平成11年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

セラミックス鋳型におけるマスターモデルの置換条件

何 仕栄・ 吉浦洋之☆
機械電子部 ☆大分県産業創造機構

ReplacementConditionsofMasterPatternsAppliedtoCeramicMolds
Shii・OngHE，☆HiroyukiYOSHIURA
Mechanics＆ElectronicsDivision，☆OitaIndustrialCreationOrganization
要旨
社会のニーズの多様化と，大量生産。大量消費による環境問題への配慮は，優れた一品生産（多品種少量生産）を望ましい生産方式として求めている．本研究では複雑形状部品の一品生産を可能とする光造形システムとモールド技術の複合化技術の開発において重要であるRPマスターモデルの置換条件について検討する．RPモデルを用いた鋳造アプリケーションについて，現在技術として確立されたプロセスは1990年代初期に確立した3DSystemのQuickCast及びDTMCastForm等があるが，作製費用が更に低く中小企業への普及に適するアプリケーションを確立することが本プロジェクトの目的である．そのため絶えず現れる新規造型材に対応する汎用性のある置換条件の確立が重要である．結果として異なる幾何学的特徴のマスターモデルを置換えるには数値解析による形状因子の比較が必要であり、また模型材質の置換は膨張係数だけでなく材料の弾性係数及び熱分解温度を含んだ総合的な指標が有効であることが明らかになった．

る鋳造法は，材質にもよるが，樹脂模型の場合は脱模型に1．緒言RPモデルを用いた鋳造法と従来の鋳造技術であるロスよる熱膨張，残留物等の問題があり，実用化に困難を伴う

トワックス法の工程の比較をFig．1に示す．左側のルートケースが多い．この点は鋳造に適する脱模型しやすいRPはロストワックス鋳造品製造工程であり，右側のルートは造型材への期待が大きい。

RP模型による鋳造品製造工程である。製品の設計，鋳型

2．RPマスターモデルの置換条件の作製，注湯，仕上げ等の手順は両者とも共通するが，模2．1マスターモデルのシェル化型の成型及び脱模型の工程では相違点が多い．

ロストワックス法は，模型成型工程において金型の設計

RPモデルによる鋳造法に用いるマスターモデルは部品および作製が介入するため，その分の費用が嵩む反面，大の外観形状を確保する以外に中空構造を必要とする．中空量生産の場合は能率が良い製造方法である．RPモデルを構造は造形時に高価な光硬化樹脂の使用量を少なくする用いた鋳造法は模型成型に伴うデータの処理，サポートのだけでなく，樹脂モデルの肉厚の減少により脱樹脂時の熱設置が必要であるが，単品について比較する場合，金型の膨張を緩和する効果もある．ただし新規生成の内表面によ設計及び作製ほどのコストがかからない。すなわちマスタりモデル全体の面の数が増え，データ処理時間が長くなる．

ーモデル作製において両者はそれぞれ長所と短所があり，また薄肉に起因する模型の剛性低下は寸法精度に影響をワックス模型は精度が良く，大量生産に適し，RPモデル与えるため最小寸法の制限がある．

は造型による段差があるため精度は劣るが，少量生産の場

Fig．2に光硬化樹脂模型の厚さと鋳型内部の最大主応力合はランニングコストが低く効率が良い．特に設計の変更の関係を示す．これは数値解析の結果であり，解析モデルや修正において，ロストワックス法では金型まで設計しなはFig．3に示すとおりである．主応力の最大値に対応するおす必要があるのに対してRPモデルによる鋳造法は模型

マスターモデルはソリッドモデルである．厚さ1mmのシのCADデータを修正するだけで済むメリットがある．

ェルモデルと比べソリットモデルの場合は最大主応力は脱模型に関してロストワックス法は成熟した方法が確20倍以上増大したことから，マスターモデルの薄肉による立されているため使f削こ便利な方法である．RP模型によ破壊防止効果が明らかである．

ー72一平成11年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

従来の技術

新隕発技術

昇温制御：徐々に加熱

送気助燃：10−301／min

洗浄：有機溶剤エタノール

技術的特徴

Fig．1プロセスの概念図ー73一平成11年度 研究報告 大分県産業科学技術センターっても弾性係数が小さいほどマスターモデルとして利用する可能性が大きい．
また図中に示したのは室温23度，炉内温度100度時の曲線であり，温度が上昇すると直線の勾配は更に急になる．
セラミックス鋳型コーナ部の応力状態は樹脂材料の性質と加熱温度の両方から影響を受け，本研究では樹脂の弾性係数が0から10GPaの範囲において次式で近似して表すことができる．
K ＝ aET庖）

ここでⅩは破壊指標（応力拡大係数または最大主応力）20であり，aは寸法形状による係数，Eは樹脂の弾性係数でFig．2 マスターモデルの厚さと鋳型最大主応力ある．Tは上昇した温度であり，極限状態を評価するとき01ロ

樹脂の発火点温度を指す．応力拡大係数及び最大主応力は温度が上昇するとともに大きくなるが，弾性係数の異なる樹脂では増大の割合が異なり，樹脂の弾性係数が大きいほ
ど応力拡大係数及び最大主応力の増加が急になる．また，同様の鋳型強度に関して発火点が高く燃焼までの履歴が長い樹脂ほど小さい弾性係数による補償が必要になる．
式（1）は更に造型材料の熱膨張係数を考えると，また次のように書ける．
セラ言ツタス慮壁■K ＝ fαm毎）

fは寸法形状による係数であり，αは膨張係数である．マ

ざまgさ3 数値解析モデル

スターモデルに使用できる材料は次式によって決定する．
fα訂r く 随M

Tablel光硬化樹脂の性質（Mpa） （Mpa） 1．1 2．7 0．2 17 0．0 013
液比重 弾性率 引張強度 伸び 膨張係数（％）

甜例えばf＝1，Ⅹ皿aX＝100，T＝500の場合マスターモデ
ルに使用できる材料の材質の条件はαE ＜ 0．2になる．特定の形状に対して鋳型の破壊因子は弾性係数，膨張係数及び熱分解温度のような単独のパラメータでなく，α即という総合的なパラメータが指標になる．

2．2 材質の影響

崖．3 寸法効果

Tablelに光硬化樹脂の性質を示す．マスターモデル製作

マスターモデルの寸法も鋳型の応力状態に影響を与えに使用した光硬化樹脂材料はヤング率が小さいが熱膨張る．Fig5に示すのは四方形マスターモデルの辺の長さに対率がかなり大きい。

応する鋳型内部に発生する最大主応力およびコーナー部の応力拡大係数である．最大主応力は鋳型外側表面付近にFig．4に鋳型コーナ部に発生した応力拡大係数と樹脂模型の弾性係数の関係を示す・応力拡大係数K】はコーナ部発生し，寸法が大きいほど最大主応力が大きい傾向を示す．

で無限大に発散する特異分布の応力場の強さを表すパラ

また応力の分布にも変化が現れる．寸法が大きいほど応力メータであり，最大主応力と同様に応力状態を示す指標での分布が不均一になり破壊しやすい状態になる．

ある・モードⅠの変形に関して割れ面に対称変形の場合，2．4 モデルの置換応力場を次式で表すことができる．

上に示した条件式 ＄）はマスターモデルの置き換え及びロij ニ Kl￡j（∂）／J■2花r

材質の適性を予測するのに用いられる．RPモデルの形状（1）

寸法がワックスモデルと同じ場合，形状因子fは同じであFig．4から分かるように，一定の温度の下で樹脂の弾性係数が0から10GPaまで変化する場合，応力拡大係数はるのでαⅠ汀について比較するだけでよい．この場合通常fほぼ直線的に増加する．すなわちある特定の温度においての数値を求める複雑な解析計算は省略できる．したがって，樹脂の弾性係数が大きいほど鋳型内部の応力状態が厳しRPモデルの上記αm値がワックスモデルのそれより低けくなる．したがって同様の熱分解温度を持つ樹脂材料であれば，RPモデルをワックスモデルと同じ手順で作成されたセラミックス鋳型への応用が可能である．

〝74−

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応力拡大係数（MPaml／2〉−一i一 ■ ︻−5︑︐L．．．．r12＝）

Fig．4 材料係数と応力状態

ただし実際に参照できる同形状のワックスモデルがな7い場合が殆どなので，似通った形状のワックスモデルを対6照としてモデル置き換えのおおよその目安を決める必要5がある．即ち形状が完全に一致しなくてもRPモデルのα訂が対照モデルのそれよりかなり低い場合モデル置き換4えの可能性が大きいと考えて良い．逆にRPモデルのα訂r3が対照モデルより大きい場合強化鋳型を採用するか，他の2RPモデルに変えるか検討すべきである．置き換え条件の検討作業はすべて設計前の段階で行われるため最初から1試行錯誤するよりリスクが少ない．

0

上記置き換え条件の検討方法を用いてRPモデルを用い200た他のアプリケーションにアプローチすることも可能で406080Fig．5 鋳型内部応力状態の寸法効果ある，また，同じ材質のモデルを異なる幾何学形状の部品への応用性を検討する場合，fα1汀 の構成要素である熱Table2 置換条件

置換の種類材料置換
形状置換
材料形状置換

膨張率α，弾性係数E及び熱分解温度Tは同じなので，数値解析でf値を計算して比較すれば，同質材料の異なる形状部品への拡張の可能性を予測できる。置換条件のまとめをTable2に示す．

条件

パラメータα】汀値（α訂ー）く（α訂r）M舐

f値

f＜ fMaxfα玉汀値fα訂r＜（fαⅠ汀）M拡／・・寸鹿脚数α，・烈膨粛銑野」ど・餅鱈尿数r．・烈脇蜜
3．まとめ

複雑形状部品の一品生産を可能とする光造形システム

文 献〔1〕S．He，H．Ⅵshi11ra，C．Mori：「Investigation ofとモールド技術の複合化技術の開発において重要である

Reinfbrced Ceramics Molds fbr Resin Patterns」，The

RPマスターモデルの置換条件について検討した．RPモデ

TenthAnnualSolidFreefbTmFabricationSymposiu皿，

ルのマスターモデルへの置き換えは材質及び部品の幾何

1999．8，A11Stin学的特徴により，置き換えを実施する前に条件を検討する〔2〕何仕栄，森智明，吉浦洋之：「光硬化樹脂モデルに必要がある．異なる幾何学的特徴のマスターモデルについよる複合モールドに関する研究」（招待講演）第16回ラビて数値解析による形状因子の比較が必要である．また，模型ットプロトタイピングシンポジウム，PPllO〜115，1999。5

材質について膨張係数だけでなく材料の弾性係数及び熱〔3〕岡村弘之：線形破壊力学，昭和51年，培風館

分解温度を含んだ総合的な指標が有効である．

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