JP2002160266A - 成形品の３次元形状成形方法及び成形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 消失模型等の成形品を成形するのにエラスト
マー型を用いても短時間で射出成形素材を凝固できる成
形品の３次元形状成形方法及び成形装置を提供するこ
と。 【解決手段】 ３次元マスター型のネガ型をキャビティ
ー２３として形成したエラストマー材からなるエラスト
マー型２０と、エラストマー型２０の周囲を保持する第
一，第二型枠３０，４０と、エラストマー型２０のキャ
ビティー２３内に溶融した成形素材を射出成形する成形
素材射出装置６０とを具備する。エラストマー型２０を
構成するエラストマー材の中にエラストマー材の熱伝導
率よりも高い熱伝導率を有するフィラーを混合してエラ
ストマー型２０の熱伝導率を高くする。第一，第二型枠
３０，４０を冷却する冷却手段３５を設ける。キャビテ
ィー２３内に射出された成形素材の熱は熱伝導性の良く
なったエラストマー型２０から第一，第二型枠３０，４
０を介して冷却手段３５に放出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、消失模型等の成形
品の３次元形状成形方法及び成形装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ワックスからなる消失模型を用い
て精密鋳造して鋳造製品を製作する方法が利用されてい
る。即ちこの精密鋳造法は、まず射出成形用金型を作製
し、例えばこの射出成形用金型内に分割できる中子を配
置した上で、この金型内にワックスを射出成形して３次
元のワックス消失模型を成形し、その後前記ワックス消
失模型の外周面にシェルを付け、消失模型を熱で消失さ
せて前記シェル及び中子からなる鋳型を作製し、この鋳
型を用いて所望の鋳造製品を得るようにする方法であ
る。

【０００３】またワックスからなる消失模型を製造する
他の方法として従来、３次元積層造形技術、いわゆるラ
ピッドプロトタイピング技術を利用することにより、ポ
ンプハイドロ部品等の複雑な形状を３次元ＣＡＤデータ
より直接造形してこれを精密鋳造品の消失模型としてそ
のまま利用するという方法も行われている。造形材料と
してはポリスチレン、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の
消失性の材料が用いられる。

【０００４】またワックスからなる消失模型を製造する
他の方法として、この模型をゴム型に転写してネガ型を
製作し、このネガ型にワックスを真空注型することによ
り消失模型を取り出す方法が考えられる。具体的に言え
ば、はじめにラピッドプロトタイピング造形装置（ＳＬ
ＳとＬＳＬ）により製作したマスター型を容器内にセッ
トし、前記容器内に液状のゴムを流し込んでマスター型
をゴム中に埋め込む。ゴムの材質としてはシリコンゴム
を用いる。そしてゴムの硬化後にゴムの中からマスター
型を取り出せば、内部にマスター型形状の空間を持った
簡易転造ゴム型（ネガ型）となるので、このゴム型内に
ワックスを注型して精密鋳造用ワックス消失模型を成形
するというものである。この方法によって消失模型を製
造すると、ゴムを変形させてワックスを抜型することが
できるので型の複雑な分割が不要となり、金型の設計能
力を必要とせず、高度の熟練を必要としない、等の利点
があり、ワックスからなる消失模型の成形には好適であ
る。

【０００５】しかしながらこの製造方法の場合、ゴム型
の熱伝導率が小さいため、このゴム型にワックスを注型
してからワックス冷却による凝固を待ってワックス消失
模型を取り出すまで数時間を要するという欠点があっ
た。

【０００６】またゴム型は柔軟性があるので、注型する
ワックスの圧入圧力を通常金型へのワックス射出成形時
のように大きくすると型の変形量が大きくなってゴム型
が塑性変形する恐れがあり、このため比較的小さな圧力
にする必要があるが、そうするとワックス注入時の空気
抜きが充分に行えなくて気泡が残ってしまう恐れがあっ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の点に鑑
みてなされたものでありその目的は、例えば消失模型等
の成形品を成形するのにゴム等のエラストマー型を用い
たとしても、比較的短時間で射出成形素材を凝固させる
ことができ、また成形素材射出時にエラストマー型内部
に気泡を生じることのない成形品の３次元形状成形方法
及び成形装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明は、３次元マスター型を容器に入れた状態で容
器内に溶融したエラストマーを注型して硬化させる工程
と、硬化したエラストマーからマスター型を取り出して
エラストマー型とする工程と、前記エラストマー型のマ
スター型を取り出したキャビティー内に成形素材を射出
成形した後に前記射出成形を停止して前記キャビティー
の形状を成形素材に転写する工程と、前記成形素材を硬
化した後にエラストマー型から取り出す工程とを具備す
る成形品の３次元形状成形方法において、前記型枠に注
型する溶融したエラストマーにはこのエラストマーの熱
伝導率よりも高い熱伝導率を有するフィラーを混練した
ことを特徴とする。

【０００９】また本発明は、前記エラストマー型からの
マスター型の取り出しを、このエラストマー型に切り込
みを入れることで行ない、一方マスター型を取り出した
後のエラストマー型は再び前記切り込み面を接合するこ
とで一体化することを特徴とする。

【００１０】また本発明は、前記エラストマー型のキャ
ビティー内に成形素材を射出する際に、エラストマー型
の周囲を型枠で保持すると共に冷却手段によって冷却す
ることを特徴とする。

【００１１】また本発明は、前記エラストマー型のキャ
ビティー内に成形素材を射出する際に、成形素材の導入
によってエラストマー型に設けた通気孔とエラストマー
型の周囲を保持する型枠に設けた脱気穴を介してキャビ
ティー内の気体を排気するとともに、前記通気孔から脱
気穴にまで導入した成形素材を脱気穴内で硬化させ閉塞
させて成形素材の脱気穴からの射出を停止せしめること
を特徴とする。

【００１２】また本発明にかかる成形品の３次元形状成
形装置は、３次元マスター型のネガ型をキャビティーと
して形成したエラストマー材からなるエラストマー型
と、前記エラストマー型の周囲を囲んでこれを保持する
型枠と、前記型枠の外部から型枠内に保持したエラスト
マー型のキャビティー内に溶融した成形素材を射出成形
する成形素材射出装置とを具備し、前記エラストマー型
を構成するエラストマー材の中にこのエラストマー材の
熱伝導率よりも高い熱伝導率を有するフィラーを混合し
てエラストマー型の熱伝導率を高くすると共に、前記型
枠を冷却する冷却手段を設けることで、エラストマー型
のキャビティー内に射出された成形素材の熱をエラスト
マー型から型枠を介して冷却手段に放出せしめることを
特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。図１乃至図６は本発明の一
実施形態にかかる消失模型の３次元形状成形方法を示す
説明図である。即ち先ず本発明においては図１に示すよ
うに、３次元マスター型Ｍを容器１０内に収納する。容
器１０内には３次元マスター型Ｍの他に、この３次元マ
スター型Ｍに接続するようにワックス注型孔用型部材１
５と通気孔用型部材１７とが設置されている。この３次
元マスター型Ｍは例えばポンプを構成する羽根車などの
精密鋳造を必要とされる部品の形状に形成されている。

【００１４】ここで３次元マスター型Ｍは、例えば選択
レーザ焼結装置を用いた光造形法によって製作される。
すなわちこの光造形法は図６に示すように、選択レーザ
焼結装置１３０のチャンバ１３２内に粒子状の素材を供
給して、例えば０．１ｍｍの厚さｈの粒子層１３４を形
成する。そして炭酸ガスレーザ発生装置等のレーザ光源
１３６からのレーザ光をミラー１３８を介して粒子層１
３４に照射し、このレーザ光が照射された部分に位置す
る粒子を選択的に溶融硬化（焼結）させ、薄片１４０を
形成する。以下、この工程を繰り返して薄片１４０を順
次積層し、所定の形状を形成する。レーザ光の照射パタ
ーンは、作製すべき形状を予め記憶した記憶部を有する
制御装置によって制御される。この方法によって予め種
々の方法で入力されたデータに基づき、複雑な形状が付
与された構造体が精密に作製できる。なお光造形法には
他にも種々の構成のものがあり、何れの方法を用いても
良い。さらに光造形法以外の方法によって３次元マスタ
ー型Ｍを作製しても良い。

【００１５】次に図２に示すように、容器１０内に溶融
したゴムを注型して硬化させることでゴム型（エラスト
マー型）２０を成形する。ここで注型するゴムはシリコ
ンゴムであり、さらにこの硬化前の液状シリコンゴムに
は、熱伝導性フィラーがシリコンゴムに対して５〜１５
重量パーセント混練されている。熱伝導性フィラーとし
ては、市販されているステンレス繊維又はニッケルメッ
キ炭素繊維を細かくしたものを用いており、これらには
熱伝導性があり混錬により高い熱伝導率を有する。熱伝
導性フィラーを５重量％以上としたのは、それより低い
とエラストマー中で熱伝導性フィラーが互いに接触しな
いため熱伝導率があまり高くならず、１５重量％以下と
したのはそれ以上だとゴム型２０の硬度が硬くなりすぎ
てしまうからである。なお熱伝導性フィラーとしては上
記材質のものに限定されず、他の各種材質のものが使用
できる。一般的には導電性フィラーが好適であるが、そ
れ以外の材質からなるフィラーを用いても良い。要はゴ
ムの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有するフィラーであ
れば良い。なおシリコンゴムとしては、２液混合による
反応硬化型や、光硬化型のものを使用する。

【００１６】次に図３に示すように硬化したゴム型２０
の中央に切り込み２１を入れることで、このゴム型２０
から３次元マスター型Ｍとワックス注型孔用型部材１５
と通気孔用型部材１７とを取り出し、再び前記切り込み
２１の面を接合して一体化することで、内部に３次元マ
スター型Ｍの形状のキャビティー２３とワックス注型孔
２５と通気孔２７とを設けた熱伝導性フィラー入りのゴ
ム型２０とする。３次元マスター型Ｍの取り出しは、ゴ
ム型２０に柔軟性があり変形するので容易である。

【００１７】次に図４に示すようにこのゴム型２０を、
上面を開放した容器状の第一型枠３０内に収納し、第一
型枠３０の上部開口を第二型枠４０で塞ぐ。第一型枠３
０は金属等の熱伝導性の良い材料で構成され、その周囲
には冷却手段３５が一体に設けられている。冷却手段３
５は内部に冷却液を通す冷却ジャケットによって構成さ
れている。冷却手段３５にはその冷却ジャケットに冷却
水を通すための冷却水供給配管３６と冷却水排水配管３
７とが接続されている。なお冷却手段３５としては冷却
ジャケット以外にも冷却フィンなどの他の種々の構造の
ものが適用できることは言うまでもない。冷却手段３５
は第一型枠３０内に内蔵させても良い。またこの第一型
枠３０と前記図２に示す容器１０とは共用しても良い。
また第一型枠３０の下部の前記ゴム型２０のワックス注
型孔２５が当接する位置には連通孔３８が設けられてお
り、その下面はノズルとの接触面３９となっている。

【００１８】一方第二型枠４０も第一型枠３０と同様の
金属等の熱伝導性の良い材料で構成されており、その裏
面側に設置したプレス装置５０によってゴム型２０を押
圧してゴム型２０にその周囲全体から圧力を加え、ゴム
型２０が下記するワックスの射出圧力に耐えるようにす
る。この第二型枠４０の前記ゴム型２０に設けた通気孔
２７が当接する位置近傍には、それぞれ複数の小さなピ
ン穴（以下「脱気穴」という）４１が設けられている。
脱気穴４１の内径は、０．１ｍｍ〜５ｍｍという小さな
ものとする。

【００１９】次に第一型枠３０の下部にはワックス射出
装置６０が設置され、このワックス射出装置６０は、突
出する射出ノズル６１からワックスを射出するように構
成されている。

【００２０】そして図４に示すように、第一，第二型枠
３０，４０によってゴム型２０を所定の圧力でプレス
し、冷却水供給配管３６から冷却水排水配管３７に冷却
水を流した状態でワックス射出装置６０に設けた射出ノ
ズル６１の先端を第一型枠３０のノズル当接面３９に当
接し、ワックス射出装置６０から溶融したワックスを射
出してゴム型２０内に形成したワックス注型孔２５から
キャビティー２３内に溶融ワックスを射出し、キャビテ
ィー２３内を溶融ワックスで満たした後に通気孔２７も
溶融ワックスで満たす。

【００２１】上記溶融ワックスの射出成形の際、キャビ
ティー２３内の空気は、通気孔２７と第二型枠４０の脱
気穴４１とからなる気体抜き機構を通して放出されるの
で、例えワックスの射出圧力が低くても射出成形後の成
形物に空気溜まりが形成されることはない。言い換えれ
ば、射出ノズル６１から射出されたワックスがキャビテ
ィー２３内を満たした後に通気孔２７に流入するよう
に、ワックス注型孔２５と通気孔２７の位置を設定す
る。

【００２２】ここで第一，第二型枠３０，４０は冷却さ
れているので、脱気穴４１内に到ったワックスは、ピン
穴からなる脱気穴４１内で冷却・硬化して脱気後閉塞す
る。従ってワックスは脱気穴４１において一定量漏れた
後この脱気穴４１を通過しなくなる。つまり通気孔２７
と脱気穴４１を設けることによって容易且つ確実にキャ
ビティー２３内の空気の排気と排気後のキャビティー２
３の密閉とを行なうことができる。

【００２３】これにより通常の金型と同様の利便性の高
いゴム型２０によるワックスの射出成形が可能になる。
ワックスの射出圧力は、通常の金型の射出成形の場合は
３５ｋｇ／ｃｍ²程度であるが、このゴム型２０を使用
する場合、前記気体抜き機構を設けているので、０．１
〜１５ｋｇ／ｃｍ²程度とすることができる。ここで圧
力の下限を０．１ｋｇ／ｃｍ²としたのは、それ以下だ
とキャビティー２３内に溶融ワックスを満たすのに時間
がかかりすぎ、また圧力の上限を１５ｋｇ／ｃｍ²とし
たのは、それより大きくなると脱気穴４１の硬化ワック
スによる閉塞が維持できなくなる恐れがあるからであ
る。

【００２４】そしてワックス射出装置６０からのワック
スの射出後、数分で射出ノズル６１を外し、キャビティ
ー２３内の射出圧力を大気圧に戻し、キャビティー２３
内でワックスが半溶融状況（流動はしないが変形が可能
な状況）の成形品が、射出圧力により変形していたキャ
ビティー２３の形状の形状回復がされることで（キャビ
ティー２３内は射出圧力によって一旦拡大し変形してい
る）、キャビティー２３形状のワックスへの転写が実現
する。

【００２５】本発明では上述のようにワックスの射出圧
力を低く抑えることができるため、ゴム型２０内部のキ
ャビティー２３の形状を射出圧で回復不可能なまで変形
（塑性変形）させることはなく、また外周の第一，第二
型枠３０，４０の強度も低くすることができ、装置全体
の小型化、低コスト化が図れる。

【００２６】そしてワックスが硬化した後に第一，第二
型枠３０，４０からゴム型２０を取り出し、さらにゴム
型２０から図５に示すように成形品である消失模型７０
を取り出し、ワックス注型孔２５等によって形成された
不用部分を取り除けば、図１に示す３次元マスター型Ｍ
と同一形状の精密な消失模型が完成する。なおゴム型２
０には切り込み２１が設けられており、また弾性があっ
て容易に変形するので、消失模型７０は容易に取り出す
ことができる。この消失模型７０は前述のようにポンプ
羽根車等の精密鋳造製品を製作するのに使用される。

【００２７】なおワックスで閉塞された図４に示す第二
型枠４０の脱気穴４１は、脱気穴４１の部分を加熱する
ことで内部のワックスを溶かして元の状態に戻せば、再
利用できる。

【００２８】以上本発明の実施形態を説明したが、本発
明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求
の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範
囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書
及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であって
も、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技
術的思想の範囲内である。

【００２９】例えば上記実施形態では消失模型の材料と
してワックスを用いたが、消失模型の材料としては他の
各種材料を用いても良い。また上記実施形態では消失模
型を成形したが、本発明は冷却により硬化する熱可塑性
プラスチックの射出成形にも応用可能である。要は成形
素材を射出成形して成形品を製造するものであれば消失
模型以外の各種成形品にも適用できる。また上記実施形
態ではシリコンゴムを用いてゴム型を成形したが、シリ
コンゴム以外のエラストマーを用いてエラストマー型を
成形してもよいことは言うまでもない。

【００３０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば以下のような優れた効果を有する。 例え消失模型等の成形品を成形するのにエラストマー
型を用いたとしても、エラストマー（ゴムを含む）にこ
のエラストマーの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する
フィラーを混練したので、射出成形素材の熱の外部への
放出が迅速に行なえ、短時間で射出成形素材を凝固させ
ることができる。エラストマー型の周囲を冷却手段によ
って冷却した場合はさらに効果的に射出成形素材の凝固
時間の短縮が図れる。

【００３１】エラストマー型に切り込みを入れたが、
ゴムの切り込み面は不連続な断面となるので断面組み合
わせ時に再現性があり組み合わせが容易で、マスター型
を取り出した後のエラストマー型を再び確実に一体化す
ることが容易に行なえ、さらにそのキャビティー内で成
形した成形品の取り出しが容易に行なえる。

【００３２】エラストマー型の通気孔と型枠の脱気穴
とを設けたので、成形素材射出時にエラストマー型のキ
ャビティー内に気泡が生じることを確実に防止でき、ま
た射出圧力を低くできるのでエラストマー型のキャビテ
ィーの塑性変形を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる消失模型の３次元
形状成形方法を示す説明図である。

【図２】本発明の一実施形態にかかる消失模型の３次元
形状成形方法を示す説明図である。

【図３】本発明の一実施形態にかかる消失模型の３次元
形状成形方法を示す説明図である。

【図４】本発明の一実施形態にかかる消失模型の３次元
形状成形方法を示す説明図である。

【図５】本発明の一実施形態にかかる消失模型の３次元
形状成形方法を示す説明図である。

【図６】本発明の一実施形態にかかる消失模型の３次元
形状成形方法を示す説明図である。

【符号の説明】

Ｍ ３次元マスター型 １０ 容器 １５ ワックス注型孔用型部材 １７ 通気孔用型部材 ２０ ゴム型（エラストマー型） ２１ 切り込み ２３ キャビティー ２５ ワックス注型孔 ２７ 通気孔 ３０ 第一型枠 ３５ 冷却手段 ３６ 冷却水供給配管 ３７ 冷却水排水配管 ３８ 連通孔 ３９ ノズルとの接触面 ４０ 第二型枠 ４１ 脱気穴（ピン穴） ５０ プレス装置 ６０ ワックス射出装置（成形素材射出装置） ６１ 射出ノズル １３０ 選択レーザ焼結装置 １３２ チャンバ １３４ 粒子層 １３６ レーザ光源 １３８ ミラー １４０ 薄片

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小川 俊之 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 工藤 敏 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 佐々木 明 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 Ｆターム(参考） 4E093 GA06 GA09 GB14 GB15 GC07 GD04 GD10 4F202 AJ03 CA11 CB01 CD02 CD26 CK84 CP04 CP08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３次元マスター型を容器に入れた状態で
   容器内に溶融したエラストマーを注型して硬化させる工
   程と、 硬化したエラストマーからマスター型を取り出してエラ
   ストマー型とする工程と、 前記エラストマー型のマスター型を取り出したキャビテ
   ィー内に成形素材を射出成形した後に前記射出成形を停
   止して前記キャビティーの形状を成形素材に転写する工
   程と、 前記成形素材を硬化した後にエラストマー型から取り出
   す工程とを具備する成形品の３次元形状成形方法におい
   て、 前記型枠に注型する溶融したエラストマーにはこのエラ
   ストマーの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有するフィラ
   ーを混練したことを特徴とする成形品の３次元形状成形
   方法。
2. 【請求項２】 前記エラストマー型からのマスター型の
   取り出しは、このエラストマー型に切り込みを入れるこ
   とで行ない、一方マスター型を取り出した後のエラスト
   マー型は再び前記切り込み面を接合することで一体化す
   ることを特徴とする請求項１記載の成形品の３次元形状
   成形方法。
3. 【請求項３】 前記エラストマー型のキャビティー内に
   成形素材を射出する際は、エラストマー型の周囲を型枠
   で保持すると共に冷却手段によって冷却することを特徴
   とする請求項１又は２記載の成形品の３次元形状成形方
   法。
4. 【請求項４】 前記エラストマー型のキャビティー内に
   成形素材を射出する際は、成形素材の導入によってエラ
   ストマー型に設けた通気孔とエラストマー型の周囲を保
   持する型枠に設けた脱気穴を介してキャビティー内の気
   体を排気するとともに、前記通気孔から脱気穴にまで導
   入した成形素材を脱気穴内で硬化させ閉塞させて成形素
   材の脱気穴からの射出を停止せしめることを特徴とする
   請求項３記載の成形品の３次元形状成形方法。
5. 【請求項５】 ３次元マスター型のネガ型をキャビティ
   ーとして形成したエラストマー材からなるエラストマー
   型と、 前記エラストマー型の周囲を囲んでこれを保持する型枠
   と、 前記型枠の外部から型枠内に保持したエラストマー型の
   キャビティー内に溶融した成形素材を射出成形する成形
   素材射出装置とを具備し、 前記エラストマー型を構成するエラストマー材の中にこ
   のエラストマー材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有す
   るフィラーを混合してエラストマー型の熱伝導率を高く
   すると共に、 前記型枠を冷却する冷却手段を設けることで、エラスト
   マー型のキャビティー内に射出された成形素材の熱をエ
   ラストマー型から型枠を介して冷却手段に放出せしめる
   ことを特徴とする成形品の３次元形状成形装置。