JP2015100999A - 鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体およびそれを用いて成形された鋳造用立体造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造型として用いられるのに適正な線熱膨張率を有する鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体および上記混合粉体から鋳造型として使用し得る適正な線熱膨張率を有する鋳造用立体造形物を提供する。【解決手段】半水石膏が１８〜７５重量％、無機粉体が１３〜７０重量％、水溶性ポリマーが１〜１０重量％および石膏硬化促進剤が５〜３０重量％の割合で混合される鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１から、たとえば３Ｄプリンターにより造型された鋳造型は、石膏硬化促進剤および保水性を有する水溶性ポリマーによって立体造形物構成時における十分な硬化反応速度および成形直後の変形が抑制される十分な強度が達成されるとともに、昇温により無機粉体が熱膨張することから、常温における線熱膨張率に対する６５０℃の線熱膨張率が１．０％乃至−１．０％の範囲となる。【選択図】図１

Description

本発明は鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体およびそれを用いて成形された鋳造用立体造形物に関する。

従来、立体造形物を構成するための混合粉体と造形液とを混合して、立体造形物を構成する技術が知られている。たとえば、３Ｄプリンターを用いた造形技術が挙げられる。３Ｄプリンターの成形法の一つは、載置台に均一に広げられた立体造形物を構成する材料にインクジェットヘッドなどによって造形液が所定の範囲に滴下されることによって所定の範囲のみが固化された固化物の層が得られ、この固化物の層が積層されることにより所望形状の立体造形物が成形されるというものである。成形される具体的な立体造形物としては、デザイン・プロトタイプ、建築モデル、地形図、観賞用フィギュア、医療用モデル、工業用モデルなどが挙げられ、その用途は多岐に渡っている。その中には、鋳造物を得るための鋳造型として用いられる鋳造用立体造形物も含まれる。

ところで、３Ｄプリンターで成形される立体造形物の性質は、使用される材料に依存する部分が大きいことから、用途に応じた機能を発揮し得る材料、たとえば複数の粉体材料が混合された混合粉体、が開発されている。上述の鋳造用分野においても例外ではなく、加水されると速やかに硬化して石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）となる性質を有する半水石膏（ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）が成分として含まれる粉体材料が提案されている。特許文献１乃至３に記載の粉体材料がそれである。

特許文献１には、熱可塑性樹脂とポリビニルアルコールや半水石膏などが含まれる接着粒子材料と充填剤などから成る混合粉体が提案されている。特許文献２には、不活性セラミックとして半水石膏が含まれる乾燥微粒子材料とポリビニルアルコールなどの接着剤とモノマー、開始剤、潤滑剤および流量増加剤が含まれる液体などから成る材料が提案されている。特許文献３には、半水石膏が含まれるカルシウム系物質とカルシウム系物質を１００重量部とした場合、２〜８重量部のポリビニルアルコール樹脂と、０．１〜５重量部の硬化促進剤とから成る混合粉体が提案されている。

特表２００７−５０２７１３号公報 特許第４６２４６２６号公報 国際公開第２００７／１２２８０４号

しかしながら、上記特許文献１および２に記載の粉体材料では、混合される材料によっては、重合反応などの複雑な反応により硬化が行われて立体造形物が構成されることになるため、硬化速度が十分ではなく、またそれにより、３Ｄプリンターにより成形された直後の立体造形物の強度が十分ではない場合があるという問題があった。また、混合される材料によっては、粉体材料自体が非常に高価なものとなってしまうという問題があった。

また、上記特許文献３に記載の粉体材料においても、ポリマー、硬化促進剤が含まれているが、依然として硬化反応速度が十分ではなく、そのため３Ｄプリンターにより成形された直後の立体造形物は十分な強度を有していないという問題があった。

ここで、鋳造、殊に、たとえば自動車などのタイヤを製造するためのアルミ製成形型を製造する金属鋳造において、鋳造型として石膏を主成分とした立体造形物が用いられる場合には、鋳造に際してアルミニウムの溶湯が流し込まれることに伴い立体造形物も数１００〜７００℃程度にまで昇温させられるため、主成分である石膏の結晶水が喪失されることにより立体造形物は熱収縮を引き起こす。したがって、これにより得られるアルミ型鋳造物は立体造形物の収縮分だけ所望の形状よりも小さいものとなるといった不都合や、それに伴う型割れによるバリなどが発生するといった問題が生じる。上記特許文献１ないし３に記載の粉体材料においても、３Ｄプリンターにより成形される立体造形物は主成分が石膏であることから、立体造形物がそのまま鋳造に用いられる場合には立体造形物の収縮により上記鋳造物の寸法精度が得られないという問題があった。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、立体造形物構成時において十分な硬化反応速度および成形直後の十分な強度を有し且つ立体造形物が鋳造型として用いられるのに適正な線熱膨張率を有する鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体を提供することにある。

本発明者等は、上記事情を背景とし、立体造形物構成時において十分な硬化反応速度および成形直後の十分な強度を有し且つ構成される立体造形物が鋳造型として用いられるのに適正な線熱膨張率を有する鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体を得るべく、種々検討を行った結果、加熱により熱膨張する無機粉体が所定の割合で石膏に混ぜられた混合粉体から構成される鋳造用立体造形物は、鋳造時において昇温させられてもその線熱膨張は所定の範囲内に抑えられるということを見出した。これは、昇温させられることによる石膏の熱収縮が無機粉体の熱膨張によって調節されることに起因し、結果として構成された立体造形物において適正な線熱膨張率が得られると考えられる。

すなわち、請求項１に係る発明の要旨とするところは、半水石膏、無機粉体、水溶性ポリマー、石膏硬化促進剤を含む鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体であって、前記半水石膏が１８〜７５重量％、前記無機粉体が１３〜７０重量％、前記水溶性ポリマーが１〜１０重量％、前記石膏硬化促進剤が５〜３０重量％であることを特徴とする鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体にある。

また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、前記無機粉体は、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシアの少なくとも１つを含む金属酸化物、無機窒化物、無機炭化物、リン酸塩のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする前記請求項１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体にある。

また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、前記石膏硬化促進剤は、二水石膏、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物塩、アルカリ土類金属塩化物塩、無機酸のアンモニウム塩、ミョウバン類から選ばれた１種または２種以上から成るものであることを特徴とする前記請求項１または２の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体にある。

また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、前記混合粉体は、層状に充填された該混合粉体の少なくとも一部が水を溶媒とする造形液によって固化された固化層を順次積層することにより前記立体造形物を成形することを特徴とする前記請求項１乃至３の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体にある。

また、請求項５に係る発明の要旨とするところは、４６°以下の安息角を有するものである前記請求項１乃至４のいずれか１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体にある。

また、請求項６に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至５のいずれか１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体と水を溶媒とする造形液との硬化反応により生成された固化層が順次積層されることによって成形された鋳造用立体造形物にある。

また、請求項７に係る発明の要旨とするところは、６５０℃における線熱膨張率が常温における線熱膨張率に対して、１．０％乃至−１．０％の範囲内である前記請求項６の鋳造用立体造形物にある。

請求項１に係る鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体によれば、半水石膏が１８〜７５重量％、無機粉体が１３〜７０重量％、水溶性ポリマーが１〜１０重量％および石膏硬化促進剤が５〜３０重量％の割合で混合されている。そのため、石膏硬化促進剤および保水性を有する水溶性ポリマーによって立体造形物構成時における十分な硬化反応速度および成形直後の変形が抑制される十分な強度が達成されるとともに、昇温により無機粉体が熱膨張することから、構成される立体造形物が鋳造型として用いられるのに適正な線熱膨張率を有する鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体を提供することができる。

請求項２に係る鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体によれば、前記請求項１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体において、前記無機粉体は、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシアの少なくとも１つを含む金属酸化物、無機窒化物、無機炭化物、リン酸塩のうちの少なくとも一種を含むものであり、耐火物が混合されることになることから、鋳造時の昇温にも対応できる耐火性を備えるとともに、鋳造型として用いられるのに適正な線熱膨張率を有する鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体を提供することができる。

請求項３に係る鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体によれば、前記請求項１または２の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体において、前記石膏硬化促進剤は、二水石膏、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物塩、アルカリ土類金属塩化物塩、無機酸のアンモニウム塩、ミョウバン類から選ばれた１種または２種以上から成るものであるため、実用的且つ安価な材料によって成されることから、コストが安価な鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体を提供することができる。

請求項４に係る鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体によれば、前記請求項１乃至３の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体において、前記混合粉体は層状に充填された該混合粉体の少なくとも一部が水を溶媒とする造形液によって固化された固化層を順次積層することにより前記立体造形物を成形するものであるため、３Ｄプリンターに好適に用いられる鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体を提供することができる。

請求項５に係る鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体によれば、前記請求項１乃至４の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体において、安息角が４６°以下であり、混合粉体の転がりが良好であるため、３Ｄプリンターにおける載置台に均一に充填され得ることから、充填層の円滑性が損なわれて充填時のかすれが発生するなどの問題が防がれる。そのため、３Ｄプリンターに好適に用いられる鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体を提供することができる。

請求項６に係る鋳造用立体造形物によれば、前記請求項１乃至５のいずれか１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体と水を溶媒とする造形液との硬化反応により生成された固化層が順次積層されることによって成形されるものであることから、上記混合粉体から３Ｄプリンターにより成形され、鋳造型として使用し得る適正な線熱膨張率を有する鋳造用立体造形物を提供することができる。

請求項７に係る鋳造用立体造形物によれば、前記請求項６の鋳造用立体造形物において、６５０℃における線熱膨張率が常温における線熱膨張率に対して、１．０％乃至−１．０％の範囲内であるため、前記混合粉体から３Ｄプリンターにより成形され、より精巧な鋳造物を得るための鋳造型として使用することが可能な鋳造用立体造形物を提供することができる。

ここで、好適には、前記無機粉体は前記混合粉体中、１３〜７０重量％の割合で含まれるように混合される。このようにすれば、前記混合粉体から構成される前記鋳造用立体造形物の線熱膨張率を適正化することができる。前記混合粉体中の割合が１３重量％よりも小さいと石膏の熱収縮を調節するための熱膨張が不足し、上記線熱膨張率の適正化において十分な効果が得られず、逆に７０重量％よりも大きいと、前記水溶性ポリマーの割合にもよるが、硬化速度が遅くなる場合があるからである。

また、好適には、前記無機粉体は耐火物であり、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシアの少なくとも１つを含む金属酸化物、無機窒化物、無機炭化物およびリン酸塩が用いられる。より好適には、シリカ鉱物の一つであるクリストバライトが挙げられる。また、上記無機窒化物としては、たとえば、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素の少なくとも１つが用いられる。また、上記無機炭化物としては、炭化珪素、炭化ホウ素、炭化カルシウムなどが例示される。また、上記リン酸塩としては、リン酸カルシウム、リン酸アンモニウム、リン酸ナトリウムの少なくとも１つが用いられる。

また、好適には、前記水溶性ポリマーは、立体鋳造物の保水性を高めることにより加えられる水の量が多くても成形状態を保つことを目的とし、前記混合粉体中１〜１０重量％の割合で含まれるように混合される。上記混合粉体中の割合が１重量％よりも小さいと十分な保水効果が発揮されず立体造形物の成形直後の強度が不足し、逆に１０重量％よりも大きいと硬化速度が遅くなる場合があるからである。また、上記水溶性ポリマーとしては、アラビアゴム、ケルザン（キサンタンガムを成分とする天然高分子多糖類）などが好適に用いられる。

また、好適には、前記石膏硬化促進剤は硬化速度を促進することを目的として、前記混合粉体中、５〜３０重量％の割合で含まれるように混合される。上記混合粉体中の割合が５重量％より小さいと十分に硬化速度が向上されず、逆に３０重量％を超えて大きくされても実際上、それ以上の硬化速度の向上は望めないからである。また、上記石膏硬化促進剤としては、二水石膏、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物塩、アルカリ土類金属塩化物塩、無機酸のアンモニウム塩、ミョウバン類が好適に用いられる。

また、好適には、前記混合粉体は４６°以下の安息角を有するものである。上記安息角が４６°よりも大きいと充填層の円滑性が損なわれて充填時のかすれなどが発生し、３Ｄプリンターに好適に用いられることができない場合があるからである。上記混合粉体の安息角と各材料の安息角との関係は明確ではないが、半水石膏および無機粉体の安息角の影響が大きいのではないかと考えられ、また、一般に粉体の粒径が大きいほど安息角は小さくなることを鑑み、上記半水石膏の粒径が大きくされ、各材料の安息角が調整されることで、結果として４６°以下の安息角を有する上記混合粉体が得られる。

本発明の鋳造用立体造形物を構成する工程について説明する工程図である。 図１の工程で用いられる３Ｄプリンターの構成を概略的に示す図である。 図２の３Ｄプリンターによる鋳造用立体造形物の成形過程を説明する図である。 図１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体の安息角を測定する方法のうち粉体の層状充填工程を説明する図である。 図１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体の安息角を測定する方法のうち充填粉体の露出工程を説明する図である。 図１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体の安息角を測定する方法のうちの充填粉体露出工程を傾斜軸心方向から見た図である。 図１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体の安息角を測定する方法のうち層状粉体の傾斜工程を説明する図である。 図１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体の線熱膨張曲線である。

以下、鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体およびそれを用いて成形される鋳造用立体造形物が得られる工程の一例について図１を参照して説明する。

図１において、混合工程Ｐ１では、粉体材料である半水石膏、無機粉体、水溶性ポリマーおよび石膏硬化促進剤が、混合粉体中にそれぞれ１８〜７５重量％、１３〜７０重量％、１〜１０重量％、５〜３０重量％の範囲で含まれるように混合され、鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体が得られる。この際、上記粉体材料の混合される順番は問われない。

次に充填工程Ｐ２では、前記混合粉体が３Ｄプリンターなどの立体造形物成形装置の載置台に一定の厚みとなるように均一に広げられたのち、表面が刷り切られ余分な混合粉体が除去されて充填層が形成される。

次に硬化、積層工程Ｐ３では、鋳造用立体造形物の３Ｄデータなどに基づいて決定される充填された前記混合粉体のその水平方向における所定の範囲のみに、水を溶媒とする造形液が滴下される。これにより、上記造形液が滴下された所定の範囲のみにおける上記混合粉体中の半水石膏が速やかに石膏となり硬化されて、固化層が生成される。新たに生成された固化層は、直下の、すなわち、その直前に生成された固化層の上に積層される。

充填工程Ｐ２および硬化、積層工程Ｐ３が繰り返されることにより、上記固化層が積層されて鋳造用立体造形物が成形される。このようにして得られる上記鋳造用立体造形物は、所定の割合で硬化促進剤および水溶性ポリマーが前記混合粉体中に含まれて成形されるため、速やかに成形されるとともに、成形直後の変形が抑制される十分な強度を有している。また、上記鋳造用立体造形物は、所定の割合で無機粉体が含まれる上記混合粉体が水を溶媒とする造形液によって硬化され生成された前記固化層が順次積層されることにより成形されるため、６５０℃における線熱膨張率が常温における線熱膨張率に対して、１．０％乃至−１．０％の範囲内であることから、鋳造の際に鋳造型として好適に用いられる。

次に、図１の上記混合工程Ｐ１により得られた鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体が適用される３Ｄプリンターの構成、ならびに３Ｄプリンターによる上記充填工程Ｐ２および上記硬化、積層工程Ｐ３について、図２および図３を参照して詳細に説明する。図２は、本発明の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体が好適に用いられる３Ｄプリンター１２の構成の概略を示す図である。図２において、３Ｄプリンター１２は水平面を有するフレーム１４と、フレーム１４の水平面に対して鉛直方向且つ上側に位置固定で設けられた枠部１６と、フレーム１４の水平面に対して略平行な水平面を有し、上記水平面がフレーム１４の水平面に対して略平行な状態を保ちつつ接近あるいは離隔される方向、すなわちｚ軸方向に昇降可能となるように枠部１６に嵌められた載置台１８と、モータ２０を備え、モータ２０の駆動力により載置台１８を前記フレーム１４の水平面に対して接近あるいは離隔させる方向へ昇降させる載置台駆動機構２２と、載置台１８の水平面に対して略平行な方向、すなわちｘｙ平面に平行な方向に移動可能に設けられ、先端部から水を溶媒とする造形液を滴下するインクジェットヘッド２６と、インクジェットヘッド２６を載置台１８の水平面に対して略平行な方向に移動させるインクジェットヘッド駆動機構２８とを備える。

図３は３Ｄプリンター１２による鋳造用立体造形物３０の成形過程、すなわち前記充填工程Ｐ２および前記硬化、積層工程Ｐ３を詳細に説明する図である。図３において、鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１は半水石膏が１８〜７５重量％、無機粉体が１３〜７０重量％、水溶性ポリマーが１〜１０重量％、石膏硬化促進剤が５〜３０重量％の割合で混合されたものである。また、鋳造用立体造形物３０は、枠部１６の内側において、混合粉体３１が既に硬化されることにより生成された固化層３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｊ（以後、特に断らない限りは「固化層３２」とする）が積層されることにより成形されている。以後、固化層３２ｋ（図示されない）が積層され、鋳造用立体造形物３０が成形される過程を説明する。充填工程Ｐ２においては、始めに載置台１８が図中の白抜き矢印方向に固化層３２の厚みの分だけ下降させられる。次に、載置台１８の下降により生じた、すなわち固化層３２ｊの上面および、硬化されていない混合粉体３１の上面から成る見かけ上の表面と枠部１６とによって区画される空間に、新たに混合粉体３１が充填される。新たに充填された混合粉体３１の上面と枠部１４の鉛直方向上端部の表面とが略同一面となるように、たとえば円柱状のゴム器（図示されない）などにより、上記新たに充填された混合粉体３１の上面が擦り切られて余分な混合粉体３１が枠部１６の内側から除去される。ここで、混合粉体３１の安息角が４６°以下であれば、粉体の転がりが良好であるため、粉体が均一に広げられるとともに、円滑性が損なわれて充填時にかすれや引っかかりなどが生じることが防がれる。次に硬化、積層工程Ｐ３を説明する。上記充填された混合粉体３１の上面における予め定められた所定範囲にのみインクジェットヘッド２６から水を溶媒とする造形液３３が滴下される。混合粉体３１に含まれる半水石膏は造形液３３により石膏となることで硬化されるため、上記充填された混合粉体３１において造形液３３が滴下された上記所定の範囲においてのみ固化層３２ｋが生成され、固化層３２ｋが生成される直前に生成された固化層３２ｊの上面に積層される。以後、必要があれば載置台１８の下降以降の工程、すなわち充填工程Ｐ２および積層工程Ｐ３が繰り返されることにより、新たに生成される固化層３２が直前に生成された固化層３２の上面に順次積層されることで、最終的に鋳造用立体造形物３０が成形される。これにより、鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１と水を溶媒とする造形液３３との硬化反応により生成された固化層３２が順次積層されることによって成形された鋳造用立体造形物３０は、６５０℃における線熱膨張率が常温における線熱膨張率に対して、１．０％乃至−１．０％の範囲であるため、鋳造の際に鋳造型として好適に用いられる。

以下、本発明者が行った実験例１について、表１の実施例１〜１５および比較例１〜５に基づき詳細に説明する。

表１に記載の実施例１〜１５および比較例１〜５に記載の半水石膏、無機粉体、水溶性ポリマーおよび石膏硬化促進剤の各粉体に係る安息角および混合割合を満たすように、上記各粉体を調整、混合し、鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体を得た。なお、比較例１の混合粉体は主成分が半水石膏である３Ｄプリンターなどに用いられる市販品（３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社、ＺＰ１５０）であり、上記各粉体が混合されたものではなく、比較例２および３の混合粉体は無機粉体が混合されていない。次に、上記混合粉体の安息角、すなわち表１における総安息角を測定した。さらに、上記混合粉体が成形されて得られる各成形体の常温における線熱膨張率に対する６５０℃の線熱膨張率を求めた。

表１における総安息角の測定法について図４から図７を参照して説明する。図４において、粉体成形用ステンレス金型３４は、直方体状の形状を有し、上記直方体状の形状の鉛直方向に対向する二面を貫通する直方体状の貫通孔を有する外型３６と、上記貫通孔に鉛直方向に摺動可能に嵌挿された直方体状の内型３８とを備える。上記内型３８の鉛直方向上面と外型３６の貫通孔における鉛直方向上側端部にあたる開口部は１９．５ｍｍ×２３．５ｍｍの等しい長方形状を有し、同一面とされている。はじめに、上記内型３８が鉛直下方向にスライドガラス２枚分の厚さである２．６ｍｍ分だけ摺動され、１９．５ｍｍ×２３．５ｍｍ×２．６ｍｍの空間が生じさせられる。上記空間の全体に前記混合粉体（図４から図７において、無数の点で示される。）が層状に充填され、充填された上記混合粉体の表面と上記外型３６の鉛直方向上面とが同一面となるように、直径２２ｍｍの樹脂製丸棒４０によって擦り切られ、余分な上記混合粉体が除かれる。次に、上記内型３８に対して上記外型３６が鉛直下方向に完全に引き下げられて充填粉体が露出される（図５）。図６は、上記外型３６が完全に引き下げられた状態の粉体成形用ステンレス金型３４を上記外型３６の底面の４辺のうちの傾斜軸心に対応する一辺の方向から見た図である。上記粉体成形用ステンレス金型３４は上記外型３６の底面の傾斜軸心に対応する一辺が水平面に接した状態のままで次第に傾けられ、上記混合粉体が崩れたときの上記方向から見た上記水平面と上記粉体成形用ステンレス金型３４の底辺とが成す角度αが分度器（図示しない）で測定される（図７）。１回目の測定値はカウントされず、２回目から６回目における合計５回の測定値のうち最大値と最小値が除かれた３つの測定値における角度αの平均値が総安息角とされる。

また、表１における線熱膨張率は常温における線熱膨張率に対する６５０℃における線熱膨張率であり、以下のようにして求めた。まず、前記混合粉体８ｇに対して混水率が５０％となるように水４ｇを加え、ゴム器にて３０秒間ヘラ混合することにより混合体を得た。その後、上記混合体を直径１０ｍｍ×５０ｍｍのゴム蓋がされたゴム型に押し込み、４５分間経過時に、上記混合体から成形された成形体を上記ゴム型から脱型した。上記成形体を４５℃で２４時間乾燥した後、６５０℃まで昇温し、熱膨張計により常温における線熱膨張率に対する６５０℃の線熱膨張率（％）を測定した。

表１において、実施例１から実施例１５の混合粉体は、半水石膏が１８〜７５重量％、無機粉体が１３〜７０重量％、水溶性ポリマーが１〜１０重量％、石膏硬化促進剤が５〜３０重量％の割合で混合されており、その成形体の常温における線熱膨張率に対する６５０℃における線熱膨張率はいずれも１．０％乃至−１．０％の範囲内にあった。それに対して、市販品である比較例１、無機粉体が含まれない比較例２および３、無機粉体が１３重量％よりも少なく含まれる比較例４における混合粉体から成形される成形体の常温における線熱膨張率に対する６５０℃における線熱膨張率は、−１．０％よりも小さい値となった。また、無機粉体が７０重量％よりも多く含まれる比較例５における混合粉体から成形される成形体の常温における線熱膨張率に対する６５０℃における線熱膨張率は、１．０％よりも大きい値となった。

また、表１において、実施例１４および比較例２における混合粉体は、安息角の大きい半水石膏、無機粉体および水溶性ポリマーが混合されており（比較例２は、無機粉体は混合されていない）、その総安息角も４６°よりも大きくなっている。また、総安息角が４６°よりも大きいことからカスレやひっかかりがあるとの成形評価結果が得られた。

次に、本発明者が行った実験例２について説明する。表２に記載の割合で、α半水石膏、耐火物である珪砂、クリストバライト、水溶性ポリマーとして増粘多糖類、石膏硬化促進剤として二水石膏を混合し、混合粉体を得た。なお、表２中の比較例１は実験例１で用いられた市販品と同じ混合粉体である。得られた混合粉体から実験例１の熱膨張率測定と同様の方法で成形体を得た。得られた成形体を常温から７５０℃程度まで昇温させ、その間の線熱膨張率を熱膨張計で測定した。

図８は、表２の実施例１６、実施例１７および比較例１の線熱膨張曲線を示すグラフである。図８において、右縦軸は成形体温度（℃）、左縦軸は成形体の線熱膨張率（％）、横軸は昇温開始からの経過時間（分）である。また、図８において、成形体温度は破線、実施例１６の線熱膨張率は一点鎖線、実施例１７の線熱膨張率は実線、比較例１の線熱膨張率は二点鎖線でそれぞれ示されている。実施例１６および実施例１７の混合粉体から成形される成形体は、６５０℃まで昇温させられても、常温の線熱膨張率に対しての６５０℃の線熱膨張率は１．０％乃至−１．０％の範囲であった。殊に、クリストバライトが含まれる実施例１７においては、常温の線熱膨張率に対する７５０℃の線熱膨張率も１．０％乃至−１．０％の範囲であった。これは、シリカ鉱物の一種であるクリストバライトの結晶構造が密であるために、熱膨張しやすいことから、線熱膨張率がより適正化されることに起因すると考えられる。それに対して、比較例１における常温の線熱膨張率に対する６５０℃の線熱膨張率は−１．０％よりも小さかった。

上述のように、本実施例の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１によれば、半水石膏が１８〜７５重量％、無機粉体が１３〜７０重量％、水溶性ポリマーが１〜１０重量％および石膏硬化促進剤が５〜３０重量％の割合で混合されている。そのため、石膏硬化促進剤および保水性を有する水溶性ポリマーによって立体造形物構成時における十分な硬化反応速度および成形直後の変形が抑制される十分な強度が達成されるとともに、昇温により無機粉体が熱膨張することから、常温における線熱膨張率に対する６５０℃の線熱膨張率が１．０％乃至−１．０％の範囲となる。これにより、構成される鋳造用立体造形物３０が鋳造型として用いられるのに適正な線熱膨張率を有する鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１を提供することができる。

また、本実施例の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１によれば、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシアの少なくとも１つを含む金属酸化物、無機窒化物、無機炭化物、リン酸塩のうちの少なくとも一種を含む無機粉体が含まれる場合には、昇温により熱膨張される耐火物が混合されることになることから、鋳造時の昇温にも対応できる耐火性を備えるともに、常温における線熱膨張率に対する６５０℃における線熱膨張率が１．０％乃至−１．０％の範囲である鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１を提供することができる。

また、本実施例の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１によれば、二水石膏、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物塩、アルカリ土類金属塩化物塩、無機酸のアンモニウム塩、ミョウバン類から選ばれた１種または２種以上から成る石膏硬化促進剤が含まれる場合には、実用的且つ安価な材料によって成されるため、コストが安価な鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１を提供することができる。

また、本実施例の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１によれば、鋳造用立体造形物を構成する混合粉体３１は層状に充填された混合粉体の少なくとも一部が水を溶媒とする造形液３３によって固化された固化層３２を順次積層することにより鋳造用立体造形物３０を成形するものであるため、３Ｄプリンター１２に好適に用いられる鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１を提供することができる。

また、本実施例の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１によれば、総安息角が４６°以下であり、混合粉体の転がりが良好であるため、３Ｄプリンター１２における載置台１８に混合粉体が均一に広げられるとともに、円滑性が損なわれて充填時にかすれや引っかかりなどが生じることが防がれる。これにより成形される鋳造用立体造形物３０はより精巧なものとなることから、３Ｄプリンター１２に好適に用いられる鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１を提供することができる。

また、本実施例の鋳造用立体造形物３０によれば、鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１と水を溶媒とする造形液３３との硬化反応により生成された固化層３２が順次積層されることによって成形されるものであることから、鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１から３Ｄプリンター１２により成形され、鋳造型として使用し得る線熱膨張率を有する鋳造用立体造形物３０を提供することができる。

また、本実施例の鋳造用立体造形物３０によれば、６５０℃における線熱膨張率が常温における線熱膨張率に対して、１．０％乃至−１．０％の範囲内であるため、鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体３１から３Ｄプリンター１２により成形され、より精巧な鋳造物を得るための鋳造型として使用することが可能な鋳造用立体造形物３０を提供することができる。

以上、本発明を表及び図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。

３０：鋳造用立体造形物
３１：鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体
３２：固化層
３３：造形液

Claims (7)

1. 半水石膏、無機粉体、水溶性ポリマー、石膏硬化促進剤を含む鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体であって、
   前記半水石膏が１８〜７５重量％、前記無機粉体が１３〜７０重量％、前記水溶性ポリマーが１〜１０重量％、前記石膏硬化促進剤が５〜３０重量％であることを特徴とする鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体。
2. 前記無機粉体は、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシアの少なくとも1つを含む金属酸化物、無機窒化物、無機炭化物、リン酸塩のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体。
3. 前記石膏硬化促進剤は、二水石膏、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物塩、アルカリ土類金属塩化物塩、無機酸のアンモニウム塩、ミョウバン類から選ばれた１種または２種以上から成るものであることを特徴とする請求項１または２の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体。
4. 前記混合粉体は、層状に充填された該混合粉体の少なくとも一部が水を溶媒とする造形液によって固化された固化層を順次積層することにより前記立体造形物を成形することを特徴とする請求項１乃至３の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体。
5. ４６°以下の安息角を有するものである請求項１乃至４のいずれか１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体。
6. 前記請求項１乃至５のいずれか１の鋳造用立体造形物を構成するための混合粉体と水を溶媒とする造形液との硬化反応により生成された固化層が順次積層されることによって成形された鋳造用立体造形物。
7. ６５０℃における線熱膨張率が常温における線熱膨張率に対して、１．０％乃至−１．０％の範囲内である請求項６の鋳造用立体造形物。

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