JP2020156655A

JP2020156655A - ワックス模型の作製方法

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Publication number: JP2020156655A
Application number: JP2019057867A
Authority: JP
Inventors: 善永林; Yoshinaga Hayashi; 典一神藤; Norikazu Shindo; 和博宮川; Kazuhiro Miyagawa; 利安小松; Toshiyasu Komatsu; 直子有泉; Naoko Ariizumi
Original assignee: Yamanashi Prefecture
Current assignee: Yamanashi Prefecture
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: JP7309143B2

Abstract

【課題】鋳型が薄いコーティング層によって形成される場合であっても、ワックスを脱ろうさせる際に鋳型の割れを防ぐことができるワックス模型の作製方法を提供することである。【解決手段】原型を作るためのゴム型のキャビティ内に、溶融した第１のワックスを注入することにより、原型のワックス模型を作製する方法において、前記ゴム型のキャビティの内壁面に、前記第１のワックスより融点が低い第２のワックスを、前記溶融した第１のワックスの注入前に塗布するワックス模型の作製方法。【選択図】なし

Description

本発明は、ワックス模型の作製方法に係り、特にロストワックス法を用いて指輪や耳飾りなどの装身具を製造する場合に有用なワックス模型の作製方法に関する。

指輪や耳飾りなど装身具の製造法として広く用いられているロストワックス法は、装身具と同じ大きさ及び形状の原型をワックス模型で作り、このワックス模型に基づいて作った鋳型の中に溶融した貴金属材料を流し込んで装身具を製造するものである。

一般に装身具は、ロストワックス法の一種であるいわゆるソリッドモールド法と呼ばれている方法で製造されることが多い。この方法は、ツリー状に組み立てたワックス模型の周囲に石膏を流し込んで耐火物の鋳型を作り、鋳型を加熱してその中に埋没させたワックス模型を脱ろうさせたのち、鋳型の空洞内に溶融した貴金属材料を流し込み、貴金属材料を固めたのち鋳型を除去してワックス模型と同一形状の製品を製造するものである。ところが、このソリッドモールド法では、製品の形状によっては、製品形状を成す空洞内の貴金属材料が完全に凝固する前に、湯道に残された貴金属材料が完全に凝固してしまうことがあり、そうした場合は製品に巣が生じるといった問題があった。

上記の問題を解決する手段としては、例えば、鋳型に設けられる湯道を太くし、湯道に残された貴金属材料の凝固を遅らせるなどの対策が考えられる。しかしながら、湯道を太くしてしまうと、湯道に残された貴金属材料のロスが大きくなってしまう他、鋳造後にツリーから個々の製品を切り離す際に貴金属の切断加工がやっかいになり、切り離した後の製品の仕上げが煩雑になるといった問題があった。

そこで、本願の発明者は、従来のソリッドモールド法に代えて、ロストワックス法の一種であるいわゆるセラミックシェルモールド法による装身具の鋳造を試みた。この鋳造法は、ツリー状に組み立てたワックス模型に耐火物の被覆と乾燥を複数回繰り返して薄いコーティング層を形成し、内部のワックスを脱ろうさせたのち、焼成することで鋳型に強度を与えるものである。この鋳造法はソリッドモールド法と比較して、鋳込み金属の凝固速度を部分的にコントロールできるというメリットがある。

上述したように、いわゆるセラミックシェルモールド法で装身具を鋳造する場合は、鋳込み金属の凝固速度を部分的にコントロールできるため、指向性凝固させやすくなるメリットがある。指向性凝固ができれば、上述の巣の発生を抑えることができる。単に湯道を太くするという手法と比較すると、湯道に残された貴金属材料のロスも少なく、また、ツリーから個々の製品を切り離す際の切断加工も容易となるメリットがある。しかしながら、この鋳造法では鋳型が薄いコーティング層によって形成されているため、ワックスを脱ろうさせる際に鋳型内でのワックスの膨張により鋳型が割れるおそれがあった。

そこで、本願発明は、鋳型が薄いコーティング層によって形成される場合であっても、ワックスを脱ろうさせる際に鋳型の割れを防ぐことができるワックス模型の作製方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係るワックス模型の作製方法は、原型を作るためのゴム型のキャビティ内に、溶融した第１のワックスを注入することにより、原型のワックス模型を作製する方法において、前記ゴム型のキャビティの内壁面に、前記第１のワックスより融点が低い第２のワックスを、前記溶融した第１のワックスの注入前に塗布しておく。なお、本発明における融点とは、DSC（示差走査熱量測定）における吸熱ピーク温度と定義される。

本発明に係るワックス模型の作製方法によれば、ゴム型のキャビティの内壁面に、第１のワックスより融点が低い第２のワックスを第１にワックスを注入する前に塗布しておくので、ゴム型のキャビティ内に注入した第１のワックスの表面に第２のワックスがコーティングされたワックス模型が作製される。そして、このワックス模型を鋳型から脱ろうする際には、第２のワックスが第１のワックスよりも先に溶融して鋳型壁面に浸透可能な状態となる。そのため、第１のワックスが熱膨張する際には第２のワックスが鋳型の壁面を浸透することで、第１のワックスの熱膨張時での鋳型壁面への負荷が軽減され、脱ろう時における鋳型の亀裂を効果的に抑えることができる。

ワックス模型を作製するためのゴム型の斜視図である。ゴム型の上型と下型を一体にした時の断面図である。ゴム型によって作製されたワックス模型の斜視図である。図３のIV−IV断面図である。セラミックシェルモールド法を用いて装身具を製造する場合の工程図である。各工程における説明図である。シェル鋳型の断面を模式的に示した図である。

以下、本発明に係るワックス模型の作製方法について、その実施形態を詳細に説明する。なお、図面は、本発明のワックス模型の作製方法に用いるゴム型及びワックス模型などを模式的に表したものである。これらの実物の寸法は、図面上の寸法と必ずしも一致していない。また、重複説明は適宜省略させることがあり、同一部材には同一符号を付与することがある。また、本発明の技術的範囲は以下で説明する各実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。本発明のワックス模型の作製方法は、特にセラミックシェルモールド法によって指輪や耳飾りなど装身具を製造する際に適している。

本発明のワックス模型の作製方法は、原型を作るためのゴム型内に、溶融した第１のワックスを注入することにより原型のワックス模型を作製する際に、前記第１のワックスより融点が低い第２のワックスを前記ゴム型のキャビティの内壁面に塗布しておき、そのあとにゴム型のキャビティ内に第１のワックスを注入する。ゴム型から取り出されるワックス模型は、第１のワックスにより形成される中実部と、この中実部の表面に第２のワックスにより形成されるコーティング層とからなる。

本発明の作製方法では、第１のワックスより融点が低い第２のワックスを前記ゴム型のキャビティの内壁面に塗布する工程を備える。この塗布工程は第１のワックスをゴム型のキャビティ内に注入する注入工程より前に行われる。キャビティの内壁面に塗布された第２のワックスが固化し始めた状態のときに第１のワックスをキャビティ内に注入することによって、第１のワックスと第２のワックスとが一体となり、第１のワックスからなる中実部の表面に第２のワックスからなるコーティング層が形成されたワックス模型が得られることになる。

上記のワックス模型を得るために、第２のワックスは第１のワックスより融点が低いものが選択される。第２のワックスの融点は、第１のワックスの融点をX℃としたとき、式４０≦Y≦X―２を満たす温度Y℃であることが望ましい。第１のワックスの表面に第２のワックスがコーティングされたワックス模型をシェル鋳型から脱ろうさせる際に、先ず融点の低い第２のワックスを溶融させ、次に第１のワックスを溶融させるためである。２℃以上の融点の違いがあれば、効果を得るための温度差としては十分である。一方、融点が低すぎると、作業者がワックス模型を取り扱う際に軟化してしまうおそれがあるため、融点は４０℃以上が望ましい。第１のワックスと第２のワックスの組み合わせは、特定のワックスに限定されないのは勿論である。例えば、第１のワックスとして融点５８．５℃のFreeman製のターコイズ（製品名）と、第２のワックスとして融点５５．３℃の信和産業製の１９２４Ｍ（製品名）との組み合わせ、融点６２．１℃のFerris製の１５８２ブルー（製品名）と、融点６０．１℃のFreeman製のフィリグリーピンクフレーク（製品名）との組み合わせなどが適用される。

また、第２のワックスが塗布されるゴム型の内壁面は、一例では互いに対向する第１内壁面と第２内壁面とを有する。第２のワックスは、前記第１内壁面及び第２内壁面の少なくとも一方の内壁面に塗布される。ワックス模型を作製するためのゴム型は、例えば、図１及び図２に示されるように、ゴム型１の内部に溶融ワックスを導き入れる注入口２と、溶融ワックスが充てんされるリング状のキャビティ３と、注入口２からキャビティ３内に溶融ワックスを導く湯道４が設けられている。この実施形態において、ゴム型１は上下二つに分かれた上型１ａと下型１ｂとからなり、上型１ａ及び下型１ｂのそれぞれが断面半円形状のキャビティ部を有する。上型１ａのキャビティ部３ａの内周面には湾曲状の第１内壁面３ａ’が形成され、下型１ｂのキャビティ部３ｂの内周面にも同様の湾曲状の第２内壁面３ｂ’が形成されている。本発明では、前記第１内壁面３ａ’及び第２内壁面３ｂ’の少なくとも一方に第２のワックスが塗布されている。なお、前記ゴム型１は、この実施形態のように、上型１ａと下型１ｂとが分離されたものに限られることなく、例えばゴム型１のキャビティ３内で固化したワックス模型を、ゴム型１から取り出すための切り込みが設けられた上下一体型のものであってもよい。

前記第２のワックスは、前記第１内壁面３ａ’及び第２内壁面３ｂ’の少なくとも一方の内壁面の全体に塗布されるのが望ましい。第２のワックスが第１内壁面３ａ’に塗布されている場合には、上型１ａ側のキャビティ部３ａ側に充てんされている第１のワックスの片側面に第２のワックスの層が形成され、逆に第２のワックスが第２内壁面３ｂ’に塗布されている場合には、下型１ｂ側のキャビティ部３ｂ側に充てんされている第１のワックスの片側面に第２のワックスの層が形成される。このように、少なくとも第１のワックスの片側面の全体に第２のワックスの層が形成され、図３及び図４に示されるように、上記ゴム型１で作製されたワックス模型５は、第１のワックスによって形成される中実体６と、この中実体６の少なくとも片側面に第２のワックスによって形成されるコーティング層７とを備えている。

また、本発明では前記第２のワックスの内壁面への塗布量は、第１のワックスの注入量と第２のワックスの塗布量との合計の約１５ｗｔ％以上であって、５０ｗｔ％未満であることが望ましい。塗布量が少ないと第２のワックスによるコーティング効果が十分に発揮されないからである。すなわち、シェル鋳型からワックス模型を脱ろうさせる際には、融点の低い第２のワックスが第１のワックスより先に溶融して鋳型壁面に浸透可能な状態となる。浸透による鋳型壁面への負荷軽減の効果を十分に確保するためにも、第２のワックスによるコーティング層６の厚みはある程度必要となる。一方、第２のワックスの内壁面への塗布量が５０ｗｔ％以上あると、第２のワックスの膨張による鋳型壁面への負荷が増し、脱ろう時に鋳型を割るおそれがある。

この実施形態に係るワックス模型５は、図３及び図４に示されるように、全体がリング状に形成されている。また、ワックス模型５にはゴム型１の湯道４に残ったワックスが固まってできたワックス柱８が一体に形成されている。上述したように、ワックス模型５は、第１のワックスによって形成される中実体６と、第２のワックスによって形成されるコーティング層７とを備え、コーティング層７が中実体６の表面の片側面又は両側面を被覆している。図３には前記中実体６の片側面をコーティング層７が被覆しているワックス模型５が示されている。

ゴム型１によって作製されたワックス模型５は、セラミックシェルモールド法を用いて指輪や耳飾りなどの装身具を製造する場合に有用となる。一例として、セラミックシェルモールド法を用いた製造方法を図５の工程図及び図６の工程説明図に基づいて説明する。なお、図６の工程説明図は、工程３，４，６，７のみを模式的に示したものである。

工程１では、図１及び図２に示したように、ゴム型１のキャビティ３の内壁面に第２のワックスを塗布する。第２のワックスを塗布する手段としては、例えば液状の第２のワックスを刷毛などで内壁面に直接付着させ、又はスプレーガンなどで内壁面に吹き付けてもよい。あるいは、液状の第２のワックスの中にゴム型を浸漬し、引き上げることで付着させてもよい。第２のワックスは、キャビティ３の全内壁面を構成する第１内壁面３ａ’及び第２内壁面３ｂ’又はワックス模型の片側面に対応する第１内壁面３ａ’又は第２内壁面３ｂ’の内壁面に塗布される。

工程２では、予めキャビティ３の内壁面に第２のワックスが塗布されたゴム型１に第１のワックスを注入して、製品原型と同一形状のワックス模型５を作製する。第１のワックスは溶融状態でゴム型１の注入口２からキャビティ３内に注入され、キャビティ３内に充てんされたのち、時間の経過と共に固化が始まる。キャビティ３内で第１のワックスが固化することで、第１のワックスと第２のワックスとが一体となったワックス模型５が形成される。このワックス模型５は、図３及び図４に示したように、第１のワックスによって形成されたリング状の中実体６と、この中実体６の表面を被覆する第２のワックスによって形成されたコーティング層７とからなるものである。

工程３では前記中実体６とコーティング層７とからなるワックス模型５をツリー状に組み立てワックスツリー９を作製する。工程４では前記ワックスツリー９をフィラーとバインダーとからなるスラリー中に浸漬するディッピングと、スタッコをワックスツリー９に振り掛けることにより、ワックスツリー９の表面にスタッコを付着させるスタッコイングと、乾燥とを複数回繰り返し、ワックスツリー９の表面に薄いシェル層１０をコーティングする。

工程５でシェル層１０を乾燥させる。この乾燥工程では、シェル層１０を自然乾燥又は真空乾燥などによって乾燥させることができる。シェル層１０を十分に乾燥させてシェル鋳型１１としたのち、工程６でシェル鋳型１１からワックスを脱ろうさせ、焼成する。脱ろう工程では、シェル鋳型１１を加熱することで内部のワックスを溶融させ、溶融したワックスをシェル鋳型１１から流し出してシェル鋳型１１内に製品原型と同一形状の空洞部１２を残す。

上記脱ろう工程においては、シェル鋳型１１が加熱されることで内部のワックス模型５が徐々に溶融するが、シェル層１０に近く且つ融点の低いコーティング層７の方が中実体６より先に溶融して、シェル層１０に浸透可能な状態となる。そのために、中実体６が溶融して外側に向かって膨張する際に、コーティング層７がシェル層１０の内部に浸透することができる。その結果、脱ろう時のワックスの膨張に伴うシェル層１０への負荷が緩和されることになり、シェル層１０の亀裂を効果的に防ぐことができる。

工程７では、ワックスの脱ろうと焼成が完了したシェル鋳型１１の湯口１１ａから溶融した貴金属材料１３が流し込まれる。貴金属材料１３は、湯道１１ｂを通って各空洞部１２に導かれる。図７に示されるように、シェル鋳型１１は、空洞部１２を形成する外側のシェル層１０の厚みが薄く形成されている一方、湯道１１ｂ付近の内側のシェル層１０ａが外側に比べて厚く形成されている。そのため、空洞部１２内の貴金属材料１３は急冷される一方、湯道１１ｂ付近では貴金属材料１３が空洞部１２に比べて徐冷されることになる。その結果、製品側と湯道側とで温度勾配ができ、製品側が先に凝固してから湯道側が凝固する指向性凝固となって、結果的に製品としての貴金属には巣が生じにくくなる。

工程８では、シェル鋳型１１が冷えてからシェル層１０をハンマーなどで除去し、ツリーから各貴金属の固体物を切り落とす。各固体物の表面を磨きバリを落とすなどして仕上げ、製品として完成させる。

実施例I
上記のゴム型を用いてリング状のワックス模型を作製し、上記のセラミックシェルモールド法を用いて作製したシェル鋳型からワックスを脱ろうさせた。ここで、シェル鋳型の作製は、次のように行った。まず、コロイダルシリカ（日産化学製スノーテックス３０）と純水を２：１の体積比で混合した液を１Ｌ用意した。そこに＃３５０のジルコンフラワー４ｋｇを入れて１８時間撹拌した後、ザーンカップＮｏ．４での測定値が４８秒となるように、＃３５０のジルコンフラワー又は前述の混合液を適宜追加して粘度を調整し、第１層用のスラリーを作製した。さらに、＃２００のジルコンフラワーを用いることと、ザーンカップＮｏ．４の測定値を３８秒とすること以外は同様の手順で、第２層以降用のスラリーを作製した。そして、ワックス模型に界面活性剤（ＧＣ製シュールミスト）を噴霧し、第１層用スラリーにディッピングし、メジアン径１０３μｍのジルコンサンドをスタッコイングし、２時間乾燥させ、１回目のコーティングを完了した。その後、第２層以降用スラリーにディッピングし、前述のジルコンサンドをスタッコイングし、２時間乾燥させ、２回目のコーティングを完了した。その後、第２層以降用スラリーにディッピングし、粒径０．３〜０．７ｍｍのムライトサンドをスタッコイングし、２時間乾燥させて３回目のコーティングを完了した。その後、同様の手順で、４回目のコーティングを完了した。その後、第２層以降用スラリーにディッピングし、粒径０．７〜１．０ｍｍのムライトサンドをスタッコイングし、２時間乾燥させて５回目のコーティングを完了した。その後、同様の手順で、６回目のコーティングを完了した。その後、１８時間乾燥させてシェル鋳型の作製を完了した。脱ろうは、３００℃の電気炉の中で３０分間加熱することによって行った。

ワックス模型は、第１のワックスからなる中実体と、その表面を被覆する第２のワックスからなるコーティング層とで形成されている。この実施例Iでは、第１のワックスと第２のワックスとの融点の差と、シェル鋳型からワックスを脱ろうさせた時のシェル鋳型の亀裂の有無との関係について調べた。第２のワックスをゴム型のキャビティの第１内壁面及び第２内壁面の全面に塗布した。また、第２のワックスの塗布量は、第１のワックスの注入量も含めた全体量の約３０ｗｔ％であり、第１内壁面及び第２内壁面にそれぞれ１５ｗｔ％ずつを塗布した。実施例１で使用した第１のワックスは、融点５８．５℃のFreeman製のターコイズ（製品名）であり、使用した第２のワックスは、第１のワックスより融点が３．２℃低い、融点５５．３℃の信和産業製の１９２４M（製品名）である。また、実施例２で使用した第１のワックスは、融点６２．１℃のFerris製の１５８２ブルー（製品名）であり、使用した第２のワックスは、第１のワックスより融点が２．０℃低い、融点６０．１℃のFreeman製のフィリグリーピンクフレーク（製品名）である。

上記実施例Iの結果を比較例と共に表１に示す。比較例１で使用した第１のワックスは、実施例２と同様、融点６２．１℃のFerris製の１５８２ブルー（製品名）であり、使用した第２のワックスは、第１のワックスより融点が１．２℃低い、融点６０．９℃のFerris製の１７３７アクア（製品名）である。

上記表１に示されるように、第１のワックスの融点より第２のワックスの融点が２℃以上低い実施例１，２では、ワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型には亀裂が認められなかった。これに対して、第１のワックスとの融点差が１．２℃しかない比較例１では、ワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型に亀裂が認められた。

実施例II
ワックス模型の作製方法、シェル鋳型の作製方法及びシェル鋳型からワックスを脱ろうさせる方法は、前記実施例Iと同様である。また、使用したワックスの組み合わせも、前記実施例１と同様である。この実施例IIでは、第２のワックスの塗布量と、シェル鋳型の亀裂の有無との関係について調べた。第２のワックスの塗布量を、第１のワックスの注入量も含めた全体量の１５ｗｔ％、２０ｗｔ％、３０ｗｔ％、４０ｗｔ％とした。

上記実施例IIの結果を比較例と共に表２に示す。比較例では、第２のワックスの塗布量を、第１のワックスの注入量も含めた全体量の５ｗｔ％、１０ｗｔ％、５０ｗｔ％、６０ｗｔ％とした。

上記表２に示されるように、第２のワックスの塗布量が１５ｗｔ％〜４０ｗｔ％の範囲にある実施例３〜６では、ワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型には亀裂が認められなかった。これに対して、第２のワックスの塗布量が実施例より少ない比較例２，３及び第２のワックスの塗布量が実施例より多い比較例４，５ではワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型に亀裂が認められた。

実施例III
ワックス模型の作製方法およびシェル鋳型からワックスを脱ろうさせる方法は、前記実施例Iと同様である。使用したワックスの組み合わせも、実施例１と同様である。この実施例IIIでは、第２のワックスからなるコーティング層が第１のワックスからなる中実部の表面を被覆する範囲と、シェル鋳型の亀裂の有無との関係について調べた。実施例７では、第２のワックスの塗布量を第１のワックスの注入量も含めた全体量の１５ｗｔ％とし、これをキャビティの第１内壁面の全面に塗布した。

上記実施例IIIの結果を比較例と共に表３に示す。比較例４では、第２のワックスの塗布量を実施例７と同様１５ｗｔ％とし、これをキャビティの第１内壁面の半面に塗布し、比較例５では、キャビティの第１内壁面の半面及び第２内壁面の半面に７．５ｗｔ％ずつ塗布した。ここで、半面とは、キャビティの内壁面を湯道側の半分と湯道から遠い側の半分に仮想的に区分けした場合における、湯道から遠い側の半分の面積を意味する。

上記表３に示されるように、キャビティの第１内壁面の全面に塗布した実施例７では、ワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型には亀裂が認められなかった。これに対して、キャビティの第１内壁面の半面に塗布した比較例４及びキャビティの第１内壁面及び第２内壁面の半面に同量ずつ塗布した比較例５では、ワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型に亀裂が認められた。

１ゴム型
１ａ上型
１ｂ下型
２注入口
３キャビティ
３ａ上型のキャビティ部
３ａ’ 第１内壁面
３ｂ下型のキャビティ部
３ｂ’ 第２内壁面
４湯道
５ワックス模型
６中実部
７コーティング層
８ワックス柱
９ワックスツリー
１０シェル層
１０ａ内側のシェル層
１１シェル鋳型
１１ａシェル鋳型の湯口
１１ｂシェル鋳型の湯道
１２空洞部
１３貴金属材料

Claims

原型を作るためのゴム型のキャビティ内に、溶融した第１のワックスを注入することにより、原型のワックス模型を作製する方法において、
前記ゴム型のキャビティの内壁面に、前記第１のワックスより融点が低い第２のワックスを、前記溶融した第１のワックスの注入前に塗布することを特徴とするワックス模型の作製方法。
前記ゴム型のキャビティの内壁面に塗布された第２のワックスは、ゴム型のキャビティ内に注入された第１のワックスの固化に伴ってその表面にコーティングされる請求項１に記載のワックス模型の作製方法。
前記第２のワックスの融点が、第１のワックスの融点をX℃としたとき、式４０≦Y≦X―２を満たす温度Y℃である、請求項１又は２に記載のワックス模型の作製方法。
前記ゴム型のキャビティの内壁面は対向する第１内壁面と第２内壁面とを有し、第１内壁面及び第２内壁面の少なくとも一方の内壁面に第２のワックスが塗布される請求項１乃至３のいずれか１つに記載のワックス模型の作製方法。
前記第２のワックスは、第１内壁面及び第２内壁面の少なくとも一方の内壁面の全体に塗布される請求項１乃至４のいずれか１つに記載のワックス模型の作製方法。
前記第２のワックスは、内壁面への塗布量が第１のワックスの注入量と第２のワックスの塗布量との合計量の１５ｗｔ％以上である請求項１乃至５のいずれか１つに記載のワックス模型の作製方法。