特開 2024-23326 砂積層造形機および砂積層造形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024023326

(43)【公開日】2024-02-21

(54)【発明の名称】砂積層造形機および砂積層造形方法

(51)【国際特許分類】

   B22C 9/10 20060101AFI20240214BHJP

   B22C 1/22 20060101ALI20240214BHJP

   B22C 9/12 20060101ALI20240214BHJP

   B22C 9/02 20060101ALI20240214BHJP

   B29C 33/38 20060101ALI20240214BHJP

【ＦＩ】

B22C9/10 G

B22C1/22 B

B22C9/12 Z

B22C9/02 101Z

B29C33/38

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023195693

(22)【出願日】2023-11-17

(62)【分割の表示】P 2018192461の分割

【原出願日】2018-10-11

(71)【出願人】

【識別番号】504129272

【氏名又は名称】株式会社 畑中製作所

(71)【出願人】

【識別番号】593003961

【氏名又は名称】株式会社瓢屋

(74)【代理人】

【識別番号】100107102

【弁理士】

【氏名又は名称】吉延 彰広

(74)【代理人】

【識別番号】100164242

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 直人

(74)【代理人】

【識別番号】100172498

【弁理士】

【氏名又は名称】八木 秀幸

(72)【発明者】

【氏名】畑中 正之

(72)【発明者】

【氏名】曽根 孝明

(57)【要約】      （修正有）

【課題】レジンを硬化させるレーザ光をレジンコーテッドサンドの層に照射する砂積層造形機に関し、安価でありながら成形精度が高められた砂積層造形機を提供する。
【解決手段】レジンコーテッドサンドｒｓを収納した収納部３０と、収納部３０に収納されているレジンコーテッドサンドｒｓの層ＳＬ形成する層形成手段２０と、レジンを硬化させるレーザ光を層ＳＬに照射する照射部４０，５０，６０とを備え、照射部４０，５０，６０が照射するレーザ光の出力をＰ［Ｗ］、レーザ光の走査速度をｖ［ｍｍ／ｓ］、レーザ光の走査ピッチをｗ［ｍｍ］とし、層形成手段２０における積層ピッチをｈ［ｍｍ］とし、Ｐ／（ｖｗｈ）［ｗｓ／ｍｍ^３］＝Ｅ［Ｊ／ｍｍ^３］としてエネルギー密度Ｅを表した場合にレーザ光の出力が１０Ｗ以上８０Ｗ以下の条件下で、レーザ光のエネルギー密度Ｅが１．３Ｊ／ｍｍ^３以上である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レジンコーテッドサンドを収納した収納部と、
前記収納部に収納されているレジンコーテッドサンドの層を形成する層形成手段と、
レジンを硬化させるレーザ光を前記層に照射する照射部とを備え、
前記層形成手段が、前記層への前記レーザ光の照射が完了すると、該層の上に新たなレジンコーテッドサンドの層を形成するものであり、
前記収納部は、砂粒子の表面がオルソ率が５５％以上７５％以下のレジンで被覆されたレジンコーテッドサンドを収納したものであり、
前記照射部が、１０Ｗ以上８０Ｗ以下の出力でレーザ光を照射するものであって、
前記照射部が照射するレーザ光の出力をＰ［Ｗ］、該レーザ光の走査速度をｖ［ｍｍ／ｓ］、該レーザ光の走査ピッチをｗ［ｍｍ］とし、前記層形成手段における積層ピッチをｈ［ｍｍ］とし、Ｐ／（ｖｗｈ）［ｗｓ／ｍｍ^３］＝Ｅ［Ｊ／ｍｍ^３］としてエネルギー密度Ｅを表した場合にレーザ光の出力が１０Ｗ以上８０Ｗ以下の条件下で、該レーザ光のエネルギー密度Ｅが１．３Ｊ／ｍｍ^３以上であることを特徴とする砂積層造形機。

【請求項2】

前記照射部が、１０Ｗ以上３０Ｗ以下の出力でレーザ光を照射するものであって、
レーザ光の出力が１０Ｗ以上３０Ｗ以下の条件下で、該レーザ光のエネルギー密度Ｅが１．３Ｊ／ｍｍ^３以上であることを特徴とする請求項１記載の砂積層造形機。

【請求項3】

砂粒子の表面がオルソ率が５５％以上７５％以下のレジンで被覆されたレジンコーテッドサンドの層を形成する層形成と、レジンを硬化させるレーザ光を該層に１０Ｗ以上８０Ｗ以下の出力で照射し該層が硬化した硬化層を得るレーザ光照射とを交互に繰り返し、該硬化層を積層していく砂積層造形方法であって、
前記層形成と前記レーザ光照射とを交互に繰り返しベース板を造形する第１工程と、
前記ベース板における分散した箇所に上部ほど細くなる複数の支持部を、前記層形成と前記レーザ光照射とを交互に繰り返し造形する第２工程と、
前記複数の支持部の上に、前記層形成と前記レーザ光照射とを交互に繰り返し、該複数の支持部それぞれに接続した製品部を造形する第３工程とを有することを特徴とする砂積層造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レジンを硬化させるレーザ光をレジンコーテッドサンドの層に照射する砂積層造形機および砂積層造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

鋳造用の鋳型は、主型と中子から構成され、主型は砂型や金型で作られるが、中子は有機粘結材（バインダー）で強度を維持した砂型で作られるのが一般的である。中子は、鋳物の中空部を形成するためのものであり、鋳造後に中空を形成していた中子はバインダーの燃焼も生じるため、容易に鋳物から分離できる。特に複雑な形状品や細溝形状などの場合には熱硬化性樹脂であるフェノールレジンをバインダーにして砂にコーティングした「コーテッドサンド」を用いて、加熱金型に吹き込んで成型する「シェルモールド法」が多用される。また鋳物内部に細穴形状を形成する中子の場合には樹脂から発生するガス圧によるガス欠陥が発生し、その対策として中空中子にすることで中子の通気性を確保してガスを排出してガス欠陥を回避できることが知られている。一方、非熱硬化性バインダーの場合は硬化剤添加やガス硬化反応で固めるため、常温での成型が可能であり、金型でなくても成型が可能であり、金型の加熱も必要がない反面、中空形状の中子成型ができないため、ガス逃げが不十分でガス欠陥が生じやすい。

【0003】

シェルモールド法では金型に吹き込んで表面層が熱硬化した時点で金型反転により、中子内部の未硬化部分を排出（反転排砂）することで中空中子を成型できる利点がある。しかし普及している汎用機でなく、専用の成型機が必要になり、また、より効率よく鋳造時の中子発生ガスを逃がすための細穴や、中空部を中子各部に配置したい場合には中空形状に限界があり、砂は吹込口からしか排砂を行うことができず、複雑な中空形状は困難である。さらに、試作品や非量産品の場合には金型が高価なため、中子成形が困難であったり、複数の金型を用いて中子の形状を検討することが資金的に難しい等の問題もある。

【0004】

これらの問題を解決するために、近年、積層造形技術を用いて鋳型を造型することが提案されている（例えば、特許文献１等参照）。この特許文献１に記載された積層造形技術では、コーテッドサンドの層を形成し、その層に選択的に硬化剤を散布することで、硬化剤が散布された部分が硬化部になる。硬化剤の散布が完了すると、硬化部が設けられた層の上に新たなコーテッドサンドの層を形成し、硬化剤を再び選択的に散布して、新たなコーテッドサンドの層に硬化部を設ける。以降も、層形成と硬化剤の選択的な散布とを繰り返し、硬化部が積層された三次元的な鋳型を得ることができる。

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載された、硬化剤を用いた積層造形技術を実現しようとうすると、非常に高額な投資が必要になる。

【0006】

ところで、積層造形技術を用いれば、鋳型に限らず様々な三次元的な造形物を得ることができる。上述した硬化剤を用いた積層造形技術の他、レーザ光を用いた積層造形技術も開発されている（例えば、特許文献２等参照）。特許文献２に記載された積層造形技術では、レジンを硬化させるレーザ光をレジンコーテッドサンドの層に照射し、レジンコーテッドサンドの層のうちレーザ光が照射された部分が硬化部になる。レーザ光の照射が完了すると、硬化部が設けられた層の上に新たなレジンコーテッドサンドの層を形成し、レーザ光を再び照射して、新たなレジンコーテッドサンドの層に硬化部を設ける。以降も、層形成とレーザ光の照射とを繰り返し、硬化部が積層された三次元的な造形物を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】国際公開第２０１５／２９９３５号

【特許文献2】特開２００５－１６９４３４号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献２に記載された、レーザ光を用いた積層造形技術では、５ｋＷといった高出力なレーザ光を照射するものであるため、必然的に装置のコストが上昇してしまう。また、高出力なレーザ光を用いると、硬化部に隣接する、外側の領域や下層の領域までレーザ光の熱が伝わってしまい、出来上がった造形物の形状や寸法精度が設計通りにならない場合がある。

【0009】

本発明は上記事情に鑑み、安価でありながら成形精度が高められた砂積層造形機および造形コストを抑えながら成形精度が高められた砂積層造形方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を解決する砂積層造形機は、
レジンコーテッドサンドを収納した収納部と、
前記収納部に収納されているレジンコーテッドサンドの層を形成する層形成手段と、
レジンを硬化させるレーザ光を前記層に照射する照射部とを備え、
前記層形成手段が、前記層への前記レーザ光の照射が完了すると、該層の上に新たなレジンコーテッドサンドの層を形成するものであり、
前記収納部は、砂粒子の表面がオルソ率が５５％以上７５％以下のレジンで被覆されたレジンコーテッドサンドを収納したものであり、
前記照射部が、１０Ｗ以上８０Ｗ以下の出力でレーザ光を照射するものであって、
前記照射部が照射するレーザ光の出力をＰ［Ｗ］、該レーザ光の走査速度をｖ［ｍｍ／ｓ］、該レーザ光の走査ピッチをｗ［ｍｍ］とし、前記層形成手段における積層ピッチをｈ［ｍｍ］とし、Ｐ／（ｖｗｈ）［ｗｓ／ｍｍ^３］＝Ｅ［Ｊ／ｍｍ^３］としてエネルギー密度Ｅを表した場合にレーザ光の出力が１０Ｗ以上８０Ｗ以下の条件下で、該レーザ光のエネルギー密度Ｅが１．３Ｊ／ｍｍ^３以上であることを特徴とする。

【0011】

また、
前記照射部が、１０Ｗ以上３０Ｗ以下の出力でレーザ光を照射するものであって、
レーザ光の出力が１０Ｗ以上３０Ｗ以下の条件下で、該レーザ光のエネルギー密度Ｅが１．３Ｊ／ｍｍ^３以上であることを特徴としてもよい。

【0012】

ここで、前記層は基台の上に積層され、前記基台は、前記層への前記レーザ光の照射が完了すると、所定のピッチで下降するものであり、前記層形成手段は、前記基台が前記所定のピッチで下降した後、新たなレジンコーテッドサンドの層を形成するものであってもよい。加えて、前記基台を所定のピッチで昇降させる昇降手段を備えていてもよい。あるいは、前記層は枠内に配置された基台の上に積層され、前記枠は、前記層への前記レーザ光の照射が完了すると、所定のピッチで上昇するものであり、前記層形成手段は、前記枠が前記所定のピッチで上昇した後、新たなレジンコーテッドサンドの層を形成するものであってもよい。加えて、前記枠を所定のピッチで昇降させる昇降手段を備えていてもよい。

【0013】

また、前記層は基台の上に積層され、前記層形成手段は、前記層への前記レーザ光の照射が完了すると、所定のピッチで上昇するものであって、該所定のピッチで上昇した後、新たなレジンコーテッドサンドの層を形成するものであってもよい。さらに、前記層形成手段を所定のピッチで上昇させる昇降手段を備えていてもよい。

【0014】

また、前記収納部に収納されているレジンコーテッドサンドを前記基台の上に供給する供給手段を備えていてもよいし、前記層形成手段が、前記収納部に収納されているレジンコーテッドサンドを前記基台の上に供給しながら前記層を前記基台の上に形成するものであってもよい。

【0015】

上記砂積層造形機によれば、オルソ結合している割合を表すオルソ率が５５％以上７５％以下のレジン（以下、ハイオルソレジンと称する。）によって表面が被覆されている砂粒子を用いる。強度を重視した一般的なレジンであれば、２５０℃前後まで加熱することではじめて極めて高い強度を得ることができるが、ハイオルソレジンでは、１５０℃程度まで加熱される間に硬化が進み、ある程度の強度が確保される。前記照射部は、１０Ｗ以上８０Ｗ以下のレーザ光しか出力することができないようにすることで、装置の低価格が実現される。そして、このような低出力であっても、上述のごとく、ハイオルソレジンは１５０℃程度まで加熱される間に硬化が進み、ある程度の強度が確保されるため、レーザ光が照射されて硬化が進んだ硬化部が積層された三次元的な造形物は、砂積層造形機から取り出すことができる程度の強度を少なくとも有することになる。さらに、レーザ光の出力を低出力に抑えることで、硬化部に隣接する、外側の領域や下層の領域までレーザ光の熱が伝わることが低減され、成形精度が高められる。

【0016】

また、前記収納部は、収納しているレジンコーテッドサンドの砂粒子が、セラミック系の人工砂であるものであってもよい。すなわち、セラミック系の人工砂が１００質量％であってもよい。セラミック系の人工砂は、一般的に使用される珪砂よりも熱伝導率が低く、レーザ光の熱が外側の領域や下層の領域へ拡散してしまうことがより低減され、成形精度がさらに高められる。

【0017】

また、上記砂積層造形機において、
前記照射部が、走査することによって所望の形状全体にレーザ光を照射した後、該形状の輪郭をなぞるようにレーザ光を照射するものであることを特徴としてもよい。

【0018】

また、上記砂積層造形機において、
前記照射部が、前記形状全体にレーザ光を照射するときのレーザ光の出力と、該形状の輪郭をなぞるときのレーザ光の出力は同じ出力であることを特徴としてもよい。

【0019】

また、前記照射部が、前記形状の輪郭をなぞるときのレーザ光の出力を、該形状全体にレーザ光を照射するときのレーザ光の出力よりも下げてレーザ光を照射するものであることを特徴としてもよい。

【0020】

また、上記砂積層造形機において、
前記照射部が、走査することによって所望の形状全体にレーザ光を照射した後、該形状の輪郭に接した、該輪郭よりも外側の最外周縁をなぞるようにレーザ光を照射するものであることを特徴としてもよい。

【0021】

また、上記砂積層造形機において、
前記照射部が、積層された複数のレジンコーテッドサンドの層にわたってレーザ光を照射することで、上部ほど細くなる複数の支持部を分散した位置で硬化させた後、該複数の支持部の上に積層された複数のレジンコーテッドサンドの層にわたってレーザ光を照射することで、該複数の支持部それぞれに接続した製品部を硬化させるものであることを特徴とする態様であってもよい。

【0022】

ここにいう分散とは、前記製品部が曲がらないように複数箇所で支持することをいう。

【0023】

上記態様によれば、前記製品部の変形が抑えられる。また、前記製品部を、この砂積層造形機から取り出す際に、前記支持部が上部ほど細くなっているため、該製品部と該支持部との境目で折れやすく、該製品部を容易に取り出すことができる。

【0024】

なお、前記支持部は、中実のものである場合には、上端面の直径が２ｍｍ以上７ｍｍ以下のものであってもよい。２ｍｍ未満であると、前記製品部を支持することが困難になり、該製品部が変形してしまう場合がある。一方、前記製品部と前記支持部との境目付近（前記上端面付近）で折った後の前記製品部の仕上げ面積が、７ｍｍを超えると大きくなりすぎて作業が大変になるばかりか、仕上げ作業によって寸法精度が狂ってしまう恐れがある。また、前記支持部は、中空のものであってもよく、この場合には、外径と内径の差である厚みが０．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下であって、上端の外径は、下限値は中実のものである場合と同じく２ｍｍであるのに対して、上限値は７ｍｍを超えて２０ｍｍになる。

【0025】

また、上記砂積層造形機において、
前記収納部に収納されていたレジンコーテッドサンドが供給され、該レジンコーテッドサンドを塊状に一時貯留する貯留部を備え、
前記層形成手段が、前記貯留部に一時貯留されているレジンコーテッドサンドの塊を層状に掻き拡げ該レジンコーテッドサンドの層を形成するものであることを特徴としてもよい。

【0026】

こうすることで、簡単な構造で均一な厚さの層を形成することができる。

【0027】

なお、前記層が積層される基台を備え、前記貯留部が、前記基台に設けられたものであってもよいし、該基台よりも上流側に設けられたものであってもよく、前記層形成手段が、前記貯留部に一時貯留されているレジンコーテッドサンドの塊を前記基台上に掻き拡げるものであってもよい。

【0028】

上記目的を解決する砂積層造形方法は、
砂粒子の表面がオルソ率が５５％以上７５％以下のレジンで被覆されたレジンコーテッドサンドの層を形成する層形成と、レジンを硬化させるレーザ光を該層に１０Ｗ以上８０Ｗ以下の出力で照射し該層が硬化した硬化層を得るレーザ光照射とを交互に繰り返し、該硬化層を積層していく砂積層造形方法であって、
前記層形成と前記レーザ光照射とを交互に繰り返しベース板を造形する第１工程と、
前記ベース板における分散した箇所に上部ほど細くなる複数の支持部を、前記層形成と
前記レーザ光照射とを交互に繰り返し造形する第２工程と、
前記複数の支持部の上に、前記層形成と前記レーザ光照射とを交互に繰り返し、該複数の支持部それぞれに接続した製品部を造形する第３工程とを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0029】

本発明の砂積層造形機によれば、安価でありながら成形精度が高められており、本発明の砂積層造形方法によれば、造形コストを抑えながら成形精度が高められている。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の一実施形態である砂積層造形機の断面図である。

【図2】図１に示す砂積層造形機においてレーザ光を照射している様子を示す断面図 である。

【図3】レジンコーテッドサンドにレーザ光が照射された様子を模式的に示す図であ る。

【図4】コンピュータ上の断面パターンと実際の照射領域との関係の一例を示す図で ある。

【図5】コンピュータ上の断面パターンと実際の照射領域との関係の別の例を示す図 である。

【図6】本実施形態の砂積層造形機で成形された造形物の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、本発明の実施の形態を説明する。

【0032】

図１は、本発明の一実施形態である砂積層造形機の断面図である。

【0033】

図１に示す砂積層造形機１は、造形枠１０と、ならし部材２０と、供給装置３０を有する。造形枠１０は矩形の枠部材であり、内側には積層プレート１１と、昇降機構１２が設けられている。積層プレート１１は、昇降機構１２によって昇降される。昇降機構１２には、降下ピッチの値を設定することができ、積層プレート１１は、昇降機構１２に設定された降下ピッチごとに段階的に降下していく。本実施形態では、降下ピッチは、０．１ｍｍ以上０．７ｍｍ以下の範囲で設定可能であるが、後述するレジンコーテッドサンドの粒径の１倍より大きく３倍未満の長さに設定することが好ましい。積層プレート１１の初期状態は、積層プレート１１の表面１１ａの高さ位置が、造形枠１０の上縁１０ｔの高さ位置に一致した状態である。造形枠１０の一端側（図１では左側）と、反対側の他端側（図１では右側）それぞれにはフランジ部１０１，１０２が設けられており、一端側のフランジ部１０１の上方には、供給装置３０が配置されている。

【0034】

ならし部材２０は、造形枠１０の幅方向（図１では紙面に対して垂直な方向）に延在したブレードであり、初期位置は、造形枠１０の一端側のフランジ部１０１上の位置になる。ならし部材２０は、下端２０ｂの位置を造形枠１０の上縁１０ｔの高さ位置に合わせて、供給装置３０が配置された一端側から反対側の他端側に向かって走行する（図１（ｂ）に示す白抜きの矢印参照）。

【0035】

供給装置３０は、レジンコーテッドサンドｒｓを収納しておくとともに、供給口３０１から一定量のレジンコーテッドサンドｒｓを造形枠１０の一端側のフランジ部１０１上に供給する。供給口３０１は、造形枠１０の幅方向（図１では紙面に対して垂直な方向）に延在したスリット状の開口であり、一端側のフランジ部１０１には、造形枠１０の幅方向にわたってレジンコーテッドサンドｒｓの塊が一時貯留される。供給装置３０は、収納部の一例に相当し、一端側のフランジ部１０１は、貯留部の一例に相当する。

【0036】

供給装置３０に収納されているレジンコーテッドサンドｒｓは、セラミック系の人工球形砂の表面を、オルソ率が５５％以上７５％以下のレジンで被覆したものである。

【0037】

ここにいうセラミック系とは、ムライトの結晶構造を有するもののことであったり、アルミナ、カオリン、シリカ等の一又は複数を主成分とするもののことをいう。また、人工球形砂は、焼結法や溶融法で製造され、真球度が高く、粒度分布の最大ピークが０．０５ｍｍ以上０．４５ｍｍ以下の範囲に入るものであり、０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下の範囲に入るものがより好ましい。真球度は、凹凸度合いを表す値として、（砂粒子の周囲長）２÷（４π×砂粒子の投影面積）の式より求めた値を基準に判断される。この凹凸度合いを表す値が１であれば真円であり、値が大きくなるほど凹凸度合いも大きいことになる。人工球形砂は、この凹凸度合いを表す値が１．１５以下である。凹凸度合いを表す値が１．１５以下であると、レジンコーテッドサンドｒｓの充填率が高まり、レジンコーテッドサンドｒｓ同士の接触面積が広くなって結合力が強まる。なお、砂として、珪砂、あるいはジルコンサンド、クロマイトサンド等の天然砂を配合してもよいが、熱伝導率が天然砂よりもセラミック系の人工砂の方が低いことから、レーザ光の熱の不必要な拡散を抑えるには、セラミック系の人工砂のみを用いる方が好ましい。ただし、レーザ光の出力をできる限り低く設定する場合には、熱伝導率が高い天然砂（例えば、珪砂）をあえて多く配合し（例えば、５０％以上）、少ない熱エネルギーを効率よく伝達させることを優先させてもよい。

【0038】

本実施形態におけるレジンは、ハイオルソノボラック型フェノール樹脂であり、フェノールとホルムアルデヒドを反応させるにあたり、ホルムアルデヒドに対してフェノールを過剰にし、２価金属塩を触媒に用いることで、フェノールがオルト位でメチレンによって結合した以下の式（１）で表される熱硬化性樹脂である。

【0039】

【化1】

【0040】

ハイオルソノボラック型フェノール樹脂は、ｐＨが４以上５以下、オルソ率が５５％以上７５％以下であって、パラ位が多く空いており、速硬化性といった性質を有する。

【0041】

図１（ａ）に示す積層プレート１１は、一段下げられた状態であり、造形枠１０の上縁１０ｔの高さ位置よりも上記降下ピッチの厚さ分の積層空間ｓｐ（図１（ａ）参照）が設けられている。フランジ部１０１上に供給されたレジンコーテッドサンドｒｓは、他端側に向かって走行するならし部材２０によってならされ、積層空間ｓｐは、一端側からレジンコーテッドサンドｒｓによって埋められていく。すなわち、一端側のフランジ部１０１に、造形枠１０の幅方向にわたって一時貯留されたレジンコーテッドサンドｒｓの塊を、ならし部材２０が積層空間ｓｐに層状に掻き拡げ、積層空間ｓｐには、レジンコーテッドサンドｒｓの、降下ピッチの厚さ分の層が形成されていく。ならし部材２０は、層形成手段の一例に相当する。図１では、積層プレート１１の表面１１ａに複数の層ＳＬが形成されており、同図（ｂ）では、それら複数の層ＳＬの上で、一端側から他端側までのうち、半分を超えたところまでならし部材２０が移動しており、さらに新たな層形成が行われている。本実施形態の砂積層造形機１によれば、簡単な構造で均一な厚さの層ＳＬを形成することができる。また、供給口３０１は、レジンコーテッドサンドｒｓによって摩耗し、開口面積が大きくなる場合がある。開口面積が大きくなると、一端側のフランジ部１０１に一時貯留させるレジンコーテッドサンドｒｓの量が多くなる。しかしながら、本実施形態の砂積層造形機１によれば、レジンコーテッドサンドｒｓの塊を層状に掻き拡げるならし部材２０の高さ位置によって層ＳＬの厚さは決まるため、一時貯留させるレジンコーテッドサンドｒｓの量が多くなったとしても、層ＳＬの厚さが厚くなることはない。また、ならし部材２０がレジンコーテッドサンドｒｓによって摩耗したとしても、ならし部材２０の交換は、供給装置３０の交換に比べて遙かに容易である。

【0042】

図２は、図１に示す砂積層造形機においてレーザ光を照射している様子を示す断面図である。この図２では、図１（ｂ）に示す、半分を超えたところまで形成されていた層ＳＬが、造形枠１０内側の全面（積層プレート１１の全面）に形成されている。

【0043】

砂積層造形機１は、レーザ発振器４０とスキャナ５０と制御部６０も有する。レーザ発振器４０は、半導体レーザ光を発振するものであり、出力値は１０Ｗ以上８０Ｗ以下の範囲で設定可能である。１０Ｗ未満ではレーザ光から供給される熱エネルギーが不足して、レジンコーテッドサンドの温度が十分に上がらず、熱硬化しにくくなり、８０Ｗに抑えることで装置の低価格が実現される。さらに、出力値を２５Ｗ以上５０Ｗ以下の範囲で設定可能なレーザ発振器を用いることがより好ましい。２５Ｗ以上の出力値になると、造形時間が短くなり、造形効率が向上し、５０Ｗに抑えることで装置がより一段と低価格になる。

【0044】

スキャナ５０には、レーザ発振器４０で発振されたレーザ光を集光する集光レンズ５０１と、レーザ光の照射角を連続して変更する回転ミラー５０２が備えられている。図２では、レーザ光が灰色の矢印線で示されている。

【0045】

この砂積層造形機１で所望の三次元構造の造形物を形成するには、まず、形成したい造形物をコンピュータ上で三次元的に表し、その造形物を上記降下ピッチで複数層に平行にスライスした場合の各層ごとの断面パターンを表すデータを予め作成しておく。そして、このデータを、制御部６０に入力する。制御部６０は、入力されたデータに基づいて、レーザ発振器４０でレーザ光を発振させたり、回転ミラー５０２を回転させる。すなわち、制御部６０は、断面パターンに相当する部位にはレーザ光が照射され、断面パターンに相当しない部位にはレーザ光が照射されないように、レーザ発振器４０および回転ミラー５０２を制御する。

【0046】

各層ＳＬのうち、レーザ光が照射された領域では、レジンコーテッドサンドｒｓのレジンが１５０℃程度までに加熱されることで溶融して硬化反応し、隣り合うレジンコーテッドサンドｒｓの人工球形砂どうしが硬化したレジンを介して結着し、硬化部になる。図１及び２では、各層ＳＬのうち、黒い部分が硬化部になる。図２では、一番上の層ＳＬにおいて硬化部が形成されている途中である。

【0047】

図３は、レジンコーテッドサンドにレーザ光が照射された様子を模式的に示す図である。この例では、レジンコーテッドサンドの一粒子の直径は、粒度分布の最大ピークが０．１ｍｍとなるものであり、この図３では、いずれのレジンコーテッドサンドの粒子も、直径０．１ｍｍで表している。また、降下ピッチは０．２ｍｍである。したがって、レジンコーテッドサンドの層ＳＬの一層分の厚さは０．２ｍｍとなり、レジンコーテッドサンドの２粒子分に相当し、一層は２列構成であり、図３では、３つの層ＳＬが示されている。以下、これら３つの層を区別する場合には、下層ＳＬ１と中層ＳＬ２と上層ＳＬ３と称することにする。また、未硬化のレジンコーテッドサンドｒｓｐでは、人工球形砂ｃｓと、その表面を覆うハイオルソノボラック型フェノール樹脂ｈｏｆとが区別して示されている。一方、ハイオルソノボラック型フェノール樹脂ｈｏｆが溶融して硬化した硬化済レジンコーテッドサンドは、その区別がなされておらず、ｒｓｈの符号が付されている。

【0048】

図３（ａ）は、５ｋＷのレーザ光Ｂ５ｋをレジンコーテッドサンドの層ＳＬに照射した様子を模式的に示す図である。

【0049】

５ｋＷのレーザ光Ｂ５ｋは、出力が高いことから、上層ＳＬ３を通過しその下の中層ＳＬ２にまで達している。また、５ｋＷのレーザ光Ｂ５ｋから供給される熱エネルギーは大きいことから、硬化済レジンコーテッドサンドｒｓｈが大きく拡がって存在している。さらに、この図３（ａ）では、前回のレーザ光照射で硬化が完了した中層ＳＬ２を構成する未硬化のレジンコーテッドサンドの一部までもが、上層ＳＬ３に照射されたレーザ光Ｂ５ｋによって硬化済レジンコーテッドサンドｒｓｈになってしまっている。

【0050】

図３（ｂ）は、本実施形態の例であって、２５Ｗのレーザ光Ｂ２５をレジンコーテッドサンドｒｓの層ＳＬに照射した様子を模式的に示す図である。

【0051】

２５Ｗのレーザ光Ｂ２５は、出力が相対的に低いことから、上層ＳＬ３内で止まり、その下の中層ＳＬ２までは達していない。すなわち、図３（ｂ）に示す上層ＳＬ３を構成する上の列までレーザ光Ｂ２５が照射されている。より具体的には、上層ＳＬ３を構成する上の列のレジンコーテッドサンドの、全てではなく、上から５／６程度まで照射されている。また、２５Ｗのレーザ光Ｂ２５から供給される熱エネルギーは相対的に小さいことから、硬化済レジンコーテッドサンドｒｓｈは、図３（ａ）に示すほど横方向に大きく拡がっておらず、下方向も上層ＳＬ３内に留まっている。すなわち、上述のごとくレーザ光Ｂ２５は、上層ＳＬ３を構成する上の列のレジンコーテッドサンドの上から５／６程度までしか照射されていないが、熱伝導によって、上層ＳＬ３を構成する下の列のレジンコーテッドサンドまで硬化済レジンコーテッドサンドｒｓｈになっている。なお、中層ＳＬ２を構成するレジンコーテッドサンドまで硬化済レジンコーテッドサンドｒｓｈにはなっていない。したがって、図３（ｂ）に示す本実施形態の例では、出来上がった造形物の形状や寸法精度が設計通りになり、高い成形精度が保証される。

【0052】

図３（ｂ）に示した硬化済レジンコーテッドサンドｒｓｈは、１５０℃程度まで加熱された結果、溶融して硬化反応し、曲げ強さで３００Ｎ／ｃｍ２程度の強度が確保されている。

【0053】

図４は、コンピュータ上の断面パターンと実際の照射領域との関係の一例を示す図である。

【0054】

この図４では、実際の照射領域を真上から見た図であり、図中の２点鎖線の矩形はコンピュータ上の断面パターンの外縁（輪郭）を表すものである。図４（ａ）に示すように、矩形の断面パターンは、左側縁ｐ１と右側縁ｐ２と手前側縁ｐ３と奥側縁ｐ４とからなっている。また、図４（ａ）に示すＸ方向は、図１や図２では左右方向になり、Ｙ方向は、造形枠１０の幅方向（図１や図２では紙面に対して垂直な方向）になる。

【0055】

また、図４では、照射された領域は黒色で表す。ここで、本実施形態のレーザスポット径は直径０．１ｍｍであり、Ｙ方向の走査に対するＸ方向の間隔であるレーザ走査ピッチは０．１５ｍｍである。このため、隣り合うＹ方向の走査線におけるレーザ照射領域どうしは重なっておらず、０．５ｍｍの隙間が生じていることになり、厳密には図４では白色で表されることになるが、図示省略され、黒色で表されている。

【0056】

図４（ｂ）は、走査を開始して少し時間が経過した段階であり、Ｘ方向への走査が５回完了し、６回目におけるＹ方向への走査中の様子を示す図である。１回目のＹ方向への走査では、コンピュータ上の断面パターンの右側縁ｐ２を断面パターンの手前側縁ｐ３から奥側縁ｐ４まで走査している。

【0057】

図４（ｃ）は、Ｘ方向への走査が全て完了し、最後のＹ方向への走査中の様子を示す図であり、図４（ｄ）は、最後のＹ方向への走査が終了した様子を示す図である。最後のＹ方向への走査では、コンピュータ上の断面パターンの左側縁ｐ１を断面パターンの手前側縁ｐ３から奥側縁ｐ４まで走査している。この図４（ｄ）に示すように、この例では、コンピュータ上の断面パターンの全域にわたってレーザ光を照射する。

【0058】

その上で、コンピュータ上の断面パターンの外周縁（輪郭）にレーザ光を再度照射する。すなわち、断面パターンの輪郭をなぞるようにレーザ光を照射する。図４（ｅ）および同図（ｆ）では、断面パターンの外周縁（ｐ１～ｐ４）に照射したレーザ光を灰色で示している。図４（ｅ）に示す例は、断面パターンの外周縁に再度照射するレーザ光の出力を、断面パターンの全域にわたって照射したときのレーザ光の出力（例えば、５０Ｗ）と同じ出力にした例である。この図４（ｅ）に示す例では、同図（ｄ）に示す例に比べて、造形物の外表面がよりしっかりと結着し、表面安定性が向上する。一方、図４（ｆ）に示す例は、断面パターンの外周縁に再度照射するレーザ光の出力を、断面パターンの全域にわたって照射したときのレーザ光の出力よりも弱い出力（例えば、３０Ｗ）に落とした例である。照射したレーザ光を示す灰色の線は、レーザ光の出力が弱ければ細く示され、図４（ｅ）における灰色の線よりも、同図（ｆ）における灰色の線の方が細く示されている。この図４（ｆ）に示す例では、同図（ｅ）に示す例に比べて、表面安定性がやや劣る場合があるかもしれないが、成形精度は高いレベルに維持される。すなわち、図４（ｅ）に示す例では、レジンコーテッドサンドに、先の照射による熱エネルギーが残っている場合には、再照射により先の照射と同じ量の熱エネルギーが加算され、硬化済レジンコーテッドサンドの領域が同図（ｄ）に示す状態に比べて拡大することがあるのに対し、この図４（ｆ）に示す例では、レーザ光の出力を下げることにより、再照射による熱エネルギーの加算を抑え、表面安定性と成形精度の両方を高いレベルでバランスさせることに期待することができる。

【0059】

図５は、コンピュータ上の断面パターンと実際の照射領域との関係の別の例を示す図である。以下、図４に示す例との相違点を中心に説明する。

【0060】

この図５でも、図４と同じように、実際の照射領域を真上から見た図であり、図中の２点鎖線の矩形はコンピュータ上の断面パターンの外縁（輪郭）を表すものである。また、図５でも、照射された領域は黒色で表す。なお、この図５でも、図４と同様に、Ｙ方向の走査線における照射領域の間は厳密には白色で表されることになるが、図示省略され、黒色で表されている。

【0061】

図５（ａ）は、図４（ａ）と同じく、走査を開始して少し時間が経過した段階であり、Ｘ方向への走査が５回完了し、６回目におけるＹ方向への走査中の様子を示す図である。図５（ａ）に示す例では、１回目のＹ方向への走査では、コンピュータ上の断面パターンの右側縁ｐ２からＸ方向内側に１走査分空けて、断面パターンの手前側縁ｐ３からＹ方向内側にレーザスポット径分空けた位置から断面パターンの奥側縁ｐ４からＹ方向内側に同じくレーザスポット径分空けた位置までＹ方向に走査している。

【0062】

図５（ｂ）は、Ｘ方向への走査が全て完了し、コンピュータ上の断面パターンの左側縁ｐ１からＸ方向内側に１走査分空けて、最後のＹ方向への走査中の様子を示す図であり、図５（ｃ）は、最後のＹ方向への走査が終了した様子を示す図である。最後のＹ方向への走査では、コンピュータ上の断面パターンの左側縁ｐ１からＸ方向内側に１走査分空けて、断面パターンの手前側縁ｐ３からＹ方向内側にレーザスポット径分空けた位置から断面パターンの奥側縁ｐ４からＹ方向内側に同じくレーザスポット径分空けた位置までＹ方向に走査している。この図５（ｃ）に示すように、この例では、コンピュータ上の断面パターンよりも一回り小さな領域にレーザ光を照射する。すなわち、この後、図５（ｄ）に示すように、コンピュータ上の断面パターンの外周縁上を１周走査するため、その１周分を空けて内側の全領域にわたってレーザ光を照射する。図５（ｄ）では、コンピュータ上の断面パターンの外周縁（輪郭）にレーザ光を照射する。すなわち、断面パターンの輪郭をなぞるようにレーザ光を照射する。言い換えれば、所望の形状全体（ここではコンピュータ上の断面パターンよりも一回り小さな矩形状の領域全体）にレーザ光を照射した後、その形状の輪郭に接した、その輪郭よりも外側の最外周縁（ここでは、断面パターンの外周縁）をなぞるようにレーザ光を照射する。図５（ｄ）でも、断面パターンの外周縁（ｐ１～ｐ４）に照射したレーザ光を灰色で示している。この図５（ｄ）に示す例は、断面パターンの外周縁に照射するレーザ光の出力を、断面パターンよりも一回り小さな領域に照射したときのレーザ光の出力（例えば、５０Ｗ）と同じ出力にした例である。ただし、断面パターンよりも小さな領域の大きさを少し大きくしておくことで、断面パターンの外周縁に照射するレーザ光の出力を低く（例えば、３０Ｗ）設定することもできる。以上説明した図５に示す例は、Ｙ方向への走査をＸ方向に沿って繰り返すことでコンピュータ上の断面パターンよりも小さな領域にレーザ光を照射した後、その領域の輪郭に接した、その輪郭よりも外側の最外周縁にレーザ光を照射することで、コンピュータ上の断面パターンの全域にレーザ光を照射する例である。

【0063】

図６は、本実施形態の砂積層造形機で成形された造形物の一例を示す図である。

【0064】

図６に示す造形物は、ベース板Ｂから立設した複数の支持部Ｆに支持された中空中子Ｃである。図１及び図２には、図６に示す造形物が造形されている途中の様子が示されている。中空中子Ｃは、製品部に相当する。ベース板Ｂは、積層プレート１１の表面１１ａに成形されたものであり、中空中子Ｃの投影面積よりも大きな面積を有する。支持部Ｆは、ベース板Ｂに分散配置されており、上部にいくほど細くなり、上端面は中空中子Ｃに接続している。すなわち、支持部Ｆは、ベース板Ｂと中空中子Ｃを連結するものである。ベース板Ｂは、その面積と厚みから自身が反ることが抑えられ、支持部Ｆは、中空中子Ｃが反ったり歪んだりしないように複数箇所で中空中子Ｃを支持するものである。本実施形態の砂積層造形機１によれば、複数の支持部Ｆを分散した位置で硬化させた後、これら複数の支持部Ｆの上に積層された複数のレジンコーテッドサンドの層ＳＬにわたってレーザ光を照射することで、複数の支持部Ｆそれぞれに接続した中空中子Ｃを硬化させる。

【0065】

中空中子Ｃを、砂積層造形機１から取り出す際に、支持部Ｆが上部にいくほど細くなっているため、中空中子Ｃと支持部Ｆとの境目で折れやすく、中空中子Ｃを容易に取り出すことができる。支持部Ｆは、上端面の直径が２ｍｍ以上１５ｍｍ以下のものである。２ｍｍ未満であると、中空中子Ｃを支持することが困難になり、中空中子Ｃが変形してしまう場合がある。一方、中空中子Ｃと支持部Ｆとの境目付近（上端面付近）で折った後の中空中子Ｃの仕上げ面積が、１５ｍｍを超えると大きくなりすぎて作業が大変になるばかりか、仕上げ作業によって寸法精度が狂ってしまう恐れがある。

【0066】

以上説明したように、本実施形態の砂積層造形機１によれば、低出力のレーザ光しか出力することができないようにすることで、装置の低価格を実現している。そして、低出力であっても、ハイオルソノボラック型フェノール樹脂は１５０℃程度まで加熱される間に硬化が進み、ある程度の強度が確保されるため、レーザ光が照射されて硬化が進んだ硬化部が積層された中空中子Ｃは、砂積層造形機１から取り出すことができる程度の強度を少なくとも有することになる。

【0067】

砂積層造形機１から取り出された中空中子Ｃは、支持部Ｆの付け根部分の仕上げを行った後、二次焼成を行う。この二次焼成では、中空中子Ｃの周囲に粒子を充填した状態で加熱する。例えば、オーブンレンジによって２５０℃で６時間ほど加熱する。二次焼成で充填される粒子は、中空中子Ｃの変形防止のためのもの、すなわち形状維持部材であり、表面がレンジで被覆されていない、例えば、ガラスビーズや黒鉛の粒子やアルミナの粒子やシリカの粒子が用いられる。

【0068】

本発明は、上述の実施の形態に限られることはなく、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変更を行うことができる。例えば、積層プレート１１の上に形成（積層）されたレジンコーテッドサンドの層ＳＬへのレーザ光の照射が完了すると、積層プレート１１は所定のピッチで上昇するものであり、ならし部材２０は、積層プレート１１が所定のピッチで上昇した後、新たなレジンコーテッドサンドの層ＳＬを積層プレート１１の上に形成（積層）するものであってもよい。

【0069】

また、積層プレート１１が昇降するのではなく、ならし部材２０が昇降する態様であってもよく、積層プレート１１の昇降とならし部材２０の昇降を組み合わせた態様であってもよい。

【0070】

さらに、ならし部材２０は、供給装置３０に収納されているレジンコーテッドサンドｒｓ、あるいは一端側のフランジ部１０１に一時貯留されたレジンコーテッドサンドｒｓを積層プレート１１の上に供給する供給手段を兼ねているが、供給装置３０が、ならし部材２０のように一端側から他端側に向かって移動しながら、レジンコーテッドサンドｒｓを積層プレート１１の上に供給するものであってもよい。

【0071】

また、レジンコーテッドサンドｒｓの塊を、一端側のフランジ部１０１に一時貯留させる代わりに、積層プレート１１の上に一時貯留させ、本実施形態と同様に、ならし部材２０で掻き拡げてもよい。

【実施例0072】

続いて、本発明を実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明は、以下に説明する実施例によって何ら限定されることはない。各実施例および比較例では、造形物として図６に示す形状の中空な中子を造形した。

【0073】

（実施例１）
人工球形砂として、伊藤忠セラテック株式会社製のセラビーズ（登録商標）＃１４５０を使用した。粒度分布は単一ピークであり、その最大ピークは０．１０６ｍｍである。

【0074】

レジンとしては、速硬化タイプのハイオルソノボラック型フェノール樹脂（オルソ率が５５％以上７５％以下）を使用した。なお、オルソ率は、赤外分光光度計を用いてＫＢｒ法により吸光度を測定し、次式により算出することができる。
オルソ率（％）＝Ｄ７６０÷（Ｄ７６０＋１．４４×Ｄ８２０）×１００
ここで、Ｄ７６０とは７６０ｃｍ－１の吸光度をいい、Ｄ８２０とは８２０ｃｍ－１の吸光度をいう。

【0075】

降下ピッチ（積層ピッチ）は０．３０ｍｍとした。また、レーザ出力は２５Ｗ、レーザスポット径は直径０．１ｍｍ、レーザ走査速度は３００ｍｍ／秒、レーザ走査ピッチを０．１５ｍｍとした。レーザ走査ピッチとは、図４及び図５に示すＹ方向の走査に対するＸ方向の間隔であり、実施例１では、直径０．１ｍｍのレーザスポット径であることから、隣り合うＹ方向の走査線におけるレーザ照射領域どうしは重なっておらず、０．５ｍｍの隙間が生じていることになる。

【0076】

レーザ光の出力をＰ［Ｗ］、レーザ走査速度をｖ［ｍｍ／ｓ］、レーザ走査ピッチをｗ［ｍｍ］とし、積層ピッチをｈ［ｍｍ］とした場合に、Ｐ／（ｖｗｈ）［ｗｓ／ｍｍ３］＝Ｅ［Ｊ／ｍｍ３］としてエネルギー密度（Ｅ［Ｊ／ｍｍ３］）を求めると、実施例１の場合には、エネルギー密度は１．８５Ｊ／ｍｍ３になる。

【0077】

２次焼成前の実施例１における中子の曲げ強さは、３００Ｎ／ｃｍ２であった。

【0078】

各条件およびエネルギー密度と曲げ強さを表１に示す。

【0079】

【表1】

【0080】

この表１には、実施例２以降の実施例および比較例それぞれの、各条件およびエネルギー密度と曲げ強さも示す。

【0081】

（実施例２）
レーザ出力を３０Ｗにした以外は、実施例１と同じ条件で行った。この実施例２のエネルギー密度は２．２２Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例２における中子の曲げ強さは、６３９Ｎ／ｃｍ２であった。

【0082】

（実施例３）
レーザ出力を５０Ｗにし、レーザ走査速度を５００ｍｍ／秒にした以外は、実施例１と同じ条件で行った。この実施例３のエネルギー密度は２．２２Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例３における中子の曲げ強さは、６８４Ｎ／ｃｍ２であった。

【0083】

（実施例４）
レーザ走査速度を７５０ｍｍ／秒にした以外は、実施例３と同じ条件で行った。この実施例４のエネルギー密度は１．４８Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例４における中子の曲げ強さは、２３４Ｎ／ｃｍ２であった。

【0084】

（実施例５）
降下ピッチ（積層ピッチ）を０．３５ｍｍにした以外は、実施例３と同じ条件で行った。この実施例５のエネルギー密度は１．９０Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例５における中子の曲げ強さは、７２０Ｎ／ｃｍ２であった。

【0085】

（実施例６）
積層ピッチを０．４０ｍｍにした以外は、実施例３と同じ条件で行った。この実施例６のエネルギー密度は１．６７Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例６における中子の曲げ強さは、７００Ｎ／ｃｍ２であった。

【0086】

（実施例７）
積層ピッチを０．４５ｍｍにした以外は、実施例３と同じ条件で行った。この実施例７のエネルギー密度は１．４８Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例７における中子の曲げ強さは、７３３Ｎ／ｃｍ２であった。

【0087】

（実施例８）
積層ピッチを０．５０ｍｍにした以外は、実施例３と同じ条件で行った。この実施例８のエネルギー密度は１．３３Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例８における中子の曲げ強さは、５９７Ｎ／ｃｍ２であった。

【0088】

（実施例９）
レーザ走査ピッチを０．１６ｍｍにした以外は、実施例３と同じ条件で行った。この実施例９のエネルギー密度は２．０８Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例９における中子の曲げ強さは、６４２Ｎ／ｃｍ２であった。

【0089】

（実施例１０）
レーザ走査ピッチを０．１７ｍｍにした以外は、実施例３と同じ条件で行った。この実施例１０のエネルギー密度は１．９６Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例１０における中子の曲げ強さは、７２８Ｎ／ｃｍ２であった。

【0090】

（実施例１１）
レーザ走査ピッチを０．１８ｍｍにした以外は、実施例３と同じ条件で行った。この実施例１１のエネルギー密度は１．８５Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例１１における中子の曲げ強さは、６０９Ｎ／ｃｍ２であった。

【0091】

（実施例１２）
レーザ走査ピッチを０．１９ｍｍにした以外は、実施例３と同じ条件で行った。この実施例１２のエネルギー密度は１．７５Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例１２における中子の曲げ強さは、６００Ｎ／ｃｍ２であった。

【0092】

（実施例１３）
レーザ走査ピッチを０．２０ｍｍにした以外は、実施例３と同じ条件で行った。この実施例１３のエネルギー密度は１．６７Ｊ／ｍｍ３になる。２次焼成前の実施例１３における中子の曲げ強さは、３７４Ｎ／ｃｍ２であった。

【0093】

（比較例）
人工球形砂の表面を被覆するレジンとして、ランダムノボラック型フェノール樹脂を使用した以外は、実施例１と同じ条件で行った。ランダムノボラック型フェノール樹脂は、オルソ率が４０％以上５０％以下であって、ｐＨは１以下である。

【0094】

比較例では、中子（製品部）を砂積層造形機から取り出す際に、中子が壊れてしまった。壊れた中子の破片を用いて曲げ強さを測定したところ、８３Ｎ／ｃｍ２しかなかった。

【0095】

実施例４でも、中子（製品部）を砂積層造形機から取り出す際に、壊さずに取り出せたが、中子が壊れそうになった。一方、実施例１では、中子（製品部）を砂積層造形機から全く問題なく取り出すことができた。これらの結果から、２次焼成前となる製品部を砂積層造形機から取り出す際に、その製品部が形崩れせずに形状を維持するためには、曲げ強さが２５０Ｎ／ｃｍ２以上あると安心であると推測する。

【0096】

砂積層造形機から取り出された、各実施例おける中子には、図６に示す支持部はついておらず、支持部は、レジンコーテッドサンドに埋もれたまま造形枠の内側に残っていた。

【0097】

砂積層造形機から取り出された、各実施例における中子は、支持部の付け根部分の仕上げを行った後、二次焼成を行った。二次焼成では、中子の周囲にガラスビーズを充填した状態で、オーブンレンジによって２５０℃で６時間加熱した。また、比較例における壊れた中子の破片も、同じく、オーブンレンジによって２５０℃で６時間加熱した。

【0098】

各実施例における二次焼成後の中子の曲げ強さは、１０００Ｎ／ｃｍ２以上１５００Ｎ／ｃｍ２以下であり、二次焼成前に比べ曲げ強さが大幅に向上した。一方、比較例における二次焼成後の破片の曲げ強さは、１７５０Ｎ／ｃｍ２であり、二次焼成前に比べ曲げ強さが各実施例よりも飛躍的に向上した。

【0099】

各実施例における二次焼成後の中子の曲げ強さは、一般的に使用されているシェル中子の曲げ強さ以上であり、シェル中子に代えて使用することができることが確認された。

【0100】

また、実際の鋳造において中子が壊れずに機能する曲げ強さは６００Ｎ／ｃｍ２あれば良いことを突き止めた。従来のシェル中子では、オーバースペックであるとも言え、鋳造後の中子の崩壊性を考慮すると、曲げ強さは１７５０Ｎ／ｃｍ２も必要はなく、実施例２、３、５～７、９～１２では、砂積層造形機から取り出したままの中子を、二次焼成を行わずに鋳造に使用することができる。

【0101】

さらに、実施例１～１３では、エネルギー密度は１．３Ｊ／ｍｍ３以上であることがわかる。また、実施例２と実施例３を比較すると、エネルギー密度は同じであり、ともに曲げ強さは６００Ｎ／ｃｍ２を超えている。中子の造形条件としては、レーザ走査速度が速いほど造形時間が短くなるため、実施例２よりも実施例３の方が好ましいといえる。しかも、実施例２よりも実施例３の方が曲げ強さの値は高い。

【0102】

また、積層ピッチについてみると、レーザ出力を５０Ｗに揃えた、積層ピッチが０．３０ｍｍの実施例３、０．３５ｍｍの実施例５、０．４０ｍｍの実施例６、０．４５ｍｍの実施例７ではいずれも、曲げ強さは６００Ｎ／ｃｍ２を遙かに超えているが、積層ピッチを０．５０ｍｍに拡げた実施例８では、曲げ強さが６００Ｎ／ｃｍ２を下回っている。人工球形砂の粒度分布では最大ピークが０．１０６ｍｍであることから、積層ピッチ、すわちレジンコーテッドサンドの一層分の厚さは、その最大ピークの、実施例３では２～３倍、実施例５では約３倍、実施例６では３～４倍、実施例７では約４倍、実施例８では４～５倍であるといえる。レーザ出力が５０Ｗであれば、積層ピッチ（レジンコーテッドサンドの一層分の厚さ）は、用いる砂粒子の粒度分布における最大ピークの５倍未満であることが好ましいことになる。５倍以上であると、レーザ光から供給される熱エネルギーが不足して、レジンコーテッドサンドの一つの層のうちの下部のレジンコーテッドサンドの温度が十分に上がらず、熱硬化しにくくなって、曲げ強さが低下する。なお、レーザ出力が２５Ｗの場合についても調査した結果、この場合には、積層ピッチ（レジンコーテッドサンドの一層分の厚さ）は、用いる砂粒子の粒度分布における最大ピークの３倍未満であることが好ましいことがわかった。これらをまとめると、積層ピッチは、レジンコーテッドサンドの粒径の１倍より大きく３倍未満の長さに設定することが好ましい。１倍では、加熱効率が悪く、積層回数が多くなって造形時間が長引いてしまう。一方、３倍では、レーザ光の熱が下まで完全に伝わらず、硬化不足や結着不足が問題になる場合がある。

【0103】

また、レーザ走査ピッチについてみると、レーザ出力を５０Ｗに揃えた、レーザ走査ピッチが０．１６ｍｍの実施例９、０．１７ｍｍの実施例１０、０．１８ｍｍの実施例１１、０．１９ｍｍの実施例１２ではいずれも、曲げ強さは６００Ｎ／ｃｍ２以上であるが、レーザ走査ピッチを０．２０ｍｍに拡げた実施例１３では、曲げ強さが６００Ｎ／ｃｍ２を大きく下回っている。レーザスポット径が直径０．１ｍｍであることから、隣り合うＹ方向の走査線におけるレーザ照射領域の間には、レーザ走査ピッチを０．２０ｍｍに拡げた実施例１３では、０．１ｍｍの隙間が生じていることなる。ここで、人工球形砂の粒度分布における最大ピークが０．１０６ｍｍであることから、隣り合う走査線におけるレーザ照射領域の間隔は、レーザ出力が５０Ｗの場合には、およそ砂粒子の粒径以下であることが好ましいことになる。なお、レーザ出力が２５Ｗの場合についても調査した結果、隣り合う走査線におけるレーザ照射領域の間隔は、この場合には、およそ砂粒子の粒径の１／２以下であることが好ましいことがわかった。また、レーザ出力が、５０Ｗの場合であっても２５Ｗの場合であっても、隣り合う走査線におけるレーザ照射領域が重なってしまうと、重なった部分では熱エネルギーが大きくなりすぎてしまうため、重ならないことが好ましい。

【符号の説明】

【0104】

１ 砂積層造形機
１０ 造形枠
１１ 積層プレート
１２ 昇降機構
２０ ならし部材
３０ 供給装置
４０ レーザ発振器
５０ スキャナ
６０ 制御部
ｃｓ 人工球形砂
ｈｏｆ ハイオルソノボラック型フェノール樹脂
ｒｓ レジンコーテッドサンド
ｓｐ 積層空間
ＳＬ 層
Ｂ ベース板
Ｃ 中空中子
Ｆ 支持部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】