JP3147744B2 - 砂鋳型の積層造形方法及びこれを用いた鋳物の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱硬化性レジンを
被覆した砂を薄く積層し、これを１層ずつ所定形状に硬
化させることを繰り返し、砂の３次元造形物である砂鋳
型を造形することに関する。

【０００２】

【従来の技術】鋳物は、溶融した金属を鋳型に流し込ん
で作るので、一般に鋳物を作るには、まずその反転型で
ある鋳型を作ることから始める。この鋳型としては、そ
の材質から主に金型と砂型（砂鋳型）に分けられる。金
型は、耐久性があるが、高価であり、同一製品を多数製
造する（量産する）場合に多く用いられる。一方、砂型
は、試作品（プロトタイプ）など比較的少量の生産や、
複雑な形状や内部形状がある場合などに用いられる。す
なわち、砂型は安価であり、また鋳造の後、砂型を壊し
て、製品を取り出すため、砂型から鋳物がそのまま抜け
る必要がなく、複雑な形状の鋳物も作成できる。また、
砂中子とよばれる内部形状作成用の型を併用することに
よって、内部形状を持つ鋳物も製作できる。

【０００３】従来、砂型を作成する場合には、まずその
反転型（主に、木、樹脂、金属）をＮＣ（数値制御）加
工等により作成し、これに砂を流し込み、固化させるこ
とによって砂型を造形していた。しかし、この砂型の造
形方法では、砂型の反転型の設計の際に、抜き勾配を考
慮しなければならない。特に、砂型の反転型は、通常２
分割する必要があるため、その分割面（見切り面）をど
こにするかという見切りの設計や、２分割のそれぞれの
抜き方向に応じた抜き勾配の設計を行わなければならな
い。従って、型の構想、型の設計に多くの時間が必要と
なっていた。

【０００４】ここで、プロトタイプの作成に際し、多大
の時間をかけるのは、得策ではない。そこで、３次元の
ＣＡＤ（コンピュータ支援デザイン）データからプロト
タイプを直接造形するラピッドプロトタイピング方法が
提案されている。このラピッドプロトタイピングは、３
次元の物体を０．２ｍｍ程度の微細な板厚を持つ２次元
断面形状が積層されたものと考え、この断面形状を造形
し、これを積層していくことで、２次元物体を造形する
ものである。

【０００５】例えば、ＵＳＰ４，２４７，５０８には、
ラピッドプロトタイピングの一手法であって、レーザ光
線を利用するものが示されている。すなわち、熱溶融す
るプラスチック粒子などを薄い層とし、この層の固めた
い部分にレーザビームを走査し、ビーム照射部分を溶融
凝固させ２次元構造を形成する。そして、この操作を繰
り返して３次元物体を造形する。この手法によれば、プ
ロトタイプを直接形成することができる。

【０００６】また、この従来例には、反転型を直接作成
すること、プラスチックコート砂を利用して砂の造形物
を得ること等が記載されている。また、レーザビームの
走査の際にマスクを利用することを示唆する記載もあ
る。

【０００７】この手法によれば、直接造形物が得られる
ため、上述の見切り、抜き勾配などは考える必要がな
い。そこで、造形物のＣＡＤデータから比較的容易に各
種形状の砂型を形成できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例は、基本的にプロトタイプを形成するためのもので
あり、量産することについては、何等考慮されていな
い。すなわち、一枚の２次元構造物を作成する際に、レ
ーザビームを固めたい部分全部に走査させるため、かな
りの時間を必要とする。従って、この従来技術を用い
て、量産用の砂型を多数製造使用とするのは、現実的で
ない。

【０００９】一方、ラピッドプロトタイピングで、砂型
を形成すると、砂型作成時に見切り、抜き勾配などを考
えなくてよいため、砂型に無駄な部分がなくなり、作成
された鋳物における不要な駄肉と鋳バリをなくすことが
できる。従って、鋳物についての後処理も効率化でき、
砂型が効率的に作成できれば、これを利用して、効率的
な鋳物の量産を図ることができると考えられる。

【００１０】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、量産に適した砂鋳型の積層造形方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、熱硬化性レジ
ンを被覆した砂を薄く積層する積層工程と、予め作成さ
れた所定形状の遮光マスクを積層された砂上方に配置す
るマスク配置工程と、レーザ発振器から供給されるレー
ザを所定の広域照射型の散光レーザに拡散し、この散光
レーザを遮光マスクを介し薄く積層された砂に照射して
加熱する加熱工程と、を含み、これによって砂鋳型の１
層を形成すると共に、これら工程を順次繰り返して、砂
の３次元造形物である砂鋳型を造形することを特徴とす
る。

【００１２】このように、本発明では、散光レーザを遮
光マスクを介し、薄く積層された砂に照射する。従っ
て、レジン被覆砂を一気に硬化させることができ、１層
分の処理の時間を大幅に短縮できる。従って、量産用の
砂型を効率的に生産することができる。また、散光レー
ザを遮光マスクを介し照射するので、遮光マスクの下の
砂に比較的均一なエネルギー密度でレーザの照射が行え
る。そこで、硬化させた造形物の断面及び平面形状を鮮
明なものにできる。すなわち、細い集光レーザビームを
用いると、照射部分が溝状になり断面、平面形状が不鮮
明になるが、散光レーザを利用することによりこれを防
止することができる。

【００１３】また、他の発明は、上記遮光マスクに、島
が存在する場合、この島を他のマスク部分から伸びるサ
ポートで支持した遮光マスクを使用すると共に、上記サ
ポートの位置を隣接する砂の層についての遮光マスク同
士で異ならせることを特徴とする。

【００１４】遮光マスクに周囲と離れた島が必要な場
合、この島を支持するのに周囲からのサポートが必要に
なる。層毎に、サポートの位置を異ならせることによ
り、作成された砂型にサポートの小さな穴が生じる。こ
の穴は十分小さくできるため、鋳湯がここに進入するこ
とはない。そして、この穴が、鋳造の際にガス抜き穴と
して機能するため、ガス抜き穴の形成を同時に達成でき
る。

【００１５】また、さらに他の発明は、熱硬化性レジン
を被覆した砂を薄く積層する積層工程と、予め作成され
た所定形状の断熱マスクを積層された砂上に配置するマ
スク配置工程と、断熱マスク上に熱源を配置し、積層さ
れた砂の露出された部分を加熱する加熱工程と、を含
み、これによって砂鋳型の１層を形成すると共に、これ
ら工程を順次繰り返して、砂の３次元造形物である砂鋳
型を造形することを特徴とする。

【００１６】このように、断熱マスク上の熱源から、砂
を加熱する。このような熱源は、ヒータ等によって、容
易に形成することができる。そして、このヒータは、そ
のコストが安く、また広範囲を均一に加熱することが容
易である。そこで、比較的大きな砂型を効率的に造形す
ることができる。

【００１７】また、さらに他の発明は、熱硬化性レジン
を被覆した砂を薄く積層する積層工程と、予め作成され
た所定形状の断熱マスクを積層された砂上に載置するマ
スク配置工程と、断熱マスク上に多分割された比較的大
きな面積の熱源を配置し、積層された砂の露出された部
分を加熱する加熱工程と、を含み、これによって砂鋳型
の１層を形成すると共に、これら工程を順次繰り返し
て、砂の３次元造形物である砂鋳型を造形することを特
徴とする。

【００１８】このように、分割しておけば、加熱を所定
の範囲に限定して行うことができる。また、分割された
発熱体自体は小さな領域を加熱するので、均一な加熱を
行うことができる。

【００１９】また、さらに他の発明は、上記多分割され
た熱源は、分割された部分毎に、発熱のオンオフが可能
であり、上記加熱工程では断熱マスクの露出部分の上に
位置する部分をオンすることを特徴とする。

【００２０】分割された部分毎に発熱をオンオフするこ
とによって、不要な部分の発熱を防止できる。そこで、
トータルとして省エネルギーが達成できる。また、断熱
マスクの加熱が少なくなり、マスクの長寿命化が図られ
る。

【００２１】また、さらに他の発明は、上記積層工程、
加熱工程、マスク配置工程を複数のステーションで、併
行して実行することによって、複数の砂鋳型を併行して
造形すると共に、遮光マスクを複数のステーション間で
移動可能とし、１つのマスクを複数のステーションにお
いて、共用することを特徴とする。

【００２２】このように、マルチステーション化するこ
とによって、１組のマスクを利用して、複数の砂型を併
行して作成できる。そこで、砂型をより効果的に量産す
ることができる。

【００２３】また、本発明に係る鋳物の製造方法は、上
述の砂鋳型の積層造形方法によって作成された砂鋳型を
用いて、鋳物を製造することを特徴とする。

【００２４】上述のようにして、作成された砂型は、直
接造形されているため、抜き勾配、見切りなどがない。
従って、製品形状のＣＡＤデータから容易に砂型設計の
設計が行える。さらに、このようにして得られた砂型を
利用して、駄肉のない鋳物が得られ、後加工が容易であ
り、また材料の有効利用も図れる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に好適な実施の形態
について、図面に基づいて説明する。

【００２６】［第１実施形態］ 「構成」図１に第１実施形態の全体構成図を示す。レー
ザ発振器１２は、熱源としてのレーザ光を発生するもの
であり、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧ（イットリウム・アル
ミニウム・ガーネット）レーザなど各種のレーザ発振器
が採用できる。このレーザ発振器１２からのレーザ光
は、可撓性の光ファイバー１４を介し、散光レーザ照射
源１６に供給される。この散光レーザ照射源１６は、内
部に所定のレンズを収容しており、供給されるレーザを
所定の広域照射型の散光レーザに拡散し、放射する。

【００２７】散光レーザ照射源１６は、ＸＹプロッタ１
８に保持されている。ＸＹプロッタ１８は、固定のＸ軸
レール１８ａ（一対）と、このＸ軸レール１８ａ上を走
行するＹ軸レール１８ｂを有し、散光レーザ照射源１６
がＹ軸レール１８ｂ上を移動することによって、ＸＹ平
面内で自由に移動できるようになっている。

【００２８】ＸＹプロッタ１８の下方には、砂層昇降機
２０が設けられている。この砂層昇降機２０は、上面が
解放されていると共に底板が昇降自在で、その底板の上
部に砂型作成用のレジン被覆砂を受け入れる収容部が形
成されている。砂層昇降機２０の上方には、一対のレー
ル２２が配置されており、このレール２２上には、砂散
布装置２４、砂ならしローラ２６が移動可能に載置され
ている。

【００２９】砂散布装置２４は、ホッパ状の容器で底部
に開口が設けられており、内部に収容したレジン被覆砂
を下方の砂層昇降機２０の収容部に向けて散布する。ま
た、砂ならしローラ２６は円筒状で、移動しながら回転
することによって、砂層昇降機２０の収容部に収容され
た砂の表面を平坦化する。

【００３０】砂散布装置２４と砂ならしローラ２６は、
連結材２８によって連結されており、移動シリンダ３０
によって、レール２２上を一体的に移動可能になってい
る。なお、この例では、レール２２がＹ軸方向に伸びて
おり、砂散布装置２４及び砂ならしローラ２６は、移動
シリンダ３０の進退により、Ｙ軸方向に往復移動する。
さらに、連結材２８の手前側には、レール２２上を移動
可能なマスク保持材３２が着脱自在になっている。

【００３１】また、レール２２は、ＸＹプロッタ１８の
図における手前側のＹ軸レール１８ｂの下側を越えて伸
長されており、この伸長部分の右側には、マスク保持台
３４、左側にはマスク回収台３６が設けられている。そ
して、これらマスク保持台３４、マスク回収台３６の上
方には、マスク３８をマスク保持台３４からマスク回収
台３６まで移動するためのマスク移動装置４０が、配置
されている。このマスク移動装置４０は、マスク３８を
把持するマスク把持部４０ａと、このマスク把持部４０
ａを昇降させる昇降部４０ｂと、この昇降部４０ｂをＸ
軸方向に移動させるための移動部４０ｃからなってい
る。そして、このマスク移動装置４０によって、マスク
保持台３４上に積層保持されているマスク３８をレール
２２上のマスク保持材３２に載置し、その後マスク３８
をこのマスク保持材３２からマスク回収台３６上に積層
回収できる。なお、マスク保持材３２は、マスク３８を
周囲から保持する形状であり、マスクを一定位置に保持
すると共に、マスク３８の穴の部分を通過したレーザ光
を下方に通過させる。また、マスク把持部４０ａは吸
盤、電磁石などで形成されている。

【００３２】すなわち、昇降部４０ｂにより、マスク把
持部４０ａをマスク保持台３４の上方から、保持されて
いるマスク３８上に下降させ、ここでマスク３８を保持
する。マスク把持部４０ａを上昇させた後、移動部４０
ｃによって、マスク３８をレール２２の伸長部のマスク
保持材３２上に位置させる。ここで、昇降部４０ｂによ
りマスク３８を下降させ、マスク保持材３２上でマスク
把持部４０ａがマスク３８を離し、マスク３８をマスク
保持材３２に保持させる。また、同様の動作によって、
マスク保持材３２に保持されているレール２２上のマス
ク３８をマスク回収台３６上に載置することができる。

【００３３】さらに、レール２２上において、砂散布装
置２４、砂ならしローラ２６を連結している連結材２８
の前端部には、マスク保持材３２を把持する機構が設け
られている。このため、連結材２８が手前側に移動した
ときにマスク保持材３２を把持し、後方に移動する際に
マスクを一緒に引っ張り、また手前に移動した時にマス
ク保持材３２を離すことによって、マスク３８をレール
２２上でＹ軸方向に移動させることができる。

【００３４】また、コントローラ４２は、レーザ発振器
１２、ＸＹプロッタ１８、砂層昇降機２０、移動シリン
ダ３０、マスク移動装置４０の動作等を制御する。

【００３５】「動作」この装置の動作について、説明す
る。このような装置により、砂型を製作する場合には、
まず砂型のＣＡＤデータから、多数の断面形状を得て、
これに対応する複数枚のマスク３８を作成する。また、
砂散布装置２４には、レーザの照射によって溶融するプ
ラスチックがコーティングされたレジン被覆砂を収容す
る。そして、マスク移動装置４０により、マスク３８を
レール２２の伸長部上のマスク保持材３２に載置した
後、移動シリンダ３０により砂散布装置２４、砂ならし
ローラ２６を手前に移動し、マスク３８を収容している
マスク保持材３２を把持する。次に、移動シリンダ３０
により砂散布装置２４、砂ならしローラ２６及びマスク
３８を奥側に向けて後退させる。この際に、砂散布装置
２４より、砂を散布し、砂層昇降機２０の収容部に砂を
収容する。なお、砂層昇降機２０の上部には一層分の砂
が収容できるように、底板の位置が設定されている。

【００３６】そして、砂散布装置２４、砂ならしローラ
２６の後退が完了した時には、マスク３８は砂が供給さ
れた砂層昇降機２０の上方に位置している。なお、マス
ク３８と砂上面との距離は、数ｍｍ程度に設定してあ
る。

【００３７】初回におけるこのような動作が行われた後
は、図３に示されているような動作を繰り返す。すなわ
ち、一層分の砂が砂層昇降機２０に収容され、その上方
にマスク３８がセットされた状態で、ＸＹプロッタ１８
により、散光レーザ照射源１６をマスク３８の上方に位
置させ、レーザを照射する。

【００３８】これによって、露光された部分の砂に被覆
されたレジンが熱硬化し、この部分が固化する。なお、
この例では、レーザの照射の際、散光レーザ照射源１６
は、マスク３８上を数回移動して、全体に均一に、レー
ザを照射する。

【００３９】このようにして、レーザ照射が終わった場
合には、移動シリンダ３０により、砂散布装置２４、砂
ならしローラ２６と共に、マスク３８を手前に移動させ
る。次に、砂層昇降機２０の底板を１層分下降させると
同時に、マスク移動装置４０によりマスク保持材３２上
のマスク３８をマスク回収台３６に運んだ後、マスク保
持台３４のマスク３８をマスク保持材３２上に運ぶマス
ク交換作業を行う。

【００４０】そして、上述の１回目と同様に砂の散布、
マスクの砂上へのセット、レーザ照射という１層毎の造
形を繰り返し、３次元構造の砂型が作成される。さら
に、このようにして作成された砂型を利用して、鋳造が
行われる。

【００４１】「散光レーザ照射源」散光レーザ照射源１
６としては、図３（Ａ）に示すような固定式のものでも
よい。この例では、散光レーザ照射源１６は、凹レンズ
１６ａを有しており、炭酸ガスレーザなど大出力のレー
ザ光のスポット径を数１０ｃｍの大きさにまで拡げ、マ
スク３８に向けて照射する。これによって、散光レーザ
照射源１６を固定したまま、レーザ照射を終了すること
ができる。なお、このような散光レーザ照射源１６を用
いた場合には、ＸＹプロッタ１８は、退避のためにＸ方
向のみに移動できればよく、散光レーザ照射源１６をＹ
軸レール１８ｂに固定してよい。

【００４２】また、散光レーザ照射源１６は、図３
（Ｂ）に示すように、Ｘ，Ｙ方向に走査するものでもよ
い。すなわち、この例では、散光レーザ照射源１６は、
ビーム径０．２ｍｍ程度のレーザ光のスポット径を数ｍ
ｍ〜数１０ｍｍ程度に拡大し射出する。従って、そのま
までは全面を照射できない。そこで、ＸＹプロッタ１８
により、散光レーザ照射源１６をマスク３８上の全面に
走査して、照射工程を終了する。

【００４３】なお、図３（Ａ）（Ｂ）のいずれの散光レ
ーザ照射源１６の場合であっても、レーザの照射エネル
ギーは、０．２ｍｍのレジン被覆砂のレジンを硬化させ
るのに適切なエネルギー量に設定する。

【００４４】「マスク」次に、マスク３８は、固化させ
たい部分に穴の開いたレーザを遮光でき、耐久性がある
板材で構成される。例えば、炭酸ガスレーザや、ＹＡＧ
レーザが用いられる場合には、銅板や鉄板等の金属板を
切り抜いたものが使用される。このようなマスク３８の
加工は、ＮＣレーザ切断機などで容易に行うことができ
る。また、照射するレーザは、熱硬化性のレジン被覆砂
を１層（０．２ｍｍ）硬化させるだけの比較的低いエネ
ルギ密度であり、金属薄板で、十分耐久性がある。

【００４５】ここで、このマスク３８は、形状によって
は、切り抜かれ形状が周囲から離れて抜けてしまう場合
がある。例えば、図４（Ａ）に示すような升のような砂
型を作成する場合、底部のマスク３８は図４（Ｂ）のよ
うな枠状の周辺部３８ａのみとなる。この場合は問題は
ないが、それより上方は中央部に四角形の島３８ｂを必
要とする。この場合、この島３８ｂをサポート３８ｃに
よって、周辺部３８ａに連結する必要がある。

【００４６】本実施形態では、図４（Ｃ）（Ｄ）に示す
ように、隣接する断面のマスク３８同士のサポート３８
ｃの位置を異ならせる。これによって、サポート３８ｃ
の下方の硬化しない部分は、縦方向に連続しないことに
なる。この未硬化層は、薄くて幅も狭い（例えば、０．
２ｍｍ×５ｍｍ程度）。このため、砂型にこの未硬化層
に対応する空間が生じても、鋳造時に金属溶湯はこの空
間に進入することがない。さらに、この空間は鋳造の際
に、発生ガス抜き孔として作用するという利点も得られ
る。

【００４７】なお、ＹＡＧレーザをレーザ光として利用
する場合、ＹＡＧレーザは、石英ガラスを透過する。そ
こで、図５に示すように、石英ガラスの基板３８ｄ上
に、金属の蒸着によって、マスク部分３８ｅを形成して
もよい。これによれば、島をサポートで連結する必要が
なくなる。また、ガス抜き用の穴は、サポートとして機
能しなくてもよく、適宜形成することができる。

【００４８】また、マスク３８の四隅に位置決めピンを
設けておき、搬送や、載置の時の位置合わせに利用する
ことも好適である。さらに、マスク保持台３４、マスク
回収台３６においては、マスク３８を取り囲むようにガ
イドを設けマスク３８の位置決めを行うとよく、また砂
層昇降機２０上の位置決めも適当な位置にストッパを設
けたり、各種センサによって正確な位置決めを行うとよ
い。

【００４９】「砂」また、本実施形態において使用する
砂には、従来使用されていたものをそのまま使用するこ
とはできない。鋳鉄やアルミニウムの鋳物を作るときに
用いられているいわゆるシェルモールド用レジン被覆砂
は、通常加熱した金型内に吹き込まれ焼成して固化され
る。このような用途では、鋳造時の発生ガスを排出する
ために、比較的粗い（例えば１５〜３０ｎｍ）ものが採
用される。しかし、本発明では、０．２ｍｍ程度の薄い
層を形成しなければならず、５〜１０ｎｍ程度の微細
で、粒子形状の丸いものが採用される。なお、本実施形
態においては、上述のようにして、ガス抜き穴が形成さ
れる。

【００５０】さらに、レジンが被覆される砂としては、
通常硅砂が用いられるが、その熱膨張係数は、６０〜１
００程度である。このような砂を本実施形態において採
用すると、レーザ照射時に膨張して、熱変形や割れを引
き起こす。そこで、本実施形態では、ジルコニア砂やム
ライト砂（いずれも熱膨張率３０〜５０程度）のような
低膨張砂が適している。なお、用途によっては、金属
粉、セラミック微粒子などでも使用可能である。

【００５１】また、被覆用のレジンには、鋳造プロセス
に応じて各種のレジンが用いられている。本実施形態で
は、特に、熱レーザの照射域と非照射域の境界をはっき
りさせ、寸法精度を上昇することが重要である。そこ
で、硬化反応温度域の狭い、いわゆるピールバック性の
よいものが好ましい。

【００５２】「砂散布装置」図６に砂散布装置２４など
の砂供給の構成を示す。砂散布装置２４は、ホッパ状の
容器２４ａと、その底部開口に配置された回転羽根２４
ｂからなっている。そして、回転羽根２４ｂを回転させ
ることにより、容器２４ａ内に収容されている砂が下方
に落下散布される。従って、回転羽根２４ｂの回転制御
によって、散布のオンオフ及び散布量の制御が行える。
この砂散布装置２４の進行方向の後ろ側（図１における
手前側）には、スクレーパ５０が設けられている。この
スクレーパ５０は、砂散布装置２４と砂ならしローラ２
６の間にあって、連結材２８に取り付けられている。そ
して、砂散布装置２４が、図６における右側（図１にお
ける奥側）に移動しながら散布した砂の表面を平滑化す
る。さらに、このスクレーパ５０の後ろ側に設けられた
ならしローラ２６は、スクレーパ５０で平滑化された砂
の表面を押し、砂を圧縮して、１層分（０．２ｍｍ）の
砂を砂層昇降機２０の表面部に形成する。

【００５３】このように、本実施形態では、砂の散布な
らしを１回の移動で効率的に行え、高速の砂層形成が行
える。さらに、上述のように、この砂層形成のための移
動の際に、マスク３８の砂層上へのセットも行えるた
め、１層分の処理のために必要な時間が非常に短くてよ
い。

【００５４】「本実施形態の効果」このように、本実施
形態によれば、マスクを利用すると共に、散光レーザを
利用するため、レーザの走査が必要ないか、必要があっ
てもその回数は非常に少なくてよい。従って、１層分の
処理が早くなり、全体としての砂型造形までの時間を短
縮することができる。そして、一旦形成したマスクを何
度も利用して、砂鋳型を容易に量産することができるた
め、鋳物の量産に非常に好適である。

【００５５】特に、従来のように、マスクを用いず、ス
ポット径の小さなレーザビームを用いた場合には、レー
ザ照射部分のみを走査する必要があり、このための制御
が毎回必要になる。また、照射部分全部を照射するため
の時間が長くなってしまう。

【００５６】さらに、従来の方法では、集光ビームを用
いているため、エネルギー密度を均一にしにくく、また
エネルギーが付与される領域が円状である。このため、
図７（Ａ）に示すように、熱硬化する領域が溝状にな
り、断面及び平面境界形状が不鮮明になってしまう。と
ころが、本実施形態では、マスクと散光レーザの組み合
わせを用いることによって、図７（Ｂ）に示すように、
均一なエネルギーが与えられ、断面及び平面形状とも鮮
明なものとできる。

【００５７】このように、本実施形態により、高速に砂
鋳型を生産できるようになり、これを用いて鋳物を量産
することができる。ここで、本実施形態の製造法によれ
ば、鋳物の設計及び生産準備上も以下のような利点があ
る。

【００５８】従来の鋳造法では、図８の左側に示すよう
に、製品機能上必要な製品形状（Ｓ１）に対して、見切
り・抜き勾配（Ｓ２）、加工代（Ｓ３）、伸び尺・ソリ
変形の考慮（Ｓ４）を行い、型設計・製作（Ｓ５）がな
される。そして、製作された砂鋳型を利用して、鋳造が
行われる。

【００５９】従って、Ｓ２に示すように、見切り・抜き
勾配のためにＳ２の横に示した図のように、不要な部分
（斜線で示す）が生じる。また、２つの型だけでは製品
を形成できないため、中木も必要となる。そして、この
ような砂型を利用して得た鋳物は、製品形状にそのまま
対応するものではなく駄肉のついたものである。そこ
で、これを製品形状にまで、加工し直さなければならな
い。また、見切りに起因して製品に鋳バリも生じるた
め、これについての加工の必要となる。さらに、加工の
際に加工代が必要であり、製品はそれだけ大きな駄肉の
ついたものになってしまう。

【００６０】ところが、本実施形態によれば、図８の右
側に示すように、まずＣＡＤ装置により、製品形状のコ
ンピュータモデルを作成する（Ｓ１１）。次に、これに
基づいて、伸び尺・ソリ変形のＦＥＭ（有限要素）解析
を行い、この結果の砂型を造形するため、砂型の形状が
断面毎に決定される（Ｓ１２）。そして、この断面形状
に基づいて１層毎の造形が行われ砂型が得られ（Ｓ１
３）、この砂型を利用して、鋳造が行われる。

【００６１】特に、砂型の設計の際には、製品形状のコ
ンピュータモデルからその断面形状を積層していけばよ
いため、見切り・抜き勾配の考慮などは全く必要がな
い。従って、この断面毎のマスクを作成し、このマスク
を利用して上述のように砂型を造形することで、できあ
がった砂型は製品形状にそのまま対応したものであり、
できあがった鋳物にも従来例のような駄肉が生じず、き
わめて製品形状に近い鋳物製品が得られる。従って、高
精度の鋳物を迅速に大量生産することができる。

【００６２】なお、鋳造時の伸び、そり等は、本実施形
態においても生じる。しかし、有限要素法等により、注
湯から冷却までの変形量を熱弾塑性解析することによ
り、最終的に必要な製品を得るための砂型形状を逆算で
きる。特に、抜き勾配などのための形状の変更がないた
め、この計算もより簡単になる。

【００６３】「マルチステーション」上述のように、本
実施形態により、効率的な砂型の製造が可能であるが、
これを複数のステーションで、併行して行うとさらに効
率的である。図９に、このマルチステーションの構成例
が示されている。このように、散光レーザ照射源１６、
砂層昇降機２０等は、ステーションの数だけ設けられて
いる（この例では６つ）。また、１つのレーザ発振器１
２からのレーザ光は、レーザ分配器５２により６つの散
光レーザ照射源１６に分配（順次供給）される。

【００６４】そして、マスク３８は、マスク積載機５４
に積載されており、このマスク積載機５４の下方には、
マスク搬送機構５６が設けられている。マスク積載機５
４は、マスク３８を１枚ずつ下方に落下させ、マスク搬
送装置５６に供給する。

【００６５】マスク搬送機構は、すべてのステーション
を横切って配置され、各ステーションで、搬送している
マスク３８を散光レーザ照射源１６と砂層昇降機２０の
砂層の間に位置させる。このために、各ステーション
は、等間隔に配置されており、その間隔分の距離（１ス
テップ）だけマスク３８を移動することによって、マス
ク３８は、各ステーションに順次位置することになる。
また、第６ステーションを通過したマスク３８は、マス
ク積載機５４の最上部に返送される。

【００６６】このような装置における動作について、説
明する。まず、第１層目のマスク３８を第１ステーショ
ンに位置させる。このとき、第１ステーションの各砂層
昇降機２０に１層分の砂を準備しておく。次に、第１ス
テーションの散光レーザ照射源１６によって、第１ステ
ーションの砂にレーザを照射する。

【００６７】次に、マスク移動機構５６により、１ステ
ップ分移動し、第１のマスク３８を第２ステーションに
位置させ、第１ステーションには、第２マスク３８を位
置させる。そして、第１、２ステーションにおいて、レ
ーザを照射する。これを繰り返し、第６ステーションに
第１マスク、・・・、第１ステーションに第６マスク３
８が位置することになり、この状態では、図１０に示す
ように、第１〜第６ステーションにおいて、順次レーザ
照射を行った後、砂層昇降機２０を１層分下げ、マスク
３８を移動し、砂散布を行うという動作を順次繰り返し
ていく。

【００６８】このようにして、１組のマスクによってス
テーションの数（この例では６つ）だけの砂型を併行し
て造形できる。また、レーザの照射時間は短いため、図
示の例のように１つのレーザ発振器１２からのレーザを
分配することもできる。ここで、この例では、散光レー
ザ照射源１６から砂までの距離が比較的大きいため、一
対のレンズ５８によって、マスクを通過した光を砂に正
確に照射できるようにしている。

【００６９】なお、マスクは、６回連続してレーザが照
射され、その温度が上昇するので、空冷などの冷却装置
６０を付加している。

【００７０】このように、マルチステーション化するこ
とによって、生産性を大幅に向上することができる。

【００７１】［第２実施形態］図１１は、第２実施形態
の全体構成図であり、板状のヒータ７０は、内部にニク
ロム線などの発熱体７０ａが内蔵されており、外部から
の電力供給によって、全体として発熱する。また、断熱
マスク７２は、第１実施例における遮光マスク３８とほ
ぼ同様のもので、予め所定形状の穴が形成されたものが
所定枚数用意されている。そして、この断熱マスク７２
には、ヒータからの熱を遮断する能力を持っている。従
って、ヒータ７０の下側に断熱マスク７２を取り付けれ
ば、穴の部分の下方のみが加熱される。

【００７２】砂散布装置２４、砂ならしローラ２６、ス
クレーパ５０、砂層昇降機２０等の構成は、第１実施形
態と同様である。

【００７３】そこで、１層分の砂を砂層昇降機２０にセ
ットした後、断熱マスク７２をセットしたヒータ７０を
砂の上方に位置させる。これによって、断熱マスク７２
の穴の下方の砂のみが加熱され、レジンが硬化する。そ
して、断熱マスク７２を順番に取り替えて積層された砂
を順次硬化させることで、砂型を造形することができ
る。なお、加熱の際にマスクは砂の表面になるべく近い
方が加熱の効率がよい。しかし、直接接触しない方がよ
いため、その間隙は、０．１〜２ｍｍ程度が好ましい。
さらにヒータ７０の下側には、断熱マスク７２を順次取
り付ける。これは、バキュームで吸引したり、電磁石で
吸着することが好ましい。例えば、図１２に示すよう
に、ヒータ７０の四隅にマスク吸引孔７０ｂを設けてお
けば、このマスク吸引孔７０ｂを介し、断熱マスク７２
をバキュームで吸引することができ、バキュームのオン
オフで、断熱マスク７２の着脱を制御することができ
る。

【００７４】また、この例では、ヒータ７０に対する断
熱マスク７２の位置決めのために、ヒータ７０のマスク
取付面側の周囲には、断熱マスク７２を位置決めできる
ようなガイド７０ｃを形成しておくことが好ましい。さ
らに、位置決め用ピン７０ｄを設けることも好適であ
る。この場合、断熱マスクのこの位置決め用ピン７０ｄ
の対応する位置には、凹部を設ける。

【００７５】さらに、図１３には、マスク移送のための
移送ロボット７４を示してある。このように、移送ロボ
ット７４により、断熱マスク７２を順次砂の上方に移送
し、ヒータ７０を発熱させることによって、砂の加熱を
達成することができる。すなわち、この移送ロボット７
４により、（ｉ）断熱マスク７２の吸引、（ｉｉ）断熱
マスク７２の砂上方への移送、位置決め、（ｉｉｉ）ヒ
ータ７０ａへの通電、（ｉｖ）断熱マスク７２の排出、
という動作を順次繰り返すことによって、砂型の造形が
行える。

【００７６】なお、ヒータ制御部７６は、移送ロボット
７４によるヒータ７０ａの通電を制御するものであり、
吸引制御部７８は、移送ロボット７４による断熱マスク
７２の吸引を制御するものである。

【００７７】この第２実施例によれば、ヒータ７０を砂
の加熱源として利用するため、レーザ発振器と比べ、加
熱源が安くなる。また、ヒータ７０の面積を大きくする
ことは容易であり、大きな砂型も簡単に製作することが
できる。特に、ヒータ７０の下側面にアルミや銅等の金
属板を配置しておけば、この金属板が一定温度になるた
め、大面積を均一に発熱できる。そこで、大面積の砂型
を容易に作成できる。なお、砂に被覆されるレジンは、
３００゜Ｃ程度で硬化するため、このようなヒータ７０
により、効果的に加熱することができる。

【００７８】また、断熱マスク７２には、石綿、セラミ
ック、融点の高い金属（鉄板）等熱に強いものが利用さ
れる。

【００７９】さらに、図１３に示す砂層昇降機２０、移
送ロボット７４等を複数並べ、断熱マスク７２を受け渡
すことにより、マルチステーション化すれば、１組の断
熱マスク７２を利用して、多数の砂型を効率的に製作す
ることができる。

【００８０】［第３実施形態］この実施形態では、図１
４に示すように、第２実施形態のヒータ７０に代えて、
多数の分割発熱体８０を利用している。また、この多数
の分割発熱体８０によって、断熱マスク７２の全体をカ
バーする。すなわち、図１５に示すように、１つの発熱
体が１つの分割領域を加熱するようになっている。さら
に、各分割発熱体８０は、それぞれ別の発熱体８０ａを
内蔵しており、別々に発熱が可能になっている。

【００８１】そして、加熱を行う場合には、図１６に示
すように、断面形状データから各分割領域に造形物（断
熱マスク７２の穴に対応する）があるかを判定し、造形
物がある分割領域についての分割発熱体８０の発熱体８
０ａにのみ、通電する。これによって、図１５に斜線で
示すように、断熱マスク７２の穴の上方の分割発熱体８
０のみが発熱する。従って、図１７に示すように、穴の
下方の砂のみが効率的に加熱される。

【００８２】このように、分割発熱体８０の発熱を制御
するため、不要なエネルギーの損失がない。また、断熱
マスク７２が、必要以上に加熱されることがなく、断熱
マスク７２の寿命を長くすることができる。

【００８３】また、この第３実施形態においても、第
１、２実施形態のように、マルチステーション化するこ
とによって、１組の断熱マスクを利用して、より効率的
な生産が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態の全体構成を示す図である。

【図２】 同実施形態の動作を示すタイミングチャート
である。

【図３】 レーザ照射源の構成例を示す図である。

【図４】 遮光マスクの構成例を示す図である。

【図５】 ＹＡＧレーザ用の遮光マスクの構成例を示す
図である。

【図６】 砂散布装置の構成例を示す図である。

【図７】 同実施形態におけるレジン硬化状態を従来と
比較して示す図である。

【図８】 同実施形態の処理工程を従来と比較して示す
図である。

【図９】 マルチステーション化した構成例を示す図で
ある。

【図１０】 マルチステーション化した場合における動
作を示すタイミングチャートである。

【図１１】 第２実施形態の構成を示す図である。

【図１２】 同実施形態のヒータの構成を示す図であ
る。

【図１３】 同実施形態の移送機構を示す図である。

【図１４】 第３実施形態の構成を示す図である。

【図１５】 同実施形態の分割領域を示す図である。

【図１６】 同実施形態の動作を示すフローチャートで
ある。

【図１７】 同実施形態の加熱状態を示す図である。

【符号の説明】

１２ レーザ発振器、１６ 散光レーザ照射源、１８
ＸＹプロッタ、２０砂層昇降機、２４ 砂散布装置、３
８ 遮光マスク、７０ ヒータ、７２ 断熱マスク、８
０ 分割発熱体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 益雄 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 岡田 裕二 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特表 平８−509666（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22C 9/02 101 B22C 9/12 B22C 11/00 - 25/00 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱硬化性レジンを被覆した砂を薄く積層
   する積層工程と、 予め作成された所定形状の遮光マスクを積層された砂上
   方に配置するマスク配置工程と、レーザ発振器から供給されるレーザを所定の広域照射型
   の散光レーザに拡散し、この 散光レーザを遮光マスクを
   介し薄く積層された砂に照射して加熱する加熱工程と、 を含み、 これによって砂鋳型の１層を形成すると共に、これら工
   程を順次繰り返して、砂の３次元造形物である砂鋳型を
   造形することを特徴とする砂鋳型の積層造形方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、 上記遮光マスクに、島が存在する場合、この島を他のマ
   スク部分から伸びるサポートで支持した遮光マスクを使
   用すると共に、上記サポートの位置を隣接する砂の層に
   ついての遮光マスク同士で異ならせることを特徴とする
   砂鋳型の造形方法。
3. 【請求項３】 熱硬化性レジンを被覆した砂を薄く積層
   する積層工程と、 予め作成された所定形状の断熱マスクを積層された砂上
   に配置するマスク配置工程と、 断熱マスク上に熱源を配置し、積層された砂の露出され
   た部分を加熱する加熱工程と、 を含み、 これによって砂鋳型の１層を形成すると共に、これら工
   程を順次繰り返して、砂の３次元造形物である砂鋳型を
   造形することを特徴とする砂鋳型の積層造形方法。
4. 【請求項４】 熱硬化性レジンを被覆した砂を薄く積層
   する積層工程と、 予め作成された所定形状の断熱マスクを積層された砂上
   に載置するマスク配置工程と、 断熱マスク上に多分割された比較的大きな面積の熱源を
   配置し、積層された砂の露出された部分を加熱する加熱
   工程と、 を含み、 これによって砂鋳型の１層を形成すると共に、これら工
   程を順次繰り返して、砂の３次元造形物である砂鋳型を
   造形することを特徴とする砂鋳型の積層造形方法。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の方法において、 上記多分割された熱源は、分割された部分毎に、発熱の
   オンオフが可能であり、上記加熱工程では断熱マスクの
   露出部分の上に位置する部分をオンすることを特徴とす
   る砂鋳型の積層造形方法。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１つに記載の方
   法において、 上記積層工程、加熱工程、マスク配置工程を複数のステ
   ーションで、併行して実行することによって、複数の砂
   鋳型を併行して造形すると共に、遮光または断熱マスク
   を複数のステーション間で移動可能とし、１つのマスク
   を複数のステーションにおいて、共用することを特徴と
   する砂鋳型の積層造形方法。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか１つに記載され
   た砂鋳型の積層造形方法によって作成された砂鋳型を用
   いて、鋳物を製造することを特徴とする鋳物製造方法。