JPS6130254A - 模型材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は新規な模型材に関するものである。

ここでいう模型材とは鉄やアルミニウム等の金属を鋳造
する砂型を作るだめの模型２石コウやエポキシ樹脂等の
注型用模型、金属、樹脂及び木材等を切削加工する際の
倣い模型等の切削加工によシ任意の形状を作るために用
いる材料であシ、近年発達が著しい数値制御方式１作機
械の数値制御用プログラムを検定するための試削材をも
含む。

「従来の技術」 従来からこれら模型材としては檜、姫小松、杉。

マホガニ等の木材、エポキシ、ウレタン等の樹脂、石コ
ウ、アルミ、ニウム、亜鉛合金や鉄等の金属が使用され
てきたが、模型材としての性能と価格の両面から満足で
きるものがなく、新しい材料の開発が望まれている。

例えば模型材として最も要求が厳しい砂型鋳物用模型で
はまず最も安価で切削加工が容易な木材（檜、姫小松等
）で模型（木型）を作シ、これを砂型に転写して鉄やア
ルミニウム等の鋳物を試験的に製造する。試作した鋳物
に巣や空隙が発生しないこと、強度や寸法精度が要求を
満すこと等を試行錯誤的に模型を修正しながら確認し、
最終的には必要な鋳物の生産数量によシ、模型の材質が
決められる。一般に生産数量が数１００程度以下の場合
には木型がそのまま用いられ、５０００未満の場合には
主としてエポキシ樹脂模型が使用され、２〜３万程度で
はアルミニウム合金が、さらに多量の生産では鋼が使用
される。このように模型材料が生産量によシ使い分けら
れるのは鋳物砂による摩耗で模型の寸法が変化するから
である。

生産数量が少なくとも寸法精度を要求される模型や木材
では製造が不可能な形状の模型では鋼やアルミニウム合
金が使用される。

これら模型材料に要求される性能としては１）手加工及
び機械加工での良好な切削加工性および形状の自由度、
２）寸法安定性および精度、３）適度の剛性、靭性及び
表面硬度、４）接着性が要望され、砂型用模型ではさら
に５）鋳物砂に対する耐摩耗性、６）鋳物砂に含まれる
硬化剤等に対する耐薬品性、７）鋳物砂からの離型性、
８）補修の容易さ等がある。

最も安価で広く使用されている模型材は檜、姫小松、マ
ホガニ等の天然木材であるが、近年木材資源も徐々に個
渇し、模型材に適する直径６００霧以上の大木は少なく
なシ、たとえ木材が入手できても模型材として使用でき
るようになるには１〜２年の十分な乾燥後である。木材
は乾燥が不十分であると切削加工後に著しい寸法変化、
変形を起し、場合によっては破損したシする。乾燥期間
中の多大な保管場所や在庫負担す二無視できない。

模型材としての木材の最大の欠点は吸湿による著しい寸
法変化であり、特に異方性（接線力向：放射方向：軸方
向＝１０　：５　：１〜０．５）が大きいことである。

最も寸法精度が良く、高級模型材である檜でさえも接線
力向の平均縮み率（含水率１５％の時の含水量が１％減
少することによる寸法変化率）は０．１４〜０，２７％
もある。又模型材として使用する木材は柾目材であり、
板目材は著しい反シが発生するので使用できず、又白太
等の樹皮に近い部分も除外される。

木材は他の模型材に比べて切削加工性が優れているとさ
れているが、これは木型職人によるノミ。

カンナといっだ手加工による場合であシ、工作機械によ
る切削加工では木材の成長方向で順目及び逆目があシ、
逆目では木材が割れて切削加工ができない。このため木
型では凸モデルが多く、型打鍛造用の倣い模型とする凹
モデルは少ない。又ボールエンドミル加工では木材繊維
による毛羽立ちが生じ、刃物による切削後にサンダーに
よる仕上けが必要となるばかシか、金属加工用の機械に
よる低回転の切削加工では木材繊維が鋭く切断されず、
毛羽立ちが生じるので、高速加工が可能な木工専用機が
必要となる。空冷エンジンの放熱板のように厚みが薄い
部分や９０’以下の鋭角部分では木材の靭性不足から切
削加工中に破損することが多いので、模型の製作は困難
を極める。多くの苦労の末に切削が完了したとしても、
天候の変化による吸湿で思わぬ変形を起す場合もあシ、
安定して高精度の模型を木材で作ることには限界がある
。

木材よシも寸法安定性が高く、耐摩耗性がよい材料とし
てエポキシ樹脂が多量に使用されているが、刃物による
切削加工は殆んど不可能であることから、これら樹脂模
型は一旦木材で木型を作シこれを石コウで転写し、さら
にエポキシ樹脂で反転する注型法によ多製造される。こ
のためエポキシ樹脂を中心とする樹脂模型は当然木型よ
りも高価でアシ、納期も長くなる。アルミニウム合金や
鋼では、切削加工性は木材に比べると著しく劣ることは
自明である。

模型業界では模型の高寸法精度化と短納期化、ひいては
低価格化をめざしておシ、このためには前記１）〜８）
の諸性能を満たす材料の開発を待ち望んでいる。

「発明が解決しようとする問題点」 本発明は、この要望を満すべく鋭意研究した結果化れた
もので、職人によるノミ、カンナ等の手加工は勿論のこ
と、高切削速度の木工用切削加工機械や低速度の金属用
切削加工機械の両者で容易に切削加工ができ、寸法安定
性にすぐれ１鋳物砂に対しても耐摩耗性の良い模型材に
関するものである。

「問題点を解決するだめの手段」 即ち本発明は、粘度１０〜５００　ｃｓｔ（１００下）
の戻化水素油、木質末及びゴム強化スチレン系樹脂を含
み、木質床及びゴム強化スチレン系樹脂の合計量中木質
系（気乾状態）が１０〜４０重量％、木質末（気乾状態
）１００重量部に対する炭化水素油の添加量が１０〜５
０重景部であることを特徴とする模型材に関するもので
ある。以下、詳細に本発明を説明する。

本発明に用いる炭化水素油は１００下で測定した粘度が
１０〜５００’ｃｓｔであシ、望ましくは炭化水素油の
中に含まれる芳香族環を形成する炭素原子の含量（ＣＡ
）が２０重量−以下である例えば市販の鉱油系ホワイト
オイル、流動ノ臂ラフイン及び鉱油系プロセスオイルの
中のノ９ラフイン系及びナンテン系オイルや合成炭化水
素化合物およびその混合物等がある。

炭化水素油の添加は木質末とゴム強化スチレン系樹脂と
の混線を容易にするのみならず刃物による切削加工性を
改善する目的で行われる。１００下で測定した粘度が１
０　ｃｓｔ未滴の炭化水素油では一般に沸点が低く、ゴ
ム強化スチレン系樹脂と炭化水素油と木質末との混線に
おいて、スクリュー押出機のダイス出口等で発泡が起シ
やすくな）使用に耐えない。他方１００Ｔで測定した粘
度が５００　ｃｓｔ以上の炭化水素油では木質系への含
浸が不十分となり切削力が高くなシ混練した模型材の表
面にベトつきが生ずる。ＣＡが２０重８％よシも多い炭
化水素油は一般に黒褐色や濃緑色に着色しておシ、模型
材の色相に悪影響を及はす。

ゴム強化スチレン系樹脂と木質末と炭化水素油との混練
はいずれの方法でも行うことができるが、好ましくは、
混線に先立って木質末に炭化水素油を添加するが、さら
に好ましくは木質末を加熱しながら炭化水素油を木質末
に添加処理する。その添加量は木質系１００重量部に対
して１０重量部以下では混線の容易性や切削性の改良が
できす、５０重量部以上では木質末に吸着や含浸されな
い遊離の炭化水素油が残ったシ、混線後の模型材の剛性
を著しく低下させる等の弊害が現れる。

本発明に用いる木質末としては木質系複合材に一般に用
いる木質末例えば各種の木粉やパルプ粉等が使用できる
が、気乾比重が低く、耐湿性がないことから好しくけ針
葉樹例えば米ツカ、ヒマラ杉、檜、姫小松等の木粉であ
り、その含水率は気乾状態で１３〜１８％であり、標準
含水率を１５チとしている。木質末の粒径は６０メツシ
ユ（目開き０．２４６ｍ）の篩を９０重量％以上通過す
る大きさであり、望ましくは８０メツシユ（目開き０．
１７５ｍｍ）全通する程度がよい。６０メツシユよシも
粗い木質末は模型の表面を荒すので避けることが望まし
い。

必要な木質末の量はゴム強化スチレン系樹脂と木質末と
の合計量中の１０〜４０重量％である。

１０重量−未満では刃物による良好な切削加工性や機械
的強度が得られず、他方４０重量％以上ではゴム強化ス
チレン系樹脂との混線性が悪くなるのみならず、模型材
の可撓性や靭性が低下し切削加工時に鋭角のコーナ一部
が欠落したシ、肉薄の模型の製作が困難になる等の切削
加工の自由度が低下する。

本発明に用いるゴム強化スチレン系樹脂としては模型材
に弾性や靭性を付与し、薄肉部分や鋭角部分の切削加工
を可能にし、模型の形状の自由度を増大させ更に鋳物砂
に対する耐摩耗性を高めるだめの目的に合致する樹脂で
あれば良い。

即ち、樹脂の連続相（マトリックス相）とゴム質重合体
又はゴム質重合体にグラフト重合させた分散相の２相構
造を持つスチレン系樹脂である。

分散相に用いるゴム質重合体としてはポリブタジェン、
ゲタジエン−スチレン共重合体、ブタジェン−アクリロ
ニトリル共重合体等ブタジェンを主成分とするコゝム質
重合体、若しくはポリアクリル酸エステル、エチレンー
グロビレンージェン共重合体（ＥＰＤＭ　）　、更には
塩素化ポリエチレン等のゴム質重合体の一種又はそれ以
上の混合で使用出来る。

一方、グラフト及び連続相に用いるモノマーとしてはス
チレン及びスチレンの誘導体である芳香族ビニル化合物
を用いさらに必要に応じコモノマーとして、シアン化ビ
ニル化合物、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステ
ル、不飽和ジカルボン酸又はその無水物等を使用するこ
とができる。

ゴム強化スチレン系樹脂中のゴム質成分は５重量％〜４
０重量％であシ、好ましくは１０重量％〜３０重景チで
ある。５重量−以下であれば、薄肉部分や鋭角部分の切
削時に切損を招く危険性が大きく、又４０重量％を越え
ると剛性が著るしく低下することになる。

本発明の模型材は好ましくは次のように製造される。

例えば加熱が可能なジャケット付回転翼形混合機（三井
三池製作所ヘンシェルミキサー）を用い、約３ｋ１７７
ｃｍ２の低圧スチームを通し、混合槽壁面温度を約１４
０℃に昇温し、気乾状態の木質床を混合槽に投入して回
転呉を高速で回転させながら炭化水素油を徐々に滴下す
る。木質床の含水率が高く乾燥不十分の場合は、炭化水
素油を添加する前に適宜加熱乾燥を行うことができる。

通常気乾状態の木質床では混合槽壁面温度が１００〜１
５０℃で炭化水素油の添加処理時間は５〜１５分間程度
である。

木質床を２００℃以上の温度で炭化水素油を添加処理す
ると木質床や炭化水素油が変質や炭化を起したり、炭化
水素油の引火点からも着火の危険性が増大するので避け
ねばならない。又常圧下１００℃以下では木質床からの
水分の飛散及び木質床への炭化水素油の吸着や含浸が不
十分となり、模型材の成形特水分の蒸発による空隙が発
生しやすくなる。模型材中の空隙は鋳物の巣と同様に模
型材にとっては致命的欠陥となる。木質床の炭化水素油
による事前の添加処理及びその処理温度条件は本発明の
模型材の製造工程において模型材内に目視できるような
大きな空隙を生じさせ々いことが必須帯性となる。

木質床に炭化水素油を添加如理後木質末とゴム強化スチ
レン系樹脂の合計量中木質末が１０〜４０重量％となる
ようにゴム強化スチレン系樹脂粉末を加え、１００〜１
５０℃の温度で５〜１５分間攪拌混合する。この後の模
型材の製造工程から混合物は全体が一体となった溶融物
でなく！粒状であることが望ましいので、混合槽壁面は
１００〜１５０℃があることが望ましい。

得られた混合物は通常の熱可塑性樹脂用混線装置である
１軸又は２軸のスクリｚ−押出機、混練ロール、加圧ニ
ーグー、バンバリーミキサ−等トベレタイザーの組合せ
によシゴム強化スチレン系樹脂を溶融状態にして混練し
造粒する。

顔料、酸化防止剤、紫外線吸収剤、可塑剤、充てん剤２
発泡剤等を適宜加えることができる。

造粒されたペレットを用いて熱可塑性樹脂用の射出成形
機、スクリュー押出機及び加熱プレス等で任意の形状に
成形することができる。模型材として使用する場合はス
クリュー押出機により厚み５〜５０朝程度の平板や直径
１０〜１００洞程度の丸棒に成形しておくと便利である
。成形された平板や丸棒の模型材はノミ、カンナ、ノコ
、キリ及びサンド−？−ツヤー等による手加工で各種模
型を任意に製作することができ、エポキシ樹脂系やウレ
タン樹脂系接着剤等で任意に接着することができる。さ
らに模型材にネジ穴をあけ金属ボルト等で模型材同志や
他の木材や金が等と接合することも可能である。

木工用切削加工機械（丸ノコ、帯ノコ、機械カンナ、木
工用旋盤、ドリル、ルータ−等）及び金属用切削加工機
械（旋盤、ミリングマシン、研削盤、ボーリングマシン
等）で木材や金属と同様の切削加工をすることができる
。

「実施例」 以下実施例により本発明を具体的に説明する。

実施例１ （１）木質床の炭化水素油添加処理 ヘンシェルミキサーの加熱用ジャケットに３ｋｇ／ｃｒ
ｎ２のスチームを通し、混合槽壁面温度を１３０℃に昇
温し、１１０℃で３時間乾燥したヒマラヤ杉の粉末（６
０メツシュ篩全通）を投入しヘンシェル羽根の回転数が
１８０Ｏｒｐｍで木粉を攪拌し々から炭化水素油（ナフ
テン系プロセスオイル：サンセン２５０サンオイル（株
）、粘度１０７　ｃｓｔ（ｉｏｏ下）を滴下した。１０
分間経過後ヘンシ・エル羽根の回転を止め、木質床に炭
化水素油が十分に吸着され、混合槽壁面に遊離の炭イヒ
水素油が殆んどないことを確認した。この時の炭化水素
油の添加量は木質床１００重量部に対ｔ７て２０重量部
であった。

木質末への炭化水素油の添加処理の完了は十分なる攪拌
混合後、混合槽壁面に遊離の炭化水素油が残らないこと
及び添加処理された木質末がべとつきがなく、流動性が
よいことから確認できる。

（２）　　ゴム強化ポリスチレン系樹脂との混合前記炭
化水素油を添加処理した木質末にゴム成分２０重量−を
含むＡＢＳ樹脂粉末（サイコラックブレンテックス２０
１宇部サイコン（株））を加え、ＡＢＳ樹脂と木質末と
の合計量中木質末が２０重量％となるようにし、１５分
間１３０℃で混合した。

混合物は顆粒状であった。

（３）　　スクリュー押出機による溶融混練と造粒前記
混合物である顆粒を４０惰φ１軸スクリ一−押出機で混
練し一般の熱可塑性樹脂の造粒の方法と同様に直径約４
簡長さ約５閣の円筒形ベレットとした。

（４）模型材の成形と評価 造粒したベレットを用い射出容量５０ｃ１ｎ３のスクリ
ューインライン型射出成形機で、捧“×棒“×５“の角
材を成形し、曲げ剛性率、切削力、感覚による切削加工
性、摩耗量を測定した。結果を表に示す。

０模型材の切削性（切削力）試験法 模型材の刃物による切削加工性を数値的に比較する目的
でカッターナイフで模型材を切込み、この時の切込力を
引張試験機（オートグラフ島津製作′Ｆ３ｒ）で測定し
これを切削力とした。結果を表に示す。

Ｑ模型材の耐摩耗性試験法 鋳物用３号珪砂と水とを３：２の重量比で混合し、１４
０　Ｘ１２．７　Ｘ　６．４間の長方形の模型材の先端
から１００ｍｍが珪砂と水との混合物に接触するように
して５００　ｒｐｍで回転させ３時間後の模型材の摩耗
量を測定した。結果を衣に示す。

実施例２ （１）〜（４）実施例１と同じ木質末、ゴム強化スチレ
ン系樹脂、装置及び条件で炭化水素油として／ｅシラフ
ィンプロセスオイルであるサンｚｅ−１１０（サンオイ
ル（株）粘度２３．８　ｃｓｔ（１００下ン）を用い、
木質末１００重景部に対し３０重量部を添加処理し、さ
らにＡＢＳ樹脂粉末を加えて木質末とＡＢＳ樹脂との合
計量中、木質末が２０重ｉ％となるようにし、１５分間
１３０℃で混合した。

４０ｗ＊φ１軸スクリュー押出機で溶融混練し造粒した
。造粒したベレットを用い、実施例１と同様に模型材を
成形し、評価した。結果を表に示す。

（５）造粒したベレットを６５叫φ１軸スクリユ一押出
機で厚み３０ｗ幅５００ｍの平板を連続的に押出成形し
、１ｍの長さで切断した。

（６）この平板の両面をエンドミルで切削して平面とし
エポキシ樹脂系接着剤で２枚を貼合せ、厚み５５圀幅２
５０ｍ長さ５００咽のブロックを製造した。このブロッ
クの中央部に長さ４６０咽直径６５間で断面形状が半円
となるように金属加工用ＮＣ切削加工機（牧野フライス
製作所、５ＮＦ−１０５）で掘込んだ。カッターは２枚
刃の半径５ｍのボールエンドミルであり、カッターの回
転数は１５００ｒｐｍ、送り速度は１０００ｍｍ／―で
切削したところ非常に平滑な表面をもつ倣い模型を得る
ことができた。切削中のカッターによる切粉は良質木材
のように極薄の切片であり、粉塵は殆んどない。

（７）上記平板から高さ５２ｍｍ幅４０咽長さ５５鱈の
台形の駒を手加工で作り、これを鋳造用造型機であるデ
ィサマチイック２０１３の金型に増付け、砂型４０００
個を製造した。鋳物砂による摩耗は最大で０．３　ｔａ
ｎしかなく、エポキシ樹脂模型よシも摩耗が少なく、鋳
物砂の離型性も良好で、鋳物用砂型模型として十分な実
用性能があることがわかった・ 実施例３ （１）〜（４）実施例２と同じ原料、装置及び条件で組
成が木質末１００重量部に対し炭化水素油１２５重量部
、木質末とゴム強化スチレン系樹脂合計中の木質末が４
０重量％である混合物を作り、実施例２と同様に造粒し
実施例１と同様に模型材を成形し、評価した。結果を表
に示す。

（５）さらに押出成形により厚み３０諭幅５００ｍの平
板を成形した。

以上のように製造された模型材はノミ、カンナ等の手加
工で容易に切削加工できることを確認し、さらに木工用
切削加工機での高速切削加工性を知る目的で高速ＮＣル
ーグー（圧出鉄工（株）製ＮＣ−１６３８）で切削した
。カッターとして１０ｗ＋ｍφエンドミル（２枚刃）を
用い、回転数３０００〜１８０００ｒｐｍ、送シ速度３
０００〜５００　ｔａｎ／ｍｊｎ−で深さ１５嬬の溝を
切った。木材では考えられないことであるが、溝と溝と
の間隔を２ＷｒＩｎと極く薄い厚さになるように切削し
ても残シの壁の部分は折れたシかけたりすることもなく
切削面は非常に平滑で本模型材が切削性及び形状の自由
性では従来の模型材にない特徴を有することがわかった
。

比較例１ 炭化水素油を除き、実施例１と同じ木質床、樹脂、装置
及び条件で木質末とＡＢＳ樹脂とをヘンシェルミキサー
で混合後４０ａ＋ｍφスクリュー押出機で溶融混練し、
造粒した。押出機ダイスから押出された混練物は発泡し
て、ストランド切れを起し造粒は困難を極め、実施例１
の木質末にあらかじめ炭化水素油を添加処理した場合の
造粒の容易さとは対照的であった。造粒したペレットで
捧“Ｘ捧“×５“の角材を射出成形機で成形し、評価し
た。結果を表に示す。ノミを用いた木型職人による切削
性の評価は非常に硬く、切削面は白化しこ捷かく、かつ
精密な模型を作るには適しないことが判明した。

カッターナイフによる切削力も６１ｋｌ１７／ｃｒｎと
非常に大きい。

比較例２ 実施例１で使用したＡＢＳ樹脂のペレットで捧“×捧”
×５“の角材を射出成形機で成形し比較例１と同様に切
削性を評価したところ木材に比べて非常に硬く、切削面
が白化し模型材に適しないととが判明した。カッターナ
イフによる切削力は６２ｋｇ／ｃｒｎと大きく、切削性
が悪いことを裏付けている。その他の評価結果と併せて
表に示す。

比較例３ 実施例１と同じ木質末、ＡＢＳ樹脂、装置及び条件で、
炭化水素油として芳香族系ｆＯセスオイル（サンデック
スフ９０粘度６５０ｃｓ＋ｔ（１００下）サンオイル（
株））を使用し、木質末１００重量部に対して３０重量
部を添加処理し、さらにＡＢＳ樹脂分が８０　ｗｔ％と
々るようにＡＢＳ樹脂粉末を混合した＠混合物は非常に
ベトつき、黒褐色に着色した。混合物を熱プレスで捧“
×■“×５“の角材を成形したが表面がベトつき模型材
としてはとうてい使用できない。評価結果を表に示す。

比較例４ 砂型鋳物の模型材としてよく用いられる治工具用エポキ
シ樹脂（チパガイギ−（株）アラルダイト５Ｗ４０４）
で捧“×捧“×５“の角材を注型で製作した。

切削性は１１４常に悪く、刃物での切削は不能であった
。

鋳物用３号珪砂による５　５０　ｒｐｍ、３０分間での
摩耗試験では摩耗量が４．７５％と大きかった。

評価結果をまとめて表に示す。

表から明らかな如く、本願発明の模型材料はいずれも５
０ｋ１７／ｃｒ＋＋以下の切削力であわ、すぐれた切削
性を有する。切込力が小さい程刃物による切削性は良好
であるが、木材では２０〜３５ｋｇ／ｃｒｎでありエポ
キシ樹脂（例えばアラルダイト５Ｗ４０４チバガイギー
社）では７０　ｋｇ／副を越える価となる。

木型職人が木工用のノミで容易に切削加工ができる材料
の切込力は５０　ｋｇ／ｃｍ以下である。

壕だ、本願発明の模型材料は表に示す如く耐摩耗性にお
いてもすぐれている。例えば注型模型材料であるエポキ
シ樹脂（アラルダイト５Ｗ４０４）よりも摩耗量が少な
い。

「発明の効果」 以上から明らかな如く、本願発明によれば切削加工性に
優れた形状模型材としてだけでなく耐摩耗性が要求され
る鋳物用砂型模型材としても使用でき、且つ木材にない
切削加工機械への適用性。

形状の自由度及びエポキシ樹脂盤みの耐摩耗性をもつ従
来にない優れた模型材を提供することが可能となった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）粘度１０〜５００ｃｓｔ（１００°Ｆ）の炭化水
   素油、木質末及びゴム強化スチレン系樹脂を含み、木質
   末及びゴム強化スチレン系樹脂の合計量中木質末（気乾
   状態）が１０〜４０重量％、木質末（気乾状態）１００
   重量部に対する炭化水素油の添加量が１０〜５０重量部
   であることを特徴とする模型材。
2. （２）ゴム強化スチレン系樹脂と木質末とを混合する前
   に木質末に炭化水素油を添加処理することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の模型材。