JP7358055B2 - 鋳型および型作製方法 - Google Patents

Description

この発明は、鋳型および型作製方法に関するものである。

従来、コンピューターグラフィックス（ＣＧ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｇｒａｐｈｉｃｓ）などで描かれた三次元の形状を、樹脂材料や粉体材料などで具現化する三次元造形装置として、いわゆる３Ｄプリンターがある。３Ｄプリンターによる立体物の作製方法は様々であり、例えば、樹脂材料で造形するものとして材料押出法があり、また、粉体材料で造形するものとして結合剤噴射法（バインダジェット法）がある。

結合剤噴射法によれば、例えば、下記特許文献１に記載された結合剤噴射方式付加製造装置用セメント組成物が、粉体材料として用いられ、所望の位置に水性バインダを吹き付けることで粉体材料を固化させて立体物が作製される。立体物は、例えば、鋳物を鋳造するための鋳型に用いられる。鋳型は、内側に中空の注湯空間を有し、この注湯空間に、溶融した金属やプラスチックなど（以下、「溶融体」と記す。）が注入される。

特開２０１７－１７８６７１号公報

しかし、上記したような鋳型は、有機系の結合材が用いられ、水硬性の粉体材料で作製されることから、有機物や結合水由来の強熱減量（ＩＬ：Ｉｇｎｉｔｉｏｎ Ｌｏｓｓ）が比較的大きく、また、通常の砂型と比較して緻密であり、粉体材料の粒径が小さく、水和反応も生じているため、通気性が悪い。鋳鋼などにおいては、溶融体の温度が高く、水蒸気やガス（以下、「ガス等」と記す。）が発生し易くなるところ、これらのガス等が鋳物に含まれると、いわゆるガス欠陥や、鋳肌が荒くなる原因となる。

本発明は、この様な実情に鑑みて提案されたものである。すなわち、実用上の強度を有して破損することなく、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造するための鋳型、および、この鋳型を作製することができる型作製方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る鋳型は、鋳造に用いられる鋳型であって、当該鋳型が、セメントを有する水硬性組成物からなる粉体材料が固化したものであり、鋳物となる溶融体が注入される注湯空間を形成する側壁部を有し、この側壁部の厚みが２から１５ミリメートルである、ことを特徴とする。

本発明に係る鋳型は、前記側壁部から突出したリブを有する、ことを特徴とする。

本発明に係る鋳型は、前記側壁部と間を空けて対面した対面壁部を有する、ことを特徴とする。

本発明に係る鋳型は、前記対面壁部が前記側壁部よりも厚い、ことを特徴とする。

本発明に係る鋳型は、鋳造に用いられる鋳型であって、当該鋳型が、セメントを有する水硬性組成物からなる粉体材料が固化したものであり、鋳物となる溶融体が注入される注湯空間から離れる方向に伸びる通気部を有し、この通気部の径が、０．２から２ミリメートルである、ことを特徴とする。

本発明に係る鋳型は、鋳造に用いられる鋳型であって、当該鋳型が、セメントを有する水硬性組成物からなる粉体材料が固化したものであり、鋳物となる溶融体が注入される注湯空間を形成する側壁部と間を空けて対面した対面壁部を有し、前記対面壁部が、前記注湯空間から離れる方向に伸びる通気部を有する、ことを特徴とする。

本発明に係る鋳型は、前記対面壁部の厚みが、３から１５ミリメートルである、ことを特徴とする。

本発明に係る鋳型は、前記通気部が湾曲し、終端部において閉塞している、ことを特徴とする。

本発明に係る鋳型は、複数の前記通気部同士が繋がっている、ことを特徴とする。

本発明に係る鋳型は、前記リブが、ハニカム構造である、ことを特徴とする。

本発明に係る型作製方法は、型を作製するためのステージを、基準面に対して相対的に低い位置に移動させる昇降手順と、一方側から前記ステージを渡って他方側に移動するリコーターによって、一方側にある粉体材料を、前記基準面から前記ステージに移動させて均す材料充填手順と、前記ステージの前記粉体材料にプリンタヘッドから結合剤を吹き付けることで前記粉体材料を固化させる造形手順と、を含み、前記昇降手順、前記材料充填手順、前記造形手順を繰り返すことで、鋳物の鋳造に用いる型を作製する型作製方法であって、前記粉体材料が、セメントを有する水硬性組成物からなり、前記型において、鋳物となる溶融体が注入される注湯空間を形成する側壁部の厚みを、２から１５ミリメートルに形成する、ことを特徴とする。

本発明に係る型作製方法は、型を作製するためのステージを、基準面に対して相対的に低い位置に移動させる昇降手順と、一方側から前記ステージを渡って他方側に移動するリコーターによって、一方側にある粉体材料を、前記基準面から前記ステージに移動させて均す材料充填手順と、前記ステージの前記粉体材料にプリンタヘッドから結合剤を吹き付けることで前記粉体材料を固化させる造形手順と、を含み、前記昇降手順、前記材料充填手順、前記造形手順を繰り返すことで、鋳物の鋳造に用いる型を作製する型作製方法であって、前記粉体材料が、セメントを有する水硬性組成物からなり、前記型において、鋳物となる溶融体が注入される注湯空間から離れる方向に伸びる通気部の径を、０．２から２ミリメートルに形成する、ことを特徴とする。

本発明に係る鋳型は、セメントを有する水硬性組成物からなる粉体材料が固化したものであり、当該鋳型に、注湯空間を形成する側壁部を有し、この側壁部の厚みが２から１５ミリメートルである。すなわち、セメントを有する水硬性組成物からなる粉体材料が固化して構成された鋳型は、水分や硫黄分を含み、有機系の結合材を含むため、強熱減量が比較的大きく、また、砂型と比較して緻密であるため、通気性が悪い。本件発明は、注湯空間を形成する側壁部が薄いため、ガス等が透過し易く、排気され易い。また、ガス等が発生する媒体となる側壁部そのものが薄いのであれば、発生するガス等の量も抑えられる。したがって、優れた通気性を有し、かつ、ガス等の発生を抑え、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。また、薄くなることで鋳型の強度が低下したとしても、側壁部の厚みが２ミリメートル程度であれば、溶融体の注入に対する最低限度の強度を維持することができる。

本発明に係る鋳型は、側壁部から突出したリブを有している。すなわち、リブを有することで、鋳型の強度を維持することができ、取扱い時に損傷することがない。

本発明に係る鋳型は、側壁部と間を空けて対面した対面壁部を有している。すなわち、対面壁部を有することで、鋳型の強度を維持することができる。また、側壁部と対面壁部との間が空けられているため、ガス等が、薄い側壁部を透過して側壁部と対面壁部との間に収容される。したがって、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。また、側壁部と対面壁部との間に、未硬化の粉体材料が充填されたままであれば、溶融体の注入や外力による圧力に対して、より強固となる。

本発明に係る鋳型は、対面壁部が前記側壁部よりも厚い。すなわち、側壁部よりも厚い対面壁部を有することで、鋳型の強度を維持することができる。

本発明に係る鋳型は、当該鋳型が、セメントを有する水硬性組成物からなる粉体材料が固化したものであり、注湯空間から離れる方向に伸びる通気部を有し、この通気部の径が、０．２から２ミリメートルである。すなわち、通気部を介してガス等が排気され易い。したがって、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。鋳物の作製において、通気部に固化していない粉体材料が残存していたとしても、通気部が０．２から２ミリメートル程度であれば、粉体材料は、通気部に詰まったままであり、こぼれることがない。仮に、粉体材料が通気部からこぼれ、通気部が中空となって注湯空間と通じた場合であっても、鋳造において、溶融体は、表面張力によって、注湯空間から通気部に流れることがない。なお、通気部に、固化していない粉体材料が詰まっていることは、ガス等の通気に何ら影響を及ぼすものではない。

本発明に係る鋳型は、セメントを有する水硬性組成物からなる粉体材料が固化したものであり、注湯空間を形成する側壁部と間を空けて対面壁部を有し、対面壁部が、注湯空間から離れる方向に伸びる通気部を有している。すなわち、側壁部と対面壁部との間が空けられているため、ガス等が、側壁部を透過して側壁部と対面壁部との間に収容される。さらに、対面壁部から通気部を介してガス等が排気され易い。したがって、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。

本発明に係る鋳型は、対面壁部の厚みが、３から１５ミリメートルである。すなわち、対面壁部の厚みが３ミリメートル以上であれば、鋳型の強度を維持することができる。

本発明に係る鋳型は、通気部が湾曲し、終端部において閉塞している。すなわち、湾曲した通気部は、直線状の場合と比較して、固化せずに詰まった粉体材料がこぼれ難いため、通気部の径を大きく採ることができる。径が大きければ、ガス等が排気され易い。また、終端部が閉塞しているため、固化せず詰まった粉体材料がこぼれることがない。

本発明に係る鋳型は、複数の前記通気部同士が繋がっている。すなわち、繋がった通気部は、単一である場合と比較して、距離が長く、体積が多いため、ガス等が排気され易い。

本発明に係る鋳型は、リブがハニカム構造である。したがって、鋳型の強度を維持することができる。

本発明に係る型作製方法は、例えば、３Ｄプリンターなどの三次元造形装置によって実現され、粉体材料が、セメントを有する水硬性組成物からなり、型において、鋳物となる溶融体が注入される注湯空間を形成する側壁部の厚みを、２から１５ミリメートルに形成するものである。すなわち、注湯空間を形成する側壁部が薄いため、ガス等が透過し易く、排気され易い。また、ガス等が発生する媒体となる側壁部そのものが薄いのであれば、発生するガス等の量も抑えられる。したがって、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。また、薄くなることで鋳型の強度が低下したとしても、側壁部の厚みが２ミリメートル程度であれば、最低限度の強度を維持することができる。３Ｄプリンターによって型が作製されるため、このような複雑で精密な形状や、薄い部材を作製することができる。

本発明に係る型作製方法は、例えば、３Ｄプリンターなどの三次元造形装置によって実現され、粉体材料が、セメントを有する水硬性組成物からなり、型において、鋳物となる溶融体が注入される注湯空間から離れる方向に伸びる通気部の径を、０．２から２ミリメートルに形成するものである。すなわち、通気部を介してガス等が排気され易い。したがって、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。鋳物の作製において、通気部に固化していない粉体材料が残存していたとしても、通気部が０．２から２ミリメートル程度であれば、粉体材料は、通気部に詰まったままであり、こぼれることがない。仮に、粉体材料が通気部からこぼれ、通気部が中空となって注湯空間と通じた場合であっても、鋳造において、溶融体は、表面張力によって、注湯空間から通気部に流れることがない。３Ｄプリンターによって型が作製されるため、このような複雑で精密な形状や、薄い部材を作製することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る鋳型の作製および型作製方法に用いられる三次元造形装置の概略が示され、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ断面図である。 図２は、本発明の第一実施形態に係る鋳型の断面概略図である。 図３は、本発明の第二実施形態に係る鋳型の断面概略図である。 図４は、本発明の第三実施形態に係る鋳型の断面概略図である。 図５は、本発明の第四実施形態に係る鋳型の断面概略図である。 図６は、本発明の第五実施形態に係る鋳型の断面概略図である。 図７は、本発明の第六実施形態に係る鋳型の断面概略図である。 図８は、本発明の第七実施形態に係るである中子が鋳型が示され、（ａ）は第一の中子の断面概略図、（ｂ）は第二の中子の断面概略図である。 図９は、本発明の他の実施形態に係る鋳型が示され、（ａ）は長方形の鋳型の断面概略図、（ｂ）は球形の鋳型の断面概略図である。

以下に、本発明の実施形態に係る鋳型および型作製方法を図面に基づいて説明する。図１は、鋳型Ｍの作製および型作製方法に用いられる三次元造形装置（以下、三次元造形装置を「３Ｄプリンター」と記す。）の構成の概略が示されている。

３Ｄプリンター１は、三次元で表された鋳型Ｍのデータに基づいて、結合剤噴射方式で鋳型Ｍを具現化するものである。はじめに、３Ｄプリンター１の構成の概略を説明する。

図１に示されているとおり、３Ｄプリンター１は、基準面２に対して昇降するステージ３と、このステージ３の外側であって基準面２上にある材料載置部４と、この材料載置部４に粉体材料５を供給する材料供給部（図示省略）と、粉体材料５を材料載置部４からステージ３に移動させて均すリコーター６と、ステージ３上の粉体材料５に結合剤を吹き付けるプリンタヘッド７と、このプリンタヘッド７を自在に移動させるガイド部８とを有している。なお、以下の説明では、図１に示されているとおり、互いに直交する三軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とし、ステージ３に平行で、かつ、ステージ３の横幅方向をＸ軸、ステージ３に並行で、かつ、ステージ３の奥行方向をＹ軸、ステージ３が昇降する高さ方向をＺ軸とする。Ｘ軸において、横幅の一方を右側とし、他方を左側とする。Ｙ軸において、一方側を奥側とし、他方側を手前側とする。

ステージ３は、四角形の平板状であり、鋳型Ｍが作製される場所である。ステージ３は、下面側に昇降機構９が取り付けられ、昇降機構９が作動することによって、Ｚ軸を昇降する。材料載置部４は、ステージ３の外側であって、ステージ３の奥側に配置されている。材料供給部は、ステージ３の外側であって、材料載置部４の上方に配置されている。なお、材料供給部は、ステージ３の外側であって、材料載置部４の奥側に配置されていてもよい。リコーター６は、Ｘ軸方向に長手の棒状であり、基準面２上に配置されている。リコーター６は、基準面２上を、ステージ３に対して平行な状態で、Ｙ軸において、材料載置部４の奥側とステージ３の手前側との間を自在に移動する。ガイド部８は、Ｘ軸方向に長手であり、ステージ３に対して平行な状態で、Ｙ軸において、ステージ３の奥側と手前側との間を自在に移動する。プリンタヘッド７は、ガイド部８に支持され、Ｘ軸において、ガイド部８を自在に移動する。

次に、３Ｄプリンター１を用いた結合剤噴射方式による鋳型Ｍの作製手順を説明する。３Ｄプリンター１は、三次元で表された所望の鋳型Ｍのデータが入力されている。作製手順は、材料供給手順、材料充填手順、造形手順、養生手順を含む。各手順は、材料供給手段、材料充填手段、造形手段、養生手段として、３Ｄプリンター１に備えられている。なお、養生手順（養生手段）は、３Ｄプリンター１とは別個の装置（図示省略）で実現してもよく、また、必須ではない。

図１において、初期状態では、ステージ３は、基準面２と同一平面上に揃って配置される。昇降手順では、昇降機構９が作動することで、ステージ３がＺ軸を下降し、ステージ３は、予め設定された所定量だけ、基準面２に対して相対的に低い位置に移動する。

材料供給手順では、粉体材料５が、材料供給部から材料載置部４に供給される。粉体材料５は、材料載置部４に盛られる。なお、昇降手順と材料供給手順とは、順番に実行されても、同時に実行されてもよい。

材料充填手順では、リコーター６が、Ｙ軸において、材料載置部４の奥側からステージ３を渡って手前側に移動することで、粉体材料５が、材料載置部４からステージ３に移させられる。リコーター６が、基準面２に沿ってステージ３上を移動することで、粉体材料５がステージ３上で均される。場合によっては、材料供給手順が複数回繰り返されることで、ステージ３に粉体材料５が充填されて均される。

造形手順では、ガイド部８がＹ軸方向に移動すると共に、プリンタヘッド７がＸ軸方向に移動しながら、予め設定された位置で、プリンタヘッド７から結合剤が噴射され、結合剤が吹き付けられた箇所で粉体材料５が固化する。ガイド部８およびプリンタヘッド７の動作について詳説すれば、例えば、ガイド部８は、最初に、作製位置における最も手前側に配置される。この位置で、プリンタヘッド７がガイド部８に沿って右側から左側に移動しながら結合剤を噴射する。次に、ガイド部８は、所定量だけ奥側に移動し、この位置で、プリンタヘッド７が右側から左側に移動しながら結合剤を噴射する。この動作が繰り返され、ガイド部７は、鋳型Ｍにおける最も奥側まで移動する。

一巡目の昇降手順、材料供給手順、材料充填手順および造形手順によれば、所望の鋳型Ｍのうち、ステージ３が下降した所定量に相当する高さの第一積層物が造形される。このように、昇降手順、材料供給手順、材料充填手順および造形手順が複数回繰り返されることで、Ｚ軸方向に連なった第一積層物から第ｎ積層物が、所望の鋳型Ｍとなってステージ３上に作製される。

養生手順では、粉体材料５に埋もれた状態、または、粉体材料５が適度に除去された鋳型Ｍを、好ましくは３時間以上放置し、または、特定の温度、湿度中で養生することで、強度を高める。なお、養生手順は、３Ｄプリンター１以外の他の装置（図示省略。）で実行してもよい。

次に、以上のとおり作製された鋳型Ｍを、図面に基づいて説明する。図２から図８は、本発明の第一から第七実施形態に係る鋳型Ｍ_１からＭ_８の断面の概略が示されている。鋳型Ｍ_１～８は、粉体材料５が固化したものである。各図に示されているとおり、鋳型Ｍ_１～６は、鋳物（図示省略。）となる溶融体が注入される注湯空間１３を有し、一方で、鋳型Ｍ_７、８は、いわゆる中子であり、注湯空間１３の中に配置される。鋳型Ｍ_１～６は、ほぼ直方体であり、外郭部１４の内側に、ほぼ長方形の空隙である注湯空間１３を有し、外郭部１４の一部に側壁部１５を有している。換言すれば、側壁部１５は、注湯空間１３を形成し、厚みが外郭部１４よりも薄い。なお、鋳型Ｍの形状は任意であり、直方体に制限するものではない。例えば、所望の鋳物の形状に応じて、鋳型Ｍの形状も適切に選択される。

図２に示されているとおり、鋳型Ｍ_１の側壁部１５は、注湯空間１３に対して反対側である外側に、強度を上げるためのリブ１７を有している。換言すれば、リブ１７は、外郭部１４の一部とも言える。リブ１７は、側壁部１５から外側に向けて突出し、長手方向に沿ってほぼ等間隔に整列している。なお、リブ１７の数、形状および配置は任意である。側壁部１５の厚みは、好ましくは、２から１５ミリメートル、３から１０ミリメートル、４から８ミリメートルである。リブ１７は、正六角形などハニカム状に形成であれば、強度がより高い。

側壁部１５の外側には、外郭部１４との厚みの差によって形成された空間である排気空間１８がある。排気空間１８が狭い場合、粉体材料５が、排気空間１８に詰まった状態で残存している。一方で、排気空間１８が広い場合、粉体材料５が除去される手順（以下、「デパウダー」と記す。）などを経ることで、排気空間１８は外気に晒されている。

図３に示されているとおり、鋳型Ｍ_２は、側壁部１５の外側に、排気空間１８を開けて対面壁部１６を有している。すなわち、対面壁部１６は、側壁部１５の外側において側壁部１５と対面し、側壁部１５と対面壁部１６との間に、排気空間１８が形成されている。対面壁部１６は、外郭部１４の一部とも言える。対面壁部１６の厚みは、側壁部１５の厚みとほぼ同じである。リブ１７を有する場合、リブ１７は、側壁部１５と外側壁１６との間に連接されているが、鋳型Ｍ_２の強度を保証することができるのであれば、リブ１７がなくてもよい。排気空間１８が密閉されている場合、粉体材料５が排気空間１８に充満した状態で残存している。

図４に示されているとおり、鋳型Ｍ_３は、対面壁部１６が側壁部１５よりも厚く形成されている。側壁部１５の厚みは、好ましくは、２から１５ミリメートル、３から１０ミリメートル、４から８ミリメートルである。排気空間１８の厚み（側壁部１５から対面壁部１６までの間隔）は、好ましくは、３から１５ミリメートル、４から１０ミリメートル、５から８ミリメートルである。対面壁部１６の厚みは、好ましくは、３ミリメートル以上であり、３から１５ミリメートル、５から１０ミリメートルである。外郭部１４全体の厚み（側壁部１５と対面壁部１６との合計の厚み）は、好ましくは、５ミリメートル以上であり、８から３０ミリメートルである。

図５に示されているとおり、鋳型Ｍ_４は、外郭部１４が、注湯空間１３から離れる方向に伸びる複数の通気部１９ａを有している。通気部１９ａは、注湯空間１３から外気に通じる直線状の孔であり、長手方向に沿ってほぼ等間隔に整列している。なお、通気部１９ａの数、形状および配置は任意である。通気部１９ａの径は、好ましくは、０．２から２ミリメートル、０．３から１ミリメートル、０．５から０．８ミリメートルである。通気部１９ａの径が、０．２から２ミリメートル程度であれば、粉体材料５は、通気部１９ａに詰まった状態で残存している。なお、単一の通気部１９ａにおいて、複数の異なる径が形成されていてもよい。例えば、単一の通気部１９ａにおいて、注湯空間１３に近い側の径が小さく、外気に近い側の径が大きくてもよい。

図６に示されているとおり、鋳型Ｍ_５は、外郭部１４が、湾曲した通気部１９ｂを有し、一部の通気部１９ｂ同士が繋がっている。通気部１９ｂの径は、直線状の通気部１９ａの径よりも大きくできる。また、鋳型Ｍ_５は、外郭部１４が、終端部において閉塞している通気部１９ｃを有している。また、複数の通気部１９ｂまたは１９ｃ同士は、一部において繋がっている。通気部１９ｂ，ｃが湾曲しているため、粉体材料５は、通気部１９ｂ，ｃに詰まった状態で残存している。

図７に示されているとおり、鋳型Ｍ_６は、対面壁部１６が、注湯空間１３から離れる方向に伸びる複数の通気部１９ａを有している。具体的には、通気部１９ａは、排気空間１８から外気に通じる直線状の孔である。なお、側壁部１５、対面壁部１６、排気空間１８は、鋳型Ｍ_２と同様であり、通気部１９ａは、鋳型Ｍ_４と同様である。

図８に示されているとおり、鋳型Ｍ_７、８は、例えば、内側に空隙や孔を有する鋳物を鋳造する際の中子として用いられ、注湯空間１３の中に配置される。鋳型Ｍ_７、８は、注湯空間１３の中で内側から注湯空間１３を形成する側壁部１５を有し、注湯空間１３に対して反対側である内側に、リブ１７を有している。リブ１７は、側壁部１５から内側に向けて突出している。鋳型Ｍ_７、８は、側壁部１５の内側に、排気空間１８を開けて対面壁部１６を有している。すなわち、対面壁部１６は、側壁部１５の内側において側壁部１５と対面し、側壁部１５と対面壁部１６との間に、排気空間１８が形成されている。図８（ａ）に示されているとおり、鋳型Ｍ_７において、対面壁部１６は、中空の球状であり、この中空の部分も排気空間１８となる。一方で、図８（ｂ）に示されているとおり、鋳型Ｍ_８において、対面壁部１６は、内側に空隙のない球体である。鋳型Ｍ_８の場合、対面壁部１６の厚みは、中心から対面壁部１６の外面までの距離（球の半径）をいう。

他の実施形態として、図９（ａ）に示されているとおり、鋳型Ｍ_９が、注湯空間１３を形成する側壁部１５、対面壁部１６およびリブ１７のみから構成され、この場合、側壁部１５、対面壁部１６およびリブ１７から外郭部１４が形成される。同様に図９（ｂ）に示されているとおり、鋳型Ｍ_１０は、球状であり、注湯空間１３を形成する側壁部１５およびリブ１７のみから構成され、この場合、側壁部１５およびリブ１７から外郭部１４が形成される。

なお、上記した鋳型Ｍ_１～10は、ガス等が透過し易いハニカム構造であってもよい。また、側壁部１５が厚いほど、鋳型Ｍの強度が高くなるため、十分な強度が保証できる場合、他の実施形態（図示省略。）として、側壁部１５はリブ１７を有しなくてもよい。また、他の実施形態（図示省略。）として、側壁部１５が通気部１９ａ，ｂ，ｃを有していてもよい。また、他の実施形態（図示省略。）として、通気部１９ａの注湯空間１３側または終端部が薄い壁によって閉塞していてもよい。また、他の実施形態（図示省略。）として、通気部１９ａ～ｃが混在していてもよい。

次に、鋳型Ｍおよび型作製方法に用いられる粉体材料５を説明する。

粉体材料５は、セメントや石膏、石灰などの水硬性組成物であり、例えば、カルシウムアルミネートを、特定割合含む結合材１００質量部に対し、ポリマーを特定割合含有する。詳説すれば、水硬性組成物は、下記の構成を有する。

［１］カルシウムアルミネートを５０～１００質量％含む結合材１００質量部に対し、ポリマーを２～１２質量部含有する、水硬性組成物。
［２］前記カルシウムアルミネートが非晶質カルシウムアルミネートである、前記［１］に記載の水硬性組成物。
［３］前記ポリマーがポリビニルアルコールである、前記［１］または［２］に記載の水硬性組成物。
［４］前記ポリビニルアルコールのケン化度が８０～９０モル％である、前記［３］に記載の水硬性組成物。
［５］前記ポリビニルアルコールの平均粒径が、１５０μｍ以下である、前記［３］または［４］に記載の水硬性組成物。
［６］前記結合材が、結合材全体を１００質量％として、ＪＩＳ Ｒ ５２１０に準拠して測定した凝結（始発）が３０分以内であるセメントを、０～２０質量％含む、前記［１］～［５］のいずれかに記載の水硬性組成物。
［７］前記結合材が、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％含む、前記［１］～［６］のいずれかに記載の水硬性組成物。

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Ｍ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。

以下、結合材の必須の成分であるセメントとして、最も好ましいカルシウムアルミネートと、より好ましいセメント、その他等に分けて詳細に説明する。

＜カルシウムアルミネート＞
該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・ＣａＦ₂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。

＜セメント＞
セメントは、ＪＩＳ Ｒ ５２１０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。

＜石膏＞
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。

＜ポリマー＞
水硬性組成物中のポリマーの含有割合は、水硬性組成物の強度をより高めるために、結合材１００質量部に対し固形分換算で２～１２質量部が好ましい。ポリマーの含有割合が２質量部未満では、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質量部を越えると、鋳型Ｍの収縮により、形状によっては変形やひび割れが生じ、また形状が複雑な鋳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質量部に対し、より好ましくは３～１２質量部、さらに好ましくは４～１０質量部である。
前記ポリマーは、ポリマーの形態で示せば、ＪＩＳ Ａ ６２０３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、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るため、好ましくポリビニルアルコールの平均粒径（メディアン径Ｄ５０）は、高い強度が得られるため、好ましくは１０～１５０μｍ、より好ましくは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。
前記ポリマーは、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。

＜砂＞
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。
また、砂の配合量は、前記結合材１００質量部に対し、好ましくは１００～１２００質量部である。該値が該範囲であれば、耐火性と強度発現性を確保できる。砂の配合量は、前記結合材１００質量部に対し、１２００質量部以下では硬化部分の通気性が悪いので本発明の効果がより発揮される。なお、該配合量は、前記結合材１００質量部に対し、より好ましくは１５０～１０００質量部、さらに好ましくは２００～８００質量部である。

＜硬化促進剤＞
水硬性組成物は、強度発現性を向上させるため、さらに任意成分として硬化促進剤を含むことができる。該硬化促進剤は、炭酸アルカリ金属塩、乳酸アルカリ金属塩、乳酸アルカリ土類金属塩、およびケイ酸アルカリ金属塩から選ばれる１種以上である。これらの硬化促進剤は、ポリマーの含有割合が、結合材１００質量部に対し２～６質量部である水硬性組成物において強度発現性の向上効果が高い。また、これらの硬化促進剤は、後述の養生温度が１０～４０℃と低い場合において、強度発現性の向上効果が高い。
そして、(i）前記炭酸アルカリ金属塩は、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、および炭酸リチウムから選ばれる１種以上が挙げられる。また、(ii）前記乳酸アルカリ金属塩は、
乳酸ナトリウム、乳酸カリウム、および乳酸リチウムから選ばれる１種以上が挙げられる。(iii）前記乳酸アルカリ土類金属塩は、乳酸カルシウム、および乳酸マグネシウムから選ばれる１種以上が挙げられる。また、(vi）前記ケイ酸アルカリ金属塩は、ケイ酸ナト
リウム、ケイ酸カリウム、およびケイ酸リチウムから選ばれる１種以上が挙げられる。
前記硬化促進剤の含有割合は、結合材１００質量部に対し、好ましくは３～１０質量部である。硬化促進剤の含有割合が該範囲内であれば、迅速な造形のための早期強度発現性と取扱い可能な強度を確保できる。なお、硬化促進剤の含有割合は、結合材１００質量部
に対し、より好ましくは４～９質量部、さらに好ましくは５～８質量部である。硬化促進剤は、予め水硬性組成物に混合するほか、付加製造装置から供給される水に溶解して用いることもできる。

＜その他＞
造形後に残った水硬性組成物の未硬化の粉末を、鋳型Ｍから除去する作業（デパウダー）を容易にするために、水硬性組成物は、さらに、結合材の合計１００質量部に対し、任意の成分として疎水性フュームドシリカを０．１～２質量部、より好ましくは０．５～１．５質量部含むことができる。ここで、疎水性フュームドシリカとは、フュームドシリカの表面をシランまたはシロキサンで処理して、表面を疎水性にしたシリカ粉末である。
また、水硬性組成物の粉末の除去効率をより高めるため、疎水性フュームドシリカのＢＥＴ比表面積は、好ましくは３０～３００ｍ^２／ｇである。疎水性フュームドシリカのＢＥＴ比表面積が該範囲内であれば、粉体の流動性が向上し、付加製造装置で敷きならした面が平坦で、かつ強度が低下することなく鋳型Ｍを軽量化できる。また、鋳型Ｍの透気性が向上するため鋳物の製造時にガスが発生しても欠陥が生じ難い。また、疎水性フュームドシリカは、粉体の固結の防止や混合性の向上に有効である。

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、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。

＜鋳型Ｍの作製方法＞
該型作製方法では、付加製造装置と本発明に用いられる水硬性組成物を用いて、鋳型Ｍが作製される。付加製造装置は特に限定されず、粉末積層型付加製造装置等の市販品が使用できる。また、水硬性組成物は、前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。前記水は、通常の上水道や井戸水等を用いることができる。前記水硬性組成物は、セメントとポリマーとの合計１００質量部に対し、好ましくは、水を２８～１３０質量部、および砂を含む組成物である。水の配合割合が該範囲であれば、強度発現性を確保できる。また、該値が２８質量部以上ではガスの発生量が多くなるので本発明の効果がより発揮される。なお、水の配合割合は、鋳型Ｍ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質量部、より好ましくは３２～１０５質量部である。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。

鋳型Ｍ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。

次に、鋳型Ｍ_１～_６および型作製方法の効果を説明する。

上記したとおり、鋳型Ｍ_１～１０は、セメントや石膏、石灰などの水硬性組成物からなる粉体材料５が固化したものであり、特に、鋳型Ｍ_{１，２，３，６}は、外郭部１４の内側に、ほぼ長方形の空隙である注湯空間１３を有し、この注湯空間１３を形成する側壁部１５の厚みが、外郭部１４よりも薄く形成されている。この構成により、ガス等が、側壁部１５を透過し易く、排気され易い。また、ガス等が発生する媒体となる側壁部１５そのものが薄いのであれば、発生するガス等の量も抑えられる。したがって、優れた通気性を有し、かつ、ガス等の発生を抑え、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。

また、薄くなることで鋳型Ｍ_{１，２，３，６}の強度が低下したとしても、側壁部１５の厚みが、例えば２ミリメートル程度であれば、溶融体の注入に対する最低限度の強度を維持することができる。

鋳型Ｍ_{１，２，３，６}の側壁部１５は、注湯空間１３に対して反対側である外側に、リブ１７が突出している。すなわち、リブ１７を有することで、鋳型Ｍ_{１，２，３，６}の強度を維持することができ、取扱い時に損傷することがない。

鋳型Ｍ_{２，３，６}は、側壁部１５の外側に、排気空間１８を開けて対面壁部１６を有している。すなわち、対面壁部１６を有することで、鋳型Ｍ_{２，３，６}の強度を維持することができる。また、排気空間１８を有しているため、ガス等が、薄い側壁部１５を透過して排気空間１８に収容される。したがって、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。また、鋳型Ｍ_３の対面壁部１６は、側壁部１５よりも厚く形成されている。したがって、鋳型Ｍ_３の強度を維持することができる。また、対面壁部１６の厚みが、例えば３ミリメートル以上であれば、鋳型の強度を維持することができる。また、側壁部１５と対面壁部１６との間に、未硬化の粉体材料５が充填されたままであれば、溶融体の注入や外力による圧力に対して、より強固となる。

鋳型Ｍ_４，６は、注湯空間１３から離れる方向に伸びて外気に通じる直線状の孔である通気部１９ａを有している。すなわち、通気部１９ａを介してガス等が排気され易い。したがって、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。鋳物の作製において、通気部１９ａに固化していない粉体材料５が残存していたとしても、通気部１９ａが、例えば０．２から２ミリメートル程度であれば、粉体材料５は、通気部１９ａに詰まったままであり、こぼれることがない。仮に、粉体材料５が通気部１９ａからこぼれ、通気部１９ａが中空となって注湯空間１３と通じた場合であっても、鋳造において、溶融体は、表面張力によって、注湯空間１３から通気部１９ａに流れることがない。

鋳型Ｍ_６は、対面壁部１６が、注湯空間１３から離れる方向に伸びる通気部１９ａを有している。すなわち、ガス等が、側壁部１５を透過して注湯空間１３に収容され、さらに、対面壁部１６から通気部１９ａを介してガス等が排気され易い。したがって、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。

鋳型Ｍ_５の外郭部１４は、湾曲した通気部１９ｂを有している。すなわち、湾曲した通気部１９ｂは、直線状の通気部１９ａと比較して、固化せずに詰まった粉体材料５がこぼれ難いため、通気部１９ｂの径を大きく採ることができる。径が大きければ、ガス等が排気され易い。また、鋳型Ｍ_５の外郭部１４は、終端部において閉塞している通気部１９ｃを有しているため、固化せず詰まった粉体材料５がこぼれることがない。また、鋳型Ｍ_５では、複数の通気部１９ｂまたは１９ｃ同士が、一部において繋がっており、繋がった通気部１９ｂ、ｃは、単一である場合と比較して、距離が長く、体積が多いため、ガス等が排気され易い。

中子として用いられる鋳型Ｍ_７、８の側壁部１５は、注湯空間１３に対して反対側である内側にリブ１７が突出し、側壁部１５の内側に、排気空間１８を開けて対面壁部１６を有しているため、強度を維持することができ、取扱い時に損傷することがない。特に、鋳型Ｍ_８の対面壁部１６は、内側に空隙のない球体であるため、より堅固である。また、鋳型Ｍ_７、８は、側壁部１５と対面壁部１６との間に、排気空間１８が形成されているため、ガス等が、薄い側壁部１５を透過して排気空間１８に収容される。したがって、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。

型作製方法であれば、上記した鋳型Ｍ_１～１０を作製することができる。したがって、優れた通気性を有し、欠陥のない美麗な鋳肌を有する鋳物を鋳造することができる。型作製方法は、３Ｄプリンター１によって作成されるため、このような複雑で精密な形状や、薄い鋳型Ｍ_１～１０を作製することができる。

以上、本発明の実施形態を詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。そして本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。

１ ３Ｄプリンター（三次元造形装置）
２ 基準面
３ ステージ
４ 材料載置部
５ 粉体材料
６ リコーター
７ プリンタヘッド
８ ガイド部
９ 昇降機構
１３ 注湯空間
１４ 外郭部
１５ 側壁部
１６ 対面壁部
１７ リブ
１８ 排気空間
１９ａ～ｃ 通気部
Ｍ，Ｍ_１～１０ 鋳型（型）

Claims (6)

1. 鋳造に用いられる鋳型であって、
   当該鋳型が、セメントを有する水硬性組成物からなる粉体材料が固化したものであり、
   鋳物となる溶融体が注入される注湯空間を形成する単一層の側壁部を有し、
   鋳造において発生するガスを透過させるために前記側壁部の厚みが２から１５ミリメートルである、
   ことを特徴とする鋳型。
2. 前記側壁部から突出したリブを有し、
   前記リブが、ハニカム構造である、
   ことを特徴とする請求項１に記載された鋳型。
3. 前記側壁部と間を空けて対面した対面壁部を有し、前記側壁部及び前記対面壁部にガスを排気するための孔である通気部が形成されていない、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された鋳型。
4. 前記対面壁部が前記側壁部よりも厚い、
   ことを特徴とする請求項３に記載された鋳型。
5. 前記対面壁部の厚みが、３から１５ミリメートルである、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載された鋳型。
6. 型を作製するためのステージを、基準面に対して相対的に低い位置に移動させる昇降手順と、一方側から前記ステージを渡って他方側に移動するリコーターによって、一方側にある粉体材料を、前記基準面から前記ステージに移動させて均す材料充填手順と、前記ステージの前記粉体材料にプリンタヘッドから結合剤を吹き付けることで前記粉体材料を固化させる造形手順と、を含み、前記昇降手順、前記材料充填手順、前記造形手順を繰り返すことで、鋳物の鋳造に用いる型を作製する型作製方法であって、
   前記粉体材料が、セメントを有する水硬性組成物からなり、
   前記型において、鋳物となる溶融体が注入される注湯空間を形成する単一層である側壁部の厚みを、鋳造において発生するガスを透過させるために２から１５ミリメートルに形成する、
   ことを特徴とする型作製方法。

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