JP3862948B2

JP3862948B2 - 成形品の３次元形状成形方法及び成形装置

Info

Publication number: JP3862948B2
Application number: JP2000357822A
Authority: JP
Inventors: 博和高山; 勝彦坂本; 俊之小川; 敏工藤; 明佐々木
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP2002160266A

Description

【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（ＳＬＳ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、前記容器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、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この型枠の周囲に設置した冷却手段によって冷却し、さら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。
【００１１】
また本発明は、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、前記型枠の周囲にこの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させ、さらに前記エラストマー型に通気孔を設け且つ前記型枠に脱気穴を設けることで、前記エラストマー型のキャビティー内への成形素材の導入の際にこのキャビティー内の気体をこれら通気孔と脱気穴を介して排気させ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１５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１３４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３０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３５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３７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。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２３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２０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。
▲１▼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】
▲２▼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】
▲３▼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】
Ｍ３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

Claims

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、
前記容器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、
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この型枠の周囲に設置した冷却手段によって冷却し、さら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ことを特徴とする成形品の３次元形状成形方法。
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。
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１又は２記載の成形品の３次元形状成形方法。
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、
前記型枠の周囲にこの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させ、
さらに前記エラストマー型に通気孔を設け且つ前記型枠に脱気穴を設けることで、前記エラストマー型のキャビティー内への成形素材の導入の際にこのキャビティー内の気体をこれら通気孔と脱気穴を介して排気させることを特徴とする成形品の３次元形状成形装置。