JP7212884B2

JP7212884B2 - 鋳物用砂型、およびその製造方法

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Publication number: JP7212884B2
Application number: JP2019011566A
Authority: JP
Inventors: 弘徳石田; 嘉史扇; 玲江里口
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2039-01-25
Also published as: JP2020116623A

Description

本発明は、３Ｄプリンターによって製造される鋳物用砂型、およびその製造方法に関する。

鋳造は、溶融した金属を鋳型に注入して鋳物を製造する金属加工方法である。この鋳型の製造は、模型や木型を作成する前工程が必要とされるため、時間やコストがかかるものとなっている。近年、短納期や低コスト化の要請からこの前工程が不要な鋳型の製造手段が望まれている。

そこで、３Ｄプリンターが迅速かつ精密な造形方法として注目されており、これを鋳物用砂型に適用とする取り組みがなされている。３Ｄプリンターによる鋳物用砂型の製造方式として、順次砂を積層しながらレーザーで焼結する方法と、順次砂を積層しながら結合剤を吹き付け硬化させる方法がある（ＢＪ方式）。

しかしながらレーザーで焼結する方法は、得られる砂型に残留する応力が大きく、所望の寸法精度が得られ難いという問題がある。これに対し、順次砂を積層しながら結合剤を吹き付け硬化させる方法は、砂型の残留応力が小さく寸法精度が得られやすい。さらに、この方法を採用する３Ｄプリンターの価格はレーザー焼結の３Ｄプリンターよりも安価である。この様なことから、ＢＪ方式の３Ｄプリンターを用いた鋳物用砂型は多く用いられるようになってきた。ＢＪ方式の３Ｄプリンターで製作する鋳物用砂型は、有機物の縮合や重合による硬化で形状化するものと、水和による硬化で形状化するものがある。

特許文献１は、結合材噴射方式付加製造装置（３Ｄプリンター）に用いるための、強度がより高い結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物が開示されている。また、特許文献２は、強度発現性、とくに早期強度発現性が高く、ガス欠陥や黒鉛球状化不良による欠陥の発生が少なく、また白色度の高い付加製造装置（３Ｄプリンター）用セメント組成物が開示されている。

特開２０１７－１７８６８９号公報特開２０１８－０９０４２８号公報

順次砂を積層しながら結合剤を吹き付け硬化させる方法により製造された鋳物用砂型も、鋳造時に角部が熱的に特異な状態となりやすいために、熱による発生応力で角部の破損が生じる場合があり、鋳物に欠陥をもたらすという問題があった。これは鋳込み温度が高い鋳鉄、鋳鋼品を製造する際によく見られる。対策として角部にＲ面やＣ面をつけることが有効であるが、特許文献１も特許文献２も、鋳物用砂型の鋳物との接触面の角部の破損を防止するＲ面やＣ面をつけることは考慮していない。また、具体的にどのような大きさのＲ面やＣ面とすれば、角部の破損が避けられるかはわかっていなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、鋳物用砂型の鋳物との接触面の角部の欠けが少なくなり、鋳物の隅部に不要な凸が少ない鋳物を得ることができる鋳物用砂型、およびその製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の鋳物用砂型は、少なくとも砂および結合材を含む鋳物用砂型であって、前記砂型の鋳物との接触面の角部の少なくとも一部がＲ面またはＣ面となっており、前記Ｒ面またはＣ面の寸法は、前記砂型を構成する粉体材料のモード径の５倍以上であることを特徴としている。

このように、砂型の鋳物との接触面の角部の少なくとも一部を、砂型を構成する粉体材料のモード径の５倍以上のＲ面またはＣ面とすることで、砂型の鋳物との接触面の角部の欠けが少なくなり、鋳物の隅部に不要な凸が少ない鋳物を得ることができる。

（２）また、本発明の鋳物用砂型は、曲げ強度が１ＭＰａ以上であることを特徴としている。これにより、砂型の角部の破損、脱粒をより防止できると共に、鋳造までのハンドリングに十分耐え得る。

（３）また、本発明の鋳物用砂型において、前記結合材は、無機質水硬性物質を含むことを特徴としている。これにより、鋳造時に鋳物用砂型から発生するガス量を低減することができ、ガスを起因とする鋳物の欠陥を防止でき、また、臭気等の環境への影響を低減できる。

（４）また、本発明の鋳物用砂型の製造方法は、結合剤噴射方式３Ｄプリンターによって鋳物用砂型を製造する方法であって、少なくとも砂および結合材を含む粉体材料を積層する工程と、前記粉体材料に結合剤を噴射する工程と、前記結合剤が噴射された粉体材料を固化させる工程と、を含み、前記結合剤を噴射する工程は、前記砂型の鋳物との接触面の角部の少なくとも一部が、前記粉体材料のモード径の５倍以上の所定の寸法のＲ面またはＣ面となるように噴射し、前記粉体材料を積層する工程、結合剤を噴射する工程、および粉体材料を固化させる工程を繰り返すことで前記砂型を形成することを特徴としている。これにより、砂型の鋳物との接触面の角部の欠けが少なくなり、鋳物の隅部に不要な凸が少ない鋳物を得ることができる。３Ｄプリンターによって形成されるので、このような精密なＲ面またはＣ面を作製することができる。

本発明によれば、砂型の鋳物との接触面の角部の欠けが少ない鋳物用砂型とすることができる。その結果、本発明の鋳物用砂型を使用して製造された鋳物は、隅部に不要な凸を少なくすることができ、凸を除去するための工程を削減できる。

実施例および比較例の鋳物用砂型の部品１を示す斜視図である。（ａ）～（ｃ）は、それぞれ実施例および比較例の鋳物用砂型の部品１の平面図、正面図、および右側面図である。実施例および比較例の鋳物用砂型の部品１の断面図である。実施例および比較例の鋳物用砂型の部品２を示す斜視図である。（ａ）、および（ｂ）は、それぞれ実施例および比較例の鋳物用砂型の部品２の平面図、および正面図である。実施例および比較例の鋳物用砂型で作製した鋳物を示す斜視図である。実施例および比較例の鋳物用砂型の角部Ｂの欠けの有無を調べる試験を示す概念図である。実施例および比較例の鋳物用砂型の角部Ｂの欠けの有無を調べる試験の結果を示す表である。

本発明者らは、鋭意研究の結果、鋳物用砂型の鋳物との接触面の角部の欠けを防止できるＲ面またはＣ面の寸法の具体的な数値を見出し、砂型の鋳物との接触面の角部の欠けが少なくなり、鋳物の隅部に不要な凸が少ない鋳物を得ることができる鋳物用砂型を発明した。以下に、本発明の実施形態について説明する。

［鋳物用砂型の構成］
本発明の鋳物用砂型は、砂型を構成する粉体材料に少なくとも砂および結合材を含む。砂および結合材については後述する。また、本発明の鋳物用砂型は、砂型の鋳物との接触面の角部の少なくとも一部がＲ面またはＣ面となっており、Ｒ面またはＣ面の寸法は、砂型を構成する粉体材料のモード径の５倍以上である。また、Ｒ面またはＣ面の寸法は、砂型を構成する粉体材料のモード径の１０倍以下であることが好ましい。

上記のとおり、順次砂を積層しながら結合剤を吹き付け硬化させる方法により製造される鋳物用砂型も、鋳造時に角部が熱的に特異な状態となりやすいために、熱による発生応力で角部の破損が生じる場合があり、鋳物に欠陥をもたらすという問題があった。例えば、砂型を構成する砂の脱粒は砂型の角部に起こりやすく、脱粒が生じると、そこがくぼみになり、くぼみに湯が入り、鋳物はその部分が凸になる。その凸が鋳物の構造上問題ない部分であればそのままにしてもよいが、例えば、他の部材とのはめ込み部分等である場合や、意匠の造形上問題となる場合は、その凸を除去する工程が必要となる。そのような工程が必要となると、生産性の低下やコストの上昇が問題となる。また、鋳物の形状によっては、凸を除去できない場合もある。さらに、角部の破損の度合いが大きい場合は、鋳物自体が製品として適さなくなる場合もある。

このような破損や脱粒を抑制するには、鋳物用砂型の強度の向上をすることが考えられるが、強度を向上するには、有機物の縮合や重合による硬化で形状化する様式においては有機物の増量、水和による硬化で形状化するにおいては水分量の増量といった方法が必要となる。これらの方法は、鋳造時に鋳物用砂型から発生するガス量の増大をもたらし、ガスを起因とする鋳物の欠陥を引き起こす可能性を高くする。

そのため、有機物の増量や水分量の増量をできるだけ行わないで破損や脱粒を防ぐには、砂型の最表面に位置する砂の露出面積を低減させることが効果的である。すなわち、砂型の角部の破損を回避する対策として、角部にＲ面やＣ面をつけることが有効である。しかし、具体的にどのような大きさのＲ面やＣ面とすれば、角部の破損が避けられるかはわかっていなかった。砂型の角部は、構成する材料が粒子状の固形物であることから、通常、いわゆるピン角にはならず、材料の固形物のモード径と同程度（１～２倍程度）のＲ面となる。しかし、自然に発生するそのような大きさのＲ面のまま鋳物を製造すると、角部の破損が生じる場合がある。

そこで、鋳物用砂型は、角部のＲ面またはＣ面の寸法を、砂型を構成する粉体材料のモード径の５倍以上とする。このような値とすることで、角部の破損が避けられる。Ｒ面またはＣ面の寸法を、砂型を構成する粉体材料のモード径の５倍以上とすることで、砂型の最表面に位置する砂の露出面積を十分に低減できるため、熱による発生応力を緩和でき、湯が流れても欠けが発生しない。

角部にＣ面をつけた場合は、依然として角部が存在するが、新たな角部は元の角部よりも角度が大きくなっており、上記のような自然のＲ面となるため、新たな角部では砂型の最表面に位置する砂の露出面積が元の角部より低減されている。そのため、熱による発生応力を緩和でき、湯が流れても欠けが発生しない。

Ｒ面またはＣ面の寸法の上限は、砂型を構成する粉体材料のモード径の１０倍以下であることが好ましい。Ｒ面またはＣ面の寸法の上限は、角部を形成する辺の長さや砂型を構成する粉体材料のモード径等に応じて取り得る値が変化するが、モード径の１０倍以下であれば、角部を形成する辺の長さが短い場合や砂型を構成する粉体材料のモード径が大きい場合にも概ね採用することができる。また、Ｒ面またはＣ面の寸法の上限がモード径の１０倍以下であれば、元の角部との形状の差異が大きくないため、好ましい。

なお、砂型の鋳物との接触面の角部に形成するＲ面またはＣ面は、角部の欠け等が発生したときに、鋳物の凸を除去する必要が生じる部分、または凸を除去できない部分等の一部の角部だけに形成してもよいし、すべての角部に形成してもよい。

また、砂を含まず無機質水硬性物質を含む結合材のみで鋳物用砂型を形成する場合も、粉体材料の脱粒は生じるので、そのような場合も、砂型の鋳物との接触面の角部の少なくとも一部がＲ面またはＣ面とし、Ｒ面またはＣ面の寸法は、砂型を構成する粉体材料のモード径の５倍以上とすることが好ましい。

鋳物用砂型の３点曲げ強度は１ＭＰａ以上であることが好ましく、３ＭＰａ以上であることがより好ましい。１ＭＰａ以上であれば、砂型の角部の破損、脱粒をより防止できると共に、鋳造までのハンドリングに十分に耐え得るからである。なお、３点曲げ強度は、造形時の積層方向と平行な方向における強度を意味する。

鋳物用砂型を構成する粉体材料のモード径は、５０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましく、７５μｍ以上２１２μｍ以下であることがより好ましい。５０μｍより小さいと、鋳型の通気度が低下するため、鋳造時に発生するガスが鋳型を透過し難くなり、鋳型を破損する恐れがある。３００μｍより大きいと、粉体同士の接触点が少なくなるために鋳型の強度が低下するので破損しやすくなる。粉体材料のモード径は、レーザー回折・散乱法により測定する。

砂は、耐火砂であれば、特に制限されず、珪砂、オリビン砂、ジルコン砂、クロマイト砂、アルミナ砂、および人工砂等から選ばれる１種以上が挙げられる。これらのうち、珪砂、オリビン砂、および人工砂は、耐火性が高いため、好ましい。

また、砂の配合量は、後述する結合材１００質量％に対し、好ましくは１００～６００質量％である。数値がこのような範囲であれば、耐火性と強度発現性を確保できる。なお、配合量は、結合材１００質量％に対し、より好ましくは１５０～５００質量％、さらに好ましくは２００～４００質量％である。

結合材は、縮合や重合により硬化するフェノール樹脂やフラン樹脂などの有機物であってもよいが、有機物の種類によっては高温での使用が制限されることもある。そのため、高温での使用をする場合や、鋳込み時に有機物が気化することによる臭気等の環境への影響、発生したガスを起因とする鋳物の欠陥を防止する観点から、結合材は、カルシウムアルミネート、セメント、石膏、石灰などの無機質水硬性物質を主成分とすることが好ましい。以下では、無機質水硬性物質を主成分とする結合材について詳説する。なお、結合材が無機質水硬性物質を主成分とするとは、結合剤の５０質量％以上が無機質水硬性物質であることとする。以下に記す結合材を用いることでより強度の高い鋳型となり、角部に破損が生じにくくなるために、より小さなＲ寸法またはＣ寸法にすることができる。

無機質水硬性物質を含む結合材は、結合材全体を１００質量％として、カルシウムアルミネートを、５０～１００質量％含むことがより好ましい。また、カルシウムアルミネートは、非晶質カルシウムアルミネートであることがより好ましい。

カルシウムアルミネートは、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、２ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３、５ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、３ＣａＯ・５Ａｌ_２Ｏ_３、またはＣａＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３等のカルシウムアルミネート；カルシウムアルミネートにハロゲンが固溶または置換した３ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＦ_２、および１１ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＦ_２等のカルシウムフロロアルミネートを含むカルシウムハロアルミネート；８ＣａＯ・Ｎａ_２Ｏ・３Ａｌ_２Ｏ_３、および３ＣａＯ・２Ｎａ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３等のカルシウムナトリウムアルミネート；カルシウムリチウムアルミネート；アルミナセメント；さらにこれらにＮａ，Ｋ，Ｌｉ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｃｒ，Ｐ，Ｆ，Ｓ等の微量元素（酸化物等含む。）が固溶した鉱物から選ばれる１種以上が挙げられる。

非晶質カルシウムアルミネートは、原料を溶融した後、急冷して製造するから、実質的に結晶構造を有せず、通常、そのガラス化率は８０％以上であり、ガラス化率が高い程、早期強度発現性は高いため、ガラス化率は好ましくは９０％以上である。

カルシウムアルミネートのＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３のモル比は、好ましくは１．５～３．０、より好ましくは１．７～２．４である。該モル比が１．５以上で水硬性組成物の早期強度発現性が高く、３．０以下で水硬性組成物の耐熱性が高い。

また、カルシウムアルミネートと、任意の成分であるセメントおよび石膏等を含む結合材の合計を１００質量％として、カルシウムアルミネートの含有率は、好ましくは５０～１００質量％である。該値が５０質量％以上であれば、水硬性組成物の早期強度発現性と耐熱性が高い。なお、該値は、好ましくは６０～１００質量％、より好ましくは７０～１００質量％、さらに好ましくは８０～９５質量％である。

また、カルシウムアルミネートのブレーン比表面積は、充分な早期強度発現性を得るとともに粉塵の発生を抑制するために、好ましくは１０００～６０００ｃｍ^２／ｇ、より好ましくは１５００～５０００ｃｍ^２／ｇである。なお、カルシウムアルミネートのブレーン比表面積は、付加製造装置での敷きならしが均一で、かつ、鋳型の強度が低下しないためには、さらに好ましくは１０００～２５００ｃｍ^２／ｇ、特に好ましくは１５００～２０００ｃｍ^２／ｇである。

また、結合材に、ポリマーを含有してもよい。結合材に対するポリマーの含有割合は、鋳物用砂型の強度をより高めるために、結合材１００質量％に対し、外割、固形分換算で２～１２質量％が好ましい。ポリマーの含有割合が２質量％未満では、強度の向上効果は低く、にじみが発生して寸法精度が劣る場合があり、また、１２質量％を越えると、砂型の収縮により、形状によっては変形やひび割れが生じ、また形状が複雑な砂型が製造できない場合がある。なお、ポリマーの含有割合は、結合材１００質量％に対し、より好ましくは３～１２質量％、さらに好ましくは４～１０質量％である。

ポリマーは、ポリマーの形態で示せば、ＪＩＳＡ６２０３に規定するポリマーディスパージョンや再乳化粉末樹脂等であり、また、ポリマーの種類で示せば、ポリアクリル酸エステル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、スチレン・ブタジエン共重合体、酢酸ビニル・バーサチック酸ビニルエステル共重合体、酢酸ビニル・バーサチック酸ビニル・アクリル酸エステル３元共重合体、ポリビニルアルコール、マルトデキストリン、エポキシ樹脂、およびウレタン樹脂から選ばれる１種以上が挙げられる。

これらの中でも、早期強度発現性が得られるため、好ましくはポリビニルアルコール（ポリ酢酸ビニルの部分ケン化物または完全ケン化物）であり、ポリビニルアルコールのケン化度は、８０～９０モル％であることが好ましい。さらに好ましくはケン化度が８５～９０モル％のポリビニルアルコールである。

また、早期強度発現性が得られ、高い強度が得られるため、ポリビニルアルコールの平均粒径（メディアン径Ｄ５０）は、１５０μｍ以下であることが好ましい。ポリビニルアルコールの平均粒径は、より好ましくは１０～１５０μｍ、さらに好ましくは３０～９０μｍである。したがって、ポリビニルアルコールは、結合材のいずれかまたは複数の結合材の原料と混合粉砕して、粒度調整すると、より細粒で均質に混合でき、早期強度発現性を高めることができる。

ポリマーは、粉体の状態で結合材や砂と混合して用いるか、または、後述の水に溶解して用いてもよい。なお、この場合のポリマーは粉体材料に含まないものとする。

また、結合材は、結合材全体を１００質量％として、ＪＩＳＲ５２１０に準拠して測定した凝結（始発）が３時間３０分以内であるセメントを、０～５０質量％含んでもよい。セメントは結合材の任意の成分であり、ＪＩＳＲ５２１０に準拠して測定した凝結（始発）が３時間３０分以内であれば、鋳型Ｍの製造時から３時間後の早期の強度発現性が高いため好ましく、該凝結（始発）は１時間以内がより好ましく、３０分以内がさらに好ましい。

結合材中のセメントの含有率は、早期強度発現性の向上のため、結合材全体を１００質量％として、好ましくは５０質量％以下、より好ましくは３０質量％以下、さらに好ましくは２０質量％以下、特に好ましくは１０質量％以下である。

また、セメント中の珪酸カルシウムの含有率は、好ましくは２５質量％以上である。該含有率が２５質量％以上あれば、材齢１日以後の強度発現性が高く、また長期強度発現性が必要な場合、該含有率は、好ましくは４５質量％以上である。

セメントは、速硬セメント、超速硬セメント、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント、エコセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント、およびセメントクリンカー粉末から選ばれる１種以上が挙げられる。なお、セメントクリンカー粉末もセメントに含める。

これらの中でも、早期強度発現性が高いため、好ましくは、凝結（始発）が３０分以内である速硬性セメント、超速硬セメント、または止水セメントである。なお、速硬性セメント等の市販品は、スーパージェットセメント（ＳＪＣ：太平洋セメント社製）、ジェットセメント（住友大阪セメント社製）、ライオンシスイ（登録商標、住友大阪セメント社製）、またはデンカスーパーセメント（デンカ社製）が挙げられる。

また、結合材は、結合材全体を１００質量％として、石膏を無水石膏換算で０～５質量％含んでもよい。石膏は結合材の任意の成分であり、無水石膏、半水石膏、および二水石膏から選ばれる１種以上が挙げられる。これらの中でも、半水石膏は早期強度発現性がより高いために好ましい。

結合材中の石膏の含有率は、強度の向上や、鋳物の製造時においてガスや黒鉛球状化不良を防止するため、結合材全体を１００質量％として、好ましくは無水石膏換算で５質量％以下、より好ましくは３質量％以下、さらに好ましくは１質量％以下である。

また、前記石膏はセメント中に含まれる石膏でもよく、セメント中の石膏の含有率が無水石膏換算で５質量％以上含むような超速硬セメント（例えば、太平洋セメント社製スーパージェットセメント）は、カルシウムアルミネートと混合して結合材として用いることで、より早期強度発現性が向上する。

なお、水硬性組成物は、さらに、強度発現性の調整材等として、高炉スラグ、フライアッシュ、シリカフューム、フュームドシリカ、珪石微粉末、および石灰石粉末等の任意の成分を含んでもよい。

上記した水硬性組成物は、強度発現性と耐熱性が高いため、鋳型に用いた場合、鋳造時のガスの発生が少なく、欠陥のない鋳物を製造することができる。

［鋳物用砂型の製造方法］
以下では、鋳物用砂型の製造方法として、結合剤噴射方式３Ｄプリンターを使用して、砂と上記水硬性組成物を含む結合材を含む粉体材料を用いて製造する方法を説明するが、本発明はこれに限定されない。結合剤噴射方式３Ｄプリンターは特に限定されず、市販品が使用できる。また、砂および水硬性組成物を含む結合材は、上記の成分を市販の混合機または手作業で混合して調製する。なお、結合材として複数の材料を用いる場合、結合材を予め市販の混合機や手作業で混合したり、粉砕機で混合粉砕してもよい。

また、結合剤として、水を用いることができる。結合剤とは、粉体材料を硬化させるために３Ｄプリンターのヘッドから噴射される液体である。水は、通常の上水道や井戸水等を用いることができる。なお、水は、必要とされる各種の機能を付与するため、増粘剤、潤滑剤、流動化剤、界面活性剤、および表面張力低減剤から選ばれる１種以上を混合して用いてもよい。

鋳物用砂型の製造方法において、結合剤として使用する水の量は、固化させる部分の結合材１００質量％に対し、好ましくは、水２８～１３０質量％である。水の配合割合がこのような範囲であれば、強度発現性を確保できる。なお、水の配合割合は、鋳物用砂型の強度と寸法精度をより高める観点から、好ましくは３０～１２０質量％、より好ましくは３２～１０５質量％である。なお、上記質量比は、結合剤噴射方式３Ｄプリンターのプリンターヘッドから噴射される結合剤の量を調整することで制御される。

次に、鋳物用砂型を製造する結合剤噴射方式３Ｄプリンターの動作を説明する。３Ｄプリンターは、プログラムにより動作し、製造する立体形状のデータを複数の水平面に分割した形状を順次積層して成形体を製造する。結合剤噴射方式３Ｄプリンターは、まず、ステージ上に粉体材料を積層する。次に、３Ｄプリンターは、立体形状のデータまたはそれを水平面に分割した形状のデータに基づいて、プリンターヘッドからステージ上の所定の位置に結合剤を噴射する。これにより、その位置にある粉体材料を固化させる。次に、３Ｄプリンターは、前回の粉体材料の積層面の上にさらに粉体材料を積層する。さらに、３Ｄプリンターは、立体形状のデータまたはそれを水平面に分割した形状のデータに基づいて、プリンターヘッドからステージ上の所定の位置に結合剤を噴射することで、その位置にある粉体材料を固化させる。これを繰り返すことにより、鋳物用砂型が製造される。

このとき、結合剤を噴射する工程は、砂型の鋳物との接触面の角部の少なくとも一部が、粉体材料のモード径の５倍以上の所定の寸法のＲ面またはＣ面となるように噴射する。これは、製造する砂型の立体形状から、あらかじめＲ面またはＣ面とする角部をプログラムを介して３Ｄプリンターに対して指定してもよいし、プログラムが立体形状のデータからそのような角部を自動的に検出してＲ面またはＣ面としてもよい。また、プログラムが検出した角部から、Ｒ面またはＣ面とする角部を選択する操作をしてもよい。また、所定の寸法も、粉体材料のモード径からあらかじめ定めた一定の値としてもよいし、部分ごとに異なる値としてもよい。

結合剤を吹き付けるためのヘッドの分解能は高いほうがよい。分解能が高いと、鋳物用砂型として高精細なものができるだけでなく、均質に結合剤を吹き付けることができるため、鋳物用砂型の強度の向上につながるからである。例えば積層面内で３００×３００ｄｐｉ以上であることが好ましい。

３Ｄプリンターが砂を積層するピッチについても、狭い方が好ましい。狭いほど鋳物用砂型の強度が向上するからである。例えば、３００μｍ以下の積層ピッチであることが好ましい。

鋳物用砂型の養生方法は、気中養生単独、気中養生した後に続けて水中養生する方法、または、表面含浸剤養生等がある。これらの中でも、早期の強度発現と鋳物の製造時に発生する水蒸気の抑制の点から、気中養生単独が好ましい。また、カルシウムアルミネート、セメント、およびポリマーによる強度増進の点から、気中養生の温度は、好ましくは１０～１００℃、より好ましくは３０～８０℃である。また、気中養生の相対湿度は、充分な強度発現と生産効率の点から、好ましくは１０～９０％、より好ましくは１５～８０％、さらに好ましくは２０～６０％である。さらに、気中養生時間は、充分な強度発現と生産効率の点から、好ましくは１時間～１週間、より好ましくは２時間～５日間、さらに好ましくは３時間～４日間である。

［実施例および比較例］
次に、砂型およびその製造方法の実施例、比較例を説明する。鋳造時に発生する臭気が少なく、砂型の強度の制御が容易な、水和による硬化で形状化した鋳物用砂型を実施例とするが、本発明はこれに限定されない。

＜使用した材料＞
鋳型の基となる粉体材料は、非晶質カルシウムアルミネート９０質量部、スーパージェットセメント１０質量部、砂２００質量部、ポリマー６質量部を混合して作成した。詳細は以下のとおりである。

（１）非晶質カルシウムアルミネート
非晶質のカルシウムアルミネート試製品、ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３のモル比は２．２、ガラス化率は９５％以上、ブレーン比表面積は３０００ｃｍ^２／ｇである。
（２）セメント
スーパージェットセメント、太平洋セメント社製、ケイ酸カルシウムの含有率は４７質量％、凝結（始発）は３０分、ブレーン比表面積は４７００ｃｍ^２／ｇである。ただし、無水石膏を１４質量％含む。
（３）砂
珪砂８号東北珪砂社製
（４）ポリマー
ポリビニルアルコール品番２２－８８Ｓ１（ＰＶＡ２１７ＳＳ）、クラレ社製
ケン化度は８７～８９％、平均粒径（メディアン径Ｄ５０）は６０μｍ、９４μｍより大きい粒子の含有率は２９質量％、７７μｍより大きい粒子の含有率は４７質量％、１０％径（Ｄ１０）は２５μｍ、９０％径（Ｄ９０）は１２１μｍである。
（５）水
３質量％のグリセロール水溶液（ＰｒｏＪｅｔ６６０Ｐｒｏ用バインダ液）、スリーディシステム社製。

なお、前記ポリビニルアルコールの平均粒径は、シリコーンオイルを媒質として島津製作所製ＳＡＬＤ－２０００Ｊを使用してレーザー回折・散乱法により測定した。また、混合した粉体材料のモード径は、同機で測定したところ１００μｍであった。

＜３Ｄプリンター＞
実施例および比較例製造に用いた３Ｄプリンターは、スリーディシステム社製（ＰｒｏＪｅｔ６６０Ｐｒｏ）の結合剤噴射方式であり、主な仕様は次のとおりである。
ステージ：２５４×３８１×２０３（ｍｍ）
積層ピッチ：１００（μｍ）
積層速度：約２８（ｍｍ／ｈ）

＜砂型の製造＞
上記した３Ｄプリンターを用いて、曲げ試験用の試験片８０×１６×１０ｍｍを作製した。装置の水量設定値は、外部６５％、内部９０％とし、水／結合材比約３０％である。この試験片は、４０℃、相対湿度３０％の条件下で２４時間、気中養生した。次に、曲げ強度試験機（MODEL-2257、アイコーエンジニアリング社製）により３点曲げ試験を行い、曲げ強度を測定した。３点曲げ強度は４．２ＭＰａであった。

同じ条件で、図１、２、４、および５に示す鋳物用砂型の部品１および部品２を各３個製作した。部品１の外寸は１２０×１２０×５０ｍｍ。内寸は１００×１００ｍｍ、深さは２０ｍｍと２０ｍｍの２段であり、湯口は３０×８ｍｍである。部品２は１２０×１２０×１０ｍｍである。図１は、実施例および比較例の鋳物用砂型の部品１を示す斜視図である。図２（ａ）～（ｃ）は、それぞれ実施例および比較例の鋳物用砂型の部品１の平面図、正面図、および右側面図である。図４は、実施例および比較例の鋳物用砂型の部品２を示す斜視図である。図５（ａ）、および（ｂ）は、それぞれ実施例および比較例の鋳物用砂型の部品２の平面図、および正面図である。

また、図には示していないが、各部品１について、図３の断面図の角部であるＢ部を図８の表に示すＲ寸法となるように製造した。図３は、図２（ａ）の平面図のＡ－Ａの断面を示す断面図である。部品１の上部に部品２を配置し、実施例および比較例の鋳物用砂型とした。

＜鋳物の製造＞
ＪＩＳＧ５５０１－１９９５ＦＣ２００を注湯し、冷却した後、鋳物を取り出した。得られた鋳物にショットブラスト（ＪＩＳＧ５９０３のＳ７０）を施した。図６は、実施例および比較例の鋳物用砂型で作製した鋳物を示す斜視図である。

＜鋳物の凸部の有無を調べる試験＞
鋳物の隅部（部品１のＢ部に対応する位置）の凸部の有無を調べるため、図７に示すように、鋳物を３０度に傾け、隅部にＪＩＳＧ５９０３にあるＳ１４０のショットを流し、ショットの跳ねやひっかかりを調べた。図７は、鋳物の凸部の有無を調べる試験の概念図である。

図８の表に示すとおり、角部のＲ面の寸法を、砂型を構成する粉体材料のモード径の３倍とした比較例１は、ショットの跳ねやひっかかりが有った。比較例１はＢ部が最も鋭角であり、カケやすかった。そこに湯が流れた際にカケが発生し、そこがくぼみになり、くぼみに湯が入り、鋳物はその部分が凸になった。そこでショットの跳ねやひっかかりが発生した。すなわち、鋳物用砂型の鋳物との接触面の角部を、砂型を構成する粉体材料のモード径の５倍未満としたときは、砂型の最表面に位置する砂の露出面積の低減が十分でなかったため、熱による発生応力を十分に緩和できず、湯が流れた際に欠けが発生した。

これに対し、角部のＲ面の寸法を、砂型を構成する粉体材料のモード径の５倍以上とした実施例１、および２は、ショットの跳ねやひっかかりは無かった。これは、Ｂ部にカケが発生しなかったことの証左である。すなわち、鋳物用砂型の鋳物との接触面の角部を、砂型を構成する粉体材料のモード径の５倍以上とすることで、砂型の最表面に位置する砂の露出面積を十分に低減できたため、熱による発生応力を緩和でき、湯が流れても欠けが発生しなかった。

以上から、本発明の鋳物用砂型は、砂型の鋳物との接触面の角部の欠けを低減できることが分かった。また、本発明の鋳物用砂型の製造方法は、砂型の鋳物との接触面の角部の欠けを低減できる鋳物用砂型を製造できることが分かった。その結果、本発明の鋳物用砂型を使用して製造された鋳物は、隅部に不要な凸を少なくすることができ、凸を除去するための工程を削減できる。

Claims

少なくとも砂および結合材を含む鋳物用砂型であって、
前記砂型の鋳物との接触面の角部の少なくとも一部がＲ面となっており、
前記Ｒ面の寸法は、前記砂型を構成する粉体材料のモード径の５倍以上１０倍以下であることを特徴とする鋳物用砂型。
前記砂型の曲げ強度が１ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載の鋳物用砂型。
前記結合材は、無機質水硬性物質を含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載の鋳物用砂型。
結合剤噴射方式３Ｄプリンターによって鋳物用砂型を製造する方法であって、
少なくとも砂および結合材を含む粉体材料を積層する工程と、
前記粉体材料に結合剤を噴射する工程と、
前記結合剤が噴射された粉体材料を固化させる工程と、を含み、
前記結合剤を噴射する工程は、前記砂型の鋳物との接触面の角部の少なくとも一部が、前記粉体材料のモード径の５倍以上１０倍以下の所定の寸法のＲ面となるように噴射し、
前記粉体材料を積層する工程、結合剤を噴射する工程、および粉体材料を固化させる工程を繰り返すことで前記砂型を形成することを特徴とする製造方法。