JPH09141385A - 砂鋳型の積層造形方法及びこれを用いた鋳物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速に砂鋳型を造形する。 【解決手段】 熱硬化性レジン被覆砂の薄い砂層から形
成された造形領域を複数に分割する。この分割された各
領域に対応してレーザ発生器１０、走査装置１４、１６
を設け、各領域に対し、レーザを並列的に走査する。こ
のように、複数のレーザを同時に走査することによっ
て、トータルとして必要な時間を低減して、高速の砂鋳
型の造形を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱硬化性レジンを
被覆した砂を薄く積層し、これを１層ずつ所定形状に硬
化させることを繰り返し、砂の３次元造形物である砂鋳
型を造形する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋳物は、溶融した金属を鋳型に流し込ん
で作るので、一般に鋳物を作るには、まずその反転型で
ある鋳型を作ることから始める。この鋳型としては、そ
の材質から主に金型と砂型（砂鋳型）に分けられる。金
型は、耐久性があるが、高価であり、同一製品を多数製
造する場合に多く用いられる。一方、砂型は、試作品
（プロトタイプ）など比較的少量の生産や、複雑な形状
や内部形状がある場合などに用いられる。すなわち、砂
型は安価であり、また鋳造の後、砂型を壊して、製品を
取り出すため、砂型から鋳物がそのまま抜ける必要がな
く、複雑な形状の鋳物も作成できる。また、砂中子とよ
ばれる内部形状作成用の型を併用することによって、内
部形状を持つ鋳物も作成できる。

【０００３】従来、砂型を作成する場合には、まずその
反転型（主に、木、樹脂、金属）をＮＣ（数値制御）加
工等により作成し、これに砂を流し込み、固化させるこ
とによって砂型を造形していた。しかし、この砂型の造
形方法では、砂型の反転型の設計の際に、抜き勾配を考
慮しなければならない。特に、砂型の反転型は、通常２
分割する必要があるため、その分割面（見切り面）をど
こにするかという見切りの設計や、２分割のそれぞれの
抜き方向に応じた抜き勾配の設計を行わなければならな
い。従って、型の構想、型の設計に多くの時間が必要と
なっていた。

【０００４】ここで、プロトタイプの作成に際し、多大
の時間をかけるのは、得策ではない。そこで、３次元の
ＣＡＤ（コンピュータ支援デザイン）データからプロト
タイプを直接造形するラピッドプロトタイピング方法が
提案されている。このラピッドプロトタイピングは、３
次元の物体を０．２ｍｍ程度の微細な板厚を持つ２次元
断面形状が積層されたものと考え、この断面形状を造形
し、これを積層していくことで、２次元物体を造形する
ものである。

【０００５】例えば、ＵＳＰ４，２４７，５０８には、
ラピッドプロトタイピングの一手法であって、レーザ光
線を利用するものが示されている。すなわち、熱溶融す
るプラスチック粒子などを薄い層とし、この層の固めた
い部分にレーザビームを走査し、ビーム照射部分を溶融
凝固させ２次元構造を形成する。そして、この操作を繰
り返して３次元物体を造形する。この手法によれば、プ
ロトタイプを直接形成することができる。

【０００６】また、この従来例には、反転型を直接作成
すること、プラスチックコート砂を利用して砂の造形物
を得ること等が記載されている。また、レーザビームの
走査の際にマスクを利用することを示唆する記載もあ
る。

【０００７】この手法によれば、直接造形物が得られる
ため、上述の見切り、抜き勾配などは考える必要がな
い。そこで、造形物のＣＡＤデータから比較的容易に各
種形状の砂型を形成できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例は、基本的にプロトタイプを形成するためのもので
あり、量産することについては、何等考慮されていな
い。すなわち、一枚の２次元構造物を作成する際に、レ
ーザビームを固めたい部分全部に走査させるため、かな
りの時間を必要とする。従って、この従来技術を用い
て、量産用の砂型を多数製造しようとするのは、現実的
でない。

【０００９】一方、ラピッドプロトタイピングで、砂型
を形成すると、砂型作成時に見切り、抜き勾配などを考
えなくてよいため、砂型に無駄な部分がなくなり、作成
された鋳物における不要な鋳バリをなくすことができ
る。従って、鋳物についての後処理も効率化でき、砂型
が効率的に作成できれば、これを利用して、効率的な鋳
物の量産を図ることができると考えられる。

【００１０】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、量産に適した砂鋳型の積層造形方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る砂鋳型の積
層造形方法は、熱硬化性レジンを被覆した砂を薄く積層
する積層工程と、この薄く積層された砂の予め定められ
た部分にレーザを照射するレーザ照射工程と、を含み、
これによって砂鋳型の１層を形成すると共に、これら工
程を順次繰り返して、砂の３次元造形物である砂鋳型を
造形する方法であって、上記レーザ照射工程において
は、薄く積層された砂層を２つ以上の領域に分割した各
分割領域に対し、併行してレーザを照射することを特徴
とする。

【００１２】製品形状のＣＡＤデータから砂鋳型を決定
し、これを断面形状の積み重ねと考え、断面形状データ
を作成する。例えば、１層を０．２ｍｍ程度にする。そ
して、１層ずつレーザを照射して断面形状データに応じ
た砂の造形を行う。

【００１３】ここで、このレーザ照射の際に、複数の領
域にレーザを同時に照射し、砂鋳型の造形を行う。従っ
て、分割数に応じて、トータルとして必要な時間を低減
できる。

【００１４】また、他の発明は、上記レーザ照射工程に
おいて、各分割領域は、それぞれにおいてレーザを照射
する面積がほぼ同一になるように分割されていることを
特徴とする。

【００１５】このように、各領域におけるレーザ照射面
積をほぼ同一にする。このため、レーザ照射終了までの
時間が、各領域ともほぼ同一になり、１層についてのレ
ーザ照射の終了までの時間を短くでき、造形に必要な時
間を短縮することができる。

【００１６】また、さらに他の発明は、熱硬化性レジン
を被覆した砂を薄く積層する積層工程と、この薄く積層
された砂の予め定められた部分にレーザを照射するレー
ザ照射工程と、を含み、これによって砂鋳型の１層を形
成すると共に、これら工程を順次繰り返して、砂の３次
元造形物である砂鋳型を造形する方法であって、上記レ
ーザ照射工程において照射されるレーザのスポット径が
変更可能であることを特徴とする。

【００１７】砂層に対するレーザ照射は、その場所によ
って、精密度の要求が異なる場合が多い。スポット径を
精密度の要求に応じて変更することで、精密度の要求が
低い場所に対し、大きなスポット径で高速のレーザ照射
を行うことができる。これによって、レーザ照射に必要
な時間を短縮することができる。

【００１８】また、さらに他の発明は、上記スポット径
は、レーザ照射部分の輪郭部分を照射する際に小さく、
内部を照射する際に大きく制御されることを特徴とす
る。

【００１９】精度の良い造形を行うためには、各断面形
状の輪郭部分において、精密であることが要求される。
輪郭部分に細いレーザビームを用いることで、精度の高
い形状を維持し、内部に太いレーザビームを用いること
で、広範囲に対し、高速のレーザ照射を行う。これによ
って、レーザ照射に要する時間を短縮することができ
る。

【００２０】また、さらに他の発明は、上記レーザの照
射源として複数の半導体レーザが利用され、上記レーザ
照射工程では、複数の半導体レーザから併行してレーザ
の照射が行われることを特徴とする。

【００２１】半導体レーザは、比較的安価で、また小型
である。そこで、半導体レーザをレーザ発生源として用
いることで、装置全体をコンパクトにして、安価なもの
にできる。特に、レーザ発生器を多数設け、並列してレ
ーザ光の照射を行う場合には、各レーザ発生器が安価、
小型である半導体レーザが特に好適である。

【００２２】また、さらに他の発明は、上記熱硬化性レ
ジン被覆砂のレジンとして、色の濃いものが採用され、
光の吸収率が高められていることを特徴とする。

【００２３】光の吸収率が高ければ、レーザによる加熱
の効率がそれだけ高くなる。半導体レーザは、比較的エ
ネルギー密度が低く、加熱の能力が小さい。レジンに色
の濃いものを使用することによって、半導体レーザを用
いた場合においても十分な加熱を達成できる。なお、レ
ジンの色を濃くする手法としては、例えば、カーボンの
超微粒子を混合することが好適である。

【００２４】また、さらに他の発明は、熱硬化性レジン
を被覆した砂を薄く積層する積層工程と、この薄く積層
された砂の予め決定された部分にレーザを照射するレー
ザ照射工程と、を含み、これによって砂鋳型の１層を形
成すると共に、これら工程を順次繰り返して、砂の３次
元造形物である砂鋳型を造形する方法であって、上記レ
ーザは、複数の光ファイバを介して、薄く積層された砂
上に導かれ、各光ファイバからのレーザの射出を制御す
ることによって、光照射部分を制御することを特徴とす
る。

【００２５】光ファイバを多数設けることによって、広
範囲に対し、一度にレーザを照射することができる。１
つのレーザ発生源からの多数の光ファイバに分配するこ
とは比較的容易であり、また光ファイバ自体はそれほど
高価ではないため、多数のレーザビームを照射して、レ
ーザ照射に要する時間を短縮するのに好適である。

【００２６】また、さらに他の発明は、上記薄く積層さ
れた砂に対し光ファイバを相対的に移動させることによ
って、砂の必要とする部分全部にレーザを照射すること
を特徴とする。

【００２７】例えば、光ファイバをライン状に設け、こ
れを１方向（ラインに直交する方向）に走査することに
よって、砂層全体に対するレーザの照射が行える。従っ
て、レーザ照射に必要な時間を短縮することができる。

【００２８】さらに、他の発明は、熱硬化性レジンを被
覆した砂を薄く積層する積層工程と、この薄く積層され
た砂を加熱する加熱工程と、を含み、これによって砂鋳
型の１層を形成すると共に、これら工程を順次繰り返し
て、砂の３次元造形物である砂鋳型を造形する方法であ
って、上記加熱は、多数の発熱点を有するサーマルヘッ
ドを利用し、各発熱点の発熱を制御することによって、
加熱部分を制御することを特徴とする。

【００２９】サーマルプリンタに用いられるサーマルヘ
ッドと同様のものを用いることによって、砂層の所望の
部分を加熱することができる。サーマルヘッドは、ライ
ン状のものでも、平面的なものでも採用が可能である。
このようなサーマルヘッドの利用によって、短時間で加
熱を終了することができる。

【００３０】さらに、本発明に係る鋳物の製造方法は、
上述のような砂鋳型の積層造形方法によって作成された
砂鋳型を用いて、鋳物を製造することを特徴とする。

【００３１】上述の砂鋳型の造形方法により、砂鋳型
が、高速に多数製造できる。従って、この砂鋳型を利用
して、鋳物を効果的に量産することができる。特に、上
述の方法で作成された砂鋳型は、断面形状の積み重ねと
して、直接造形されたものであり、その作成の際に、反
転型を用いて砂鋳型を作成するときに必要な見切り抜き
勾配などを考慮する必要がない。そこで、砂鋳型の形状
の設計が容易であると共に、この砂鋳型を駄肉がないも
のにできる。従って、この砂鋳型を利用して得られた鋳
物も要求される製品形状に近いものである。そこで、後
加工が簡単になり、効率的な鋳物の量産が達成される。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に好適な実施の形態
について、図面に基づいて説明する。

【００３３】［第１実施形態］ 「全体構成」図１は、第１実施形態の全体構成を示す図
であり、４つのレーザ発生装置１０ａ〜１０ｄを有して
いる。このレーザ発生装置１０ａ〜１０ｄからのレーザ
は、それぞれ焦点調節装置（レンズ）１２、ガルバノミ
ラー式の走査装置１４、１６を介し、それぞれ別の照射
領域１８ａ〜１８ｄに供給される。この図においては、
レンズ１２、走査装置１４、１６を１つだけ示したが、
これらも各レーザ発生装置１０ａ〜１０ｄに対応して、
４つずつ（１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄ）設けられ
ている。また、走査装置１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６
ｄは、レーザをそれぞれＸ，Ｙ方向に走査する。すなわ
ち、レーザ発生装置１０ａ〜１０ｄからのレーザが、照
射領域１８ａ〜１８ｄの全面にそれぞれ走査される。な
お、本例におけるレーザは、断続的に発生されるパルス
である。

【００３４】また、ＣＰＵ２０も図示はしていないが、
４つ（２０ａ〜２０ｄ）あり、それぞれが独立して、走
査装置１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄを制御して、レ
ーザを各領域１８ａ〜１８ｄに走査する。また、このＣ
ＰＵ２０ａ〜２０ｄは、レーザ発生装置１０ａ〜１０ｄ
におけるレーザの発生も制御する。そこで、図２に示す
ように、任意の領域（例えば、図において斜線で示す領
域）にレーザを照射することができる。

【００３５】ここで、照射領域１８には、熱硬化性レジ
ン被覆砂（以下、単に砂という）が薄く（例えば、０．
２ｍｍ程度）積層される。そして、砂層を形成し、砂層
の所定の領域にレーザを照射し、照射した部分の砂を固
化するという操作を繰り返すことによって、３次元構造
物である砂型を造形する。

【００３６】「レーザ」レーザ発生装置１０としては、
各種レーザ発生源が使用され、０．２ｍｍ程度のスポッ
ト径として、砂に照射される。この１スポット毎のエネ
ルギーは、０．２ｍｍの厚さの砂に被覆されたレジンを
硬化させるのに適切なエネルギー量に設定する。レーザ
発生装置としては、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧ（イットリ
ウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、エキシマレ
ーザ、半導体レーザなど各種のものが採用可能である。

【００３７】また、走査装置１４、１６は、一対のミラ
ーを回動させて、ビームを走査するガルバノミラー式に
限らず、多角形の回転ミラーを利用するポリゴンミラー
式のものでもよい。

【００３８】「砂」本実施形態において使用する砂に
は、従来使用されていたものをそのまま使用することは
できない。鋳鉄やアルミニウムの鋳物を作るときに用い
られているいわゆるシェルモールド用レジン被覆砂は、
通常加熱した金型内に吹き込まれ焼成して固化される。
このような用途では、鋳造時の発生ガスを排出するため
に、比較的粗い（例えば１５〜３０ｎｍ）ものが採用さ
れる。しかし、本発明では、０．２ｍｍ程度の薄い層を
形成しなければならず、５〜１０ｎｍ程度の微細で、粒
子形状の丸いものが採用される。なお、本実施形態にお
いては、上述のようにして、ガス抜き穴が形成される。

【００３９】さらに、レジンが被覆される砂としては、
通常硅砂が用いられるが、その熱膨張率は、６０〜１０
０程度である。このような砂を本実施形態において採用
すると、レーザ照射時に膨張して、熱変形や割れを引き
起こす。そこで、本実施形態では、ジルコニア砂やムラ
イト砂（いずれも熱膨張率３０〜５０程度）のような低
膨張砂が適している。なお、用途によっては、金属粉、
セラミック微粒子などでも使用可能である。

【００４０】また、被覆用のレジンには、鋳造プロセス
に応じて各種のレジンが用いられている。本実施形態で
は、特に、熱レーザの照射域と非照射域の境界をはっき
りさせ、寸法精度を上昇させることが重要である。そこ
で、硬化反応温度域の狭い、いわゆるピールバック性の
よいものが好ましい。

【００４１】「砂散布装置」図３に砂散布装置２４など
の砂供給の構成を示す。砂散布装置２４は、ホッパ状の
容器２４ａと、その底部開口に配置された回転羽根２４
ｂからなっている。そして、回転羽根２４ｂを回転させ
ることにより、容器２４ａ内に収容されている砂が下方
に落下散布される。従って、回転羽根２４ｂの回転制御
によって、散布のオンオフ及び散布量の制御が行える。
この砂散布装置２４の進行方向の後ろ側には、スクレー
パ２８が設けられている。このスクレーパ２８は、砂散
布装置２４と砂ならしローラ２６の間にあって、連結材
に取り付けられている。そして、砂散布装置２４が、図
における右側に移動しながら散布した砂の表面を平滑化
する。さらに、このスクレーパ２８の後ろ側に設けられ
た砂ならしローラ２６は、スクレーパ２８で平滑化され
た砂の表面を押し、砂を圧縮して、１層分（０．２ｍ
ｍ）の砂層を形成する。

【００４２】このように、本実施形態では、砂の散布な
らしを１回の移動で効率的に行え、高速の砂層形成が行
える。

【００４３】なお、砂層を１層ずつ形成するには、底板
が移動可能な容器の底板を１層分毎に下降させ、表面部
に１層分の空間を順次形成するものが好適である。

【００４４】「動作」このような装置によって、砂型の
造形を行うが、その動作について、図４に基づいて説明
する。まず、１層分の砂型の造形を行うため、その層の
断面形状データを取り込む（Ｓ２１）。この断面形状デ
ータは、製品のＣＡＤ（コンピュータ支援デザイン）デ
ータより容易に計算できる。特に、断面形状において、
周囲とは離れた島の部分があっても、砂にレーザを照射
して固化するため、そのままの断面形状を用いることが
できる。さらに、砂型を直接造形するため、反転型を利
用する場合に必要な見切り、抜き勾配などを考慮する必
要がなく、断面形状の設計が非常に簡単である。

【００４５】次に、得られた断面形状を複数の領域に分
割する（Ｓ２２）。ここで、この領域は、図２に実線で
示すように、レーザの照射面積がほぼ同一になるよう
に、分割する。ここで、レーザは、パルスであって、砂
には照射スポットが形成される。そして、このスポット
の形成される位置は予め分かっている。そこで、領域を
分割する際に、１つのスポットが分割されないようにす
るとよい。これによって、分割された領域の端のスポッ
ト同士が隣接し、領域分割したことによる悪影響が生じ
ない。そして、得られた分割形状データ（この例では、
４つ）を４つのＣＰＵ２０ａ〜２０ｄに供給する（Ｓ２
３）。この４つのＣＰＵ２０ａ〜２０ｄは、マルチＣＰ
Ｕコンピュータで構成されているが、同等の並列的処理
が行えるのであれば、１つのコンピュータでもよい。

【００４６】そして、これらＣＰＵ２０ａ〜２０ｄが対
応する走査装置１４、１６を制御して、図２に示す照射
領域１８ａ〜１８ｄに対し、それぞれの分割形状データ
に基づいて分割領域のそれぞれにおいてレーザを照射す
る（Ｓ２４）。

【００４７】このようにして、１層分の砂に対してのレ
ーザ照射が終了する。そこで、砂層をその上に積層し、
次の断面形状データについてのレーザ照射をおこない、
これを繰り返して、３次元の砂型を造形する。このよう
にして、固化していない砂を除去して、断面形状を積層
した、砂型が造形される。そして、得られた砂型を用い
て、鋳造がなされ、所期の鋳物製品が得られる。

【００４８】「本実施形態の効果」このように、各領域
に対するレーザの照射は、並列して行われる。さらに、
各領域における照射領域は、ほぼ同一である。このた
め、照射を同時に開始すれば、同時に終了する。そこ
で、レーザ照射に要する時間が、単一レーザを用いる場
合に比べ、１／４になり、高速の砂型造形を達成でき
る。また、分割数を多くすれば、それだけ造形スピード
を速めることができる。さらに、照射領域を分割したた
め、レーザの走査範囲が狭くなる。従って、レーザビー
ムの砂に対する角度が、比較的小さくてよい。そこで、
スポット径が均一になり、照射エネルギー密度を均一に
でき、砂型の造形精度を向上することができる。

【００４９】このように、本実施形態により、高速に砂
鋳型を生産できるようになり、これを用いて鋳物を量産
することができる。ここで、本実施形態の製造法によれ
ば、鋳物の設計及び生産準備上も以下のような利点があ
る。

【００５０】従来の鋳造法では、図５の左側に示すよう
に、製品機能上必要な製品形状（Ｓ１）に対して、見切
り・抜き勾配（Ｓ２）、加工代（Ｓ３）、伸び尺・ソリ
変形の考慮（Ｓ４）を行い、型設計・製作（Ｓ５）がな
される。そして、製作された砂鋳型を利用して、鋳造が
行われる。

【００５１】従って、Ｓ２に示すように、見切り・抜き
勾配のためにＳ２の横に示した図のように、不要な部分
（斜線で示す）が生じる。また、２つの型だけでは製品
を形成できないため、中木も必要となる。そして、この
ような砂型を利用して得た鋳物は、製品形状にそのまま
対応するものではなく駄肉のついたものである。そこ
で、これを製品形状にまで、加工し直さなければならな
い。また、見切りに起因して製品に鋳バリも生じるた
め、これについての加工の必要となる。さらに、加工の
際に加工代が必要であり、製品はそれだけ大きな駄肉の
ついたものになってしまう。

【００５２】ところが、本実施形態によれば、図５の右
側に示すように、まずＣＡＤ装置により、製品形状のコ
ンピュータモデルを作成する（Ｓ１１）。次に、これに
基づいて、伸び尺・ソリ変形のＦＥＭ（有限要素）解析
を行い、この結果の砂型を造形するため、砂型の形状が
断面毎に決定される（Ｓ１２）。そして、この断面形状
に基づいて１層毎の造形が行われ砂型が得られ（Ｓ１
３）、この砂型を利用して、鋳造が行われる。

【００５３】特に、砂型の設計の際には、製品形状のコ
ンピュータモデルからその断面形状を積層していけばよ
いため、見切り・抜き勾配の考慮などは全く必要がな
い。従って、この断面毎のレーザ照射により、砂型を造
形することで、できあがった砂型は製品形状にそのまま
対応したものであり、できあがった鋳物にも従来例のよ
うな駄肉が生じず、きわめて製品形状に近い鋳物製品が
得られる。従って、高精度の鋳物を迅速に大量生産する
ことができる。

【００５４】なお、鋳造時の伸び、ソリ等は、本実施形
態においても生じる。しかし、有限要素法等により、注
湯から冷却までの変形量を熱弾塑性解析することによ
り、最終的に必要な製品を得るための砂型形状を逆算で
きる。特に、抜き勾配などのための形状の変更がないた
め、この計算もより簡単になる。

【００５５】「第２実施形態」 「構成」本実施形態は、照射レーザのスポット径を変更
できることを特徴とする。この第２実施形態を図６及び
７に基づいて説明する。図６に示すように、レーザ発生
装置１０からのレーザは、２つのミラー３０、３２によ
って、その方向が変更される。そして、ミラー３２から
のレーザが、焦点調節用レンズ３４、カライドスコープ
３６、焦点調節用レンズ３８を介し、砂に照射される。

【００５６】ここで、ミラー３０、３２は、ＸＹプロッ
タ４０に搭載されている。すなわち、図７に示すよう
に、固定のＸ軸レール４０ａ上には、Ｙ軸レール４０ｂ
が移動可能に設けられている。そして、Ｙ軸レール４０
ｂの一端側（図における上側）に、ミラー３０が固定さ
れており、Ｙ軸レール４０ｂ上に移動可能にミラー３２
が取り付けられている。従って、ミラー３２は、Ｙ軸レ
ール４０ｂのＸ方向の移動及び及びＹ軸レール４０ｂ上
のＹ方向の移動によって、Ｘ，Ｙ平面上を移動可能にな
っている。

【００５７】また、焦点調節用レンズ３４、３８は、そ
の機械的移動（移動機構は図示省略）によって、焦点位
置を調整するものであって、これによってスポット径を
制御する。

【００５８】さらに、カライドスコープ３６は、反射光
を畳み込み、比較的太い均一なビームを形成するもので
ある。すなわち、カライドスコープ３６を使用しない場
合には、図８（Ａ）に示すように、スポットのエネルギ
ー分布は、ほぼ正規分布になり、中央部でエネルギーが
大きく周辺部でエネルギーが小さくなる。一方、カライ
ドスコープ３６を使用することで、図８（Ｂ）に示すよ
うに、比較的均一なエネルギー分布になる。

【００５９】このように、本実施形態においては、レー
ザ発生装置１０からのレーザを走査できると共に、その
スポット径が変更可能である。さらに、スポット径を大
きくした場合にもスポット内のエネルギー分布は比較的
均一になっている。

【００６０】なお、この他の構成には、上述の実施形態
と同様の構成を適宜採用することができる。

【００６１】「動作」そして、本実施形態の装置によ
り、砂に対するレーザの照射を行う場合には、図９に示
すように、輪郭部分を細いスポット径のレーザの照射に
よって、固化させ、内部を太いスポット径のレーザの照
射によって、固化させる。この例では、細いスポット径
のレーザを、ＸＹプロッタ４０により、輪郭部分に沿っ
て移動させることによって、輪郭部分のレーザの照射を
行い、その後太いスポット径のレーザを走査して内部に
レーザを照射する。この走査は、基本的には、Ｙ方向に
移動した後、１ピッチ分Ｘ方向に移動する操作を繰り返
して行う。そして、この際に、レーザをオンオフするこ
とによって、図９に示すようなレーザの照射を行う。

【００６２】なお、輪郭部分を後から照射してもよい
し、また内部の照射の際にＸ方向に移動した後１ピッチ
分ずつＹ方向に移動するようにしてもよい。

【００６３】「本実施形態の効果」本実施形態によれ
ば、輪郭部分のレーザ照射に細いレーザビームを利用す
る。そこで、複雑な輪郭部分も正確なレーザ照射を行う
ことができる。また、端部の形状も精密なものにでき
る。そして、内側部分については、太いレーザビームを
利用するため、少ない走査回数で、全体にレーザを走査
できる。従って、レーザ照射の精密度は十分なものに維
持しつつ、全体としてのレーザ照射時間を短縮すること
ができる。そこで、砂型作成に要する時間が短縮でき、
砂型の量産を効率的に行うことができる。さらに、この
砂型を利用して、鋳物の量産を効率的に行うことができ
る。

【００６４】［第３実施形態］本実施形態は、複数の半
導体レーザを用いることを特徴とする。

【００６５】「構成」図１０に、本実施形態のレーザ照
射ユニット５０の構成を示す。このように、レーザ照射
ユニット５０は、その内部に、半導体レーザ発生器５
２、レンズ５４、第１ガルバノミラー５６、第２ガルバ
ノミラー５８を有している。

【００６６】半導体レーザ発生器５２から射出されたレ
ーザは、レンズ５４により、所定の径のビームに調整さ
れ、２つのガルバノミラー５６、５８により、ＸＹ方向
に走査される。

【００６７】また、レーザ照射ユニット５０は、多数合
体されて砂層上に位置される。すなわち図１１に示すよ
うに、砂層が複数の造形領域に分割され、１つの造形領
域に対し、１つのレーザ照射ユニット５０が設けられ
る。

【００６８】そして、１つのレーザ照射ユニット５０
は、ガルバノミラー５６、５８を駆動して、１つの造形
領域にレーザを操作可能になっている。従って、各レー
ザユニット５０からのレーザの射出を制御することによ
って、砂層の所望の領域にレーザを照射することがで
き、任意の断面形状を造形することができる。

【００６９】「動作」この実施形態の装置によって、砂
型を作成する際には、断面形状データを上述の各造形領
域毎の形状データに分割する。そして、造形領域毎のＣ
ＰＵによって、各レーザ照射ユニット５０を制御して、
造形領域毎のレーザの照射を並列して行う。これを所定
数の砂層に対し、順次行うことによって砂型を作成す
る。

【００７０】「効果」このように、本実施形態によれ
ば、複数のレーザ照射ユニット５０が同時にレーザを照
射して、造形を行うため、砂型を高速に作成することが
できる。特に、半導体レーザ発生器５２は、小型である
ため、ユニット化することが容易である。また、レーザ
照射ユニット５０の組み合わせ数を変更することで、い
ろいろな大きさの砂型に容易に対応することができる。
また、レーザ照射ユニット５０に内蔵されたガルバノミ
ラー５６、５８によって、レーザの走査が可能であるた
め、機械的な駆動機構が不要であり、装置が全体として
小型化できるという効果も得られる。

【００７１】なお、この他の構成には、上述の実施形態
と同様の構成を適宜採用することができる。

【００７２】「砂」ここで、半導体レーザ発生器５２に
より発生されるレーザは、他のレーザ発生源により発生
されるものに比べ、エネルギーが小さい。このため、砂
に被覆されたレジンの硬化に時間がかかるという問題が
ある。

【００７３】そこで、砂について、工夫を加えることが
好適である。第１の例としては、図１２（Ａ）に示すよ
うに、レジンにカーボンの超微粒子を混入させ、レジン
の色を黒くする。このように、色が黒ければ、レーザの
吸収率が増加し、効果的な温度上昇が達成される。

【００７４】また、図１２（Ｂ）に示すように、砂の回
りに反射率の高い金属などのコーティングを施した後、
その外側に黒色のレジンをコーティングすることも好適
である。このようにすれば、砂自体を加熱することを少
なくして、より低いエネルギーで、レジンを所定温度ま
で加熱することができる。

【００７５】このような砂についての工夫を加えること
によって、半導体レーザを利用して、好適な砂型の造形
を行うことができる。

【００７６】「第４実施形態」第４実施形態は、複数の
光ファイバを利用することを特徴とする。

【００７７】図１３は、第４実施例の構成を示す。この
ように、複数の光ファイバの光射出側端部を収容する光
ファイバヘッド６０を有している。この光ファイバヘッ
ド６０は、Ｘ方向に移動可能であって、光ファイバ６２
の端部が、Ｙ方向に間隙があかないように整列配置され
ている。そして、光ファイバヘッド６０をＸ方向に移動
させることによって、砂層の全面にレーザを照射するこ
とができる。なお、光ファイバ６２は、複数本束になっ
て光ファイバヘッド６０に接続されており、光ファイバ
ヘッド６０は、この束毎にユニット化されている。そし
て、通常の場合、この１ユニットに対し、レーザ発生源
１つが割り付けられている。

【００７８】次に、図１４に、１ユニット分のレーザ発
生源の構成を示す。レーザ発生器６４からのレーザは、
可動ミラー６６によって、複数の固定ミラー６８に順次
供給される。そして、この固定ミラー６８のそれぞれに
対応して、光ファイバ６２が、配置されており、固定ミ
ラー６８のそれぞれで反射されたレーザがそれぞれ対応
する光ファイバ６２に導入される。これによって、１つ
のレーザ発生器６４からのレーザを複数の（１ユニット
分）光ファイバ６２に導入することができる。そして、
各光ファイバ６２の射出側端部が光ファイバヘッド６０
に収容されるため、レーザ発生器６４からのレーザを砂
層に照射することができる。

【００７９】そして、レーザ発生器６４からのレーザ
は、パルスレーザであり、ここからのパルスの発生を制
御しながら、光ファイバヘッド６０を移動することによ
って、砂層へのレーザ照射が制御される。

【００８０】すなわち、断面形状データから砂層のどの
部分にレーザを照射すべきかを計算し、光ファイバヘッ
ド６０の移動に伴い、順次レーザの照射をオンオフし
て、所定の領域にのみレーザを照射して、砂型の造形を
行う。

【００８１】なお、レーザ発生器６４には、光ファイバ
６２に通すために、ＹＡＧや半導体レーザが利用され
る。

【００８２】図１５には、光ファイバヘッド６０におけ
る光ファイバ６２のレーザ射出端６２ａの配置例が示さ
れている。この例では、レーザ射出端６２ａが２列その
位置が互い違いになるように配置されている。これによ
って、レーザのＹ方向における緻密度を向上することが
できる。

【００８３】図１６には、Ｙ方向の緻密度を上げるさら
に他の例が示されている。この例では、光ファイバ６２
のレーザ射出端６２ａがＹ方向に往復回動可能になって
いる。このように、レーザ射出端６２ａを回動させるこ
とによって、光ファイバ６２の本数が少なくても、Ｙ方
向のレーザ照射密度を上昇することができ、Ｙ方向のレ
ーザ照射密度を向上することができる。

【００８４】なお、この他の構成には、上述の実施形態
と同様の構成を適宜採用することができる。

【００８５】このように、本実施形態によれば、多数の
光ファイバ用い、これらから並列して、レーザを照射す
ることによって、砂層の全面へのレーザ照射に要する時
間を短縮して、砂型を高速で造形することができる。ま
た、レーザの砂層への照射がほぼ直角に行われるため、
造形の精度を向上できるという効果も得られる。

【００８６】［第５実施形態］第５実施形態は、サーマ
ルヘッドを用いることを特徴とする。

【００８７】「構成」本実施形態の構成を図１７に示
す。このように、砂層昇降機７２は、移動可能な底板７
２ａを有しており、その上部に砂を収容できる。そし
て、底板７２ａを０．２ｍｍずつ順次下降させ、その上
方に砂層を形成することによって、０．２ｍｍの砂層を
順次形成することができる。

【００８８】一方、この砂層昇降機７２の上方には、砂
散布装置２４、スクレーパ２８、砂ならしローラ２６が
配置されている。また、これらと一体的にサーマルヘッ
ド７０が設けられている。そして、サーマルヘッド７０
を含め、砂散布装置２４、スクレーパ２８、砂ならしロ
ーラ２６が移動装置７４によって移動できる。そこで、
砂を散布して形成された砂層の所定の領域に、サーマル
ヘッド７０による加熱を施すことができる。

【００８９】サーマルヘッド７０は、図１８に示すよう
に、１つの長尺の発熱抵抗体７０ａとこの発熱抵抗体７
０ａに電力を供給する多数の電極７０ｂを有している。
そして、電極７０ｂへの電力の供給を制御することによ
って、発熱抵抗体７０ａの発熱箇所を制御することがで
きる。なお、電極７０ｂ間の間隔を０．２ｍｍ以内にす
ることによって、発熱抵抗体７０ａの発熱部（ドット）
の精密度を十分なものとして、砂の加熱領域を正確に決
定することができる。なお、このようなサーマルヘッド
７０の構成は、サーマルプリンタのプリントヘッドと同
様であり、各種の構成が適宜採用できる。また、オンオ
フの制御もプリントヘッドと同様に行うことができる。

【００９０】そして、断面形状データに基づいて、加熱
領域を計算し、サーマルヘッド７０の移動に同期して、
発熱抵抗体７０ａの発熱を制御することによって、砂層
についての加熱を制御することができる。

【００９１】そして、この装置によれば、１列分の加熱
が同時に行えるため、１層分の加熱処理が比較的早く終
了でき、砂型の造形のスピードを全体として高速のもの
にできる。また、６００ＤＰＩ（ドット／インチ）程度
解像度のサーマルヘッド７０を用いることによって、高
精度の砂型を形成することができる。また、砂層形成の
ための移動とサーマルヘッド７０の移動を一緒に行える
ため、機構を簡略化して、効率的な処理が達成される。

【００９２】「変形例」さらに、サーマルヘッドを利用
した本実施形態の変形例を図１９に示す。この例では、
平面的なサーマルヘッド８０が利用される。このサーマ
ルヘッド８０は、砂層の全面に対応した大きさになって
おり、図２０に示すように微細な発熱抵抗体８０ａが２
次元配列されている。従って、この発熱抵抗体８０ａの
通電発熱を制御することによって、一度に砂層の所定の
範囲を加熱することができる。従って、サーマルヘッド
が走査する必要がなく、非常に高速の造形を達成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態の構成を示す図である。

【図２】 同実施例の領域分割を示す説明図である。

【図３】 砂散布の構成を示す図である。

【図４】 動作を説明するフローチャートである。

【図５】 同実施形態の処理工程を従来と比較して示す
図である。

【図６】 第２実施形態の構成を示す図である。

【図７】 同実施形態の構成を示す平面図である。

【図８】 レーザのエネルギー分布を示す図である。

【図９】 照射の状態を示す図である。

【図１０】 第３実施形態の構成を示す図である。

【図１１】 領域の分割状態を示す図である。

【図１２】 レジン被覆砂の構成を示す図である。

【図１３】 第４実施形態の構成を示す平面図である。

【図１４】 レーザ分配の構成を示す図である。

【図１５】 光ファイバヘッドの変形例を示す図であ
る。

【図１６】 光ファイバヘッドの他の変形例を示す図で
ある。

【図１７】 第５実施形態の構成を示す図である。

【図１８】 サーマルヘッドの構成を示す図である。

【図１９】 同実施形態の他の構成例を示す図である。

【図２０】 サーマルヘッドの構成を示す図である。

【符号の説明】

１０ レーザ発生器、１２ レンズ、１４、１６ 走査
装置、２０ ＣＰＵ、２４ 砂散布装置、２６ 砂なら
しローラ、３６ カライドスコープ、４０ ＸＹプロッ
タ、５０ レーザ照射ユニット、６０ 光ファイバヘッ
ド、６２ 光ファイバ、７０、８０ サーマルヘッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 益雄 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 岡田 裕二 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱硬化性レジンを被覆した砂を薄く積層
   する積層工程と、 この薄く積層された砂の予め定められた部分にレーザを
   照射するレーザ照射工程と、 を含み、 これによって砂鋳型の１層を形成すると共に、これら工
   程を順次繰り返して、砂の３次元造形物である砂鋳型を
   造形する方法であって、 上記レーザ照射工程においては、薄く積層された砂層を
   ２つ以上の領域に分割した各分割領域に対し、併行して
   レーザを照射することを特徴とする砂鋳型の積層造形方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法であって、 上記レーザ照射工程において、各分割領域は、それぞれ
   においてレーザを照射する面積がほぼ同一になるように
   分割されていることを特徴とする砂鋳型の積層造形方
   法。
3. 【請求項３】 熱硬化性レジンを被覆した砂を薄く積層
   する積層工程と、 この薄く積層された砂の予め定められた部分にレーザを
   照射するレーザ照射工程と、 を含み、 これによって砂鋳型の１層を形成すると共に、これら工
   程を順次繰り返して、砂の３次元造形物である砂鋳型を
   造形する方法であって、 上記レーザ照射工程において照射されるレーザのスポッ
   ト径が変更可能であることを特徴とする砂鋳型の積層造
   形方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の方法において、 上記スポット径は、レーザ照射部分の輪郭部分を照射す
   る際に小さく、内部を照射する際に大きく制御されるこ
   とを特徴とする砂鋳型の積層造形方法。
5. 【請求項５】 請求項１または２に記載の方法におい
   て、 上記レーザの照射源として複数の半導体レーザが利用さ
   れ、上記レーザ照射工程では、複数の半導体レーザから
   併行してレーザの照射が行われることを特徴とする砂鋳
   型の積層造形方法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の方法において、 上記熱硬化性レジン被覆砂のレジンとして、色の濃いも
   のが採用され、光の吸収率が高められていることを特徴
   とする砂鋳型の積層造形方法。
7. 【請求項７】 熱硬化性レジンを被覆した砂を薄く積層
   する積層工程と、 この薄く積層された砂の予め決定された部分にレーザを
   照射するレーザ照射工程と、 を含み、 これによって砂鋳型の１層を形成すると共に、これら工
   程を順次繰り返して、砂の３次元造形物である砂鋳型を
   造形する方法であって、 上記レーザは、複数の光ファイバを介して、薄く積層さ
   れた砂上に導かれ、各光ファイバからのレーザの射出を
   制御することによって、光照射部分を制御することを特
   徴とする砂鋳型の積層造形方法。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の方法において、 上記薄く積層された砂に対し光ファイバを相対的に移動
   させることによって、砂の必要とする部分全部にレーザ
   を照射することを特徴とする砂鋳型の積層造形方法。
9. 【請求項９】 熱硬化性レジンを被覆した砂を薄く積層
   する積層工程と、 この薄く積層された砂を加熱する加熱工程と、 を含み、 これによって砂鋳型の１層を形成すると共に、これら工
   程を順次繰り返して、砂の３次元造形物である砂鋳型を
   造形する方法であって、 上記加熱は、多数の発熱点を有するサーマルヘッドを利
   用し、各発熱点の発熱を制御することによって、加熱部
   分を制御することを特徴とする砂鋳型の積層造形方法。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれか１つに記載さ
    れた砂鋳型の積層造形方法によって作成された砂鋳型を
    用いて、鋳物を製造することを特徴とする鋳物製造方
    法。