JP7345773B2 - ワックス模型及びその作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワックス模型およびその作製方法に係り、特にロストワックス法を用いて指輪や耳飾りなどの装身具を製造する場合に有用なワックス模型およびその作製方法に関する。

指輪や耳飾りなど装身具の製造法として広く用いられているロストワックス法は、装身具と同じ大きさ及び形状の原型をワックス模型で作り、このワックス模型に基づいて作った鋳型の中に溶融した貴金属材料を流し込んで装身具を製造するものである。

一般に装身具は、ロストワックス法の一種であるいわゆるソリッドモールド法と呼ばれている方法で製造されることが多い。この方法は、ツリー状に組み立てたワックス模型の周囲に石膏を流し込んで耐火物の鋳型を作り、鋳型を加熱してその中に埋没させたワックス模型を脱ろうさせたのち、鋳型の空洞内に溶融した貴金属材料を流し込み、貴金属材料を固めたのち鋳型を除去してワックス模型と同一形状の製品を製造するものである。ところが、このソリッドモールド法では、製品の形状によっては、製品形状を成す空洞内の貴金属材料が完全に凝固する前に、湯道に残された貴金属材料が完全に凝固してしまうことがあり、そうした場合は製品に巣が生じるといった問題があった。

上記の問題を解決する手段としては、例えば、鋳型に設けられる湯道を太くし、湯道に残された貴金属材料の凝固を遅らせるなどの対策が考えられる。しかしながら、湯道を太くしてしまうと、湯道に残された貴金属材料のロスが大きくなってしまう他、鋳造後にツリーから個々の製品を切り離す際に貴金属の切断加工がやっかいになり、切り離した後の製品の仕上げが煩雑になるといった問題があった。

そこで、本願の発明者は、従来のソリッドモールド法に代えて、ロストワックス法の一種であるいわゆるセラミックシェルモールド法による装身具の鋳造を試みた。この鋳造法は、ツリー状に組み立てたワックス模型に耐火物の被覆と乾燥を複数回繰り返して薄いコーティング層を形成し、内部のワックスを脱ろうさせたのち、焼成することで鋳型に強度を与えるものである。この鋳造法はソリッドモールド法と比較して、鋳込み金属の凝固速度を部分的にコントロールできるというメリットがある。

上述したように、いわゆるセラミックシェルモールド法で装身具を鋳造する場合は、鋳込み金属の凝固速度を部分的にコントロールできるため、指向性凝固させやすくなるメリットがある。指向性凝固ができれば、上述の巣の発生を抑えることができる。単に湯道を太くするという手法と比較すると、湯道に残された貴金属材料のロスも少なく、また、ツリーから個々の製品を切り離す際の切断加工も容易となるメリットがある。しかしながら、この鋳造法では鋳型が薄いコーティング層によって形成されているため、ワックスを脱ろうさせる際に鋳型内でのワックスの膨張により鋳型が割れるおそれがあった。

そこで、本願発明は、鋳型が薄いコーティング層によって形成される場合であっても、ワックスを脱ろうさせる際に鋳型の割れを防ぐことができるワックス模型及びその作製方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係るワックス模型は、ゴム型内に注入されたワックスが固化してできたワックス成形体と、ワックス成形体の内部に形成される中空部と、を有する。

また、本発明に係るワックス模型は、少なくともリング状成形部を有し、このリング状成形部の内部に中空部がリング状に形成されている。

また、本発明に係るワックス模型の中空部は、ワックス成形体の内部で一つの空間を形成している。

本発明に係るワックス模型の作製方法は、製品原型となるワックス模型を作るためのゴム型内に溶融されたワックスを注入し、ゴム型内で固化させてワックス成形体を形成する工程と、前記ゴム型に注入されたワックスが固化する過程で溶融状態にあるワックスを吸引してワックス成形体の内部に中空部を形成する工程と、を備えている。

また、本発明に係るワックス模型の作製方法において、ゴム型に注入されるワックスの溶融温度が所定の温度であり、注入から所定時間後に前記ワックスを所定の真空度で吸引する。

また、本発明に係るワックス模型の作製方法において、前記所定の温度は、ワックスの融点をX℃としたとき、式 X＋１８．５≦Y≦X＋２４．５ を満たす温度Y℃とするのが好ましく、前記所定時間は２～１２秒とするのが好ましく、前記所定の真空度は４０ｃｍHｇ以上とするのが好ましい。なお、本発明における融点とは、DSC（示差走査熱量測定）における吸熱ピーク温度と定義される。

本発明に係るワックス模型は、ワックスが固化したできた成形体の内部に中空部を備えているので、ワックス模型が中実である場合と比べて素早く溶融し、溶融前の熱膨張による鋳型への負荷を低減することができる。

また、本発明に係るワックス模型の中空部は、ワックス成形体の内部で一つの空間を形成しているので、ワックス成形体の全体にわたって鋳型への負荷低減の効果をもたらす。

また、本発明に係るワックス模型の作製方法によれば、ゴム型に注入された溶融ワックスを吸引することで、ゴム型内が減圧されてワックスが気化しワックス成形体の内部に中空部を形成するため、中空部が連続した一つの空間を形成しやすくなる。

本発明の一実施形態に係るワックス模型の正面図である。 図１のII－II線断面図である。 一実施形態に係るワックス模型を作るゴム型の斜視図である。 ゴム型の断面図である。 セラミックシェルモールド法を用いて装身具を製造する場合の工程図である。 各工程における説明図である。 シェル鋳型の断面を模式的に示した図である。

以下、本発明に係るワックス模型及びその作製方法について、その実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面は、本発明のワックス模型及びその作製方法を模式的に表したものである。これらの実物の寸法は、図面上の寸法と必ずしも一致していない。また、重複説明は適宜省略させることがあり、同一部材には同一符号を付与することがある。また、本発明の技術的範囲は以下で説明する各実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。本発明のワックス模型及びその作製方法は、特にセラミックシェルモールド法によって指輪や耳飾りなど装身具を製造する際に適している。

図１には本発明に係るワックス模型１の一実施形態が示されており、図２にはワックス模型１の断面形状が示されている。この実施形態に係るワックス模型１は、図１に示されるように、模型全体でリング状成形部２を形成しているが、製品原型によって様々な形状を取り得る。なお、図１において、符号３は、ゴム型の湯道に残ったワックスが固まってできたワックス柱である。

前記ワックス模型１は、図３及び図４に示されるようなゴム型４によって作られる。このゴム型４は、製品原型となるための前記ワックス模型１を作るためのもので、ゴム型４の内部には溶融ワックスを導き入れる注入口５と、溶融ワックスが充てんされる製品原型と同一形状のリング状のキャビティ６と、注入口５からキャビティ６内に溶融ワックスを導く湯道７が形成されている。この実施形態において、ゴム型４は上下二つに分かれた上型４ａと下型４ｂとからなるが、この実施形態に限定されるものではなく、例えばゴム型４のキャビティ６内で成形されたワックス成形体１’をゴム型２から取り出すための切り込みが設けられた上下一体のものであってもよい。

ゴム型４に注入されるワックスは、所定の温度に溶融されたものである。所定の温度は、ワックスの融点をX℃としたとき、式 X＋１８．５≦Y≦X＋２４．５ を満たす温度Y℃であることが望ましい。この温度とすることで、減圧時に空洞を形成しやすくなる。一方、この温度より低いと、キャビティ６に充てんされたワックス全体が固化するまでの時間が短くなり、吸引してもワックス成形体１’の内部が中空にならない。また、この温度より高いと、注入時に気泡を多く含んでしまい、減圧時に気泡が膨らむことで表面形状が崩れるおそれがある。なお、ワックスを注入する前にもキャビティ６内を減圧することで、ワックスの注入及び充てんがよりスムーズとなる。

ワックスは溶融された状態でゴム型４の注入口５からキャビティ６に注入され、キャビティ６内に充てんされたのち、時間の経過と共に固化が始まる。キャビティ６内でワックスが固化することで、ワックス成形体１’が形成されるが、前記ワックスが固化していく過程でワックスを吸引する。ワックスを吸引することでキャビティ６内及び溶融ワックスが減圧され、気化した溶融ワックス成分により、前記ワックス成形体１’の内部に中空部１ａを形成することができる。具体的には溶融ワックスをゴム型４に注入後、一定の保持時間を確保したのち所定時間ゴム型４の注入口５から所定の真空度でゴム型４の内部を真空引きする。保持時間が短いとワックス成形体１’の表面がまだ柔らかいため、吸引時に表面形状が崩れるおそれがある。一方、保持時間が長いとワックスの固化が進みすぎて、吸引してもワックス成形体１’の内部に中空部ができないおそれがある。すなわち、保持時間としては、吸引開始時において、キャビティ６内に充てんされたワックスの表面の固化が少し始まっているくらいが望ましい。

また、吸引時間は、吸引する際の真空度によっても左右されるが、おおむね１～３秒程度が望ましい。さらに、真空度は約４０ｃｍHｇ以上で行われるのが望ましい。真空度が低すぎると、ワックス成形体１’の内部に十分な空間を持った中空部１ａを形成できない可能性がある。

図１及び図２に示されるように、リング状のワックス模型１に対して、ワックス成形体１’の内部に形成される中空部１ａもリング状に形成されるのが望ましい。すなわち、中空部１ａは途中で閉じることなく、ワックス模型１の全周に亘って連続した一つの空間を有していることが望ましい。図２に示されたワックス成形体１’の断面積に対する中空部１ａの断面積の割合は特に限定されるものではないが、好ましくは３％以上である。また、中空部１ａの断面積がワックス模型１の全周に亘って均一である必要もない。ワックス模型１の中空部１ａは、ワックス柱３の内部に形成された中空部３ａを介して外部と連通している。ワックス模型１の中空部１ａにはワックス柱３の基端部付近にワックス柱３の中空部３ａと連通する接続口１ｂが設けられる

ゴム型４によって作製されたワックス模型１は中空部１ａを有しており、セラミックシェルモールド法を用いて指輪や耳飾りなどの装身具を製造する場合に有用とする。一例として、セラミックシェルモールド法を用いた製造方法を図５の工程図及び図６の工程説明図に基づいて説明する。なお、図６の工程説明図は、工程２，３，５，６のみを模式的に示したものである。

工程１では、前述したように、ゴム型４を用いて製品原型と同一形状のワックス模型１を作製する。工程２では複数のワックス模型１をツリー状に組み立ててワックスツリー８とする。工程３でフィラーとバインダーとからなるスラリー中にワックスツリー４を浸漬するディッピングと、スタッコをワックスツリー８に振り掛けることにより、ワックスツリー８の表面にスタッコを付着させるスタッコイングと、を複数回繰り返し、ワックスツリー８の表面に薄いシェル層９をコーティングする。

次の工程４でシェル層を乾燥させる。この乾燥工程では、シェル層９を自然乾燥又は真空乾燥などによって乾燥させることができる。シェル層９の乾燥を十分に行いシェル鋳型１０としたのち、工程５でシェル鋳型１０からワックスを脱ろうさせ、焼成する。脱ろう工程では、シェル鋳型１０を加熱することで内部のワックスを溶融させ、溶融したワックスをシェル鋳型１０から流し出してシェル鋳型１０内に製品原型と同一形状の空洞部１１を残す。

上記脱ろう工程においては、シェル鋳型１０が加熱されることでシェル層９を介してワックスが膨張するが、ワックス模型１の内部に中空部１ａが形成されているために、中空部がない場合と比べて素早く溶融することができる。その結果、ワックスの膨張に伴うシェル層９への負荷が緩和されることになり、シェル層９の亀裂を効果的に防ぐことができる。特に、中空部１ａがワックス模型１の内部で連続した一つの空間を形成しているので、ワックス模型１の全体に亘ってシェル層９への負荷低減の効果が大きくなる。

工程６では、脱ろうと焼成が完了したシェル鋳型１０の湯口１０ａから溶融した貴金属材料１２が流し込まれる。貴金属材料１２は湯道１０ｂを通って各空洞部１１に導かれる。図７に示されるように、シェル鋳型１０は、空洞部１１を形成する外側のシェル層９の厚みが薄く形成されている一方、湯道１０ｂ付近の内側のシェル層９が外側に比べて厚く形成されている。そのため、空洞部１１内の貴金属材料１２は急冷される一方、湯道１０ｂ付近では貴金属材料１２が空洞部１１に比べて徐冷されることになる。その結果、製品側と湯道側とで温度勾配ができ、製品側が先に凝固してから湯道側が凝固する指向性凝固ができて、結果的に製品としての貴金属に巣が生じにくくなる。

工程７では、シェル鋳型１０が冷えてからシェル層９をハンマーなどで除去し、ツリーから各貴金属の固体物を切り落とす。各固体物の表面を磨きバリを落とすなどして仕上げ、製品として完成させる。

実施例I
ゴム型のキャビティに注入するワックスの溶融温度と、ワックス模型の内部に形成される中空部の有無およびシェル鋳型からワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型の亀裂の有無との関係について調べた。吸引を開始する時間は、比較例を含めて全ての実施例ともワックス注入後２秒である。吸引時の真空度は約７６ｃｍHｇである。また、使用したワックスはFreeman製のターコイズ（製品名）であり、その融点は約５８．５℃である。

ワックス模型のリングのデザインは、全周の断面が円形状の単純なリングとした。腕の断面は直径５ｍｍの円形状とした。リングのサイズは、ＪＣＳ（ジャパン・カスタム・サイズ）における１０番とした。湯道は、直径３ｍｍ、長さ５ｍｍとした。シェル鋳型の作製は、次のように行った。まず、コロイダルシリカ（日産化学製スノーテックス３０）と純水を２：１の体積比で混合した液を１Ｌ用意した。そこに＃３５０のジルコンフラワー４ｋｇを入れて１８時間撹拌した後、ザーンカップＮｏ．４での測定値が４８秒となるように、＃３５０のジルコンフラワー又は前述の混合液を適宜追加して粘度を調整し、第１層用のスラリーを作製した。さらに、＃２００のジルコンフラワーを用いることと、ザーンカップＮｏ．４の測定値を３８秒とすること以外は同様の手順で、第２層以降用のスラリーを作製した。そして、ワックス模型に界面活性剤（ＧＣ製シュールミスト）を噴霧し、第１層用スラリーにディッピングし、メジアン径１０３μｍのジルコンサンドをスタッコイングし、２時間乾燥させ、１回目のコーティングを完了した。その後、第２層以降用スラリーにディッピングし、前述のジルコンサンドをスタッコイングし、２時間乾燥させ、２回目のコーティングを完了した。その後、第２層以降用スラリーにディッピングし、粒径０．３～０．７ｍｍのムライトサンドをスタッコイングし、２時間乾燥させ、３回目のコーティングを完了した。その後、同様の手順で、４回目のコーティングを完了した。その後、第２層以降用スラリーにディッピングし、粒径０．７～１．０ｍｍのムライトサンドをスタッコイングし、２時間乾燥させ、５回目のコーティングを完了した。その後、同様の手順で、６回目のコーティングを完了した。その後、１８時間乾燥させ、シェル鋳型の作製を完了した。脱ろうは、３００℃の電気炉の中で３０分間加熱することによって行った。

上記実施例Iの結果を表１に示す。実施例と共にワックスの溶融温度を低く設定した時の比較例を併せて表１に示した。各実施例１～７の溶融温度は、実施例１が融点５８．５℃より１８．５℃高い溶融温度であり、実施例２から実施例７まで１．０℃刻みで上がっている。一方、比較例６の溶融温度は、融点５８．５℃との差が１７．５℃の溶融温度であり、比較例５から比較例１まで１．０℃刻みで溶融温度が下がっている。なお、比較例７は、溶融温度を融点５８．５℃より２５．５℃高くした場合の結果である。

上記表１に示されるように、いずれの実施例もワックス模型の内部には中空部が形成され、また、ワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型には亀裂が認められなかった。一方、比較例の方は融点との差が大きい比較例５及び比較例６には湯道付近のみに中空部が形成され、さらに融点との差が小さい比較例１～４には湯道付近も含めて製品部分には中空部が形成されていなかった。また、比較例１～６について、ワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型に亀裂が認められた。さらに、比較例７では成形されたワックス模型の表面形状に崩れが認められた。

実施例II
ワックス模型の内部に中空部を形成する際の吸引開始時間と、ゴム型から取り出したワックス模型の表面の外観、脱ろう後のシェル鋳型の亀裂などとの関係について調べた。吸引開始までの所定時間は、実施例８が２秒であり、実施例９が７秒であり、実施例１０が１２秒である。また、比較例８が１秒であり、比較例９が１３秒である。ワックスの融点と溶融温度との差はいずれも１９．５℃である。その他の条件は実施例Iと同様である。上記実施例IIの結果を表２に示す。

上記表２に示されるように、吸引開始までの所定時間が短い比較例８は、ワックス模型の表面形状に崩れが生じていた。実施例８～１０は、いずれも表面形状の崩れは生じず、ワックス模型の内部には中空部が形成され、また、ワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型には亀裂が認められなかった。比較例９は、湯道付近のみに中空部が形成され、ワックスを脱ろうさせたあとのシェル鋳型に亀裂が認められた。

１ ワックス模型
１ａ 中空部
１ｂ 連通口
１’ ワックス成形体
２ リング状成形部
３ ワックス柱
３ａ 湯道の中空部
４ ゴム型
４ａ 上型
４ｂ 下型
５ 注入口
６ キャビティ
７ ゴム型の湯道
８ ワックスツリー
９ シェル層
１０ シェル鋳型
１０ａ 湯口
１０ｂ 湯道
１１ 空洞部
１２ 貴金属材料

Claims (4)

1. ゴム型内に注入されたワックスが固化してできたワックス成形体と、
   ワックス成形体の内部に形成される中空部と、を有し、
   前記ワックス成形体が少なくともリング状成形部を有し、このリング状成形部の内部には全周に亘って連続した一つの空間を形成するリング状の中空部が設けられ、
   前記リング状成形部の断面積に対する前記中空部の断面積の割合が３％以上であるワックス模型。
2. 前記中空部は外部と連通する連通口を有している請求項１に記載のワックス模型。
3. 前記中空部は、ゴム型の湯道に残ったワックス柱の内部に形成された中空部を介して外部と連通する請求項１又は２に記載のワックス模型。
4. 製品原型となるワックス模型を作るためのゴム型内に所定の温度で溶融されたワックスを注入し、ゴム型内で固化させてワックス成形体を形成する工程と、
   前記ゴム型に前記ワックスを注入してから所定時間後に前記ワックスを所定の真空度で吸引してワックス成形体の内部に中空部を形成する工程と、を備え、
   前記所定の温度が、ワックスの融点をX℃としたとき、式X＋１８．５≦Y≦X＋２４．５を満たす温度Y℃であり、
   前記所定時間が２～１２秒であるワックス模型の作製方法。

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