JP6886364B2 - 組立模型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、組立模型の製造方法に関する。

特許文献１などによりロストワックス鋳造法が知られている。ロストワックス鋳造法においては、一般的に、以下の工程を経て製品を得る。製品と同じ形状を有する原型を石膏などで作製する。この原型から金型を作製する。金型にワックスなどの消失性材料を流し込んで模型を作製する。複数の模型をツリー部（ツリー棒）に接着して組立模型を作製する。組立模型の外表面にセラミックスの粉末などをふりかけて固めて鋳型を作製する。鋳型から消失性材料を溶かし出す。鋳型に溶融金属を流し込んで固める。鋳型を壊して金属製の製品（鋳物）を取り出す。

特開２００４−９８０７５号公報

特許文献１に記載のようなロストワックス鋳造法において、射出成形により形成された模型をツリー部（ツリー棒）に接着する際に接着不良が生じることがある。これにより鋳造欠陥が生じ、鋳物の製造歩留まりが低下することがあった。
そこで本発明は、模型を良好にツリー部（ツリー棒）に接着することのできる組立模型の製造方法を提供する。

本発明の一側面に係る組立模型の製造方法は、
ツリー部と、複数の本体部を有する組立模型の製造方法であって、
射出成形で、前記本体部と、射出成形のノズル痕が先端に形成された接着部を前記本体部から突出するように形成する成形工程と、
前記接着部を溶融させて、溶融させた前記接着部を介して前記本体部を前記ツリー部に接着する接着工程とを有し、
前記成形工程において、前記接着部を前記ノズル痕の深さより突出高さが大きくなるように形成し、
前記接着工程において、前記ノズル痕が消失するように前記接着部を溶融させる。

上述した組立模型の製造方法において、
前記成形工程において、前記本体部から突出する前記接着部の突出方向に直交する断面における断面積の円相当径が前記ノズル痕の円相当径の２倍以上となるように前記接着部を形成してもよい。

上述した組立模型の製造方法において、
前記本体部は、
製品形状を有する製品対応部と、
前記製品対応部と前記接着部との間に設けられて、鋳造時にランナーを形成するランナー対応部と、を有し、
前記成形工程において、前記接着部の前記円相当径が前記ランナー対応部の円相当径よりも小さくなるように前記接着部を形成してもよい。

本発明によれば、模型を良好にツリー部に接着することのできる組立模型の製造方法が提供される。

射出成形により模型を形成する様子を示す図である。 図１に示す構成により成形される模型を示す図である。 模型をツリー部へ接着する様子を示す図である。 比較例に係る模型を示す図である。 比較例に係る模型をツリー部に接着する様子を示す図である。 本発明例の模型サンプルを示す写真であり、（ａ）は射出成形直後の様子、（ｂ）は接着部を溶融した様子、（ｃ）は接着部を溶融した後に接着ワックスを付着させた様子を示す。 比較例の模型サンプルを示す写真であり、（ａ）は射出成形直後の様子、（ｂ）は模型サンプルの端部を溶融した後に接着ワックスを付着させた様子を示す。 模型をツリー部へ接着した様子を示す写真であり、（ａ）は本発明例の模型をツリー部へ接着した様子を示し、（ｂ）は比較例の模型をツリー部へ接着した様子を示す。

以下、本発明に係る組立模型の製造方法の実施形態の例を、図面を参照して説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の製造方法により製造される組立模型は、ロストワックス鋳造法に用いられる。ロストワックス鋳造法においては、まず、製品と同じ形状を有する原型を石膏などで作製する。この原型から金型を作製する。射出成形機を用いて金型にワックスなどの消失性材料を流し込んで模型を作製する。複数の模型をツリー部に接着して組み立てたものが組立模型である。

図１は、射出成形機１００を用いて、射出成形により模型を形成する様子を示す図である。図１においては、ターボチャージャなどの過給機に多く使用される過給機用羽根車（タービンホイール）のロストワックス鋳造に用いる模型１（図２参照）を形成する様子を示している。図１に示すように、製品金型１０１と、中間プレート１０２と、ホットノズル１０３を有する射出成形機１００を用いて模型１の射出成形が行われる。以降の説明において、説明の便宜のために図１における左右方向を射出方向Ｘと呼び、製品金型１０１が設けられている前方側をＸ１側、中間プレート１０２が設けられている後方側をＸ２側と呼ぶ。

製品金型１０１には、原型に対応する形状の製品対応キャビティ１１１が形成されている。本実施形態において、この製品対応キャビティ１１１は、タービンホイール形状に対応する形状のキャビティである。製品対応キャビティ１１１は、後の鋳造工程において製品（タービンホイール）を形成する部位である。

製品金型１０１のＸ２側の一部と中間プレート１０２とにより、ランナー対応キャビティ１１２が形成されている。ランナー対応キャビティ１１２は、後の鋳造工程において溶融金属（溶湯）を図３に示すツリー部５０から製品対応部２１へ効率よく流すための通路（流路）を形成する部位である。

中間プレート１０２には、接着部対応キャビティ１１３が形成されている。

製品対応キャビティ１１１、ランナー対応キャビティ１１２、接着部対応キャビティ１１３は互いに連通している。以降の説明において、製品対応キャビティ１１１、ランナー対応キャビティ１１２、接着部対応キャビティ１１３を含む空間を単にキャビティ１１０ということがある。

図２は、図１に示す構成により成形される模型１を示す。図２において、接着部４０の一部を断面で示している。図３〜図５においても同様である。図２に示すように模型１は、本体部２と接着部４０を有している。本体部２は、製品対応部２１とランナー対応部２２を有している。

製品対応部２１は、上記した製品対応キャビティ１１１にワックスなどの消失性材料が流し込まれて形成される部位である。製品対応部２１は、ホイール部３１と、ホイール部３１からＸ２側へ突出する第一軸部３２と、ホイール部３１からＸ１側へ突出する第二軸部３３とを有している。第一軸部３２と第二軸部３３は、ホイール部３１の回転軸線Ａに沿って延びている。

ランナー対応部２２は、上記したランナー対応キャビティ１１２にワックスなどの消失性材料が流し込まれて形成される部位である。ランナー対応部２２は、第一軸部３２のＸ２側の後端面３２ａと連続している。ランナー対応部２２と製品対応部２１との間には楔部６０を有している。

接着部４０は、上記した接着部対応キャビティ１１３にワックスなどの消失性材料が流し込まれて形成される部位である。接着部４０は、ランナー対応部２２のＸ２側の後端面２２ａに設けられている。接着部４０は本体部２からＸ２側に突出するように形成されている。接着部４０の後端面４２に凹状の空間のノズル痕４１が形成されている。接着部４０の後端面４２からノズル痕４１の底４３までの深さをノズル痕４１の深さＨ１と呼ぶ。接着部４０の後端面４２から本体部２の後端面（図２に示す例においてはランナー対応部２２の後端面２２ａ）までの高さを接着部４０の突出高さＨ２と呼ぶ。接着部４０はノズル痕４１の深さＨ１より突出高さＨ２が大きくなるように形成されている。

次に、組立模型の製造方法の各工程を説明する。
図１に示す射出成形機１００を用いて、ホットノズル１０３から液状（溶融または半溶融）のワックスなどの消失性材料を射出する。このとき、ホットノズル１０３はＸ１側に前進し、その先端が中間プレート１０２の接着部対応キャビティ１１３に埋没する状態で静止している。この状態で、ホットノズル１０３からキャビティ１１０へ液状の消失性材料を射出する。消失性材料の射出が終了したホットノズル１０３は、その先端が接着部対応キャビティ１１３に埋没した状態で供給口を閉じ、続いて中間プレート１０２から離間するようにＸ２側に後退する。消失性材料は、ホットノズル１０３からキャビティ１１０へ供給された状態のまま冷えて固化する。このため、図２に示すように、接着部４０の後端面４２に凹状のノズル痕４１が形成される。

図３は、模型１をツリー部５０へ接着する様子を示す図である。接着部４０の後端面４２を部分的に加熱して接着部４０を溶融させる。このとき、図２に示すノズル痕４１が消失する程度に接着部４０を溶融させると、ノズル痕４１を形成していた消失性材料の溶融物が図３に示すようなＸ２側へ突出する膨らみ４４を形成する。接着部４０の溶融は、たとえば、接着部４０の後端面４２をホットプレートに押し付けるなどの手段を採用することができる。模型１をツリー部５０へ接着する際に、接着部４０の膨らみ４４（消失性材料の溶融物）の部位に別途準備した液状（溶融または半溶融）の消失性材料を付着させてもよい。

次に、膨らみ４４（消失性材料の溶融物）を有する接着部４０を、図３に示す矢印方向（Ｘ２側）に押し付け、別途作製したワックスなどの消失性材料からなるツリー部５０に接着する。このとき、ノズル痕４１を形成していた消失性材料の溶融物が接着剤として機能し、模型１がツリー部５０に接着される。必要に応じて複数の模型１を同様にしてツリー部５０に接着し、組立模型を作製する。以上で、組立模型が完成する。

以上の本実施形態に係る組立模型の製造方法の効果を説明する前に、図４および図５を用いて比較例に係る組立模型の製造方法を説明する。図４は比較例に係る模型１Ａを示す図であり、図５は比較例に係る模型１Ａをツリー部５０に接着する様子を示す図である。

図４に示すように、製品対応部２１Ａとランナー対応部２２Ａを有する本体部２ＡのＸ２側に図２に示すような接着部４０を設けていない模型１Ａにおいては、ホットノズルの先端によるノズル痕４１Ａはランナー対応部２２Ａの後端面２２Ａａに形成される。ホットノズルが配置される個所に対応する模型１Ａの表面には、不可避的にホットノズルの先端によるノズル痕４１Ａが形成されてしまう。このノズル痕４１Ａが製品（鋳物）に転写されてしまうと出荷前に製品（鋳物）からノズル痕４１Ａの転写部分を削る後加工が必要になる。そこで、図４に示すように、ツリー部５０との接着箇所となるランナー対応部２２Ａの軸方向端面（後端面２２Ａａ）にノズルを配置して模型１Ａの射出成形を行うことが一般的である。したがって、模型１Ａを射出成形により形成する場合、液状（溶融または半溶融）の消失性材料を射出するホットノズルを、その先端がランナー対応キャビティ１１２に埋没する状態で静止させるのが合理的である。つまり、ランナー対応部２２Ａの後端面２２Ａａにホットノズルを配置するのが合理的である。

模型１Ａをツリー部５０へ接着する際には、図４に示すランナー対応部２２Ａの後端面２２Ａａの周辺を溶融させて、該溶融したランナー対応部２２ＡのＸ２側の消失性材料を接着剤に用いて、ランナー対応部２２Ａを図５に示す矢印方向（Ｘ２側）に押し付け、模型１Ａをツリー部５０へ接着する。これにより、出荷前に製品（鋳物）のノズル痕４１Ａの転写部分を削る後加工を不要としている。

ところで、製品対応キャビティ１１１に液状の消失性材料を供給するためのランナー対応キャビティ１１２は、射出方向Ｘに直交する断面積（開口面積）をホットノズルの先端よりも十分に大きくし、液状の消失性材料の良好な流れを確保することが一般的に行われる。したがって、図５に示すように、ランナー対応部２２Ａの後端面２２Ａａの周辺の体積はホットノズルの先端によるノズル痕４１Ａよりも十分に大きくなる。このため、ランナー対応部２２Ａの後端面２２Ａａの周辺を溶融させたときに、ツリー部５０と模型１Ａとの接着剤として機能するのに十分な量の溶融物（液状の消失性材料）を得やすい。

ランナー対応部２２Ａの後端面２２Ａａの周辺は、図４に示すように後端面２２Ａａの断面積が十分に大きく消失性材料が豊富である（つまり体積が大きい）ため、ランナー対応部２２Ａの後端面２２Ａａの周辺を溶融させたときに接着剤として機能するのに十分な量の溶融物（液状の消失性材料）を得やすい。模型１Ａの表面に形成されるホットノズルの先端によるノズル痕４１Ａは、図４に示すように凹状の空間である。このため、ランナー対応部２２Ａの後端面２２Ａａの周辺を図５に示すように溶融させたときに、ホットノズルの先端によるノズル痕４１Ａの一部が溶融されずに模型１Ａの表面にノズル痕４１Ａの一部が凹部４５Ａとなって残ってしまうことがある。

この凹部４５Ａが模型１Ａの表面に残っていると、凹部４５Ａに空気が溜まったままの状態でランナー対応部２２Ａがツリー部５０に接着される。そのため、凹部４５Ａに起因する空気溜まりによって接着面積が不足して接着強度が低くなり、模型１Ａがツリー部５０から脱落してしまうことがある。あるいは、凹部４５Ａに起因する空気溜まりが外部とつながった状態で接着されると、組立模型の内部から表面に開口する開口空孔が形成されてしまう。この開口空孔を有する組立模型を用いて鋳型作製を行うと、開口空孔からセラミックスの粉末が侵入することにより鋳型内部に開口空孔に対応する形状の突出物が形成される虞がある。この突起物が形成された鋳型を用いると、鋳造時に溶融金属（溶湯）の流れが妨げられて鋳型内部の模型１Ａに対応する空間（模型対応キャビティ）に入りにくくなり、不良な製品（鋳物）が形成されてしまうことがある。

そこで本実施形態に係る組立模型の製造方法では、射出成形で模型１を形成する成形工程においては、図２に示すように、ホットノズルの先端によるノズル痕４１が形成される接着部４０を、ノズル痕４１の突出高さＨ２がノズル痕４１の深さＨ１より大きくなるように本体部２から突出させて形成する。また、模型１をツリー部５０に接着する接着工程においては、図３に示すように、ツリー部５０との接着時にホットノズルの先端によるノズル痕４１が完全に消失するように接着部４０を溶融させて、溶融させた接着部を４０介して本体部２をツリー部５０に接着する。このため、模型１とツリー部５０との接着時に、図５に示す凹部４５Ａのようなノズル痕４１の溶け残りに起因する凹部の空間が形成されにくく、この凹部の空間による空気溜まりに起因する接着不良が生じることを抑制することができる。

また、成形工程において、図２に示すように、本体部２からＸ２側へ突出する接着部４０の突出方向（射出方向Ｘ）に直交する断面における断面積の円相当径がホットノズルの先端によるノズル痕４１の円相当径の２倍以上となるように接着部４０を形成することが好ましい。

このような形状の接着部４０は、ノズル痕４１の周囲に十分な量の消失性材料からなる部分（余肉）を有している。ツリー部５０との接着時には、この余肉を溶融させた液状の溶融物（消失性材料）を凹状の空間であるノズル痕４１の内部へ移動させることにより、接着部４０の表面を凹状の空間がなく、表面張力でＸ２側に凸状に膨らむ液状の溶融物からなる膨らみ４４を有する形態に形成しやすい。これにより、溶融させた接着部４０のＸ２側の表面とツリー部５０の表面との間に空気が残りにくく、あるいは空気を侵入させにくくすることができ、接着不良を抑制しやすい。

また、本実施形態において、本体部２は、製品形状に対応する製品対応部２１と、製品対応部２１と接着部４０との間に設けられて、鋳造時にランナーを形成するランナー対応部２２とを有する。このようなランナー対応部２２を設ける場合は、成形工程において、接着部４０の円相当径がランナー対応部２２の円相当径よりも小さくなるように接着部４０を形成するのが好ましい。

このようなランナー対応部２２を設ける場合は、ランナー対応部２２の射出方向Ｘに直交する断面積がホットノズルの先端によるノズル痕４１の断面積よりも十分に大きくなる。このため、溶融させる接着部４０の体積を小さくすることができるので、容易に接着部４０を溶融させることができ、ノズル痕４１が消失するように接着部４０を溶融させやすい。また、ランナー対応部２２を設ける場合は、ランナー対応部２２と製品対応部２１の間あるいはランナー対応部２２の途中に図２に示すような楔部６０を設けておくと、鋳造後に、ツリー部５０と接着部４０およびランナー対応部２２に対応する鋳物部分を製品に対応する鋳物部分から楔部６０の切り欠き効果により容易に切除することができる。このため、ランナー対応部２２を設けていない場合に行われるツリー部５０および接着部４０に対応する鋳物部分を製品に対応する鋳物部分から除去する別工程が不要になる。

なお、製品対応部２１がＸ２側に軸状の部位を有する場合には、ランナー対応部２２は設けなくてもよい。この場合には、接着部４０の円相当径を製品対応部２１の軸状の部位の円相当径よりも小さくなるように接着部４０を形成するのが好ましい。

また、上述した実施形態においては本体部２が製品対応部２１とランナー対応部２２とを備えた構成を説明したが、ツリー部５０にランナー対応部２２を設け、本体部２にランナー対応部２２を設けずに接着部４０を設ける構成としてもよい。

次に、上述した組立模型の製造方法について、本発明例と比較例を挙げて説明する。

射出成形機を用いて、パラフィンを主成分とする消失性材料（ワックス）からなる本発明例に係る模型サンプルおよび比較例に係る模型サンプルを作製した。射出成形機（図１参照）において、ホットノズルのピストンの先端の径（ノズル径）はφ１．５ｍｍ、ホットノズルを開いたときにＸ１側に突出するピストンの先端の突出量は１．５ｍｍである。図６は本発明例に係る模型サンプルの写真を示し、（ａ）は射出成形直後の様子、（ｂ）は接着部を溶かした様子、（ｃ）は接着部を溶かした後に接着ワックスを接着部の表面に付着させた様子を示す。図７は比較例に係る模型サンプルの写真を示し、（ａ）は射出成形直後の様子、（ｂ）は模型サンプルの端部を溶かした後に接着ワックスをその表面に付着させた様子を示す。

図６の（ａ）に示すように、本発明例に係る模型サンプルは、柱状の製品部と、柱状の接着部を有している。接着部の軸方向端面にホットノズルの先端によるノズル痕が形成されている。製品部の直径は９．０ｍｍ、軸方向長さは２０．０ｍｍである。接着部の直径は６．０ｍｍ、軸方向長さ（突出長さ）は３．０ｍｍである。同等条件で作製し複数の本発明例に係る模型サンプルについて測定したところ、接着部に形成されたホットノズルの先端（直径は１．５ｍｍ）によるノズル痕の深さ（ノズル痕の深さ）は１．６ｍｍ程度であったが、ノズル痕の直径は３．５ｍｍ〜４．０ｍｍ程度であった。

本発明例に係る模型サンプルの接着部の軸方向端面をホットプレートに押し付けてワックスを溶融させると、図６の（ｂ）に示すように、接着部の軸方向端面は溶融したワックスの表面張力により凸状の膨らみを有する表面形態となった。この状態で固化した接着部を、溶融した別の接着用ワックスに浸漬させて引き上げると、図６の（ｃ）に示すように、接着用ワックスが接着部の凸状の膨らみを覆って軸方向端面の上に盛り上がった表面形態となって固まった。その状態の接着部の軸方向端面には凹部が形成されなかった。

図７の（ａ）に示すように、比較例に係る模型サンプルは、柱状の製品部のみを有し、接着部は設けられていない。製品部の軸方向端面にホットノズルの先端によるノズル痕が形成されている。製品部の直径は９．０ｍｍ、軸方向長さは２０．０ｍｍである。同等条件で作製し複数の比較例に係る模型サンプルについて測定したところ、本発明例と同様に、製品部に形成されたホットノズルの先端（直径は１．５ｍｍ）によるノズル痕の深さ（ノズル痕の深さ）は１．６ｍｍ程度であったが、ノズル痕の直径は３．５ｍｍ〜４．０ｍｍ程度であった。

比較例に係る模型サンプルの軸方向端面をホットプレートに押し付けて従来同様にワックスを溶融させた後に固化させた。固化した接着部を、溶融した別の接着用ワックスに浸漬させて引き上げると、図７の（ｂ）に示すように、接着用ワックスが溶融して固化した接着部の表面を覆って軸方向端面の上に盛り上がった表面形態となって固まった。その状態の接着部の軸方向端面には接着用ワックスによって覆われて形成された空孔（気泡）が確認された。

図８は複数の本発明例に係る模型（図２参照）および複数の比較例に係る模型（図４参照）をツリー部へ接着した様子を示す写真である。図８の（ａ）は本発明例に係る模型をツリー部へ接着した様子を示し、図８の（ｂ）は比較例の模型をツリー部へ接着した様子を示す。

図８の（ｂ）に示すように、５０個の比較例に係る模型をツリー部へ接着したところ、ほぼ全ての接着箇所において矢印で示すように空気が入り込んだ空孔（気泡）が形成されてしまい、５０個の模型のほぼ全ての接着箇所においてツリー部に対する接着不良が確認された。

図８の（ａ）に示すように、５０個の本発明例に係る模型をツリー部へ接着したところ、全ての接着箇所において空気が入り込んだ空孔（気泡）が形成されることなく、５０個の模型の全てが良好にツリー部に接着された。

１，１Ａ 模型
２，２Ａ 本体部
２１，２１Ａ 製品対応部
２２，２２Ａ ランナー対応部
２２ａ，２２Ａａ ランナー対応部の後端面
３１ ホイール部
３２ 第一軸部
３２ａ 第一軸部の後端面
３３ 第二軸部
４０ 接着部
４１，４１Ａ ノズル痕
４２ 接着部の後端面
４３ ノズル痕の底
４４ 接着部の膨らみ
５０ ツリー部
６０ 楔部
１００ 射出成形機
１０１ 製品金型
１０２ 中間プレート
１０３ ホットノズル
１１０ キャビティ
１１１ 製品対応キャビティ
１１２ ランナー対応キャビティ
１１３ 接着部対応キャビティ

Claims (2)

1. ツリー部と、複数の本体部を有する組立模型の製造方法であって、
   射出成形で、前記本体部と、射出成形のノズル痕が先端に形成された接着部を前記本体部から突出するように形成する成形工程と、
   前記接着部を溶融させて、溶融させた前記接着部を介して前記本体部を前記ツリー部に接着する接着工程とを有し、
   前記成形工程において、前記接着部を前記ノズル痕の深さより突出高さが大きくなるように形成し、
   前記接着工程において、前記ノズル痕が消失するように前記接着部を溶融させる、組立模型の製造方法。
2. 前記本体部は、
   製品形状を有する製品対応部と、
   前記製品対応部と前記接着部との間に設けられて、鋳造時にランナーを形成するランナー対応部と、を有し、
   前記成形工程において、前記本体部から突出する前記接着部の突出方向に直交する断面における断面積の円相当径が前記ランナー対応部の円相当径よりも小さくなるように前記接着部を形成する、請求項１に記載の組立模型の製造方法。

Images