JP6096378B1 - 3次元積層造形鋳型製造用粒状材料の製造方法および3次元積層造形鋳型の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
リコートされた粒状材料を結合するための硬化剤として水を選択的に射出する、3次元積層造形鋳型の製造装置で使用する3次元積層造形鋳型製造用粒状材料の製造方法であって、
珪砂を含む天然砂および人工砂の少なくとも1つの材料と硫酸マグネシウム水溶液とを混合する工程と、
その混合砂を撹拌しながら加温して前記硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させることによって、前記硫酸マグネシウムをコーティングする工程と、
を含み、
前記コーティングする工程においては、
前記混合砂を撹拌しながら加温して前記硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させ、200℃以上で前記硫酸マグネシウムが無水状態となったら冷却することによって、無水硫酸マグネシウムをコーティングし、または、
前記混合砂を撹拌しながら加温して200℃未満で前記硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させることによって、硫酸マグネシウム水和物をコーティングし、
前記無水硫酸マグネシウムのコーティングおよび前記硫酸マグネシウム水和物のコーティングにおいて、
前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料が含有する前記硫酸マグネシウムは、前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料の100質量部に対して、1質量部から10質量部の範囲であり、
前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料が含有する水分量は、前記硫酸マグネシウムが有する結晶水を除いて0.1質量%以下である。
リコートされた3次元積層造形鋳型製造用粒状材料を、射出する硬化剤により選択的に結合する、3次元積層造形鋳型の製造方法であって、
硫酸マグネシウムを含有した3次元積層造形鋳型製造用粒状材料を生成する工程と、
前記硫酸マグネシウムを含有した3次元積層造形鋳型製造用粒状材料をリコータを用いて層状に敷き詰める工程と、
前記層状に敷き詰められた3次元積層造形鋳型製造用粒状材料を目的の3次元積層造形鋳型に対応して結合するように、前記層状に敷き詰められた3次元積層造形鋳型製造用粒状材料に水を選択的に射出して硬化させる工程と、
前記敷き詰める工程と前記硬化させる工程とを、前記目的の3次元積層造形鋳型が造形されるまで繰り返す工程と、
を含み、
前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料を生成する工程は、珪砂を含む天然砂および人工砂の少なくとも1つの材料に前記硫酸マグネシウムをコーティングする工程を有し、
前記コーティングする工程においては、
前記混合砂を撹拌しながら加温して前記硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させ、200℃以上で前記硫酸マグネシウムが無水状態となったら冷却することによって、無水硫酸マグネシウムをコーティングし、または、
前記混合砂を撹拌しながら加温して200℃未満で前記硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させることによって、硫酸マグネシウム水和物をコーティングし、
前記無水硫酸マグネシウムのコーティングおよび前記硫酸マグネシウム水和物のコーティングにおいて、
前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料が含有する前記硫酸マグネシウムは、前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料の100質量部に対して、1質量部から10質量部の範囲であり、
前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料が含有する水分量は、前記硫酸マグネシウムが有する結晶水を除いて0.1質量%以下であり、
前記硬化させる工程においては、前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料の100質量部に対して、15質量部以下の水を使用する。
図1は、本実施形態の3次元積層造形鋳型の製造装置100の造形手順の概要を示す図である。
図3は、本実施形態の3次元積層造形鋳型の製造方法の工程を示すフローチャートである。
図4Aは、本実施形態の硫酸マグネシウムを含有する粒状材料の生成方法(S301)の工程を示すフローチャートである。なお、図4Aにおいては、無水硫酸マグネシウムを例に示すが、硫酸マグネシウム水和物であっても同様の混合物が生成されて、3次元積層造形鋳型の造形材料として使用できる。
図4Bは、本実施形態の硫酸マグネシウムを含有する粒状材料の生成方法(S301)の他の工程を示すフローチャートである。なお、図4Bにおいては、粒状材料が無水硫酸マグネシウムによりコーティングされた例に示すが、加温を200℃より低くすると硫酸マグネシウム水和物によるコーティングが生成され、この材料も3次元積層造形鋳型の造形材料として使用できる。
以下、本実施形態の3次元積層造形鋳型の製造装置100に使用される製造材料として、耐火性粒状材料とバインダとについて詳細に説明する。
本実施形態のバインダである硫酸マグネシウムとしては、無水状態や結晶水を含有した状態のものを使用できる。また、無水状態や結晶水を含有した状態のものが混在した状態においても使用できる。なお、耐火性粒状材料と混合砂として使用する場合には、粒子径300μm以下で無水状態のものがより好ましい。また、コーティングサンドを製造する場合には、硫酸マグネシウム水溶液として実施することが好ましい。
本実施形態の粒状材料としては、特に耐火性粒状材料である、珪砂、オリビン砂、ジルコン砂、クロマイト砂、アルミナ砂、ムライト砂等の天然砂や、人工砂などが挙げられる。また、使用済みの天然砂や人工砂を回収したものや、これらを再生処理したものなども使用できる。さらに、異なる天然砂や人工砂が混在した粒状材料も使用できる。
本実施形態では、耐火性粒状材料表面に硫酸マグネシウムを混合またはコーティングして造形物の材料とする。
生成された硫酸マグネシウム含有粒状材料の水分量は、鋳物砂(本実施形態の硫酸マグネシウム含有粒状材料)の遊離水分を測定する試験方法である、『JACT試験法 S−9 鋳物砂の水分試験法(「鋳型および鋳型材料に関する試験方法」、中小企業事業団、平成11年5月)』に従って、遊離水分として測定した。
遊離水分(%)=減量(g)/試料(g)× 100
硫酸マグネシウムを含有した耐火性粒状材料を積層し、その上に、水を印刷する操作を行う工程は、例えば以下のようにして行われる。
本実施形態によれば、耐火性粒状材料に硫酸マグネシウムを含有したものを用いるので、乾燥砂に近い流動性が確保される。さらに、非印刷部分の耐火性粒状材料はそのまま再利用可能である。すなわち、注湯後の砂型は、水洗によってバインダを溶出させた後に乾燥させて、耐火性粒状材料を再利用する。
耐火性粒状材料100質量部に粒子径300μm以下の無水硫酸マグネシウム5質量部を添加し、ミキサーにより3分間撹拌し混合した。なお、硫酸マグネシウム水和物を使用する場合、例えば硫酸マグネシウム7水和物を使用して硫酸マグネシウム混合砂を生成する場合、硫酸マグネシウム7水和物の式量が246.37であり、硫酸マグネシウムの式量が120.37であるので、硫酸マグネシウム7水和物の添加量は10.24質量部となる。この場合であっても、無水硫酸マグネシウムに換算すれば、5質量部となる。
耐火性粒状材料100質量部に、20%硫酸マグネシウム水溶液25質量部を混合する。次に、その混合砂を撹拌しながら加温し、硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させながら、耐火性粒状材料を200℃以上に加温する。200℃以上になると、硫酸マグネシウムは無水状態となる。硫酸マグネシウムが無水状態となったら、25℃に冷却した後、目開き0.3mmの篩を通過させて、コーティングサンドを作製した。
テストピースの熱膨張率は、JACT試験法M-2(熱膨張量試験法のうちの急熱膨張率測定試験法)に基づいて、以下のようにして測定した。
熱膨張率(%)={膨張量(mm)/加熱前のテストピースの長さ(mm)}×100
積層造形後の砂型をGC-MS(日本電子製Q1000-GCMS)を使用し、温度350℃におけるガス成分の定性分析を実施した。
以下、表1の実施例の結果として実施例1〜4、比較例の結果として比較例1〜4について順に説明する。
[実施例1]
耐火性粒状材料として、珪砂(FS001-EU、販売元EX-ONE、平均粒子径106μm)を使用し、硫酸マグネシウムを混合した混合砂を用意した。
耐火性粒状材料として、焼結法で得られた人工砂(伊藤忠セラテック株式会社、セラビーズ #1450、平均粒子径106μm)を使用したコーティングサンドを使用した以外は、実施例1と同様にしてテストピースを作製し、評価した。実施例2の評価結果を表1に示す。
耐火性粒状材料として、珪砂(FS001-EU、販売元EX-ONE、平均粒子径106μm)を使用し、硫酸マグネシウムをコーティングしたコーティングサンドを用意した。
耐火性粒状材料として、焼結法で得られた人工砂(伊藤忠セラテック株式会社、セラビーズ #1450、平均粒子径106μm)を使用したコーティングサンドを使用した以外は、実施例1と同様にしてテストピースを作製し、評価した。実施例2の評価結果を表1に示す。
常温(20℃)で液体のキシレンスルホン酸55質量部、硫酸10質量部、水35質量部からなる硬化剤溶液を用意した。この硬化剤0.3質量部を、珪砂(FS-001-EU、販売元EX ONE、平均粒子径106μm)を使用し、混練砂とした。
比較例1で調製した硬化剤0.3質量部を、焼結法で得られた人工砂(伊藤忠セラテック株式会社製、セラビーズX #1450、平均粒子径106μm)100質量部に加えて混練し、混練砂とした。
バインダとして、水ガラスのモル比(SiO2/Na2O)が2.5のものを噴霧乾燥したパウダーを用意した。このバインダ3質量部を、珪砂(FS001-EU、販売元:株式会社EX ONE、平均粒子径106μm)を使用し、混練砂とした。
耐火性粒状材料として、焼結法で得られた人工砂(伊藤忠セラテック株式会社、セラビーズ #1450、平均粒子径106μm)を使用したコーティングサンドを使用した以外は、比較例3と同様にしてテストピースを作製し、評価した。比較例4の評価結果を表2に示す。
Claims (3)
- リコートされた粒状材料を結合するための硬化剤として水を選択的に射出する、3次元積層造形鋳型の製造装置で使用する3次元積層造形鋳型製造用粒状材料の製造方法であって、
珪砂を含む天然砂および人工砂の少なくとも1つの材料と硫酸マグネシウム水溶液とを混合する工程と、
その混合砂を撹拌しながら加温して前記硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させることによって、前記硫酸マグネシウムをコーティングする工程と、
を含み、
前記コーティングする工程においては、
前記混合砂を撹拌しながら加温して前記硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させ、200℃以上で前記硫酸マグネシウムが無水状態となったら冷却することによって、無水硫酸マグネシウムをコーティングし、または、
前記混合砂を撹拌しながら加温して200℃未満で前記硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させることによって、硫酸マグネシウム水和物をコーティングし、
前記無水硫酸マグネシウムのコーティングおよび前記硫酸マグネシウム水和物のコーティングにおいて、
前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料が含有する前記硫酸マグネシウムは、前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料の100質量部に対して、1質量部から10質量部の範囲であり、
前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料が含有する水分量は、前記硫酸マグネシウムが有する結晶水を除いて0.1質量%以下である、3次元積層造形鋳型製造用粒状材料の製造方法。 - リコートされた3次元積層造形鋳型製造用粒状材料を、射出する硬化剤により選択的に結合する、3次元積層造形鋳型の製造方法であって、
硫酸マグネシウムを含有した3次元積層造形鋳型製造用粒状材料を生成する工程と、
前記硫酸マグネシウムを含有した3次元積層造形鋳型製造用粒状材料をリコータを用いて層状に敷き詰める工程と、
前記層状に敷き詰められた3次元積層造形鋳型製造用粒状材料を目的の3次元積層造形鋳型に対応して結合するように、前記層状に敷き詰められた3次元積層造形鋳型製造用粒状材料に水を選択的に射出して硬化させる工程と、
前記敷き詰める工程と前記硬化させる工程とを、前記目的の3次元積層造形鋳型が造形されるまで繰り返す工程と、
を含み、
前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料を生成する工程は、珪砂を含む天然砂および人工砂の少なくとも1つの材料に前記硫酸マグネシウムをコーティングする工程を有し、
前記コーティングする工程においては、
前記混合砂を撹拌しながら加温して前記硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させ、200℃以上で前記硫酸マグネシウムが無水状態となったら冷却することによって、無水硫酸マグネシウムをコーティングし、または、
前記混合砂を撹拌しながら加温して200℃未満で前記硫酸マグネシウム水溶液の溶媒を揮発させることによって、硫酸マグネシウム水和物をコーティングし、
前記無水硫酸マグネシウムのコーティングおよび前記硫酸マグネシウム水和物のコーティングにおいて、
前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料が含有する前記硫酸マグネシウムは、前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料の100質量部に対して、1質量部から10質量部の範囲であり、
前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料が含有する水分量は、前記硫酸マグネシウムが有する結晶水を除いて0.1質量%以下であり、
前記硬化させる工程においては、前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料の100質量部に対して、15質量部以下の水を使用する、3次元積層造形鋳型の製造方法。 - 前記造形された3次元積層造形鋳型に対する注湯処理の終了後、前記3次元積層造形鋳型に水を添加して、前記3次元積層造形鋳型を分解して前記3次元積層造形鋳型製造用粒状材料を再生する工程をさらに含む、請求項2に記載の3次元積層造形鋳型の製造方法。
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