[分析] 3Dプリント技術とラピッドキャスティングへの応用

2012年以来、「3Dプリンティング」は科学技術業界のホットな話題として、さまざまなメディアで非常に高い露出を受け、世界中の学界や一般大衆から幅広い注目を集めています。 3Dプリンティング技術は、付加製造技術としても知られ、「第3次産業革命」を推進する重要な技術革新であると考えられています。 3D プリントとは、金属粉末やプラスチックなどの接着可能な材料を使用して、デジタルモデルファイルに基づいて層ごとに印刷することでオブジェクトを構築する技術です。本質的には、材料形成技術です。
この技術は、初期には金型製造、工業デザインなどの分野で使用され、最初は初期モデルの生産に適用され、その後、徐々に一部の製品の直接製造に適用されるようになりました。現在、この技術は、宝飾品、履物、工業デザイン、建築、自動車、航空宇宙、歯科・医療業界、教育、地理情報システム、土木工学、射撃などに使用されています。最先端かつ先駆的な新興技術である 3D プリント技術は、従来の製造方法やプロセスに大きな変化をもたらしています。

3D プリント技術の発展は、鋳造業界の発展にとっても大きな意義を持っています。鋳造業界への 3D プリント技術の導入は、従来の鋳造成形技術の発展と革新を促進し、鋳造業界の様相を急速に変えています。現在、鋳造プロセスにおける 3D プリント技術の応用には、鋳造プロセスを短縮および加速するために 3D プリントで鋳造パターンまたは鋳型を取得することと、鋳造欠陥を修復したり、金属部品の製造に組み合わせたりして鋳造歩留まりを向上させることの 2 つの異なるレベルが含まれます。次に、3D プリント技術の発展の歴史を簡単に紹介し、それを踏まえて、鋳造パターンや金型における 3D プリント技術の現在の応用状況を振り返ります。

13Dプリント技術の原理と開発の歴史
3D プリント技術は、19 世紀の積層製造技術と光硬化技術から生まれました。 1890年にはジェブランサーらが積層製造による三次元地図の作成法を提案し、特許を申請し、1890年に米国特許庁に認可された。また、1902年にはカルロ・バエゼが感光性ポリマーによるプラスチック部品の製造原理を提案する特許を申請し、1904年に米国特許庁に認可された。これは、従来の切断方法だけでなく、材料を徐々に積み重ねることによっても立体的な形状を実現できることを示唆しています。 3D プリント技術が提案されて以来、さまざまな成形技術が開発されてきました。これらの技術は、その実装原理によって、積層造形法 (LOM)、選択的レーザー焼結法 (SLS)、熱溶解積層法 (FDM)、ステレオリソグラフィー (SLA) の 4 つのカテゴリに大別できます。実装原理を図 1 に示します。

図からわかるように、これらの方法は実行原理が異なりますが、いずれも材料を徐々に追加することで部品の形状を得るため、積層造形技術とも呼ばれます。最初の商用 3D 印刷装置は、1988 年にアメリカの 3D Systems 社によって発売されました。ステレオリソグラフィーラピッドプロトタイピングマシンのコード名は SLA-1 でした。このマシンは、あらかじめ設計されたパスに沿って感光性樹脂を層ごとにスキャンし、固化させて 3 次元コンポーネントを作成します。それ以来、商用の3Dプリント機器が次々と発売されてきました。

1991 年には、Stratasys 社の FDM 装置、Cubital 社の Solid Ground Curing (SGC) 装置、Helisys 社の LOM 装置がすべて商品化されました。 1992 年、DTM (現在は 3D Systems の一部) は SLS 技術の開発に成功しました。 1994 年、ドイツの EOS 社は選択的レーザー焼結装置 EOSINT を発売しました。 3D プリント技術の発展は、コンピュータ技術の進歩と切り離せません。初期のコンピュータの処理能力の制限により、複雑なコンポーネントの 3D プリントの走査パスの設計と制御は非常に困難であり、3D プリントはまだ大部分が概念設計段階にあります。コンピュータ技術の継続的な進歩により、3次元モデリングソフトウェアとハードウェア設計システム、2次元断面と走査経路の設計方法、成形経路のリアルタイム制御方法と技術が継続的に改善され、完成し、3Dプリントは新たな発展段階に進んでいます。 2010年11月には、世界初の3Dプリンターで印刷された自動車「Urbee」が発売され、2013年11月には、テキサス州オースティンの3Dプリンター会社Solid Conceptsが、米国の古典的な軍装備であるブラウニング1911銃のテンプレートを基に、3Dプリントされた金属製銃を設計・製造しました。その外観は、元の銃と何ら変わりありません。この事件は、科学倫理上の論争とそれがもたらす可能性のある社会的リスクにより、一般の人々の間で3Dプリントの概念をさらに推進しました。

鋳造は伝統的な材料成形技術として長い発展の歴史があり、同時に現代の製造業の重要な部分でもあります。ほとんどすべての金属材料は、成形プロセス中に鋳造プロセスを経る必要があります。金属部品の生産を実現するために、従来の鋳造プロセスでは、まず鋳造パターンを準備し、次にパターンと砂箱を使用して鋳造鋳型を作成し、次に鋳造鋳型を使用して液体金属を閉じ込め、凝固潜熱を伝導して、金属の凝固プロセスを完了し、固体鋳物を得る必要があります。パターン作成は鋳造の最初のステップです。伝統的なパターン作成は、通常、木材、プラスチック、または金属の加工によって行われます。加工方法の制限により、複雑なパターン構造を形成することが難しく、鋳造の複雑さに一定の制限が生じます。さらに、従来のパターン処理は時間がかかり、小ロット鋳造生産の柔軟性と精度の要件を考慮することができません。

このような状況の中で、一部の研究者は3Dプリント技術をパターンや金型の形成に応用し、良好な結果を達成しました。 3Dプリント技術の継続的な開発と導入により、従来の鋳造プロセスも変化し始めています。3Dプリント技術の応用により、鋳造生産の柔軟性が大幅に向上し、鋳造生産サイクルが大幅に短縮されました。

23Dプリント鋳造アプリケーション

2.1 精密鋳造パターン製作における3Dプリント技術の応用
3D プリント技術は、鋳造パターンの製造、特に精密鋳造に最初に使用されました。 SLS、FDM、SLA 技術はすべてワックスパターンの形成に使用できます。ただし、得られるワックスパターンは強度が低く、後続の処理ステップで損傷しやすいため、薄肉部品の鋳造生産には適していません。パターン強度不足の問題を解決するために、人々は成形に使用するワックスを他の種類の材料に置き換えました。作成されたパターンは、ある程度加工して表面仕上げを改善し、鋳物の表面品質を向上させることができます。しかし、それ以来、非ワックスパターンに基づいて作成されたモールドシェルは割れやすい、パターンを完全に除去するのが難しい、脱型後に残留灰分が多いなど、新たな問題が明らかになりました。

アメリカのストラタシス社は、ABS樹脂やワックスを使用して直接パターンを取得し、プロセス調整によって良好な離型特性を得ることができるFDM積層造形ソリューション（図2）を採用しています。ABS樹脂で作られたパターンはその後加工できるため、ワックスパターンよりも優れた表面品質が得られます。他のパターン準備方法と比較して、FDM ソリューションの大きな利点は、形成時間が短いことにも反映されています。アメリカのSolidscape社のMMIIシステムは、溶融液滴堆積溶液を採用してパターンを作製します。このシステムは、2つの独立したノズルを使用して原材料を堆積します。1つは熱可塑性原材料を堆積するために使用され、もう1つは支持ワックス材料を堆積するために使用されます。堆積が完了したら、支持ワックス材料を除去して微細なパターン形態を得ることができます。 MMIIシステムは、直接パターンを得るために使用できるだけでなく、プレス型を作ってワックスモデルを得るためにも使用できます。印刷された構造密度はFDMソリューションよりも高く、型抜き時にパターンを簡単に除去できるため、灰の残留物を効果的に回避できます。従来のインベストメント鋳造と比較すると、このソリューションは生産サイクルを大幅に短縮できますが、3D プリント時間は FDM ソリューションよりも長くなり、3 ～ 5 倍長くなる場合があります。 3D プリント技術を使用してパターンを取得する初期の試みでは、ワックスベースではない型材を使用すると、殻が割れることが非常によくありました。その理由は、パターンを除去するプロセス中に、熱によってパターンが膨張し、殻にひび割れが生じるためです。

この問題を解決するために、3Dsystem は QuickCast と呼ばれる成形ソリューションを採用しました。パターンを準備する際に、六角形、四角形、三角形の非ソリッド印刷モードを使用することで、パターン内の材料の重量が 95% 削減され、内部が緩い樹脂パターンが形成されました。この構造は、より低い温度で軟化してパターンの内部に崩壊するため、モールドシェルに過度のストレスがかかるのを防ぎ、モールドシェルが割れるリスクを軽減します。鋳型の内部構造が比較的緩いため、鋳型シェルの内部キャビティを滑らかにして、より高品質の鋳物を鋳造するためには、コーティング工程の前に鋳型の表面にワックスを浸し、表面仕上げを行う必要があることに留意する必要があります。 ZCorp は、3D プリントにゼラチン状デンプン原料 Zp14 を使用しています。得られた部品をワックスに浸し、耐火材料でコーティングして金型シェルを準備し、最後に部品を鋳造します。プロセスフローは図 3 に示されています。 ZCorp が採用した 3DP ソリューションは、低コストと成形速度の速さという利点があり、薄肉鋳物の製造において優れた寸法精度を示し、ニアネットシェイプ鋳物の製造に適しています。

西安交通大学は、3Dプリント技術を鋳造分野に応用する研究も行っている。 Li Dichenらが提案した方法は、光硬化ラピッドプロトタイピング技術を使用して、複雑な内部構造と外部構造の形成を実現し、次に水性スラリーの組成と特性を最適化して、ゲルキャスティング技術を使用して金属鋳造に使用できるセラミック鋳型を取得し、ガスタービンタービンブレードの鋳造を実現します。技術的なルートを図4に示します。

2.2 精密鋳造ワックス型の製造における3Dプリント技術の応用<br /> 印刷サイクルによって制限されるパターンの直接 3D 印刷は、通常、単一または複数の鋳造品の鋳造生産に適しています。より大量の鋳造品の需要を満たすために、一部の研究者はワックス型の製造に 3D プリント技術を適用し、製造した型を使用してワックス型を一括プレスし、鋳造品の生産効率を向上させ始めています。プレス部品の 3D プリント準備は、直接印刷と間接取得の 2 つの方法に分けられます。スタンピングを直接取得するということは、スタンピングが 3D プリントによって直接準備され、準備されたスタンピングがワックスモデルの特定のバッチをプレスするために使用されることを意味します。直接金属レーザー焼結 (DMLS) およびレーザーネットシェイプ製造 (LENS) 技術は、中規模または大規模な鋳造品を迅速に市場に投入するというニーズを満たすために、プレス部品の 3D プリントにうまく適用されています。

場合によっては、まず 3D プリントでマスターモールドを入手し、次にそのマスターモールドを使用してスタンピングモールドを作成します。つまり、ワックスモデルをプレスするために使用されるスタンピングモールドを間接的に入手します。常温加硫シリコンゴムツール（RTV）、エポキシ樹脂ツール、スプレー金属ツールなどの技術が、圧縮成形の間接 3D プリント製造にうまく適用されています。常温硬化型シリコーンゴム成形プロセスを使用した精密鋳造を例にとると、プロセス実装プロセスを図 5 に示します。ワックス型の準備は、次の手順で完了する必要があります。

（a）鋳造品のCADモデルを確立する。
（b）SLA法を用いて光硬化性パターンを作製する。
（c）RTVシリコーンゴムプロファイルの複製
(d) ワックスモデルをプレスする。

圧縮されたワックス型をトリミングして組み立てた後、コーティングしてシェルに準備し、その後の精密鋳造プロセスを完了することができます。プロセスの適用性評価では、必要な鋳造数が数十個程度の場合に、このプロセスの方が適用性が高いことが示されています。

2.3 鋳造生産における3Dプリント技術の応用
3D プリント技術は、セラミックシェルの直接成形にも使用されます。 1993 年、米国カリフォルニア州の Soligen Technology 社は、MIT が開発した 3DPAM 技術に基づいて直接シェル鋳造システム (DSPC) を構築しました。このシステムでは、内部コアを含むセラミックシェルを直接準備し、従来の精密鋳造におけるワックス型のプレスと組み立て、シェルの製造、脱ワックスといった面倒なプロセスを削減しました。 DSPC システムでは、複数のノズルを使用してシリカゾルを噴霧し、コランダム粉末を結合します。結合していないコランダム粉末を除去してシェルを取得します。準備したシェルを高温で焼成して十分な機械的強度を構築した後、溶融金属を注入できます。 DSPC システムを使用すると、あらゆる形状の部品を製造できます。また、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、工具鋼、コバルトクロム合金など、さまざまな金属材料から鋳物を製造するのにも使用できます。鋳物の生産サイクルは、従来のインベストメント鋳造の数週間から 2 ～ 3 日に短縮できます。現在、このシステムは、鋳物のプロトタイプや完全に機能する鋳物の小ロットの製造に使用されています。図 6 は、DSPC システムを使用して製造された吸気マニホールドの鋳造品を示しています。

3D プリント技術は砂型鋳造プロセスの現状も変えています。従来の砂型鋳造製造工程では、図面やパターンに従って砂型を作る熟練した技術者が必要であり、成形、中子製造などの工程に多くの人手と時間がかかることがよくあります。この状況は、3D プリント技術の導入によっても変化しています。3D プリント技術によって、必要な砂型構造を迅速に準備できるようになり、成形プロセスのサイクルが短縮され、熟練した技術者への依存度が軽減されました。砂型構造の急速な準備も間接と直接の2つのタイプに分けられます。図 7 は、イスラエルの Objet 社が開発した、砂型を得るための間接的なソリューションである PolyJet と呼ばれる急速鋳造ソリューションを示しています。このソリューションでは、まず複数のノズルを使用して、平面上の異なる領域に 2 種類のフォトポリマー樹脂をスプレーします。そのうちの 1 つは支持構造の形成に使用され、もう 1 つはモデル実体の形成に使用されます。次に、樹脂は紫外線照射によって硬化され、層ごとに蓄積されて固体構造が得られます。硬化プロセスが完了したら、溶剤を使用して支持樹脂を溶解し、鋳造システムを備えた樹脂モデルを取得します。型紙を使って砂型を作り、鋳型を組み立てたら、鋳物を流し込みます。

ドイツの企業 EOS は、砂型を直接 3D プリントするための技術的ソリューションを開発しました。レーザー焼結法を使用することで、ポリマーコーティングされた鋳物砂が結合され、鋳造構造が形成されます。この方法で、砂型と砂中子の両方が得られます。このソリューションは、EOS によって DirectCastw と名付けられ、2000 年に米国で特許を取得しました。中国の武漢濱湖電気機械技術産業有限公司と北京龍源自動成形システム有限公司も、砂型構造を得るための同様のソリューションを開発し、砂型急速成形用の大型SLSプロトタイプを独自に開発しました。このソリューションと装置は、エンジンシリンダーブロックの砂型鋳造に使用されており（図8を参照）、良好な結果を達成しています。

3 展望と結論
3D プリント技術は鋳造技術の様相を変え、鋳造業界の発展方向に影響を与えています。この記事では、鋳造プロセスにおける 3D プリントの応用についてのみ紹介しましたが、実際には、鋳造の修復や鋳物/鍛造品 + 3D プリントの複合製造など、多くの面で 3D プリントが研究され、応用されています。 3Dプリンティングは、いくつかの実際の用途では成形効率が低い、寸法精度が悪いなどの問題がまだありますが、すでに実際の生産のニーズを満たすことができ、急速に発展しています。 3D プリント技術自体の継続的な改善と鋳造技術とのさらなる統合により、鋳造業界における 3D プリント技術の応用の新たな波が確実に到来すると信じています。

著者: 張宇 (上海 AVIC 商用航空機エンジン製造株式会社)
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