平成8年班 研究報告 大分県産業科学技術センター

光硬花樹脂模型の作成臆関する検討
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大塚裕俊
磯城電子部

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要旨
光造形法による直接鋳造法では，最終的な金属製品の品質。精度の確保か重要である。そのためには樹脂型の精度と，湯流れの良いひけ巣の生じない適切な方案デザインか必要である♭ またセラミック焼成時に内部の光造形モールドをうまく溶解。燃焼させて外部にガスとして放出するような構造上の工夫か必要である．
これらを実現するため，樹脂塑の精度に影響するハード。ソフトの各要風 樹脂模型の強度9 鋳造型焼成時の強度8排ガス性及び湯流れ解析による方案設計などについて検討を加えた。
ならない．このときソリッドモデルの表面デ㌦夕かST
1．はじめに
光造形法による直接鋳造法では，最終的な金属製品の品質◎精度の確保が重要である．そのためには樹脂型の精度と，湯流れの良いひけ巣の生じない適切な方案デザインか必要である．またセラミック焼成時に内部の光造形モ山ルドをうまく溶解・燃焼させて外部にガスとして放出するような構造上の工夫か必要である。
これらを実現するためには従来の鋳造工学での知識（湯口B押し㊤湯道￠製品の向きなど）に加えてこの技術特有の要因を検討する必要かある。これには光造形の樹鮨型の精度に影響するハ岬ド唸ソフトの各要因の検討などか含まれる．またCÅDでのモデル化 光造形用デ…夕の作成，光造形システムへのデータの受け癒しなどシステム的な知識も必要となる．加えてCA．Eの利用による樹脂型の強度や湯流れの予測もこれらに関連して有効である

以下ではこれら各事項について検討を加えた。
2．研究内容Lファイルと呼ばれる面を3角形パッチの集合体データに変換される。変換に際しては対象か平面ならば問題な
いが，空間中の自由曲面などは3角形パッチの密度により精度がきまる。鋳造品の要求によりこの公差（トレランス）をCAD側で人力しなければならない、

例えばU−g r a PhなどCADシステムではこの機能か「ラビッドプロトタイピング」としてインタフェース化されており便利である。
今年度は基礎的な階段型モデルについて，ソリッドモデルからSTLファイル化を試みたところ良好な結果を得た￠（匡羞9。1〜3）
なおZ方向の量子化誤差（寮層化誤差）による階段状の造形結果（ギザギザ）については光造形で最も問題となるが，今年度は取り扱わない奮2．1．2 ハードウエア要逆
光造形の精度にはタ システムのメカ部の精度（ハ血ド）か大きく影響する。いわゆるエ作機械など位置決め機能を持つ機械全般についてタ その精度管理かゴ王Sなどで標準化されるようになり，これば光造形システムの精度

2∴唐脂嘆型の梢琶
2，1．1 ソフトウェア要望
光造形の精度を決めるものは，製造機の精度（ハ…ド）評価い管理についても非常に有効と考えられる．
今後のハードの精度向上を考えれば，光造形システムもこれに準じた形で精度評価￠管理を考えていく必要かとCADデータの精度（ソフト）に大きく分けられる．

ある。（一般的な光造形システム本体のメカ部は，工作ソフトについてはCADでのデータ変換による精度管理機械のそれと本質的に同じものである。）

か問題である．

一般にエ作機械の幾何的誤差には，直線運動誤差，回CÅDの中で作成されたソリッドモデルは，まず光造

転運動誤差，および軸の公差角誤差かあり，これらか工形システムへの受け渡し用のデータに変換されなければ作機械の基準面上に組み立てられている。これらは直接￣ 〇 ￣￣平成8年廣 研究部貴 大分県産♯科学績術センター

工作物（光造形物）の形状偏差および姿勢偏差ならびに表面隠さなどに影響する。また工作機械の熱変形による加工誤差の問題は⊥rF磯城の加工精度を向上する上で避けられない．JIS情報などによるポイントを以下に示す．
（1）工作機械（或いは空間位置決め機能をもつ機器一般）の精度管理についてはJ王Sでもようやくその全体が整うことになった．それは幾何的精度（一般），位置決め精凰 熱変形試験，及び円運動試験の4項目を柱とする。
（2）位置決め精度はⅩヶ y軸での往復位置決めデータを統計処聾することで評価をする．測定はレーザ計測システ
ムにより非接触剖定するか，非常に精度よく竹澤■に計測できる．光造形システムの駆動テーブルは現在ステッピ
ングモータによるものである．しかし今後の精度向上のためACサーボ駆動化などでの評価か必要となると思わ

Fig色1Standard誠odel（Solld model：−れるか，本手法の利用は非常に有効である。
（3）熱変形試験は，機械運転時のテストバーの変形量の時間的変動を計測するなどの方法か規定される予定である（公差はない）．例えば旋盤の位置決め精度の変動測定などでは管 熱的な定常状態となり変動か落ちつくまでかなり時間かかかる．これに対し主車由まわりにオイルクーラを配備したM／Cではテストバーの変形量の時間的変動は小さい場合か多い．光造形システムの駆動系は現在小型であり熱容量か小さいため，稼働開始からすぐ熱的な定常状態となると予想される．しかし今後は容器や樹脂を含めたシステム全体の熱特性も考慮していく必要かある．

（4）円運動試験は，DBB（ダブルボールバー）という計測器異を用いて機械に円弧運動を行わせ亨 その変位の軌跡を特性評価することにより行う。この方法は京大の塩野教授グループにより研究開発されてきた．DBB計測

F宣g￠2Standard軌〕del（Outlines）

は非常に簡便で効率的な方法である。同時にパソコンによる計測ソフトもシステム化して開発されている．すでに工作機械だけでなく一般の製造機械でも取り入れられつつある。光造形システムのハードの円運動機能の精度測定についても，この方法によれば精密な評価か可能となると思われる。
2〟2 樹脂模型の強度

現在，有限要素法によって構造体の強度評価の予測を行う技術か利用されている．
本事業での光造形による樹脂塑は そのセラミック塗布。乾燥工程をめぐり外力か主に圧力として負荷となるケースかあり，その変形や歪みは製品の精度に大きな影響を及ぼすため，その強度について事前評価できれば合理的である。これを行うためにはまずソリッドモデルと抗菌3 StaTidaTd賊odel（Surface Triangie鮎sh：）

してCAD化されたデータを用いてヶ それを有限要素解

l一・ミ・→

平成8年度 研究報告 大分県産♯科学技術センター
析（FEM）データに変換しなければならない．このFかわかった寸EMへのデータの受渡しは出来るだけスムーズに行う必（り世界的にも鋳造解析（CAE）は業界の7〜10％程要かある。その具体的工程eインターフェースほケース度しか利用されていない．

により多様であるか，今年度は当センターのシステムを（2）消失模型（lost form）でのシミュレーションも始ま用いた場合，どの程度可能かを中心に検討した．っている．

その結果，以下の点かわかった。

（3）固液温相状態での固相率か高い場合でのシミュレーシ（1）ソリッドモデル → FEMメッシュはソフトで自ョンも始まっている．

動化か進んでいるのでそれを利用するのか合理的である．

（4）鋳造での自由液面の挙動解析などの結果から，自由液（コストか大幅に削減できる）

面を乱さず酸化皮膜を巻き込まぬような鋳造方案か求め（2）外力（負荷）については個々の工程をよく調査の上モられている．

デル化するべきである．

（5）自由表面流の解析では従来の直交メッシュでは計算結（3）物性値については個々の樹脂でよく値を調査する必要

果か良くないので改良か必要である．

かある．

（6）今後もユーザ，大学，企業で連携を取りエキスパート

例えばU−g r a phなどCADシステムではこの機システムを充実させCAEの生き残りをはかっていく必能か「CÅEモジュール」としてインタフェース化され要かある．ており利用しやすくなっている。
今年度は基礎的な階段型モデルについて，ソリッドモまた各鋳造メーカなどの多数の湯流れ解析事例の資料

デルから有限要素ファイル化（4面体に分割）を試みたによれば，モデル化，固液共存状態の取り扱い，熱伝達ところ良好な結果を得た．

係数の決定方法，偏析現象のモデル化 結果による鋳造方案の改良のポイントなど種々の応用技術やノウハウか

2．3 鋳造型焼成時の強度・排ガス性必要であるため，今後の検討か必要である．

セラミクス焼成時の樹月旨の膨張と燃焼ガス圧による型3．緒言の破損を防止するため，樹月旨型の自己崩壊構造や排ガス構造を検討する。

光造形法による直接鋳造法を実用化レベルの技術にす

自己崩壊構造では，樹月旨模型の製造過程でセラミックるためには，従来の鋳造工学での知識（湯tい押し。湯スコーティング後の加熱による焼成時の膨張や変形によ道℡製品の向きなど）に加え，上述したようなこの技術るセラミックス型の破損を防止するため，一定の加熱な特有の要因を細かく検討していく必要かある．これらのどの操作により内部に向かって自己崩壊する樹脂構造の要素となる技術の向上により，その実用化も手近なもの開発を行う．今年度ほこのような機能をもつ樹脂型の壁になると考えられる。

面構造について検討した。いくつかのデザインが提案さ

なお本考察では、光造形システムを直接鋳造法に利用れたか，樹脂物性億の人力や適切なモデル化により数値する場合の一般的な換言引ことどめた。

計算による性能予測も可能であると思われる．
また排ガス構造では，前記の基本的な階段型モデルの文献構造を，湯道鵡湯口か同時に排ガス通路にもなるような設計とした￠ またセラミクス型本体に多くの気道をつけi）大中逸堆，長坂悦敬．村上俊彦∴鋳造方案システム「JS▼加えるなどの補助的な工夫も行った．

CAST」の概要と解析例 ，素形材，5（1996）

2。ヰ 濁流れ解析による方案の検附
光造形による直接鋳造法においては，湯流れか良くひけ巣等の生じない適切な方案か必要である．
現在，数値計算による金属の凝固解析をシミュレーシ
ョンにより行う技術か用いられるようになり，本事業でも適切な方案デザインの設計のために有効に利用できる可能性かある．今年度は鋳造解析ソフト「JS−CAST」の利用について検討及び情報収集を行った．
その結果，鋳造湯流れ解析の利用という点でチ 現在の状況及び問題点として以下に示すようなものがあること

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