WO2016075845A1 - 積層造形用材料、粉末固着積層法による鋳型の製造方法及び鋳型 - Google Patents

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WO2016075845A1
WO2016075845A1 PCT/JP2014/084074 JP2014084074W WO2016075845A1 WO 2016075845 A1 WO2016075845 A1 WO 2016075845A1 JP 2014084074 W JP2014084074 W JP 2014084074W WO 2016075845 A1 WO2016075845 A1 WO 2016075845A1
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WO
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mold
particles
particle size
binder
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Prior art date
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PCT/JP2014/084074
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English (en)
French (fr)
Inventor
幸二郎 藤山
貞人 平塚
Original Assignee
株式会社鷹取製作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/04—Low pressure casting, i.e. making use of pressures up to a few bars to fill the mould

Definitions

  • the present invention relates to an additive manufacturing material, a mold manufacturing method by a powder fixing lamination method, and a mold. More specifically, the present invention relates to an additive manufacturing material capable of producing a casting having excellent quality in casting using a mold formed by the powder fixed lamination method, a mold manufacturing method by the powder fixed lamination method, and a mold.
  • the powder fixed lamination method can be expected to shorten the casting production period and reduce the cost because the mold can be produced directly without producing a wooden mold or mold as a casting mold. It is also suitable for use in producing small quantities of various shaped castings.
  • foundry sand and a binder used as an aggregate are used as a raw material for a mold.
  • the binding agent binds foundry sands and has a property of being cured by moisture or heat.
  • the foundry sand and the binder need to have heat resistance capable of stably forming the shape of the casting even when the casting material is poured.
  • the types of mold materials used in the powder fixing lamination method are limited including those on the market. For example, when gypsum serving as an aggregate is poured into a metal having a melting point exceeding 1,000 ° C., sulfurous acid gas is generated, and defects such as a bubble nest are generated in a casting.
  • Patent Document 1 describes a material for modeling in which artificial foundry sand and a binder that binds artificial foundry sand to each other and a cement having a brain specific surface area value of 4000 cm 2 / g or more are mixed. Has been.
  • the mold formed of the material for the conventional powder fixing lamination method including the modeling material described in Patent Document 1 has a problem that the mold surface becomes rough. As a result, the casting surface of the casting becomes rough, and it is difficult to manufacture the casting with high accuracy.
  • the mold formed of the foundry sand used in the conventional powder fixing lamination method has insufficient strength.
  • the risk of cracking and collapse during the casting process becomes significant.
  • the present invention was devised in view of the above points, and in casting using a mold formed by a powder fixed lamination method, a material for additive manufacturing capable of producing a casting having excellent quality, a mold by a powder fixed lamination method
  • An object of the present invention is to provide a production method and a mold.
  • the additive manufacturing material of the present invention includes an aggregate composed of at least two particles having different particle diameters, and a binding agent that binds the aggregates together. .
  • the aggregate composed of at least two particles having different particle diameters reduces gaps between the particles and unevenness of the surface in the mixed state, thereby improving the smoothness of the mold surface.
  • the density of the mold material at the time of lamination can be increased, and the strength of the mold can be increased.
  • the aggregate is a substance that occupies the main component of the raw material of the mold, and includes, for example, silica sand including reclaimed sand, special sand such as alumina, and the like.
  • strength means the bending strength measured by a bending test, and the details of the test will be described later.
  • the binder is a material that includes a hydraulic resin or the like and is cured when combined with a binder such as an aqueous solution.
  • the aggregate when configured to include the first particles and the second particles having a particle size 1.5 to 2 times the particle size of the first particles, Gaps between particles and surface irregularities are reduced, and the smoothness of the mold surface can be further improved. Moreover, the density of the mold material at the time of lamination becomes high, and the strength of the mold can be further increased.
  • the particle diameter of a particle here means an average particle diameter, and includes the dispersion
  • the second particle having a particle size of less than 1.5 times the particle size of the first particle the second particle approaches the first particle.
  • the density of the mixed state is lowered, and the bending strength is not sufficiently improved.
  • the particle size is small, the particles are easily lost during the lamination, and it is difficult to improve the smoothness of the mold surface.
  • the second particles having a particle size exceeding twice the particle size of the first particles gaps between the particles of the second particles are likely to occur, and the density of the mixed state is lowered, and the resistance is reduced. The bending strength is not improved sufficiently. Further, surface irregularities between the second particles are likely to occur, and it becomes difficult to improve the smoothness of the mold surface.
  • the binder has a particle size smaller than the particle size of the first particles, the influence of the presence of the binder on the density and smoothness of the mixed state of the first particles and the second particles. Can be reduced.
  • the mold resistance is further increased. Folding strength can be improved.
  • the ratio of the weight ratio based on the total amount of the second particles to the weight ratio based on the total amount of the first particles is less than 1.5, it is difficult to ensure the smoothness of the mold surface. It becomes. Further, when the ratio of the weight ratio based on the total amount of the second particles to the weight ratio based on the total amount of the first particles exceeds 3.0, the bending strength of the mold is insufficient.
  • the ratio of the weight ratio based on the total amount of the second particles to the weight ratio based on the total amount of the first particles is 2.0, the bending strength of the mold can be further improved. it can. Moreover, the smoothness of the casting surface can be further enhanced.
  • the weight ratio of the binder is 33% based on the total amount, the bending strength of the mold can be further improved. Moreover, the smoothness of the casting surface can be further enhanced.
  • the first particles are aluminum oxide first foundry sand having a particle size in the range of 45 to 53 ⁇ m
  • the second particles are aluminum oxide having a particle size in the range of 75 to 106 ⁇ m.
  • the binder is alumina cement mainly composed of aluminum oxide having a particle size of about 4.5 ⁇ m
  • the bending strength of the mold can be sufficiently improved.
  • the smoothness of the casting surface can be sufficiently improved.
  • the method for producing a mold by the powder fixing lamination method of the present invention has a first particle and a particle size of 1.5 to 2 times the particle size of the first particle.
  • a binder solution for initiating the binding is applied to a layered material including an aggregate configured to include the second particles and a binding agent that binds the aggregates to be cured.
  • the layer hardened in the first step is shifted vertically downward at a pitch substantially the same as the particle size of the second particles, and placed above the layer hardened in the first step.
  • the aggregate composed of the first particles and the second particles having a particle size of 1.5 to 2 times the particle size of the first particles allows the particles between the mixed particles to be mixed. Gaps and surface irregularities are reduced, and the smoothness of the mold surface can be improved. Moreover, the density of the mold material at the time of lamination can be increased, and the strength of the mold can be increased.
  • the layer cured in the first step is shifted vertically downward at a pitch substantially equal to the particle size of the second particles, and the upper portion of the layer cured in the first step
  • the surface unevenness of the additive manufacturing material can be reduced, and the smoothness of the mold surface can be improved.
  • the density of the additive manufacturing material is increased, and the bending strength of the mold can be improved.
  • the template of the present invention includes first particles and second particles having a particle size 1.5 to 2 times the particle size of the first particles. And an adjacent member formed of a material for layered modeling including an aggregate composed of an adhesive and a binder having a particle size smaller than the particle size of the first particles. And a partial mold having a fitting portion that can be fitted.
  • the aggregate composed of the first particles and the second particles having a particle size of 1.5 to 2 times the particle size of the first particles allows the particles between the particles in a mixed state to be mixed. Gaps and surface irregularities are reduced, and the smoothness of the mold surface can be improved. Moreover, the density of the mold material at the time of lamination can be increased, and the strength of the mold can be increased.
  • a large mold can be manufactured by forming a mold by combining partial molds having fitting portions that can be fitted with adjacent members. That is, a plurality of partial molds can be used to form a single large mold.
  • type here means what further divided
  • the large mold means a mold that cannot be produced in the shape of the entire mold by one layered modeling process, although it depends on the maximum modeling size that can be manufactured by a three-dimensional molding machine.
  • the mold resistance is further increased. Folding strength can be improved.
  • the weight ratio of the binder is 33% based on the total amount, the bending strength of the mold can be further improved. Moreover, the smoothness of the casting surface can be enhanced.
  • the additive manufacturing material according to the present invention is capable of producing a casting having excellent quality in casting using a mold formed by a powder fixing lamination method.
  • the mold manufacturing method according to the present invention by the powder fixing lamination method is capable of manufacturing a casting having excellent quality in casting using a mold formed by the powder fixing lamination method.
  • the casting mold according to the present invention is capable of producing a casting having excellent quality in casting using a casting mold formed by a powder fixing lamination method.
  • FIG. 6 is a view showing the results of bending strength tests performed on the plate-like test pieces of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1. It is the photograph (a) which shows the surface state of the casting_mold
  • FIG. 6 is a view showing the results of bending strength tests performed on plate-like test pieces of Examples 7 to 11. It is a figure which shows the result of a coagulation test.
  • composition of an example of the additive manufacturing material to which the present invention is applied will be described.
  • composition demonstrated below is an example to the last, and the additive manufacturing material to which this invention is applied is not limited to this.
  • the mold material which is an example of the additive manufacturing material to which the present invention is applied, includes a first alumina sand and a second alumina sand that are aggregates, and an alumina cement that is a binder.
  • the first alumina sand and the second alumina sand are white dielectric alumina made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a purity of 99% or higher, and both have heat resistance of 1,500 ° C. or higher.
  • the first alumina sand is composed of particles having a central particle size of 45 to 53 ⁇ m.
  • the second alumina sand is composed of particles having a central particle size of 75 to 106 ⁇ m.
  • Alumina cement is a powdery precursor containing 72.5% aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and 25.8% calcium oxide (CaO) in a weight ratio based on the total amount of alumina cement.
  • Alumina cement is composed of particles having an average particle size of 4.5 ⁇ m and has heat resistance of 1,730 ° C. or higher.
  • Alumina cement is bonded and hardened by mixing the first alumina sand and the second alumina sand by spraying the binder solution from the inkjet print head during additive manufacturing.
  • the binder solution an aqueous solution containing 1% or less of 2-pyrrolidone is used.
  • the mold material is provided with lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) as an auxiliary agent for increasing the curing rate of the binder.
  • the mold material has a composition in which the weight ratio based on the total amount includes first alumina sand: 44%, second alumina sand: 22%, alumina cement: 33%, and lithium carbonate: 1%.
  • the ratio of the weight ratio on the basis of the total amount of the first alumina sand to the weight ratio on the basis of the total amount of the second alumina sand is 2.0, but this value is not necessarily required.
  • the ratio of the weight ratio is preferably in the range of 1.5 to 3.0, more preferably 2.0, from the viewpoint of improving the bending strength of the mold and enhancing the smoothness of the mold surface. It is even more preferable.
  • the weight ratio based on the total amount of alumina cement is not necessarily 33%. However, from the viewpoint of improving the mold bending strength and enhancing the smoothness of the mold surface, the weight ratio of the alumina cement based on the total amount is preferably set to 33%.
  • the mold material as an adjunct to accelerate the curing rate of the binder, it is preferred to add lithium carbonate (Li 2 CO 3).
  • lithium carbonate Li 2 CO 3
  • the amount of lithium carbonate can be appropriately selected in consideration of the amount of other components. preferable.
  • the bending strength of the mold is improved by adding lithium carbonate.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the structure of the main mold and the core.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a product portion, a gate and a rise based on a valve box for a ball valve manufactured from a mold and a casting method.
  • FIG. 3 is a schematic diagram (a) of the detailed structure in which the core is arranged in the main mold and a schematic diagram (b) showing the tenon joint of the core.
  • the additive manufacturing mold 1 includes a main mold 2 and a core 3.
  • the additive manufacturing mold 1 is a mold used when casting a valve box 4 for a valve having a shape shown on the left side of FIG.
  • the main mold 2 is a mold having a length (symbol L in FIG. 1) of 800 mm.
  • the main mold 2 has a space having the same shape as the outer shape of the valve box 4 for the ball valve inside, and is formed by combining a plurality of partial main molds 5.
  • the main mold 2 has a structure divided in the height direction into a runner side region portion 6 on which a gate and a runner are formed, a product side upper region portion 7 and a product side lower region portion 8.
  • Reference numerals 9 and 10 indicate division positions of the main mold 2 in the height direction.
  • the partial main molds 5 adjacent to each other in the width direction of the main mold 2 are combined by a joint 11.
  • the region where the molten metal does not flow in the portion of the joint 11 is fixed by a member such as a bolt nut or a clamp (not shown). A detailed division structure will be described later.
  • the core 3 is formed by combining members of an upper core 12, an intermediate core 13, and a lower core 14.
  • the core 3 is accommodated in the internal space of the main mold 2 and forms a cavity of the valve box 4 for the ball valve.
  • the upper core 12 and the intermediate core 13, and the intermediate core 13 and the lower core 14 are combined with a tenon joint and fixed with a member such as a bolt nut or a clamp. The detailed structure of the tenon joint will be described later.
  • the main mold 2 and the core 3 have a hollow shape, and portions not used for casting are cut away, and only mold materials necessary for securing the shape are used.
  • valve box 4 for a ball valve having the shape shown on the left side of FIG. 2 can be manufactured. Further, on the right side of FIG. 2, the product portion 15 that becomes the valve box for the valve at the time of casting, and the formation positions of the gate 50 and the rise 16 are shown.
  • the mold to which the present invention is applied does not necessarily need to be composed of the main mold 2 and the core 3.
  • the mold to which the present invention is applied does not necessarily need to be composed of the main mold 2 and the core 3.
  • the length of the main mold 2 is not necessarily limited to 800 mm, and the object to be formed does not have to be a valve box for a ball valve.
  • the main mold 2 By forming the size of an object to be manufactured and a plurality of partial main molds necessary for the object, it is possible to form a main mold having a length of 1000 mm or more, for example.
  • the position where the main mold 2 and the core 3 are divided is not particularly limited, and it is possible to appropriately change the design to a shape that allows easy combination and handling of members.
  • the main mold 2 has a structure divided into a runner side region portion 6 on which a gate and a runner are formed, a product side upper region portion 7 and a product side lower region portion 8, so that each It becomes easy to process into a shape that suits the application.
  • the main mold 2 has a structure that can be divided into a runner side region and a product side region.
  • the area on the runner side requires less mold material than the area on the product side, and forming only the shape of the area on the runner side increases the formation efficiency of the main mold. Can do.
  • FIG. 3A shows a more detailed division structure of the main mold 2 and the core 3.
  • the main mold 2 is formed by a plurality of partial main molds 5.
  • the core 3 is formed by three members, that is, the upper core 12, the intermediate core 13, and the lower core 14.
  • Each of the partial main mold 5, the upper core 12, the intermediate core 13 and the lower core 14 is manufactured by a three-dimensional modeling machine capable of manufacturing a general modeling-compatible size object having a length of about 20 mm. It has become.
  • reference numerals 17 and 18 are raised parts
  • reference numeral 19 is a spout
  • reference numerals 20 and 21 are intermediate main molds
  • reference numerals 22 and 23 are lower main molds.
  • the rising portion 17 and the rising portion 18 are portions that form the rising 16 shown in the right side of FIG.
  • FIG. 3B shows a detailed structure of the core 3.
  • the upper core 12 has a convex portion 42 at the lower portion and a concave portion 43 at the upper portion of the intermediate core 13. Further, a recess (not shown) is formed in the lower part of the intermediate core, and a convex part 44 is formed in the upper part of the lower core 14.
  • Each uneven part which opposes is a tenon joint part of the core 3, and the core 3 becomes a stable structure by combining in this part.
  • Each member is formed by inputting 3D CAD data of a desired shape for the additive manufacturing apparatus.
  • FIG. 4 shows a mold in which a region opposite to the cavity portion of the mold is thinned and a support structure using a columnar member is provided.
  • the mold 24 shown in FIG. 4 has a support structure 26 formed in a region opposite to the cavity 25 into which the molten metal flows.
  • the support structure 26 includes a column portion 27 that is disposed substantially in parallel with a predetermined interval, and a crosspiece member 28 that connects adjacent column portions 27 to each other.
  • FIG. 4B shows a front view of the mold 24 viewed from the region opposite to the cavity portion 25, and
  • FIG. 4C shows a view of the mold 24 viewed from the side.
  • FIG. 5A shows a mold 30 without the support structure 26, and FIG. 5B shows a mold 24 having the support structure 26 described above.
  • the mold 24 can greatly reduce the mold material forming the mold by thinning a region opposite to the cavity portion.
  • the mold 24 has a support structure 26 so that the strength of the mold can be secured. Further, since the mold 24 is thinned, the casting material can be forcibly cooled after pouring, for example, by applying air to the cavity portion 25 from a region opposite to the cavity portion. As a result, solidification is promoted and the occurrence of solidification defects due to the cooling rate can be reduced.
  • FIG. 6 shows a structure in which a vent for venting gas is provided in the cavity of the mold.
  • the mold 31 shown in FIG. 6 has a plurality of vent portions 33 in the cavity portion 32. As shown in the enlarged view portion of FIG. 6, the vent portion 33 is formed by collecting a large number of through holes 34 having a diameter of about 5 mm.
  • the through-hole 34 penetrates the mold 31 from the cavity portion toward the back side thereof. Further, foundry sand (not shown) serving as a mold material of the mold 31 is accommodated in the through hole 34.
  • the foundry sand is one that is not sprayed with a binder that initiates curing when the mold 31 is layered.
  • the foundry sand is in an unbound state, even if it is accommodated in the through-hole 34, a certain air permeability can be maintained and gas generated from the mold during casting can be released. As a result, gas defects are less likely to occur in the casting.
  • the molten metal can be prevented from leaking to the outside through the through hole 34.
  • the vent portion 33 in the mold in this way, the structure can promote gas venting during casting.
  • the diameter of the through-hole 34 is not necessarily set to about 5 mm, and can be appropriately selected depending on the type of the mold material and the shape of the mold. However, if the diameter of the through-hole is too large, molten metal leaks, and therefore it is preferable to select a size that does not easily cause unbound foundry sand to fall off.
  • FIG. 7 illustrates a structure in which the core is connected to a part of the main mold and integrated.
  • FIG. 7A shows a structure in which the core 35 is not connected to either the upper die 36 or the lower die 37 constituting the main die.
  • FIG. 7B shows a main mold 38 in which the core and the upper mold are connected and integrated, and a lower mold 39 that is paired with the main mold 38.
  • the main mold 38 shown in FIG. 7 (b) has a structure in which the gap between the core and the upper mold is not formed, and the occurrence of cast-in can be reduced.
  • FIG. 7C shows a main mold 40 in which the core and the lower mold are connected and integrated, and an upper mold 41 that is paired with the main mold 40.
  • the main mold 40 has a structure in which no gap is generated between the core and the lower mold, and the occurrence of casting can be reduced.
  • 3D CAD data of the shape of the valve box 4 for a ball valve to be manufactured was produced.
  • 3D CAD data of the layered mold 1 reflecting the casting system and the like was produced based on the casting casting method.
  • the 3D CAD data of the layered molding mold 1 is divided in accordance with the modeling area size of the layered modeling apparatus (three-dimensional modeling machine) to be used, and data corresponding to the shapes of the partial main mold 5 and each core component member is produced. did.
  • the shape of the joint or tenon is also reflected.
  • the mold material described above was prepared.
  • the first alumina sand and second alumina sand, which are aggregates, and alumina cement and lithium carbonate were mixed to obtain a mold material.
  • the 3D CAD data corresponding to the shape of each member was converted into a data format that can be used by the additive manufacturing apparatus, and input to the additive manufacturing apparatus software. In addition, various materials and print heads necessary for modeling were replenished to the apparatus and attached.
  • Modeling frame dimensions 508 mm ⁇ 381 mm ⁇ 229 mm, height direction modeling speed: 5 to 15 mm / hr, minimum stacking pitch: 0.1 mm.
  • a sand mold having a desired shape was layered from various modeling materials, and after the modeling was completed, excess mold material was removed, and the model was taken out of the apparatus.
  • the main mold 2 and the core 3 were formed by connecting and combining the sand molds that were divided and shaped. The joints and tenon joints were combined and fixed with bolts or clamps. A core 3 was set inside the main mold 2 to obtain a layered molding mold 1. The coating agent was applied to the layered mold 1 and dried at a temperature of 200 ° C.
  • the molten metal was poured into the additive manufacturing mold 1 manufactured in the above process, and cast.
  • a ball valve box 4 shown on the left side of FIG. 2 was manufactured by solidifying by natural cooling or partial forced cooling, separating the mold, removing the mold, and finishing.
  • the additive manufacturing mold which is an example of the mold to which the present invention described above is applied, manufactures a member obtained by further dividing the main mold and the core by the additive manufacturing process, so that a large mold can be manufactured. It has become.
  • the mold can be directly manufactured, and the manufacturing period for manufacturing the casting can be greatly shortened.
  • each member obtained by dividing the main mold and the core has a sufficient bending strength. Moreover, it has a support structure and a connection structure that can maintain the shape even if the mold material is reduced.
  • defects that affect the quality of the casting such as solidification defects and gas defects during cooling are less likely to occur, and the casting is highly accurate. Moreover, it is a casting excellent in smoothness of the casting surface.
  • the mold to which the present invention is applied is formed by the powder fixing lamination method, and can be applied to a large-sized casting and can cast a high-precision casting.
  • Example 1 Chemical composition of test piece First, among the above-mentioned mold materials, the first alumina sand and the second alumina on the basis of the total amount of the aggregate for the first alumina sand and the second alumina sand to be the aggregate.
  • Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 were prepared by adjusting the mold material components such that the sand had the blending ratio shown in Table 1.
  • the mold materials of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 are mixed with 33% alumina cement and 1% lithium carbonate based on the total amount of the mold material.
  • a plate-shaped test piece having a size of 10 mm (W) ⁇ 20 mm (t) ⁇ 75 mm was formed using an additive manufacturing apparatus.
  • paragraph of the following Table 1 shows the weight ratio (%) on the basis of the total amount of aggregate among mold material powder.
  • Table 2 shows the chemical components of the alumina cement.
  • FIG. 8 is a diagram showing the results of bending strength tests performed on the plate-like test pieces of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1.
  • the vertical axis represents the bending strength (MPa)
  • the horizontal axis represents the weight ratio (%) of the first alumina sand based on the total amount of aggregate.
  • a bending strength test was performed. Using a foundry sand strength tester, the test piece was supported at a fulcrum distance of 50 mm (L), a load was applied to the center of the test piece, and the breaking load (P) when the test piece was broken was determined.
  • the bending strength was a numerical value of 1.4 MPa or more.
  • the bending strength was a numerical value of 1.7 MPa or more, and in Example 4, a high numerical value of 2.0 MPa was shown.
  • the smoothness of the mold surface was good in Examples 3 to 6.
  • Examples 1 and 2 a slight improvement was seen compared to the rough smoothness of the surface of Comparative Example 1.
  • FIG. 9A a photograph showing the surface state of the mold in the test piece of Example 4 is shown in FIG. 9A
  • a photograph showing the surface state of the mold in the test piece of Comparative Example 1 is shown in FIG. 9B.
  • Example 7 was prepared by adjusting the mold material components so that the above-mentioned mold material had a blending ratio shown in Table 3 based on the total amount of the mold material alumina cement as a binder. To 11. In addition, the mold materials of Examples 7 to 11 are blended so that the first alumina sand and the second alumina sand are 50% based on the total amount of aggregate. Moreover, 1% of lithium carbonate is blended based on the total amount of the mold material.
  • a plate-shaped test piece having a size of 10 mm (W) ⁇ 20 mm (t) ⁇ 70 mm was formed using an additive manufacturing apparatus.
  • the numerical value of the following Table 3 shows the weight ratio (%) on the basis of the total amount of aggregate among mold material powders.
  • the alumina cement used here has chemical components shown in Table 2.
  • FIG. 10 is a diagram showing the results of bending strength tests performed on the plate-like test pieces of Examples 7 to 11.
  • the vertical axis indicates the bending strength (MPa)
  • the horizontal axis indicates the weight ratio (%) of the alumina cement based on the total amount of the mold material.
  • the bending strength was a numerical value of 1.0 MPa or more. Further, the smoothness of the mold surface was good in Examples 7 and 8.
  • Examples 12 to 16 were prepared by adjusting sample components so that lithium carbonate had a blending ratio shown in Table 4 on the basis of the total amount of the samples.
  • the samples of Examples 12 to 16 were mixed with 292.5 g of the second alumina sand, 157.5 g of alumina cement, and 67.5 g of the binder solution.
  • the numerical value of the following Table 4 shows the weight ratio (%) on the basis of the whole quantity of the sample.
  • FIG. 11 is a diagram showing the results of a coagulation test performed on the samples of Examples 12 to 16.
  • the vertical axis indicates the distance (mm) between the bottom surface of the slurry and the tip of the first needle in the coagulation tester, and the horizontal axis indicates the elapsed time (min) from the start of measurement.
  • a test was conducted according to the setting test described in JIS R5201-1977 “Physical Test Method for Cement”.
  • reference numeral 45 indicates the twelfth embodiment
  • reference numeral 46 indicates the thirteenth embodiment
  • reference numeral 47 indicates the fourteenth embodiment
  • reference numeral 48 indicates the fifteenth embodiment
  • reference numeral 49 indicates the sixteenth embodiment.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mold Materials And Core Materials (AREA)

Abstract

本発明を適用した積層造形用材料の一例である、鋳型材料は、骨材となる第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドと、粘結剤となるアルミナセメントとを備えている。第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドは、純度９９％以上の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる白色誘電アルミナであり、いずれも１，５００℃以上の耐熱性を有している。また、第１のアルミナサンドは、中心粒径が４５～５３μｍの粒子で構成されている。また、第２のアルミナサンドは、中心粒径が７５～１０６μｍの粒子で構成されている。

Description

積層造形用材料、粉末固着積層法による鋳型の製造方法及び鋳型
　本発明は、積層造形用材料、粉末固着積層法による鋳型の製造方法及び鋳型に関する。詳しくは、粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能な積層造形用材料、粉末固着積層法による鋳型の製造方法及び鋳型に係るものである。
　古くから金属材料を用いて大量生産を行う際に、鋳型を用いる鋳造による加工がなされてきた。鋳造は、鋳型の使用法、鋳型の種類、骨材の固定法等により複数の方法が存在する。
　また、近年、三次元造形機の普及に伴い、この機器を用いた鋳型製造手法が注目されている。本手法では、鋳型砂と鋳型砂を結着させる粘結剤を混合した鋳型材料に、インクジェットヘッドで結合剤溶液をかけて一層ずつ積層、硬化させるものであり、粉末固着積層法と称されている。
　粉末固着積層法では、鋳物の原型となる木型や金型を製造することなく、直接的に鋳型が製造できる点から、鋳物の製造期間の短縮化やコスト削減が期待できる。また、多種の形状の鋳物を少量生産する用途にも適している。
　また、粉末固着積層法での鋳型の製造では、従来の木型を用いた鋳型の製造に比して、寸法精度の高い鋳型を形成することが可能である。また、木型等を鋳型から取り出す際に必要となる抜き勾配を形成する必要がなく、鋳型材料を低減することができるものとなっている。
　前述したように、粉末固着積層法でも従来の鋳造と同様に、鋳型の原料として骨材となる鋳物砂と粘結剤が使用される。粘結剤は鋳物砂同士を結着させ、水分や熱により硬化する性質を有するものである。鋳物砂及び粘結剤は、鋳物材料の注湯時にも安定的に鋳物の形状を形成しうる耐熱性を有する必要がある。
　しかしながら、粉末固着積層法に使用される鋳型材料は、市販のものを含めて種類が限定されているのが現状である。例えば、骨材となる石膏は、融点が１，０００℃を超える金属を注湯した際には、亜硫酸ガスが生じ、鋳物に気泡巣などの欠陥が生じてしまう。
　こうしたなか、融点が１，０００℃を超える高融点金属でも注湯可能な造形用材料が存在し、例えば、特許文献１に記載の造形用材料が提案されている。
　ここで、特許文献１には、人工鋳物砂と、人工鋳物砂を相互に結着させる粘結剤であり、ブレーン比表面積値が４０００ｃｍ２／ｇ以上のセメントが混合された造形用材料が記載されている。
特開２０１０－１１０８０２号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の造形用材料を含め、従来の粉末固着積層法用の材料で形成した鋳型は、その鋳型表面が粗くなるという問題があった。この結果、鋳物の鋳肌面が粗くなってしまい、鋳物を高精度に製造することが困難であった。
　また、従来の粉末固着積層法で用いられる鋳物砂で形成した鋳型は、強度が不充分であった。特に鋳型のサイズが大きくなると、鋳造過程でひびや崩壊が生じるリスクが顕著となる。
　本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能な積層造形用材料、粉末固着積層法による鋳型の製造方法及び鋳型を提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、本発明の積層造形用材料は、少なくとも２つの粒径の異なる粒子で構成された骨材と、該骨材同士を結着させる粘結剤とを含んでいる。
　ここで、少なくとも２つの粒径の異なる粒子で構成された骨材によって、混在状態での粒子間の隙間や表面の凹凸が減り、鋳型の表面の平滑性を向上させることができる。また、積層時の鋳型材料の密度が高くなり、鋳型の強度を高めることができる。なお、ここでいう骨材とは、鋳型の原料の主成分を占める物質であり、例えば、再生砂を含むけい砂やアルミナ等の特殊砂等を含むものである。また、強度とは、抗折試験で測定する抗折強度を意味し、試験内容の詳細については後述する。
　また、骨材同士を結着させる粘結剤によって、骨材を結着させ硬化させることが可能となる。なお、粘結剤とは、水硬性の樹脂等を含み水溶液等の結合剤と組み合わせることで硬化が開始されるものである。
　また、骨材が、第１の粒子と、第１の粒子の粒径の１．５～２倍の粒径を有する第２の粒子とを含んで構成された場合には、混在状態での粒子間の隙間や表面の凹凸が減り、より一層、鋳型の表面の平滑性を高めることができる。また、積層時の鋳型材料の密度が高くなり、より一層、鋳型の強度を高めることができる。なお、ここでいう粒子の粒径は平均粒径を意味し、粒子製造時のばらつきを含むものである。
　一方、第１の粒子の粒径の１．５倍未満の粒径を有する第２の粒子である場合には、第２の粒子が第１の粒子に近づくこととなる。この結果、混在状態の密度が下がり、抗折強度の向上が不充分となる。また、粒径が小さくなるため、積層時に粒子の抜けが生じやすくなり、鋳型の表面の平滑性を高めにくいものとなる。また、第１の粒子の粒径の２倍を超える粒径を有する第２の粒子である場合には、第２の粒子の粒子間の隙間が生じやすくなり、混在状態の密度が下がり、抗折強度の向上が不充分となる。また、第２の粒子間の表面の凹凸が生じやすくなり、鋳型の表面の平滑性を高めにくいものとなる。
　また、粘結剤が第１の粒子の粒径よりも小さな粒径を有する場合には、第１の粒子及び第２の粒子の混在状態の密度や平滑性に対する粘結剤の存在による影響を少なくすることができる。
　また、第１の粒子の全量基準での重量比率に対する第２の粒子の全量基準での重量比率の比が１．５～３．０の範囲内である場合には、より一層、鋳型の抗折強度を向上させることができる。
　ここで、第１の粒子の全量基準での重量比率に対する第２の粒子の全量基準での重量比率の比が１．５未満である場合には、鋳型の表面の平滑性が担保しづらいものとなる。また、第１の粒子の全量基準での重量比率に対する第２の粒子の全量基準での重量比率の比が３．０を超える場合には、鋳型の抗折強度が不充分なものとなる。
　また、第１の粒子の全量基準での重量比率に対する第２の粒子の全量基準での重量比率の比が２．０である場合には、更に一層、鋳型の抗折強度を向上させることができる。また、更に一層、鋳肌面の平滑性を高めることができる。
　また、粘結剤が全量基準で重量比率が３３％である場合には、より一層、鋳型の抗折強度を向上させることができる。また、より一層、鋳肌面の平滑性を高めることができる。
　また、第１の粒子が、粒径が４５～５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムの第１の鋳物砂であり、第２の粒子が、粒径が７５～１０６μｍの範囲内である酸化アルミニウムの第２の鋳物砂であり、粘結剤が、粒径が約４．５μｍである酸化アルミニウムを主成分とするアルミナセメントである場合には、充分に鋳型の抗折強度を向上させることができる。また、充分に鋳肌面の平滑性を高めることができる。
　また、上記の目的を達成するために、本発明の粉末固着積層法による鋳型の製造方法は、第１の粒子と、該第１の粒子の粒径の１．５～２倍の粒径を有する第２の粒子とを含んで構成された骨材と、該骨材同士を結着させる粘結剤とを含む積層造形用材料に結着を開始させる結合剤溶液をかけて硬化させる第１の工程と、該第１の工程で硬化された層を前記第２の粒子の粒径と略同等の大きさのピッチで垂直下方にずらし、同第１の工程で硬化された層の上部に前記積層造形用材料を広げて前記結合剤溶液をかけて硬化させる第２の工程とを備える。
　ここで、第１の粒子と、第１の粒子の粒径の１．５～２倍の粒径を有する第２の粒子とを含んで構成された骨材によって、混在状態での粒子間の隙間や表面の凹凸が減り、鋳型の表面の平滑性を高めることができる。また、積層時の鋳型材料の密度が高くなり、鋳型の強度を高めることができる。
　また、第２の工程で、第１の工程で硬化された層を第２の粒子の粒径と略同等の大きさのピッチで垂直下方にずらし、第１の工程で硬化された層の上部に積層造形用材料を広げて結合剤溶液をかけて硬化させることによって、積層造形用材料の表面の凹凸を減らし、鋳型の表面の平滑性を高めることができる。また、積層造形用材料の密度が高くなり、鋳型の抗折強度を向上させることができる。
　また、上記の目的を達成するために、本発明の鋳型は、第１の粒子と、該第１の粒子の粒径の１．５～２倍の粒径を有する第２の粒子とを含んで構成される骨材と、該骨材同士を結着させ前記第１の粒子の粒径よりも小さな粒径を有する粘結剤とを含む積層造形用材料で形成されると共に、隣接する部材と嵌合可能な嵌合部を有する部分型を組み合わせて形成されている。
　ここで、第１の粒子と、第１の粒子の粒径の１．５～２倍の粒径を有する第２の粒子とを含んで構成される骨材によって、混在状態での粒子間の隙間や表面の凹凸が減り、鋳型の表面の平滑性を高めることができる。また、積層時の鋳型材料の密度が高くなり、鋳型の強度を高めることができる。
　また、鋳型が、隣接する部材と嵌合可能な嵌合部を有する部分型を組み合わせて形成されることによって、大型の鋳型の製造が可能となる。即ち、複数の部分型を用いて、１つの大型の鋳型の形状とすることが可能となる。なお、ここでいう部分型とは、従来の鋳造で使用される上型や下型、中子をさらに分割したものを意味するものである。また、大型の鋳型とは、三次元造型機で製造可能な最大造形サイズにもよるが、一度の積層造形処理で鋳型全体の形状が製造しえないものを意味する。
　また、第１の粒子の全量基準での重量比率に対する第２の粒子の全量基準での重量比率の比が１．５～３．０の範囲内である場合には、より一層、鋳型の抗折強度を向上させることができる。
　また、粘結剤が全量基準で重量比率が３３％である場合には、より一層、鋳型の抗折強度を向上させることができる。また、鋳肌面の平滑性を高めることができる。
　本発明に係る積層造形用材料は、粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能なものとなっている。
　また、本発明に係る粉末固着積層法による鋳型の製造方法は、粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能なものとなっている。
　更に、本発明に係る鋳型は、粉末固着積層法で形成した鋳型を用いる鋳造において、品質に優れた鋳物を製造可能なものとなっている。
主型及び中子の構造を示す概略図である。 鋳型から製造する玉形弁用弁箱及び鋳造方案に基づく製品部分と湯口及び上がりを示す概略図である。 主型に中子を配置した状態の詳細構造の概略図（ａ）及び中子のほぞ継ぎを示す概略図（ｂ）である。 鋳型の支持構造を示す斜視図（ａ）、正面図（ｂ）及び側面図（ｃ）である。 支持構造を設けない鋳型の概略図（ａ）及び支持構造を設けた鋳型の概略図（ｂ）である。 鋳型のベント部を示す概略図及びその部分拡大図である。 上型及び下型と中子を一体化させていない鋳型を示す概略図（ａ）、上型と中子が一体化した鋳型を示す概略図（ｂ）及び下型と中子が一体化した鋳型を示す概略図（ｃ）である。 実施例１～６及び比較例１の板状試験片に対して行った抗折強度試験の結果を示す図である。 実施例４の試験片における鋳型の表面状態を示す写真（ａ）及び、比較例１の試験片における鋳型の表面状態を示す写真（ｂ）である 実施例７～１１の板状試験片に対して行った抗折強度試験の結果を示す図である。 凝固試験の結果を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
　以下、本発明を適用した積層造形用材料の一例の組成について説明する。なお、以下で説明する組成はあくまで一例であり、本発明を適用した積層造形用材料がこれに限定されるものではない。
　本発明を適用した積層造形用材料の一例である、鋳型材料は、骨材となる第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドと、粘結剤となるアルミナセメントとを備えている。
　第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドは、純度９９％以上の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる白色誘電アルミナであり、いずれも１，５００℃以上の耐熱性を有している。また、第１のアルミナサンドは、中心粒径が４５～５３μｍの粒子で構成されている。また、第２のアルミナサンドは、中心粒径が７５～１０６μｍの粒子で構成されている。
　また、アルミナセメントは、アルミナセメントの全量基準の重量比率で７２．５％の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）及び２５．８％の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含む粉状前駆体である。また、アルミナセメントは、平均粒径が４．５μｍの粒子で構成され、１，７３０℃以上の耐熱性を有している。
　アルミナセメントは、積層造形時にインクジェットのプリントヘッドから結合剤溶液を吹き付けられることで、混合させた第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドを結着して硬化させる。結合剤溶液は、１％以下の２－ピロリドンを含む水溶液が用いられる。
　また、鋳型材料には、粘結剤の硬化速度を速めるための補助剤として、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）を備えている。
　鋳型材料は、全量基準での重量比率が、第１のアルミナサンド：４４％、第２のアルミナサンド：２２％、アルミナセメント：３３％、炭酸リチウム：１％を含む組成を有している。
　ここで、第２のアルミナサンドの全量基準での重量比率に対する第１のアルミナサンドの全量基準での重量比率の比が２．０となっているが、必ずしもこの数値になる必要はない。但し、鋳型の抗折強度の向上と、鋳型の表面の平滑性を高める点から、重量比率の比は、１．５～３．０の範囲となるのが好ましく、更に、２．０となることがより一層好ましい。
　また、必ずしも、アルミナセメントの全量基準での重量比率が３３％となる必要はない。但し、鋳型の抗折強度の向上と、鋳型の表面の平滑性を高める点から、アルミナセメントの全量基準での重量比率が３３％に設定されることが好ましい。
　また、鋳型材料には、粘結剤の硬化速度を速めるための補助剤として、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）を入れることが好ましい。また、炭酸リチウムの添加量を増やすことで、硬化が始まる始発時間が短くなり、硬化速度も高くなるが、他の成分の配合量も考慮して、炭酸リチウムの配合量を適宜選択することが好ましい。また、炭酸リチウムの配合により鋳型の抗折強度が向上する。
　以下、上記で説明した積層造形用材料を用いて形成した鋳型について説明する。
　図１は、主型及び中子の構造を示す概略図である。図２は，鋳型から製造する玉形弁用弁箱及び鋳造方案に基づく製品部分と湯口及び上がりを示す概略図である。図３は、主型に中子を配置した状態の詳細構造の概略図（ａ）及び中子のほぞ継ぎを示す概略図（ｂ）である。
　以下、本発明を適用した鋳型の一例である積層造形鋳型１について説明する。
　図１に示すように、積層造形鋳型１は、主型２と、中子３を備えている。積層造形鋳型１は、図２の左側に示す形状の玉形弁用弁箱４を鋳造する際の鋳型である。また、主型２は長さ（図１の符号Ｌ）が８００ｍｍの鋳型となっている。
　主型２は、内部に玉形弁用弁箱４の外形と同一の形状の空間を有し、複数の部分主型５を組み合わせて形成されている。主型２は高さ方向において、湯口及び湯道が形成された湯道側の領域部分６、製品側の上部領域部分７及び製品側の下部領域部分８に分割された構造となっている。符号９及び符号１０は主型２の高さ方向の分割位置を示している。
　また、主型２の幅方向に隣接する部分主型５同士の間は組継ぎ１１で組み合わされている。組継ぎ１１の部分の溶湯が流れない領域は、図示しないボルトナットやクランプ等の部材で固定されている。詳細な分割構造は後述する。
　図１に示すように、中子３は、上部中子１２、中間中子１３及び下部中子１４の部材を組み合わせて形成されている。中子３は、主型２の内部空間に収容され、玉形弁用弁箱４の空洞を形成する。また、上部中子１２と中間中子１３、及び中間中子１３と下部中子１４の間はほぞ継ぎで組み合わされ、ボルトナットやクランプ等の部材で固定されている。ほぞ継ぎの詳細な構造は後述する。
　主型２及び中子３は、肉抜きした形状となっており、鋳造に用いられない部分は削られ、形状を担保するために必要な鋳型材料のみが使用されている。
　主型２及び中子３を用いて鋳造を行うと、図２の左側に示す形状の玉形弁用弁箱４を製造することができる。また、図２の右側には、鋳造時の玉形弁用弁箱となる製品部分１５と、湯口５０及び上がり１６の形成位置を示している。
　ここで、必ずしも、本発明を適用した鋳型が主型２と中子３で構成される必要はない。例えば、主型のみを複数の部分主型で形成して中子を使用しない鋳型や、主型のうち上型または下型のみを複数の部分主型で形成する場合があってもよい。
　また、必ずしも、主型２の長さが８００ｍｍに限定されるものではなく、造形対象物も玉形弁用弁箱である必要はない。製造したい対象物の大きさと、それに必要となる複数の部分主型を形成することで、例えば、長さ１０００ｍｍ以上の主型を形成することも可能である。
　また、主型２及び中子３が分割される位置は特に限定されるものではなく、適宜、部材の組み合わせや取扱いが容易な形状へと、適宜設計変更を行うことが可能である。但し、主型２では、湯口及び湯道が形成された湯道側の領域部分６、製品側の上部領域部分７及び製品側の下部領域部分８に分割された構造とすることで、各々の用途に合わせた形状に加工しやすいものとなる。
　即ち、主型２では、湯道側の領域と製品側の領域とで分割可能な構造とすることが好ましい。例えば、湯道側の領域は製品側の領域に比べて、鋳型材料が必要な領域が少なくなっており、湯道側の領域の形状のみを形成した方が、主型の形成効率を高めることができる。
　また、必ずしも、隣接する部分主型や中子部材が組継ぎやほぞ継ぎで組み合わされる構造とされる必要はない。但し、組み合わせた構造体が安定した構造となる点から、隣接する部分主型や中子部材が組継ぎやほぞ継ぎで組み合わされる構造とされることが好ましい。また、同様の観点から、接合する領域の両方に凹部を設け、組み合わせた凹部に嵌合する雇い実部材を使用して組み合わせる構造も採用しうる。
　図３（ａ）には、主型２及び中子３のより詳細な分割構造を示している。主型２は複数の部分主型５によって形成されている。また、中子３は前述したように、上部中子１２、中間中子１３及び下部中子１４の３つの部材で形成されている。
　各々の部分主型５、上部中子１２、中間中子１３及び下部中子１４は、長さ２０ｍｍ程度の一般的な造形対応サイズの造形物を製造可能な三次元造形機で製造されるものとなっている。
　個々の部分主型５を更に細かく見ると、符号１７及び符号１８が上がり部、符号１９が湯口部、符号２０及び符号２１が中間主型、符号２２及び符号２３が下部主型となっている。また上がり部１７及び上がり部１８は、図２の右側の図で示した上がり１６を形成する部分となる。
　また、図３（ｂ）には、中子３の詳細な構造を示している。上部中子１２は下部に凸部４２が、中間中子１３の上部に凹部４３がそれぞれ形成されている。また、中間中子の下部に凹部（図示せず）が、下部中子１４の上部に凸部４４がそれぞれ形成されている。
　対向する各凹凸部が中子３のほぞ継ぎ部分であり、この部分で組み合わされることで、中子３は安定した構造体となる。
　このように１つの主型を細分化することで、高精度かつ大型の鋳型を形成することが可能となっている。また、個々の部材は、積層造形装置用に所望の形状の３ＤＣＡＤデータを入力して形成される。
　本発明を適用した鋳型では、以下図４～図７で説明するような構造を採用しうる。
　図４には、鋳型のキャビティ部の反対側の領域を肉抜きし、柱状部材による支持構造を設けた鋳型を示している。
　図４に示す鋳型２４は、溶湯が流れ込むキャビティ部２５の反対側の領域に、支持構造２６を形成している。支持構造２６は、一定間隔を有して略平行に配置された柱部２７と、隣接する柱部２７同士を連結した桟部材２８で構成されている。
　また、柱部２７及び桟部材２８が交わる部分は、各々の部材より体積の大きな球状部２９が形成され、交点を補強する構造となっている。なお、鋳型２４をキャビティ部２５の反対側の領域から見た正面図を図４（ｂ）、側面から見た図を図４（ｃ）に示している。
　図５（ａ）には、支持構造２６を設けない鋳型３０を、図５（ｂ）には前述した支持構造２６を有する鋳型２４を示している。鋳型２４は鋳型３０に比べ、キャビティ部の反対側の領域を肉抜きすることで、鋳型を形成する鋳型材料を大きく低減させることができるものとなっている。
　また、鋳型２４は、支持構造２６を有することで鋳型の強度を担保しうるものとなっている。また、鋳型２４は肉抜きされたことで、キャビティ部の反対側の領域からキャビティ部２５に風を当てる等して、鋳物材料を注湯後に強制冷却させることができる。この結果、凝固が促進され、冷却速度に起因する凝固欠陥の発生を低減させることができる。
　図６には、鋳型のキャビティ部にガス抜き用のベント部を設けた構造を示している。
　図６に示す鋳型３１はキャビティ部３２に複数のベント部３３を有している。ベント部３３は、図６の拡大図部分に示すように、直径が５ｍｍ程の貫通孔３４が多数集合して形成されたものである。
　貫通孔３４は鋳型３１をキャビティ部からその背面側に向けて貫通している。また、貫通孔３４の内部には、鋳型３１の鋳型材料となる鋳物砂（図示せず）が収容されている。鋳物砂は、鋳型３１の積層造形時に硬化を開始させる結合剤が吹きかけられていないものである。
　鋳物砂は未結着の状態であるため、貫通孔３４の内部に収容されても一定の通気性を保ち、鋳造時に鋳型から生じるガスを逃がすことができる。この結果、鋳物にガス欠陥が生じにくいものとなる。
　また、鋳物砂が収容されたことで、貫通孔３４を介して溶湯が外部への漏れを抑えることができる。このように鋳型にベント部３３を設けることで、鋳造時のガス抜きを促進させることができる構造となっている。
　ここで、必ずしも、貫通孔３４の直径が５ｍｍ程に設定される必要はなく、鋳型材料の種類や鋳型の形状により適宜選択しうる。但し、貫通孔の直径をあまりに大きくすると溶湯漏れが生じることとなるため、未結着の鋳物砂が容易に抜け落ちてしまわない程度の大きさが選択されることが好ましい。
　図７では、中子を主型の一部と連結させ、一体化させた構造について説明する。
　図７（ａ）は、中子３５が主型を構成する上型３６または下型３７のいずれとも連結されていない構造を示している。ここで、図７（ｂ）では、中子及び上型が連結して一体化した主型３８と、主型３８と対になる下型３９を示している。
　図７（ａ）に示す鋳型では、中子３５及び上型３６の間に隙間が存在し、鋳ばりが隙間の部分に生じてしまう。一方、図７（ｂ）に示す主型３８では、中子と上型が一体化されたことで間に隙間が生じず、鋳ばりの発生を低減させることができる構造となっている。
　また、図７（ｃ）には、中子及び下型が連結して一体化した主型４０と、主型４０と対になる上型４１を示している。主型４０も主型３８と同様に、中子と下型の間に隙間が生じず、鋳ばりの発生を低減させることができる構造となっている。
　以下、積層造形鋳型１の製造から玉形弁用弁箱４の製造までの流れを説明する。
　（３ＤＣＡＤデータの準備）
　まず、製造する玉形弁用弁箱４の形状の３ＤＣＡＤデータを作製した。３ＤＣＡＤデータの作製では、鋳物の鋳造方案に基づき、鋳込みの系統等を反映させた積層造形鋳型１の３ＤＣＡＤデータを作製した。
　また、使用する積層造形装置（三次元造形機）の造形エリア寸法に合わせて、積層造形鋳型１の３ＤＣＡＤデータを分割し、部分主型５及び各中子構成部材の形状に対応するデータを作製した。ここでは、組継ぎやほぞ継ぎの形状も反映される。
　（鋳型材料の準備）
　前述した鋳型材料を調整した。骨材となる第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドと、アルミナセメント及び炭酸リチウムを混合させ、鋳型材料とした。
　（積層造形処理）
　各部材の形状に対応する３ＤＣＡＤデータを積層造形装置で使用可能なデータ形式に変換し、積層造形装置用ソフトに入力した。また、造形に必要な各種材料やプリントヘッドを装置に補充し、取り付けを行った。
　積層造形装置は、次の性能の装置を使用した。造形枠寸法：５０８ｍｍ×３８１ｍｍ×２２９ｍｍ、高さ方向造形速度：５～１５ｍｍ／ｈｒ、最小積層ピッチ：０．１ｍｍ。各種造形材料から所望の形状を有する砂型が積層造形され、造形終了後に、余分な鋳型材料を除去し、造形物を装置から取り出した。
　（注湯準備）
　分割して造形した各砂型を連結して組み合わせて、主型２及び中子３を形成した。組継ぎやほぞ継ぎの部分を組み合わせ、ボルトやクランプ等で固定した。主型２の内部に中子３をセットして積層造形鋳型１とした。積層造形鋳型１に塗布剤を塗布し、２００℃の温度で乾燥させた。
　（注湯）
　上記の工程で製造した積層造形鋳型１に溶湯を注湯し、鋳込みを行った。自然冷却または一部強制冷却により凝固させ、鋳型をばらし、ばり取り、仕上げを経て、図２の左側に示す玉形弁用弁箱４を製造した。
　以上までで説明した本発明を適用した鋳型の一例である積層造形用鋳型は、主型や中子を更に分割した部材を積層造形処理で製造することから、大型の鋳型を製造可能なものとなっている。また、鋳型を直接製造することが可能であり、鋳物製造にかかる製造期間を大幅に短縮することができる。
　また、積層造形用鋳型は、主型や中子を分割した各部材は充分な抗折強度を有するものとなっている。また、鋳型材料を低減しても形状を維持し得る支持構造や連結構造を有するものとなっている。
　更に、冷却時の凝固欠陥やガス欠陥等の鋳物の品質に影響する欠陥が生じにくく、高精度な鋳物となっている。また、鋳肌面の平滑性にも優れた鋳物となっている。
　以上説明したように、本発明を適用した鋳型は粉末固着積層法で形成され、大型の鋳物に適用可能かつ、高精度な鋳物を鋳造可能なものとなっている。
　以下、本発明の鋳型材料に関する実施例を説明する。
　（１）試験片の化学成分
　まず、前述した鋳型材料のうち、骨材となる第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドについて、骨材の全量基準で第１のアルミナサンドと第２のアルミナサンドが表１に示す配合割合となるように鋳型材料成分を調整して、実施例１～６及び比較例１とした。また、実施例１～６及び比較例１の鋳型材料には、鋳型材料の全量基準で３３％のアルミナセメントと、１％の炭酸リチウムが配合されている。実施例１～６及び比較例１は、積層造形装置を用いて１０ｍｍ（Ｗ）×２０ｍｍ（ｔ）×７５ｍｍのサイズの板状試験片とした。なお、以下の表１の第１段目及び第２段目の数値は、鋳型材料粉末のうち骨材の全量を基準にした重量比率（％）を示したものである。また、表２には、アルミナセメントの化学成分を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　（２）抗折強度試験及び鋳型の平滑性
　図８は、実施例１～６及び比較例１の板状試験片に対して行った抗折強度試験の結果を示す図である。図８では、縦軸は抗折強度（ＭＰａ）、横軸は骨材を全量基準とした第１のアルミナサンドの重量比率（％）を示している。
　上記の組成で調整した各試験片について抗折強度を調べるために抗折強度試験を行った。鋳物砂強度試験機にて、試験片を支点間距離５０ｍｍ（Ｌ）で支持し、試験片の中央に荷重を加え、試験片が破壊された際の破壊荷重（Ｐ）を求めた。本試験における抗折強度（ＭＰａ）は、試験片の破壊荷重を用いて、以下の式（１）で算出した。
　抗折強度（ＭＰａ）＝１．５×ＬＰ／１００Ｗｔ２・・・式（１）
Ｌ：支点間距離（５０ｍｍ）、Ｐ：破壊荷重（ｋｇｆ）、Ｗ：試験片の幅（１０ｍｍ）、ｔ：試験片の厚み（２０ｍｍ）
　また、各試験片の表面の荒れの程度を目視で観察して、鋳型の表面の平滑性を確認した。
　実施例１～６はいずれも抗折強度が１．４ＭＰａ以上の数値であった。特に、実施例２～４では抗折強度が１．７ＭＰａ以上の数値であり、実施例４では２．０ＭＰａの高い数値を示した。また、鋳型の表面の平滑性は、実施例３～６で良好であった。また、実施例１～２では、比較例１の表面の荒れた平滑性に比べてやや改善が見られた。
　なお、参考として、実施例４の試験片における鋳型の表面状態を示す写真を図９（ａ）及び、比較例１の試験片における鋳型の表面状態を示す写真を図９（ｂ）に示す。
　鋳型材料における粘結剤の配合量と、鋳型の抗折強度及び鋳型の表面の平滑性の関係性ついて試験を行った。
　（３）試験片の化学成分
　前述した鋳型材料のうち、粘結剤となるアルミナセメントが鋳型材料の全量基準で表３に示す配合割合となるように鋳型材料成分を調整して、実施例７～１１とした。また、実施例７～１１の鋳型材料には、骨材の全量基準で第１のアルミナサンド及び第２のアルミナサンドがそれぞれ５０％となるように配合されている。また、鋳型材料の全量基準で１％の炭酸リチウムが配合されている。実施例７～１１は、積層造形装置を用いて１０ｍｍ（Ｗ）×２０ｍｍ（ｔ）×７０ｍｍのサイズの板状試験片とした。なお、以下の表３の数値は、鋳型材料粉末のうち骨材の全量を基準にした重量比率（％）を示したものである。また、ここで使用したアルミナセメントは表２に示す化学成分を有するものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　（４）抗折強度試験及び鋳型の平滑性
　抗折強度試験及び鋳型の平滑性の確認は、前述した（２）と同様の手法で試験を行った。なお、抗折強度試験は各実施例について２つの試験片を作製して試験を行った。
　図１０は、実施例７～１１の板状試験片に対して行った抗折強度試験の結果を示す図である。図１０では、縦軸は抗折強度（ＭＰａ）、横軸は鋳型材料を全量基準としたアルミナセメントの重量比率（％）を示している。
　実施例７～１１はいずれも抗折強度が１．０ＭＰａ以上の数値であった。また、鋳型の表面の平滑性は、実施例７及び実施例８で良好であった。
　続いて、鋳型材料における炭酸リチウムの配合量と、鋳型材料の硬化速度の関係性について試験を行った。
　（５）試料の化学成分
　炭酸リチウムは粘結剤による硬化速度を促進させる補助剤である。ここでは試料として、炭酸リチウムが試料の全量基準で表４に示す配合割合となるように試料成分を調整して、実施例１２～１６とした。また、実施例１２～１６の試料には、第２のアルミナサンドが２９２．５ｇ、アルミナセメントが１５７．５ｇ、結合剤溶液が６７．５ｇ配合されている。なお、以下の表４の数値は、試料の全量を基準にした重量比率（％）を示したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　（６）試料の凝固試験
　図１１は、実施例１２～１６の試料に対して行った凝固試験の結果を示す図である。図１１では、縦軸は凝固試験機におけるスラリー底面と始発針の先端との距離（ｍｍ）、横軸は測定開始からの経過時間（ｍｉｎ）を示している。
　上記の組成で調整した各試料について鋳型材料の凝固時間を調べるためにＪＩＳ　Ｒ５２０１－１９７７「セメントの物理試験法」に記載の凝結試験に準じて試験を行った。第２のアルミナサンド及びアルミナセメントに炭酸リチウム（１％～１０％）を添加撹拌し、結合剤溶液を入れて１分間混練後、凝固試験機（ビカー針装置）を用いて、試料スラリーと始発針の先端の距離を測定した。測定は、試料スラリー底面と始発針の先端の距離が３回４０ｍｍになる時間まで１分毎に測定を行った。なお、図１１では、符号４５は実施例１２、符号４６は実施例１３、符号４７は実施例１４、符号４８は実施例１５、及び符号４９は実施例１６を示している。
　実施例１２～１６では、炭酸リチウムの配合量の増加に伴い、鋳型材料の硬化速度の増加が確認された。また、炭酸リチウムの配合量の増加に伴い、硬化が始まるまでの始発時間が短くなった。
　　　１　　　積層造形鋳型
　　　２　　　主型
　　　３　　　中子
　　　４　　　玉形弁用弁箱
　　　５　　　部分主型
　　　６　　　湯道側の領域部分
　　　７　　　製品側の上部領域部分
　　　８　　　製品側の下部領域部分
　　　９　　　主型の高さ方向の分割位置
　　１０　　　主型の高さ方向の分割位置
　　１１　　　組継ぎ
　　１２　　　上部中子
　　１３　　　中間中子
　　１４　　　下部中子
　　１５　　　製品部分
　　１６　　　上がり
　　１７　　　上がり部
　　１８　　　上がり部
　　１９　　　湯口部
　　２０　　　中間主型
　　２１　　　中間主型
　　２２　　　下部主型
　　２３　　　下部主型
　　２４　　　鋳型
　　２５　　　キャビティ部
　　２６　　　支持構造
　　２７　　　柱部
　　２８　　　桟部材
　　２９　　　球状部
　　３０　　　鋳型
　　３１　　　鋳型
　　３２　　　キャビティ部
　　３３　　　ベント部
　　３４　　　貫通孔
　　３５　　　中子
　　３６　　　上型
　　３７　　　下型
　　３８　　　主型
　　３９　　　下型
　　４０　　　主型
　　４１　　　上型
　　４２　　　凸部
　　４３　　　凹部
　　４４　　　凸部
　　４５　　　実施例１２に対応する凝固試験の結果
　　４６　　　実施例１３に対応する凝固試験の結果
　　４７　　　実施例１４に対応する凝固試験の結果
　　４８　　　実施例１５に対応する凝固試験の結果
　　４９　　　実施例１６に対応する凝固試験の結果
　　５０　　　湯口

Claims (9)

  1. 　少なくとも２つの粒径の異なる粒子で構成された骨材と、
    　該骨材同士を結着させる粘結剤とを含む
    　積層造形用材料。
  2. 　前記骨材は、第１の粒子と、該第１の粒子の粒径の１．５～２倍の粒径を有する第２の粒子とを含んで構成され、
    　前記粘結剤は前記第１の粒子の粒径よりも小さな粒径を有する
    　請求項１に記載の積層造形用材料。
  3. 　前記第１の粒子の全量基準での重量比率に対する前記第２の粒子の全量基準での重量比率の比が１．５～３．０の範囲内である
    　請求項２に記載の積層造形用材料。
  4. 　前記第１の粒子の全量基準での重量比率に対する前記第２の粒子の全量基準での重量比率の比が２．０である
    　請求項２または請求項３に記載の積層造形用材料。
  5. 　前記粘結剤は全量基準で重量比率が３３％である
    　請求項１、請求項２、請求項３または請求項４に記載の積層造形用材料。
  6. 　前記第１の粒子が、粒径が４５～５３μｍの範囲内である酸化アルミニウムの第１の鋳物砂であり、
    　前記第２の粒子が、粒径が７５～１０６μｍの範囲内である酸化アルミニウムの第２の鋳物砂であり、
    　前記粘結剤が、粒径が約４．５μｍである酸化アルミニウムを主成分とするアルミナセメントである
    　請求項２、請求項３または請求項４に記載の積層造形用材料。
  7. 　第１の粒子と、該第１の粒子の粒径の１．５～２倍の粒径を有する第２の粒子とを含んで構成された骨材と、該骨材同士を結着させる粘結剤とを含む積層造形用材料に結着を開始させる結合剤溶液をかけて硬化させる第１の工程と、
    　該第１の工程で硬化された層を前記第２の粒子の粒径と略同等の大きさのピッチで垂直下方にずらし、同第１の工程で硬化された層の上部に前記積層造形用材料を広げて前記結合剤溶液をかけて硬化させる第２の工程とを備える
    　粉末固着積層法による鋳型の製造方法。
  8. 　第１の粒子と、該第１の粒子の粒径の１．５～２倍の粒径を有する第２の粒子とを含んで構成される骨材と、該骨材同士を結着させ前記第１の粒子の粒径よりも小さな粒径を有する粘結剤とを含む積層造形用材料で形成されると共に、隣接する部材と嵌合可能な嵌合部を有する部分型を組み合わせて形成された
    　鋳型。
  9. 　前記第１の粒子の全量基準での重量比率に対する前記第２の粒子の全量基準での重量比率の比が１．５～３．０の範囲内であり、
    　前記粘結剤は全量基準で重量比率が３３％である
    　請求項９に記載の鋳型。
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