JP6762663B2

JP6762663B2 - 付加製造装置用組成物および鋳型の製造方法

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Publication number: JP6762663B2
Application number: JP2016141149A
Authority: JP
Inventors: 嘉史扇; 洋二小川; 充谷村
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: JP2018012111A

Description

本発明は、付加製造装置を用いて鋳型を造形するための組成物と鋳型の製造方法に関する。

鋳造は、溶融した金属を鋳型に注入して鋳物を作製する伝統的な金属加工法である。この鋳造に用いる自硬性鋳型は、使用する粘結材（結合材）に応じて有機系と無機系があり、このうち無機系は、主に水ガラス系とセメント系がある。この鋳型の作製は、模型や木型の作製が前工程として必須であるが、この前工程には時間とコストがかかる。
そこで、鋳物の美観等が損なわれず、該前工程が不要な鋳型の製造手段が望まれる。

ところで、最近、付加製造装置が、迅速かつ精密な造形手段として注目されている。この付加製造装置のうち、例えば、粉末積層成形装置は、粉末を平面の上に敷き詰め、該粉末に水性バインダを噴射して粉末を固化し、該固化物を垂直方向に順次積層して造形する装置である。この装置の特徴は、３次元ＣＡＤ等で作成した立体造形のデータを多数の水平面に分割し、これらの水平面の形状を順次積層して、成形体を作製する点にある。
そこで、前記付加製造装置を用いて鋳型を作製できれば、前記の前工程は不要になり、作業時間とコストを削減できると期待される。

例えば、特許文献１は、結合材噴射法（粉末積層成形法）に適した粉末材料を提案している。該材料は、珪砂、オリビン砂、人工砂等の耐火砂に速硬性セメントを粘結材として所定の量配合して混練したもので、これに水性バインダを加えて固化・積層して成形体を作製する。そして、結合材噴射法を用いて作製した成形体は、製造直後の運搬時の破損を防止して製造量や良品を確保するために、初期強度の発現性が高く、かつ鋳物の製造時においても強度が高いことが求められる。

また、非特許文献１は、無機粉末ＲＰ鋳型の含水量が多い場合、該鋳型を用いて製造した鋳物の上部にガス欠陥が生じるが、該鋳型を１５０℃で加熱すると、鋳型の強度は大きく低下するものの、鋳物のガス欠陥は低減すると報告している。しかし、前記のように、結合材噴射法を用いて作製した成形体（鋳型）は、鋳型の製造直後や鋳物の製造時においても強度が高いことが求められる。

特開２０１１−５１０１０号公報

戸羽篤也ほか：無機粉末RP鋳型による鋳物製造におけるガス欠陥対策，日本鋳造工学会全国講演大会講演概要集、Vol.159、P-146 (2011.10.01)

したがって、本発明は、付加製造装置を用いて鋳型を造形することができ、かつ強度を維持しつつ、生産性の高い組成物を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、セメントと樹脂被覆砂を含む組成物は、付加製造装置を用いた造形が可能で、かつ、短い製造時間で高い強度を有することを見い出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、下記の構成を有する付加製造装置用組成物等である。

［１］ＪＩＳＲ５２１０に準拠して測定した前記セメントの凝結（始発）が、１時間以内であるセメント１００質量部に対し、フェノール樹脂被覆砂を１００〜４００質量部含む付加製造装置用組成物。
［２］前記フェノール樹脂被覆砂が、フェノール樹脂で被覆された珪砂、オリビン砂、人工砂および再生砂から選ばれる１種以上である、前記［１］に記載の付加製造装置用組成物。
［３］結合材噴射式粉末積層造形装置と前記［１］または［２］に記載の付加製造装置用組成物を用いて鋳型を造形した後に、該鋳型を１５０〜３５０℃で加熱して鋳型を製造する、鋳型の製造方法。

本発明の付加製造装置用組成物は、強度が高く、鋳型に用いた場合に破損し難く、鋳造時のガス発生も少ないため、欠陥のない鋳物を製造できる。また、鋳型の生産性が高いので鋳物の製造効率も高くなり、鋳物が安価に製造できる。

本発明は、前記のとおり、セメント１００質量部に対し、樹脂被覆砂を１００〜４００質量部含む付加製造装置用組成物（以下「組成物」と略すこともある。）等である。
以下、本発明について、組成物の成分であるセメントおよび樹脂被覆砂等と、該組成物を用いた鋳型の製造方法に分けて説明する。

１．セメント
本発明で用いるセメントは、例えば、速硬セメント、超速硬セメント、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント、エコセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント、およびセメントクリンカー粉末等から選ばれる１種以上が挙げられる。
また、ＪＩＳＲ５２１０に準拠して測定した凝結（始発）が１時間以内のセメントであれば、鋳型の製造直後の強度も高い。凝結（始発）が１時間以内のセメントは、速硬セメント、超速硬セメント、および止水セメントがあり、例えば、スーパージェットセメント（登録商標、小野田ケミコ社製）、ジェットセメント（登録商標、住友大阪セメント社製）、デンカスーパーセメント（デンカ社製）、ライオンシスイ（登録商標、住友大阪セメント社製）、およびデンカキューテックス（デンカ社製）が挙げられ、また、凝結（始発）が１時間以内のセメントは、ポルトランドセメントにカルシウムアルミネート等の急結混和剤を混合して調製してもよい。
なお、溶融温度が高い鋳物の鋳型を製造する場合、セメントに含まれる石膏からもガスが発生する場合があるので、好ましくは石膏をほとんど含まないセメント（例えば、非晶質カルシウムアルミネート）を用いる。

２．樹脂被覆砂
本発明で用いる樹脂被覆砂は、砂を樹脂で被覆した細骨材である。樹脂は、特に制限されないが、強度の点から、好ましくは熱硬化性樹脂であり、例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、およびエポキシ樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂の被覆量は、砂１００質量部に対し、好ましくは１〜４質量部、より好ましくは１．５〜３．５質量部である。熱可塑性樹脂の被覆量が１〜４質量部の範囲にあれば、加熱による強度の増進効果が高く、また低コストである。
砂の種類は、耐火砂であれば、特に制限されず、珪砂、オリビン砂、人工砂、および再生砂等から選ばれる１種以上が挙げられる。ここで再生砂は、炭化砂を流動焙焼した後、研磨処理してリサイクルした硅砂等が挙げられる。
また、樹脂被覆砂の配合量は、セメント１００質量部に対し、１００〜４００質量部である。該値が該範囲であれば、耐火性と強度発現性が高い。なお、該配合量は、前記セメント１００質量部に対し、好ましくは１５０〜３５０質量部、より好ましくは２００〜３００質量部である。

３．強度促進剤（任意成分）
本発明の組成物は、強度発現性を向上させるため、好ましくは、任意成分として強度促進剤を含む。そして、該強度促進剤は、炭酸アルカリ金属塩、乳酸アルカリ金属塩、乳酸アルカリ土類金属塩、およびケイ酸アルカリ金属塩から選ばれる１種以上である。
前記炭酸アルカリ金属塩は、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、および炭酸リチウムから選ばれる１種以上が挙げられる。前記乳酸アルカリ金属塩は、乳酸ナトリウム、乳酸カリウム、および乳酸リチウムから選ばれる１種以上が挙げられる。また、該乳酸アルカリ土類金属塩は、乳酸カルシウム、および乳酸マグネシウムから選ばれる１種以上が挙げられる。また、前記該ケイ酸アルカリ金属塩は、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、およびケイ酸リチウムから選ばれる１種以上が挙げられる。
また、組成物中の強度促進剤の含有率は、好ましくは１〜１０質量％である。該値が、該範囲内であれば、迅速な造形のための速硬性と取扱い可能な強度が得られる。なお、該値は、好ましくは２〜９質量％、より好ましくは３〜８質量％である。前記強度促進剤は、予め組成物に混合するほか、付加製造装置から供給される水に予め溶解して用いることもできる。
なお、本発明の組成物は、さらに、強度発現性の調整材等として、高炉スラグ、フライアッシュ、シリカフューム、珪石微粉末、および石灰石粉末等のその他の任意成分を含んでもよい。

４．水／組成物の質量比
本発明の組成物を造形に用いる場合の水／組成物の質量比は、水蒸気ガスの発生と強度の観点から、好ましくは０．０１〜０．１、より好ましくは０．０２〜０．０９、さらに好ましくは０．０３〜０．０８である。

５．鋳型の製造方法
本発明の鋳型の製造方法は、付加製造装置と前記組成物を用いて鋳型を造形した後に、該鋳型を１５０〜３５０℃で加熱して鋳型を製造する方法である。前記鋳型の加熱は、鋳型を造形した直後に行うか、または、すぐに鋳型を使用する予定がない場合は、鋳型を気中や水中等で養生してから行ってもよい。
加熱温度と加熱時間は、１５０〜３５０℃で０．５時間以上１２時間以内が好ましい。前記付加製造装置は特に限定されず、市販品が使用できる。また、加熱温度が１５０〜３５０℃で、加熱時間が０．５時間以上であれば、強度が高くなり、組成物の成形体（鋳型）中の水分が蒸発するから、鋳込み時の水蒸気ガスの発生を防止できる。また、加熱時間の上限は特に問わないが、前記「１２時間以内」は生産性の観点から課される上限である。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
１．使用した材料
（１）セメント
スーパージェットセメント（超速硬セメント、登録商標、小野田ケミコ社製）
（２）砂
Ｓ１：フェノール樹脂で被覆された天然砂（樹脂量は砂１００質量部に対し４．０質量部）
Ｓ２：フェノール樹脂で被覆された人工砂（ムライト）（樹脂量は砂１００質量部に対し２．２質量部）
Ｓ３：フェノール樹脂で被覆された再生砂（炭化砂をリサイクルした珪砂）（樹脂量は砂１００質量部に対し３．５質量部）
ＮＳ：天然砂（樹脂の被覆はなし）
（３）水
水道水

表１および表２に記載の配合に従い、セメントと砂を混合して組成物を作製した。
次に、該組成物と、付加製造装置として結合材噴射式粉末積層造形装置（商品名：ZPrinter310 Ｚコーポレーション社製）を用いて、結合材噴射法により、寸法が縦１０ｍｍ、横１６ｍｍ、および長さ８０ｍｍの曲げ強度試験用のモルタル供試体と鋳型を造形して、デパウダーした後、材齢３時間および材齢２４時間、気中養生してモルタル供試体（参考例１〜４）と鋳型（参考例４）を作製した。また、前記デパウダーした直後に、２００℃で２時間加熱してモルタル供試体（実施例１〜３、比較例１）と鋳型（実施例１〜３、比較例１）を作製した。ここで、デパウダーとは、未硬化のセメント組成物（粉末）を除去する作業をいう。
なお、前記装置による鋳型の製造方法は、組成物の所定の位置を選択して、ノズルから一定量の水を噴出し、組成物を固化する方法であり、水／組成物の質量比は０．０５である。

３．モルタル供試体の曲げ強度の測定
次に、曲げ強度試験機（型番：MODEL-2257、アイコーエンジニアリング社製）を用いて３点曲げ試験を行い、２００℃で２時間、加熱したモルタル供試体（実施例１〜３、比較例１）と、それと同じ配合で気中養生した材齢３時間および材齢２４時間のモルタル供試体（参考例１〜４）の曲げ強度を測定した。その結果を表１と表２に示す。

実施例１〜３は、同じ配合の参考例１〜３の材齢３時間の曲げ強度から分かるように、造形直後でも既にデパウダーや運搬等をしても破損しない強度を有していた。また、２時間の加熱により、材齢２４時間と同等の曲げ強度を得ることができるから、製造時間を大きく短縮しつつ、従来と同程度の強度の鋳型が得られることが分かる。

４．鋳物の作製
さらに、溶湯温度が約１２５０℃の銅合金を、前記加熱して作製した鋳型（実施例１〜３、比較例１）に流し込んで鋳物を作製した。
表１に示すように、実施例１〜３の鋳型は鋳込み時において、ガスによる欠陥が発生しなかった。これに対し、比較例１の鋳型は、強度不足により鋳型が破損して、溶湯鋳鉄を鋳型に流し込むことができなかった。また、加熱を行わなかった参考例４の鋳型は、ガスの発生により鋳物上部に欠陥が生じた。

Claims

ＪＩＳＲ５２１０に準拠して測定した前記セメントの凝結（始発）が、１時間以内であるセメント１００質量部に対し、フェノール樹脂被覆砂を１００〜４００質量部含む付加製造装置用組成物。
前記フェノール樹脂被覆砂が、フェノール樹脂で被覆された珪砂、オリビン砂、人工砂および再生砂から選ばれる１種以上である、請求項１に記載の付加製造装置用組成物。
結合材噴射式粉末積層造形装置と、請求項１または２に記載の付加製造装置用組成物を用いて鋳型を造形した後に、該鋳型を１５０〜３５０℃で加熱して鋳型を製造する、鋳型の製造方法。