JP3656747B2 - 樹脂モデルおよびその造形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の形状に模して造形される樹脂モデルおよびその造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の樹脂モデルを造形する方法として、例えばラピッドプロトタイピングによる造形法が知られている。この造形法は、対象物の形状を３次元データとして保有しておき、この３次元データに基づいて対象物に模した樹脂モデルを造形するものである。具体的には、３次元データから多数のスライス形状データを生成し、このスライス形状データに基づいて製作したスライス形状物を順次積層して樹脂モデルを造形する。スライス形状物は、所定の層厚で敷設された焼結性材料（例えば樹脂粉末）にレーザ光を照射し、その照射範囲の材料を焼結させることで得られる。このとき、レーザ光の照射範囲はスライス形状データに従って設定されるので、最終的に得られた樹脂モデルは対象物の形状を正確にトレースしたものとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に対象物には厚肉の部分もあれば、薄肉の部分もある。このため対象物をそのまま模した樹脂モデルにおいても当然、肉厚にばらつきが生じる。この点を上述のラピッドプロトタイピングによる造形法で考えると、樹脂粉末を焼結させる際に厚肉の部分は薄肉の部分に比べてレーザ照射範囲が広くなり、その分、受光熱量も多くなる。このためスライス形状物を順次積層していく過程で厚肉部分に多くの受光熱が蓄積され、薄肉部分に比べて厚肉部分の焼結温度は高くなる。このような焼結温度のばらつきは樹脂材料の収縮率を偏らせ、樹脂モデルを変形させる要因となる。
【０００４】
そこで本発明は、樹脂モデルの変形を抑え、対象物の外形を高精度に再現した樹脂モデルおよびその造形方法の提供を課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の樹脂モデル造形方法（請求項１）は、樹脂モデルをスライス状に分割したスライス形状物を焼結性材料の樹脂粉末層にレーザ光を照射して樹脂粉末を焼結させることによって形成すると共にスライス形状物を順次積層して樹脂モデルを造形する方法により造形される樹脂モデルにおいて対象物の厚肉部分に相当する部位を、内部に未焼結の樹脂粉末を残留させたままシェル化することで上記の課題を解決している。すなわち厚肉部分のシェル化により、樹脂モデルにおいてシェル化された部位の周りは薄肉の部位となる。これにより、樹脂モデルの肉厚は全体的に均等化されるので、スライス形状物の積層時に焼結温度のばらつきが生じない。
【０００６】
より実用的には、本発明の樹脂モデル造形方法を利用してロストワックス鋳造を実施することができる（請求項２）。例えば対象物が金属素材により鋳造されるものである場合、その鋳造をロストワックス法により行うためのワックスモデルとするべく本発明により樹脂モデルを造形する。この場合、ワックスモデルの形状精度を高く保持することで、鋳造された対象物の形状精度をより高めることができる。
【０００７】
通常、樹脂モデルは対象物の形状に基づいて造形されるため、対象物に厚肉な部分があれば、それを忠実に再現することが一般的に行われる。これに対し、本発明の樹脂モデル（請求項３）は対象物の厚肉部分に相当する部位に、内部に未焼結の樹脂粉末が残留したシェル化部位が形成されており、このシェル化部位とその他の部位とで肉厚が均等化されている。従って、樹脂モデルの外形としては対象物を模したものとなっているが、その肉厚において樹脂モデルは対象物と構造を異にしたものとなる。この場合、スライス形状物の積層過程で特定の部分だけに受光熱が蓄積されることがなく、樹脂モデルの変形が抑制される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の樹脂モデル造形方法は、例えばエンジンのシリンダヘッドを対象物として実施することができる。また、本発明の造形方法により得られた樹脂モデルはロストワックス鋳造法のワックスモデルとして利用可能である。ただし、本発明はシリンダヘッドだけでなく各種の対象物にも適用可能であり、その用途が特定の製品分野や製造技術分野に限定されることはない。
【０００９】
図１は、一実施形態の樹脂モデル造形方法に含まれる主要な工程を示している。以下、この工程図に沿って樹脂モデルの造形方法の好ましい一例を説明する。
最初の工程Ｓ１では、対象物であるシリンダヘッドの３次元ＣＡＤデータを作成する。３次元ＣＡＤデータは、例えば実際に所望するシリンダヘッドの形状に基づいて作成することができる。この工程Ｓ１では、樹脂モデルの全体形状データの他にスライス形状データの作成も行われる。
【００１０】
このとき、スライス形状データの作成に際してシリンダヘッドの厚肉部分をシェル化する。これにより、実際のシリンダヘッドでは厚肉の部分であっても、樹脂モデルが造形されると、その厚肉部分に相当する部位がシェル化され、その周りの肉厚は他の部位の肉厚と均等化される。なお、シェル化による肉厚の均等化については更に後述する。
【００１１】
上述のように３次元ＣＡＤデータを作成すると、次の工程Ｓ２で樹脂モデルのスライス形状物を形成する。スライス形状物の形成には、ラピッドプロトタイピング造型機を用いることができる。
図２は、ラピッドプロトタイピング造型機を概略的に示している。ラピッドプロトタイピング造型機は水平なプラットフォーム２を備えており、このプラットフォーム２上に樹脂粉末Ｐが敷設されるものとなっている。樹脂粉末Ｐは焼結性材料（例えばポリスチレン）からなり、ホッパ４内には所定量の樹脂粉末Ｐが蓄えられている。ホッパ４は下向きに開口したホッパ出口（図示されていない）を有しており、プラットフォーム２上を水平方向に移動することで所定厚さの粉末層Ｌを形成することができる。
【００１２】
また、ラピッドプロトタイピング造型機はレーザ照射器６およびガルバノミラー８を備えており、敷設した粉末層Ｌにレーザ光を照射して樹脂粉末Ｐを焼結させることができる。レーザ光の照射範囲は上述のスライス形状データに基づいて設定されており、スライス形状物の全照射範囲を走査するべくガルバノミラー８の角度が制御されている。
【００１３】
１層分のスライス形状物が形成されると、次にプラットフォーム２が１層分だけ下降し、その上をホッパ４が移動して新たに粉末層Ｌを形成する。そして、次のスライス形状データに基づいてレーザ光が照射され、新たなスライス形状物が積層される。
以上の手順を繰り返すことでスライス形状物が順次積層されていき、最終的に樹脂モデルが完成される（工程Ｓ３）。
【００１４】
図３は、ラピッドプロトタイピング造型機により造形された樹脂モデルの断面形状を示している。この樹脂モデルは、対象物であるシリンダヘッドの外形を正確にトレースした外形を有しており、その内部には吸排気ポートに相当する中空部位１０やその他の中空部位１２，１４，１６，１８が形成されている。また図３中にハッチングを施して示されているように、これら中空部位１０〜１８の間は所定の肉厚を有した壁で仕切られている。
【００１５】
ここで、実際の対象物であるシリンダヘッドの場合、２つのポートに挟まれる部位は本来、厚さＴｃを有した厚肉部分となっており、それゆえ、この厚肉部分全体は金属素材で中実（solid）に成形される。これに対し、樹脂モデルにおいては実際の厚肉部分に相当する部位２０がシェル化されており、このシェル化部位２０は中空（hollow）となっている。従って、実際のシリンダヘッドでは厚さＴｃで厚肉形状に成形されるべき部分が、この樹脂モデルではシェル化部位２０の周りに薄肉形状（厚さＴｉ＜Ｔｃ）に成形されたものとなる。なお、シェル化部位２０は中空構造ではあるが、その中に樹脂粉末Ｐが未焼結のまま残留している。
【００１６】
この他にも、樹脂モデルにおいてシェル化された部位２２がある。このシェル化部位２２もまた、実際のシリンダヘッドでは厚さＴｋの厚肉形状を有する部分であるのに対し、樹脂モデルにおいては中空となっており、その周りは薄肉形状（厚さＴｎ＜Ｔｋ）に成形されている。
このように、工程Ｓ１〜Ｓ３を通じて造形された樹脂モデルはシェル化部位２０，２２を有する結果、その一部分だけに極端な厚肉形状を有することなく、大部分の肉厚が均等化されている。
【００１７】
次に工程Ｓ４〜Ｓ７を追加して、樹脂モデルのロストワックス鋳造法への適用について説明する。
公知のように、ロストワックス鋳造法ではワックスモデルを用いて鋳型を成型し、これに熱を加えてワックスモデルを溶かし出すとともに鋳型を焼成するものである。造形された樹脂モデルは対象物の外形を正確にトレースしていることから、ワックスモデルとしての用途にも好適である。
【００１８】
上述の工程Ｓ３に引き続いて工程Ｓ４を実行する。ここでは先ず、造形した樹脂モデルに湯口部や押湯部、冷やし金等を取り付けた後、全体にワックスを塗布して樹脂モデルと石膏スラリーとのぬれ性を改善する。
続いて図４に示されるように、ワックスを塗布した後の樹脂モデルＭを型枠Ｆ内に収め、減圧した状態で型枠Ｆ内に石膏スラリーＲを充填して凝固させる。
【００１９】
次の工程Ｓ５では、固まった石膏型（鋳型）を型枠Ｆから取り外し、図５に示されるように加熱炉内で脱蝋および焼成を行う。これにより、樹脂モデルが石膏型Ｆから溶かし出され、その内部に所望のキャビティが形成される。
工程Ｓ６では、石膏型ＭＬに溶湯を流し込む。具体的には、石膏型ＭＬを鋳込み温度まで冷却した後、図６に示されるように湯口を通じてキャビティＣ内に溶湯（例えばアルミ溶湯）を注湯する。
【００２０】
注湯が終わると、その冷却後に石膏型ＭＬを解体してシリンダヘッドの鋳物を取り出す。またこの後、鋳物の溶体化処理および人工時効硬化処理を行って燃焼室面の組織を改質しておくことが好ましい。これにより、所望の対象物であるシリンダヘッドが完成する（工程Ｓ７）。
以上の工程を経て完成されたシリンダヘッドは、最初の工程Ｓ１で作成した３次元ＣＡＤデータに基づいて設定された形状を有するものとなるが、その仕上がり精度は樹脂モデルの造形精度に大きく依存する。なお、樹脂モデルにおいて上述のシェル化部位２０，２２が形成されていても、その内部は閉塞されているため石膏型Ｆの成形に際して支障とならない。ただし、シェル化部位２０，２２の形成は樹脂モデルの変形抑制に寄与している。以下に厚肉部分のシェル化による樹脂モデルの変形抑制効果について説明する。
【００２１】
上述の工程Ｓ２から明らかなように、樹脂モデルにおいて厚肉となる部分は薄肉の部分に比べてレーザ照射範囲が広くなり、そこに多量の受光熱が蓄積されてヒートスポットが発生する。この結果、厚肉部分と薄肉部分とで焼結材料の熱収縮率が異なり、樹脂モデルに不所望な変形が生じることは既に述べたとおりである。これに対し、スライス形状データの作成時に厚肉部分のシェル化を行っていれば（工程Ｓ１）、その周りの肉厚が薄肉部分の肉厚に均等化されるためヒートスポットの問題は生じない。
【００２２】
上記の点について本発明の発明者が具体的に検証を行った結果、造形された樹脂モデルの変形は樹脂粉末の焼結温度の違いに起因することが明らかとなっている。
先ず図７は、ラピッドプロトタイピング造型機における樹脂粉末の温度変化を示している。プラットフォーム上に敷設された樹脂粉末は、レーザ光の照射前に赤外線ランプにより予備的に加熱され、その温度はガラス転移温度Ｔｇより低い予熱温度Ｔｐまで高められる。そしてレーザ光が照射されると、その照射範囲内にある樹脂粉末は一気に加熱され、その温度はガラス転移温度Ｔｇを超える領域まで上昇する。このとき温度上昇は、樹脂の融点よりも低い領域内に制限されている。
【００２３】
この後、レーザ照射時間が経過すると樹脂粉末の温度は急激に低下するが、樹脂粉末はガラス転移温度Ｔｇを超えている間に焼結される。
次に図８は、温度上昇に伴う樹脂の熱膨張（体積変化）を示している。同図から明らかなように、ガラス転移温度Ｔｇ以上の領域では、それ以下の温度領域に比べて樹脂の熱膨張率が高くなり、更に樹脂の温度上昇とともに熱膨張率は上昇する。このためレーザ照射によって樹脂粉末が焼結されるとき、その焼結温度に大きな高低差があると樹脂の熱膨張率に違いが生じる。このような熱膨張率の違いは冷却後に収縮率の違いとなり、造形モデルの変形として現れることとなる。
【００２４】
更に発明者が検証を行った結果、樹脂粉末の物性はロット毎にばらつきがあり、その物性に合わせて予熱温度やレーザ出力、レーザ走査速度（照射時間）等を最適に調整する必要があることが確認されている。
上述のように、本実施形態の造形方法では対象物であるシリンダヘッドに厚肉部分がある場合であっても、３次元ＣＡＤデータの作成に際して厚肉部分をシェル化しているため、全体的に均等な肉厚形状で樹脂モデルを造形することができる。このためスライス形状物の積層時に部分的な受光熱の蓄積が防止され、樹脂モデルの変形が抑制される。
【００２５】
本発明の樹脂モデルおよび造形方法は各種の形態に変形して実施可能である。一実施形態では３次元ＣＡＤを使用しているが、汎用的なハードウェアやソフトウェアを用いて樹脂モデルの形状データを作成してもよい。
また、一実施形態で示したラピッドプロトタイピング造型機による造形方法は好ましい例であり、具体的な装置の構成や仕様が異なっていても本発明の実施に支障はない。
【００２６】
その他、図３に示されているシェル化部位２０，２２の形状はあくまで好ましい例であり、実際の対象物に応じて適宜変形が可能であることはいうまでもない。
また、本発明においてシェル化による肉厚の均等化は厳密な意味での寸法の一致を求めるものではなく、樹脂モデルにおいて特定の部位に肉厚が偏らない程度であれば、肉厚の均等化は充分に達成される。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の樹脂モデルの造形方法（請求項１）によれば、樹脂モデルをスライス状に分割したスライス形状物を焼結性材料の樹脂粉末層にレーザ光を照射して樹脂粉末を焼結させることによって形成すると共にスライス形状物を順次積層して樹脂モデルを造形する方法により、対象物の外形を高精度に再現した樹脂モデルを造形することができる。本発明の造形方法をロストワックス鋳造に利用すれば（請求項２）、高精度に造形されたワックスモデルから鋳型を製作できるので、鋳物の品質が大きく向上する。
【００２８】
また、樹脂モデルにおいて対象物の厚肉部分がシェル化されていれば（請求項３）、その製造過程において焼結温度にばらつきが生じない。従って、収縮率の偏りによる変形が抑えられるため信頼性の高い樹脂モデルとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の樹脂モデル造形方法の工程図である。
【図２】ラピッドプロトタイピング造型機を概略的に示した図である。
【図３】造形された樹脂モデルの断面図である。
【図４】石膏スラリーの充填過程を示す図である。
【図５】ワックスモデルの脱蝋および石膏型の焼成過程を示す図である。
【図６】石膏型への注湯過程を示す図である。
【図７】ラピッドプロトタイピング造型機における樹脂粉末の温度変化を表す図である。
【図８】樹脂の温度変化と熱膨張率との関係を表す図である。
【符号の説明】
２０，２２ シェル化部位
Ｐ 樹脂粉末
Ｍ 樹脂モデル
ＭＬ 石膏型

Claims (3)

1. 対象物の形状に基づいて樹脂モデルの形状を設定し、この樹脂モデルをスライス状に分割したスライス形状物を焼結性材料の樹脂粉末層にレーザ光を照射して樹脂粉末を焼結させることによって形成すると共に前記スライス形状物を順次積層して前記樹脂モデルを造形する樹脂モデルの造形方法において、
   前記対象物の厚肉部分に相当する部位を内部に未焼結の樹脂粉末を残留させたままシェル化することにより、このシェル化した部位の肉厚とその他の部位の肉厚とを均等化することを特徴とする樹脂モデルの造形方法。
2. 前記対象物が金属素材により鋳造されるものであり、その鋳造をロストワックス法により行うためのワックスモデルとするべく前記樹脂モデルを造形することを特徴とする請求項１に記載の樹脂モデルの造形方法。
3. 対象物の形状に基づいて樹脂モデルの形状を設定し、この樹脂モデルをスライス状に分割したスライス形状物を焼結性材料の樹脂粉末層にレーザ光を照射して樹脂粉末を焼結させることによって形成すると共に前記スライス形状物を順次積層して造形される前記樹脂モデルにおいて、
   前記対象物の厚肉部分に相当する部位に形成され、その他の部位と肉厚が均等化され、内部に未焼結の樹脂粉末が残留したシェル化部位を備えたことを特徴とする樹脂モデル。

Images