JP7652002B2

JP7652002B2 - 鋳型造型装置

Info

Publication number: JP7652002B2
Application number: JP2021127252A
Authority: JP
Inventors: 浩庸渡邉; 総中山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2025-03-27
Anticipated expiration: 2041-08-03
Also published as: JP2023022396A

Description

本発明は、鋳型造型装置に関する。

特許文献１には、可溶性粘結剤（バインダー）と耐火物粒子（粒子状骨材）とを混合した鋳物砂（骨材混合物）を模型内に充填し、減圧雰囲気下でマイクロ波照射により鋳物砂を硬化させる鋳型造型方法が開示されている。鋳物砂が硬化する際に発生する蒸気は、模型の閉口部から外部へ放出される。

特開２００４－０９８１６０号公報国際公開第２００５／０２３４５７号

２分割された鋳型の模型を用いる場合、骨材混合物を加熱した際に生じる蒸気は、模型の分割面（見切り面）を通り、模型外へと排出される。マイクロ波を用いた鋳型造型方法では、模型として、セラミックスや樹脂で作製された模型が使用される。このような材料で作製された模型はマイクロ波により加熱されないため、見切り面で蒸気が冷却され、見切り面に結露が発生する。これにより蒸気が模型外に排出されず、骨材混合物の乾燥が妨げられるおそれがある。

また、特許文献１では、減圧雰囲気下で骨材混合物を加熱しているが、減圧雰囲気下で混合物を加熱すると、温度が低いため、水ガラス等のバインダーの脱水縮合反応が進まない可能性がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、骨材混合物の乾燥・硬化を妨げることなく、マイクロ波による骨材混合物の硬化を行うことが可能な鋳型造型装置を提供することを目的とする。

一態様に係る鋳型造型装置は、第１型と第２型とが見切り面で型合わされて、鋳型造型用の骨材混合物が充填可能なキャビティが形成される模型と、前記キャビティ内に充填された前記骨材混合物にマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置とを備え、前記模型の少なくともキャビティ内面及び前記見切り面は多孔質であるものである。

他の態様に係る鋳型造型装置は、第１型と第２型とが見切り面で型合わされて、鋳型造型用の骨材混合物が充填可能なキャビティが形成される模型と、前記キャビティ内に充填された前記骨材混合物にマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置とを備え、前記模型の前記キャビティ内面及び前記見切り面の裏側には肉抜き部が形成されているものである。

本発明によれば、骨材混合物の乾燥・硬化を妨げることなく、マイクロ波による骨材混合物の硬化を行うことが可能な鋳型造型装置を提供することができる。

実施形態１に係る鋳型造型装置の構成を示す図である。図１のＡ部分を拡大した図である。鋳型の造型工程を説明する図である。鋳型の造型工程を説明する図である。鋳型の造型工程を説明する図である。鋳型の造型工程を説明する図である。鋳型の造型工程を説明する図である。鋳型の造型工程を説明する図である。実施形態２に係る鋳型造型装置の構成を示す図である。実施形態３に係る鋳型造型装置の構成を示す図である。比較例の鋳型造型装置の問題点を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。なお、特許請求の範囲に係る発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

実施形態１．
図１は、実施形態１に係る鋳型造型装置の構造を示す模式図である。図１に示すように、実施形態１に係る鋳型造型装置１００は、模型１０、マイクロ波照射装置２０を備える。模型１０は、下型１１、上型１２を含む。下型１１と上型１２とが見切り面１３で型合わせされて、鋳型造型用の骨材混合物Ｗが充填可能なキャビティ１４が形成される。なお、下型１１と上型１２のいずれか一方が固定型であり、他方が可動型であり得る。ここでは、下型１１と上型１２の２つの型でキャビティを形成する例を示したが、２つより多くの型を型合わせしてキャビティを形成してもよい。

マイクロ波照射装置２０は、キャビティ１４内に充填された骨材混合物Ｗにマイクロ波を照射する。マイクロ波を照射することで、骨材混合物Ｗを加熱・硬化させる。マイクロ波を用いた鋳型造型方法では、模型１０として金型を使用することはできず、セラミックスや樹脂にて作成された模型１０が使用される。樹脂製の模型としては、例えば、ポリスチレン樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂等の合成樹脂が使用され得る。

このような模型１０を用いた鋳型の造型方法について、図３～８を参照して説明する。図３～８は、鋳型の各造型工程を説明する図である。まず、図３に示すように、粒子状骨材、１種類又は複数種類の水溶性バインダー及び水を含む骨材混合物を混合する。

粒子状骨材は、珪砂、アルミナ砂、オリビン砂、クロマイト砂、ジルコン砂、ムライト砂、各種の人工骨材等から選択される１種以上のものとすることができる。１種類又は複数種類の水溶性バインダーは、水分を蒸発させることにより固まる粘結剤である。水溶性バインダーは、常温において水溶性であるものを用いることが好ましい。また、加熱して水に混合した後、常温まで冷却した状態において当該水に溶解している水溶性バインダーも用いることができる。

図３に示す例では、水溶性バインダーとして、例えばガラス状のリチウム、ナトリウム及び／又はカリウムのケイ酸塩を水に溶かすことによって調製される水ガラスバインダーが用いられる。水ガラスは、例えば１．５～３．５であるモル比ＳｉＯ_２／Ｍ_２Ｏを有し得る。なお、Ｍ_２Ｏは、酸化物として計算されるバインダー中のリチウム、ナトリウム及びカリウムの質量の和である。

次に、図４に示すように、骨材混合物を攪拌することにより混合させる。そして、骨材混合物を鋳型造型用の空間である模型１０のキャビティ１４に充填する。図５に示すように、模型１０の上型１２上方には、混錬した骨材混合物Ｗを貯留するブローヘッド３０が配置される。ブローヘッド３０のブロープレート３１には、骨材混合物Ｗを吐出する複数のブローノズル３２が設けられている。ブローノズル３２は、上型１２のノズル挿入孔に差し込まれる。ブローヘッド３０に貯留された骨材混合物Ｗは、加圧エアで、ブローノズル３２から下型１１のキャビティ面に向かって吐出される。これにより、図６に示すように、模型１０のキャビティ１４が骨材混合物Ｗで充填される。

その後、充填した骨材混合物Ｗ中の水分を蒸発させて骨材混合物Ｗを硬化させ、鋳型を造型する。図７に示すように、マイクロ波照射装置２０により、大気圧雰囲気下で、キャビティ１４内に充填された骨材混合物Ｗにマイクロ波を照射する。マイクロ波を照射すると、骨材混合物Ｗ中の水分が選択的に加熱され、蒸気となって模型１０の外部へ排出される。このとき、骨材混合物Ｗ中の水ガラスバインダーが、乾燥・硬化する。

そして、図８に示すように、造型された鋳型Ｍを鋳型造型用空間から取り出す。なお、骨材混合物に架橋剤を更に加え、鋳型を取り出す工程前後に架橋剤を反応させる工程をさらに含んでいてもよい。このような鋳型の造型方法は、例えば、特許文献２に記載されている。

上述したように、マイクロ波照射工程では、骨材混合物Ｗ中の水分が蒸気となって模型１０の外部へ排出される。図２は、図１のＡ部分を拡大した図である。図２は、キャビティ１４に充填された骨材混合物Ｗに大気圧雰囲気下でマイクロ波照射を行った時の状態を示している。図２中、蒸気の流れが矢印で示される。図２に示すように、骨材混合物Ｗから発生した蒸気は、下型１１と上型１２の見切り面１３の隙間を通って模型１０外に排出される。

ここで、特許文献１の鋳型造型装置の問題点について説明する。特許文献１では、減圧雰囲気下で骨材混合物にマイクロ波を照射することで、粘結剤の気化温度（沸点）を低下させて、模型の変形の問題を改善している。このような鋳型造型装置では、マイクロ波が漏れない構造と、減圧雰囲気を保つ二重の密閉容器が必要となり、装置が高価になる。また、マイクロ波照射工程の前後に毎回、密閉容器の減圧、開放を繰り返す工程が必要になるために時間が掛かる。また、減圧雰囲気下で骨材混合物を加熱すると温度が低いので、水ガラスバインダーの脱水縮合反応が進まず、骨材混合物の十分な硬化ができない。

また、図１１は、減圧せずに、大気圧でマイクロ波照射を行う比較例の問題点を説明する図である。図１１は、キャビティ４に充填された骨材混合物Ｗに大気圧雰囲気下でマイクロ波照射を行った時の状態を示している。マイクロ波を用いた鋳型造型方法では、模型として、セラミックスや樹脂で作製された模型（下型１、上型２）が使用される。このような材料で作製された模型はマイクロ波により加熱されないため、キャビティ４の内面や見切り面３で蒸気が冷却され、結露が発生する。この結露が見切り面３の隙間を塞いでしまうと、蒸気が閉じ込められ、骨材混合物Ｗの乾燥が妨げられる。また、骨材混合物Ｗの角部は、冷たい模型（下型１、上型２）に囲まれて加熱されにくく、さらに結露で乾燥が遅くなる。

このような問題を解決するため、実施形態では、模型１０の少なくともキャビティ１４の内面及び見切り面１３は多孔質である。実施形態１では、模型１０全体が、多孔質材料により形成されている。すなわち、骨材混合物Ｗは多孔質材料で形成された鋳型造型用の空間（キャビティ１４）に充填される。

多孔質材料であるキャビティ１４の内面及び見切り面１３は、骨材混合物Ｗから発生した熱い蒸気を吸収して温かくなる（図２参照）。水溶性バインダーから発生した蒸気は、温かい多孔質樹脂で囲まれた見切り面１３の隙間を通過する。このため、見切り面１３に結露が発生することなく、蒸気が模型外へと排出される。これにより、骨材混合物の乾燥が妨げられるのを抑制することが可能となる。

また、このような多孔質材料としては、例えば、粒状骨材の粒径よりも小さい孔を有する多孔質樹脂を用いることができる。これにより、多孔質材料の孔内に粒状骨材が詰まるのを抑制することができる。

また、キャビティ１４の内面も同様に、骨材混合物Ｗから発生した熱い蒸気を吸収して温かくなる。これにより、骨材混合物Ｗの表面、特に、角部が温かいキャビティ１４の内面により加熱される。これにより、水ガラスバインダーの脱水縮合反応を進めて、骨材混合物Ｗの硬化を促進することが可能となる。なお、模型１０は多孔質材料により形成されるため断熱性があるものの、マイクロ波を吸収しにくいので高温に加熱されない。このため、模型１０の熱変形を抑制することができる。

ここで、非多孔質樹脂で作製された模型を用いて造型した場合と、実施形態１のように多孔質樹脂で作製された模型を用いて造型した場合とを比較する。いずれの場合も、骨材混合物の処方、混練条件、マイクロ波照射条件は同じであるものとする。

非多孔質樹脂で作製された模型を用いて造型した場合、鋳型の表面には水分が残り、未硬化の部分があり、模型の見切り面には水滴（結露）が見られた。これに対し、多孔質樹脂で作製された模型を用いて造型した鋳型、鋳型の表面に水分は無く硬化しており、模型の見切り面には水滴（結露）は見られなかった。

このように、実施形態１によれば、模型１０のキャビティ１４の内面及び見切り面１３を多孔質材料で形成することで、模型の変形と蒸気の問題を解決し、大気圧雰囲気化でマイクロ波加熱による骨材混合物の硬化を可能とする。

実施形態２．
図９は、実施形態２に係る鋳型造型装置の構成を示す図である。実施形態２では、実施形態１と同様に、模型１０は下型１１と上型１２とを含み、下型１１と上型１２とが見切り面１３で型合わせされてキャビティ１４が形成される。図９に示す例では、模型１０は、非多孔質の下型基材部１１Ａ、上型基材部１２Ａを有している。下型基材部１１Ａ及び上型基材部１２Ａの表面には、多孔質材料１５が設けられている。見切り面１３及びキャビティ１４の内面は、この多孔質材料１５により形成される。

多孔質材料としては、例えば、空気層を含む繊維構造体を用いることができる。図９を参照すると、多孔質材料で形成されたキャビティ１４の内面及び見切り面１３は、骨材混合物Ｗから発生した熱い蒸気を吸収して温かくなる。水溶性バインダーから発生した蒸気は、温かい多孔質樹脂で囲まれた見切り面１３の隙間を通過するため、見切り面１３に結露が発生することなく、蒸気が模型外へと排出され、骨材混合物の乾燥が妨げられるのを抑制することが可能となる。

実施形態３．
図１０は、実施の形態３に係る鋳型造型装置の構成を示す図である。実施形態３では、実施形態１と同様に、模型１０は下型１１と上型１２とを含み、下型１１と上型１２とが見切り面１３で型合わせされてキャビティ１４が形成される。図１０に示す例では、模型１０の下型１１及び上型１２は非多孔質の樹脂からなり、キャビティ１４の内面及び見切り面１３の裏側には肉抜き部１６が形成されている。

図１０に示す例では、上型１２のキャビティ１４及び見切り面１３に面する部位が肉抜きされて、模型の外側へ開放した凹部が形成されている。この凹部は、隣接する部位と比較して、基材の肉厚が薄くなっている。また、下型１１は、そのキャビティ１４及び見切り面１３に面する部位が肉抜きされて、中空となっている。

模型１０自体はマイクロ波を吸収しにくいので高熱に加熱されないが、模型１０のキャビティ１４の内面及び見切り面１３の裏側に肉抜き部１６を形成することで、水溶性バインダーから発生した蒸気でキャビティ１４の内面及び見切り面１３が暖められる。これにより、見切り面１３に結露が発生することなく、蒸気を模型外へと排出することができる。また、暖められたキャビティ内面により、骨材混合物Ｗが加熱され、その硬化が促進される。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１００鋳型造型装置
１０模型
１１下型
１１Ａ下型基材部
１２上型
１２Ａ上型基材部
１３見切り面
１４キャビティ
１５多孔質材料
２０マイクロ波照射装置
３０ブローヘッド
３１ブロープレート
３２ブローノズル
Ｗ骨材混合物
Ｍ鋳型

Claims

第１型と第２型とが見切り面で型合わされて、鋳型造型用の骨材混合物が充填可能なキャビティが形成される模型と、
前記キャビティ内に充填された前記骨材混合物にマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置と、
を備え、
前記模型は、非多孔質の基材部を有し、
前記キャビティ内面及び前記見切り面は、前記基材部の表面に設けられた多孔質材料により形成されている、
鋳型造型装置。
前記多孔質材料は、前記骨材混合物の粒径よりも小さい孔を有する多孔質樹脂である、
請求項１に記載の鋳型造型装置。
前記多孔質材料は、空気層を含む繊維構造体である、
請求項１に記載の鋳型造型装置。
第１型と第２型とが見切り面で型合わされて、鋳型造型用の骨材混合物が充填可能なキャビティが形成される模型と、
前記キャビティ内に充填された前記骨材混合物にマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置と、
を備え、
前記模型は、非多孔質の材料により形成されており、
前記模型の前記キャビティ内面及び前記見切り面の裏側には肉抜き部が形成されている、
鋳型造型装置。
前記肉抜き部は前記模型の外側へ開放する凹状である、請求項４に記載の鋳型造型装置。
前記模型は前記肉抜き部が形成されることにより中空となっている、請求項４に記載の鋳型造型装置。
前記マイクロ波の照射は、大気圧下で行われる、
請求項１～６のいずれか１項に記載の鋳型造型装置。