JP5916789B2 - 鋳造用砂型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂を硬化させるための触媒として硬化剤を混練した砂に対して樹脂を印刷するインクジェット式の積層造形法による鋳造用砂型の製造方法に関し、特に、該積層造形法による造形サイクル内での砂の再利用を可能にし、もって製造コストを低減させようとするものである。

近年、従来は鋳造が難しかった複雑な形状を有する製品が、鋳込み後に破砕させて除去できる砂型を、寸法精度が良く抜け勾配も要求されないＲＰ（ラピッドプロトタイピング）造形法、すなわち、積層造形法で製作することによって、鋳造できるようになっている。積層造形法は、樹脂（バインダー）を硬化させるための触媒として硬化剤を混練した砂に対して樹脂を印刷するインクジェット式と、予め樹脂をコーティングした砂（ＲＣＳ：レジンコーテッドサンド）にレーザーを照射して硬化させるレーザー焼結式などに分類される。

レーザー焼結式の積層造形法は、使用する樹脂が耐熱性に優れることから、低温で鋳込むアルミニウム合金から、高温で鋳込む鋳鉄や鋳鋼まで多くの材質に対して適用できる。そのため、鋳鉄などの高融点金属には、従来からレーザー焼結式が用いられてきた。しかしながら、レーザー焼結式の積層造形法は、それに用いる装置の大型化が難しいために、大型の鋳造製品の製造には向かないという欠点がある。また、レーザー照射のみでは十分な強度が得られないため、造形後に熱処理を行い、強度を高める必要があるが、熱処理前に低強度でもろい砂型から余分な砂を取り除く工程があり、サポートが必要となるなど形状の制約が大きいという問題があった。

これに対して、インクジェット式の積層造形法は、大型のプリンタヘッドを用いることで、大きな造形物を素早く造形することができるため、大型製品にも適用でき、また、造形時にサポートが不要という利点がある。また、現在では、本出願人による開発の結果、例えば特許文献１に記載されるように、インクジェット式の積層造形法を用いることにより、大型ディーゼルエンジン用シリンダヘッドなどの、大型で複雑な内部形状を有する高融点金属製の鋳物製品を有利に製造できるようになっている。

ところで、このようなインクジェット式の積層造形法では、積層造形に用いる砂として粒度分布の狭い砂が要求され、わずかな異物の混入によっても、造形品質に影響が出たり、造形装置の故障を招くおそれもある。このため、積層造形して鋳造に用いられた砂型や、積層造形時に樹脂が印刷されなかった混練砂などの再利用は行われておらず、積層造形時には新砂のみが用いられている。しかしながら、インクジェット式の積層造形法では、前述したように、粒度分布の狭い砂が要求されることから、木型法によって砂型を製作する場合などに比べて、高価な砂が用いられることになる。したがって、砂の再利用を可能にする技術が待望されていた。

このような砂の再利用の技術としては、前述したレーザー焼結式の積層造形法において未硬化の砂を再利用可能とするもの（特許文献２）や、シェルモールド鋳造法においてシェル砂を焙焼して再生するもの（特許文献３）などが知られている。

特開２０１３−２４０７９９号公報 特開２００１−３８８１２号公報 特開昭６３−１８０３４０号公報

しかしながら、本出願人による鋭意調査の結果、特許文献２や特許文献３に記載される技術をインクジェット式の積層造形法にそのまま適用しても、以下に記載するように、良好な結果が得られないことが判明した。まず、インクジェット式の積層造形法において、特許文献２に記載されるように未硬化の砂を再利用する場合には、樹脂を印刷されなかった混練砂を造形物の取り出し後に回収し、再度、積層造形に使用することとなるが、このような混練砂の再使用を行った場合、良好な造形物が得られないことがあった。これは、再利用の過程で混練砂に含まれる硬化剤が一部蒸発して流動性にムラが生じてしまうことが原因であると考えられる。

また、インクジェット式の積層造形法において、特許文献３に記載されるシェル砂の再生技術を適用する場合には、積層造形して鋳造に用いた砂型を焙焼して再生砂とし、新砂の代わりに、或いは新砂に加えて該再生砂を用いることとなるが、このような再生砂を用いた場合、良好な造形物が得られないことがあった。これは、鋳造工程において、焙焼再生によっては取り除くことのできない不純物が砂型に多数混入するためであり、シェルモールド鋳造法では問題とならないこれらの不純物が、積層造形においては積層失敗の原因となるためであると考えられる。

本発明は、前記の知見に基づき開発されたもので、インクジェット式の積層造形法による鋳造用砂型の製造方法において、該積層造形法による造形サイクル内での砂の再利用を可能とし、もって製造コストを低減することができる鋳造用砂型の製造方法を提案することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
１．樹脂を硬化させるための触媒として硬化剤を混練した砂に対して、インクジェットノズルヘッドを用いて樹脂を付着させる、すなわち樹脂を印刷するインクジェット式の積層造形法による鋳造用砂型の製造方法において、
砂と硬化剤を混練して混練砂とする混練工程と、
前記混練砂を一層ずつ積層しながら樹脂を印刷することで鋳造用砂型を造形する積層印刷工程と、
前記積層印刷工程において前記樹脂が印刷されなかった前記混練砂を回収する回収工程と、
前記回収工程にて回収した前記混練砂を焙焼して再生砂とする再生工程と、
前記再生砂を、前記混練工程に、前記砂の少なくとも一部として導入する再生砂導入工程とを含むことを特徴とする、鋳造用砂型の製造方法。

２．前記再生工程において、前記再生砂から、集塵によって微粉を除去すると共に篩分けによって異物を除去する、前記１の鋳造用砂型の製造方法。

３．前記再生工程において、３００〜１０００℃の処理温度で前記混練砂を焙焼する、前記１又は２の鋳造用砂型の製造方法。

４．前記混練工程に導入する前記再生砂と新砂との割合を一定に保ちつつ、前記混練工程から前記再生砂導入工程までの造形サイクルを繰返す、前記１〜３のいずれかの鋳造用砂型の製造方法。

本発明によれば、積層印刷工程において樹脂が印刷されなかった混練砂を、回収工程において回収し、再生工程において焙焼して再生砂とし、再生砂導入工程において、再生砂を、混練工程に、砂の少なくとも一部として導入することで、従来同様の良好な積層造形物を得ることができる。

したがって、本発明によれば、インクジェット式の積層造形法による鋳造用砂型の製造方法において、該積層造形法による造形サイクル内での砂の再利用を可能とし、もって製造コストを低減することができる鋳造用砂型の製造方法を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る鋳造用砂型の製造方法における造形サイクルを説明するための図である。 図１の再生工程における焙焼要領の一例を説明するための図であり、流動焙焼炉の模式的な縦断面図である。 図１の再生工程を経た再生砂とその新砂の粒度分布を比較した一例を示す図である。

以下、図１〜図２を参照して、本発明の一実施形態に係る鋳造用砂型の製造方法について詳細に例示説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る鋳造用砂型の製造方法は、混練工程１と、積層印刷工程２と、回収工程３と、再生工程４と、再生砂導入工程５とを含む造形サイクルを有している。

混練工程１では、砂１０と硬化剤２０を混練して混練砂３０とする。砂１０の少なくとも一部は、後述する再生砂導入工程５から導入する再生砂１２とする。砂１０の原料は、特に限定されないが、例えば、天然の砂、人工砂又はこれらの混合物を用いることができる。天然の砂としては、天然硅砂、ジルコン砂などが挙げられる。人工砂としては、焼結法、溶融法又は火炎溶融法で作製された人工砂が挙げられ、その組成としては、アルミナ（Ａｌ−Ｏ系）や、ムライト（Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ系）、ムライト−ジルコン（Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｒ−Ｏ系）の混合系などが挙げられる。

硬化剤２０は、積層印刷工程２において混練砂３０に印刷されることになる樹脂（バインダー）４０を硬化させるための触媒として作用するものであれば、特に限定されない。硬化剤２０としては、例えば、前記樹脂４０として、フラン樹脂等の有機樹脂を用いる場合には、常温において当該有機樹脂を硬化させられるものが好ましい。例えば、キシレンスルホン酸やトルエンスルホン酸を主成分とするものが取扱いの点で優れているため、好ましい。

また、硬化剤２０の混練比率は、砂１０の総量に対して、０．０１〜１．０質量％の範囲が好ましい。というのは、この範囲で硬化剤２０を混練すると、砂１０の造形性と流動性が最もバランスするからである。

積層印刷工程２では、混練砂３０を一層ずつ積層しながら樹脂４０を印刷することで、鋳造用砂型５０を造形する。例えば、砂型５０の形状を３ＤＣＡＤ設計して得られたデータに基づき、インクジェット式の三次元積層造形装置１００（例えば、Ｅｘ Ｏｎｅ Ｓ−ＭＡＸ（商標）、販売元：株式会社ＥＸ ＯＮＥ）を用いて、まず、ブレード機構により砂１０と硬化剤２０を混練した混練砂３０の薄層を平らな表面上に均一に拡げ、この薄層における所定の領域に対して、前記した３ＤＣＡＤデータに基づきインクジェットノズルヘッドを走査させて樹脂４０を印刷することができる。

樹脂４０が印刷された領域の層は、接合状態となるとともに、既に形成済の下層とも結合する。そして、砂型５０全体が完成するまで、薄層を上部に順次形成させ、樹脂４０を印刷する工程を繰り返す。最終的に、樹脂が付着されなかった領域は、非結合状態であるため、混練砂３０は砂型５０から容易に除去することができる。以上の操作により、所望の三次元構造の砂型５０が製造できる。

樹脂４０としては、有機樹脂、特にフラン樹脂又はフェノール樹脂を用いるのが好ましい。フラン樹脂としては、例えば、フルフリルアルコール、フルフリルアルコールとアルデヒド類の縮合物、尿素とアルデヒド類の縮合物よりなる群から選ばれる１種以上か、上記群から選ばれる２種以上の縮合物からなるフラン樹脂が挙げられる。また、フェノール樹脂としては、フェノール類とアルデヒド類の縮合物が挙げられる。また、混練砂３０一層の厚さは、２００〜５００μｍの範囲とすることが好ましい。より好ましくは２００〜３００μｍの範囲である。なお、樹脂４０としてフェノール樹脂を用いる場合には、砂型５０を樹脂４０が印刷されなかった混練砂３０から取り出す前に、当該砂型５０を含む積層体に加熱処理（好適にはマイクロ波加熱）を施し、砂型５０を完全に硬化させることが好ましい。

回収工程３では、積層印刷工程２において樹脂４０が印刷されなかった混練砂３０を回収する。ここに、回収工程３においては、硬化した砂型５０を混練砂３０から取り出す際に、混練砂３０を、吸引ノズルを備える吸引装置によって回収することが好ましい。また、このようにして砂型５０を取り出した場合、砂型５０に付着している混練砂３０を、圧縮空気の吹き付け作業などによって砂型５０から取り除く必要がある。しかしながら、このように砂型５０に付着している混練砂３０は、回収しないことが好ましい。その理由は、砂型５０に付着している混練砂３０には、樹脂４０を含んだ砂が混ざっていることがあり、回収したとしても、再生工程４において十分な再生が行われないおそれがあるからである。

再生工程４では、回収工程３にて回収した混練砂３０を焙焼して再生砂１２とする。具体的には、図２に示すような流動焙焼炉２００を用いて焙焼することで、混練砂３０の再生を行うことが好ましい。例えば、ブロワ２０１ａによって下部より空気２０２ａを吹き込み、混練砂３０を流動化させた焙焼炉内２０３で、流動化された混練砂３０にバーナー２０４の炎をあて、表面の硬化剤２０を蒸発乃至燃焼させて再生砂１２とすることができる。ここに、混練砂３０の焙焼のための処理温度としては、３００〜１０００℃とすることが好ましく、より好ましくは、３５０〜５５０℃とする。ここに、処理温度が３００℃未満の場合には、硬化剤２０を十分に蒸発乃至燃焼させられないおそれがある。また、処理温度が５５０℃を超える場合には、焙焼炉の炉材の劣化が早まり、破砕した炉材が再生砂１２に混入するおそれがある。さらに、特に鋳造用の骨材として一般的である硅砂を再生する際には、５７０℃付近の石英の構造相転移と、それに伴う体積膨張により砂の破砕が起こり、再生砂１２の粒度分布に悪影響を及ぼし、良好な積層造形物を得られなくなるおそれがある。なお、処理温度とは、焙焼炉内２０３に設置された温度計によって測定された温度を意味する。

また、焙焼炉内２０３で混練砂３０を焙焼する際に、集塵機２０５ａによって微粉２０６ａを取り除くことができる。また、焙焼炉内２０３から流下させた再生砂１２に対し、横方向（好ましくは水平方向）から、ブロワ２０１ｂによって空気２０２ｂを吹き込んで、再生砂１２を横方向に流動させつつ、集塵機２０５ｂによって再生砂１２から微粉２０６ｂを取り除くことが好ましい。なお、この際、冷却水を吹き付けて再生砂１２の冷却を促すことができる。さらに、再生砂１２を篩２０７に通すことにより、再生砂１２から異物２０８（例えば、焙焼炉の破砕して混入した炉材など）を篩分けによって除去することが好ましい。このようにして微粉２０６ａ、２０６ｂ及び異物２０８を除去した再生砂１２の粒度分布と、その新砂１１の粒度分布とを比較したものの一例を図３に示す。このように、再生砂１２から、集塵によって微粉２０６ａ、２０６ｂ（すなわち、粒径の小さいもの）を除去すると共に篩分けによって異物２０８（すなわち、粒径の大きいもの）を除去することで、再生砂１２の粒度分布をその新砂１１の粒度分布に近いものとすることができる。なお、図３に示した例は、新砂１１として、平均粒径１４０μｍの天然硅砂と、平均粒径１４０μｍの火炎溶融法により作製された人工砂とを１対２の割合で混合した砂を用いると共に、目開き３００μｍの篩２０７を適用した場合のものである。なお、再生工程４では、遠心力などを利用して砂粒間に摩擦を与え砂粒表面の付着物を除去する乾式再生は併用しないことが好ましい。乾式再生を用いると、砂粒にダメージを与え、再生砂１２の粒度分布に悪影響を与えるおそれがあるためである。

再生砂導入工程５では、再生砂１２を、混練工程１に、砂１０の少なくとも一部として導入する。本実施形態では、ストックしておいた新砂１１と、前述した再生工程４で再生させてストックしておいた再生砂１２とを、所定の割合で混合した砂１０を混練工程１に導入させている。

また、その際には、混練工程１に導入する再生砂１２と新砂１１との割合を一定に保ちつつ、混練工程１から再生砂導入工程５までの造形サイクルを繰返すようにすることが好ましい。その理由は、再生砂１２と新砂１１とは、粒度分布が若干異なる（例えば、前記した焙焼再生によって微粉２０６ａ、２０６ｂを取り除かれた再生砂１２は、新砂１１よりも粒度分布が狭い、すなわち、より良質な砂となる。）ことがあり、その場合には、再生砂１２と新砂１１との割合に応じて、積層造形装置１００を作動させる際の該装置の設定を変更する必要があるためである。積層造形装置１００の設定には、ブレード間隙を機械的に調整し、砂の供給量を調整する作業などが含まれており、調整後には、テストを繰り返し、正常に積層できることを確認する必要がある。したがって、装置の設定の変更には、数時間から数日を要することとなる。前述したように再生砂１２と新砂１１との割合を一定に保つことで、使用する原料の品質を常に一定とし、このような積層造形装置１００の設定変更の必要をなくし、連続的な生産を可能にすることができる。

なお、積層造形装置１００を稼動させる際には、図１に示したように、複数個、複数種類の砂型をレイアウトし、これら砂型をできる限り多く一度に積層造形することが製造費用の観点から好ましい。この場合、再生のために回収される混練砂３０と、造形された砂型５０（及び該砂型５０に付着した混練砂３０）との割合は、積層造形を行うたびに変動するが、数十回程度の平均値を考えた場合には略一定とみなすことができる。３０回の積層造形を行い、前記割合を調査したところ、前者が７０％、後者が３０％程度であった。そして、前述した「混練工程１に導入する再生砂１２と新砂１１との割合」を、このような、再生のために回収される混練砂３０と、造形された砂型５０（及び該砂型５０に付着した混練砂３０）との割合と一致させれば、積層造形装置１００の再設定を行うことなく、より安定して（すなわち、新砂１１及び再生砂１２のより少ないストックにて）造形サイクルを繰返すことができるため好ましい。

本実施形態に係る鋳造用砂型の製造方法によれば、インクジェット式の積層造形法による造形サイクル内での砂の再利用を可能とし、積層造形を用いて作製した砂型を用いた鋳造品を、より少ないコストで製造することができる。

本発明に従うことで、インクジェット式の積層造形法を低コストで適用し、小型の鋳造製品については勿論、大型で複雑な内部形状を有する鋳造製品である大型エンジン用シリンダヘッドや、大型エンジン用シリンダブロック、大型エンジン用ウォーターボックス、大型ポンプ用羽根車等についても、有利に供給することが可能となる。

１ 混練工程
２ 積層印刷工程
３ 回収工程
４ 再生工程
５ 再生砂導入工程
１０ 砂
１１ 新砂
１２ 再生砂
２０ 硬化剤
３０ 混練砂
４０ 樹脂
５０ 砂型
１００ 三次元積層造形装置
２００ 流動焙焼炉
２０１ａ、２０１ｂ ブロワ
２０２ａ、２０２ｂ 空気
２０３ 焙焼炉内
２０４ バーナー
２０５ａ、２０５ｂ 集塵機
２０６ａ、２０６ｂ 微粉
２０７ 篩
２０８ 異物

Claims (4)

1. 樹脂を硬化させるための触媒として硬化剤を混練した砂に対して、インクジェットノズルヘッドを用いて樹脂を付着させる、すなわち樹脂を印刷するインクジェット式の積層造形法による鋳造用砂型の製造方法において、
   砂と硬化剤を混練して混練砂とする混練工程と、
   前記混練砂を一層ずつ積層しながら樹脂を印刷することで鋳造用砂型を造形する積層印刷工程と、
   前記積層印刷工程において前記樹脂が印刷されなかった前記混練砂を回収する回収工程と、
   前記回収工程にて回収した前記混練砂を焙焼して再生砂とする再生工程と、
   前記再生砂を、前記混練工程に、前記砂の少なくとも一部として導入する再生砂導入工程とを含むことを特徴とする、鋳造用砂型の製造方法。
2. 前記再生工程において、前記再生砂から、集塵によって微粉を除去すると共に篩分けによって異物を除去する、請求項１に記載の鋳造用砂型の製造方法。
3. 前記再生工程において、３００〜１０００℃の処理温度で前記混練砂を焙焼する、請求項１又は２に記載の鋳造用砂型の製造方法。
4. 前記混練工程に導入する前記再生砂と新砂との割合を一定に保ちつつ、前記混練工程から前記再生砂導入工程までの造形サイクルを繰返す、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋳造用砂型の製造方法。

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