＝ニ＝＝二二＝＝二二二＝−−−▼一丁▲

1100〔）−lnODO
9000 岬¶一▲￣】〃 】一−■川「︵†〇一×︶

8000 −一▲劇椚−−」一…州肝」
7000「一￣山【6000 −−瑚胡5000 一一】
ま000 −−一一1−−

3000 −−−−
2000030 60 90 120 150 180 2‖）

1003譲二二時間（分）200

0

Flg．10 昇温パターン

歪4（11層）

800 mⅣ−W【【▼¶−1−「−−−−−−詞紗旦一」旦N〟〉

一

トま000

皿16000 一ん 一−

o炉内温度

一700 −J400
炉内温度（ニc）●●︵二 〇︼×︶ 瑚闘

030 60 90 120 150 180 210

0200

400600

炉内温度（こ、c）

時間（分）

Fig．12 針金補強有無での各位置の歪量変化

Fig．11炉内及び鋳型内温度変化〝 33 〟

800

平成9年度 研究報告 大分県産業考斗学校術センタ仙歪量の増加が温度上昇に追従しなかったためと考えられ返し応力により初期クラックが発生し，温度上昇で引張る｝ つまり，歪量の変化を温度との関係でなく時間依存応力が増加するに従い拡大しているものと考えられる，性として時間軸の補正を行うと，Fig．13 に示す様に両更に外層近傍での歪の変化に於いても差が認められてお者殆ど一致する事が分かり，この現象はここでは無視しり引き続き歪測定にて評価し，鋳型割れ発生メカニズムてよい．

を解明し鋳型形状や焼成条件等の最適化を検討していく．

一方約350＝c近傍までの歪の挙動として、針金補強の有る鋳型は安定して温度上昇に伴い歪も増加しているが，5．まとめ

針金補強のない鋳型は大きく変動し，不安定な伸縮を繰

樹脂模型を用いたセラミックス鋳型への適用検討をり返している。この現象は初期段階でセラミックス層に行い，今回以下の成果が得られた．

引張応力が繰り返し負荷されている事を示し，初期クラ〇迅速鋳型成型法として，サンド材十泥寮セラミッック発生の要因にもなり得るものと考えられる，従って

クス充填成形法で強度も充分で品質的にも問題のな

この繰り返し応力の抑制が針金による補強の効果と考えい鋳型を製造する事ができた．但し送風，排煙，排られる−浮がポイントである。
②セラミックスコーティング法に於いては，コーテ

今回実測した歪データからは、針金補強による効果について歪量では顕著な差は認められなかった。しかし

ィング層を11層以上で且つ鋳型補強として針金を締Flg．14に示す様に歪の個々の挙動では，針金締結郡よ結すれば，割れも発生せずに鋳型が製造可能である．

り内側の層で，補強していない鋳型は歪振幅が見られラ

この場合も①と同様に送風，排煙等を確実に行う必繰り返し応力が発生している事が推定された．この繰り要がある．

③また樹脂模型は経時硬化するので，成型直後の軟質状態でセラミックスコーティングを行い焼成，消失させる方が，自己崩壊性の点から割れに対しては有効である．

④また割れ発生メカニズム解明の手段として実際の焼成過程に於いて実測した歪からは，針金で補強した場合としない鋳型では歪量には大きな差は認められなかった．しかし針金補強しない鋳型では初期段階に歪振幅が見られ初期クラック発生要因と推定され，メカニズム解明につながるものと考えられる．

引き続き今回得られた成果をベースにセラミックス鋳0306090ユ20 150 180 21〔j型成形法の最適条件を探索し，更に複雑模型への適用を時間（分：L行い，光造形システムを用いた新たな精密鋳造技術の確

Fig．13 歪量の時間変化立を図っていく．

O Oハリ︹＝︶．し参考文献
1）吉浦洋之：昭和62年度大分県工業試験場研究報告「ロO−﹂J＼

ストワックス法による精密鋳造品の精度に関する研︵肌000究」

200﹁へU術センタ…研究報告「樹脂模型を用いたセラミック
00○−X︶ 嘩叫鴇2）吉浦洋之ラ 高橋芳郎：平成8年蜜大分県産業科学技︵ ︺ス鋳型への検討（第1報）」

3）社団法人日本鋳造技術協会 編：第4版鋳型造形法

50C憂02（j406080

100

時間（分）

Flg．14 針金補強なし鋳型の初期歪変化〝 34