まえがき：現代の製造業では、3Dプリンティングと伝統的な鋳造技術を組み合わせることで、可能性の世界が広がります。3Dプリンティングによって複雑なデザインと形状を持つカスタム金型を作成できるようになったことで、鋳造プロセスに革命が起きた。積層造形を使用することで、個人や産業は、高品質の鋳造品を製造する上で、創造性、効率性、費用対効果の新たな道を切り開くことができる。

この記事は、3Dプリントで鋳造用モールドアートを作成するための完全ガイドです。あなたのアイデアに命を吹き込み、3Dプリントで鋳造型を作成する方法を探ります。

3Dプリンティング技術とは？

3Dプリンティングは、ラピッドプロトタイピング技術の一種である。コンピューターで設計された3次元デジタルモデルを平面スライスの複数の層に分解し、3Dプリンターを使って粉末、液体、フィラメント状のプラスチック、金属、セラミック、砂などを貼り付ける。スライスパターンに従って複合材料を層ごとに積み重ね、最終的に完全な物体に仕上げる技術である。

この技術は、デジタル・モデリング技術、情報技術、電気機械制御技術、材料科学、化学などの最先端技術知識を組み合わせたもので、技術的内容の高い総合的応用技術である。

金属鋳造とは？

金属鋳造は約7,000年の歴史がある。高温の液体金属を型に流し込み、冷やして固める工程だ。かつては、道具や武器、彫像を作るために使われていました。現在でも、宝石や自動車などの製造に使われている。

基本的な考え方は、熱い液体金属を型に流し込む、あるいは押し込むというものだ。その後、金属が冷えて固まり、型の形になるのを待ちます。その後、型から固体の部品を取り出します。しかし、鋳造にはさまざまな方法があります。最も重要なことは、鋳型が何でできているかということと、熱い液体金属をどうやって鋳型に入れるかということです。

3Dプリントを使えば、金属鋳造用の鋳型をより早く、より安く作ることができる。これは特にインベストメント鋳造（ロストワックス鋳造とも呼ばれる）や砂型鋳造に当てはまります。鋳型を作るために使用するパターンを3Dプリントすることができます。あるいは、鋳型そのものを3Dプリントすることもできます。

CADモデルの設計

まず、コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアを使用して鋳型の3Dモデルを作成する必要があります。モデルの抜き勾配やパーティングラインが適切で、鋳型の取り外しが容易であること、鋳造材料の肉厚が適切であることを確認してください。また、ゲート、ランナー、ベントなどの金型の特徴も盛り込み、部品の鋳造を容易にします。金型の設計には、Autodesk Fusion®、SolidWorks®、Rhino3D®、AutoCAD®、Tinkercad®などのCADソフトウェアを使用できます。

をデザインするとき 3Dプリント金型モデルしかし、いくつか注意すべき点がある。第一に、デザインをシンプルにすること。第二に、空洞を物で埋めないこと。第三に、壁の厚さを考えること。第四に、左右対称のデザインを選ぶこと。そして最後に、最終的なディテールを念頭に置いてデザインすること。

モデルが中空かソリッドかを判断する

鋳造工程は、モデルが中空か中実かによって異なります。模型が中空の場合、鋳造工程はより複雑になります。模型の内部を支える鋳型を作り、最終的な部品から支持構造を取り除く必要があります。最終的な部品には、硬化した樹脂を引き伸ばすときに支持材を取り除けるように、十分な大きさの穴があきます。

モデルがソリッドであれば、鋳造プロセスはよりシンプルになります。ソリッドオブジェクトは、それを支える内部構造を必要としません。この場合、キャスティングプロセスのステップ4に進むことができます。

中空モデルの内部構造の生成

中空模型の内部を作るには、いくつかのことをする必要がある。まず、中空モデルより少し小さいソリッドブロックを作る。中空モデルをソリッドブロックの上に置き、中央に配置する。中空モデルを「穴」の形に変更する。これでモデルの内側がソリッドになります。ソリッドブロックと変更した中空モデルを組み合わせます。

これで、中空模型の内部を正確にコピーすることができた。型を作るときに模型の内側を固定するために、模型の内側と型の外側をつなぐ支柱を追加します。このサポートは後で外す。

モデルの周囲にソリッドブロックを生成する

まず、元のモデルがすでにソリッドなのか、ソリッドに変換する必要があるのかを確認します。モデルがすでにソリッドであれば、次のステップに進むことができます。そうでない場合は、閉じた水密体積になるように修正する必要があります。モデルよりもはるかに大きなブロックまたはボックス構造を設計します。このブロックが金型の外側の境界となり、模型を囲む壁となります。模型をブロックの中に入れ、中心が合っていることを確認する。

模型はブロックで囲まれ、模型とブロックの内壁の間には空間がなければならない。ブロックとモデルを結合またはマージして、1つの統一されたオブジェクトを作成します。こうすると、ブロックが型の外壁を形成し、モデルが型の内側にある新しい3Dモデルになります。

模型のソリッドブロックを囲むことで、鋳型に必要な構造ができあがります。ブロックは、最終的な鋳物の形と大きさを定義し、鋳造プロセス中にサポートと封じ込めを提供します。

デザインに合わせてブロックを2つ以上に分ける

鋳型から鋳物を取り出しやすくするために、ブロックを分割する必要があるかもしれません。これはモデルの複雑さによります。ブロックを分割する際に考えるべきことがいくつかあります：まず、模型の形を見て、どのように手を入れられるかを考えます。鋳型を分解しやすくする主な理由は、鋳型を汚すことなく鋳物を取り出すことができるようにするためです。

キャスティングを出すのが難しくなるようなくさびや形を作らないこと。模型の形を見て、どこで分割できるかを考える。例えば、モデルが丸い場合、2つの半分を引き離すことができるように、少なくとも1つは真ん中で分割する必要があります。このとき、モデルの内側に行けるようなラインを選んでください。そうすれば、模型の周りのブロックがしっかりしているので、模型を圧迫したり曲げたりすることなく鋳型を取り出すことができます。

ソリッドブロックにモデルを埋め込む

分割したブロックに、左右対称のモデルを中央になるように横向きに置く。こうすることで、ブロックを組み合わせたときに、モデルの両側が均等にカバーされる。ブロックを慎重に組み合わせ、モデルの周りにぴったりとはまるようにする。ブロックを正しく並べ、ガイド機能または見当マークを使用して、正しく並んでいることを確認する。位置決めピンを使って、モールドの半分が正しく組み合わされ、並んでいることを確認する。

このピンは、鋳型を閉じるときに鋳型の半分を揃えるのに役立ちます。真ん中に大きな溝があり、鋳造材料が流れるようになっています。特に樹脂が厚い場合は、樹脂が流れるのに十分な幅があることを確認してください。流路が広いと樹脂が流れやすくなり、流し込むときに詰まったり気泡が入ったりしにくくなります。鋳型の上に置き、余分な樹脂を入れる室を作ります。

チャンバーは重力を利用して、液状の樹脂を金型内に自然に流入させます。チャンバーの大きさによって、樹脂をどれだけ大きな流路に押し流すことができるかが決まり、金型を満たすのに十分な材料を確保することができます。

3Dプリントの開始

いよいよ金型のプリントを開始します。金型の3Dプリントプロセスを開始するには、3Dプリンターが正常に動作し、正しくキャリブレーションされていることを確認します。プリンターベッドがきれいで水平であること、プリントヘッドやエクストルーダーに障害物がないことを確認してください。鋳型に適した印刷材料を選択します。鋳造材料、希望する鋳型の特性（柔軟性や耐熱性など）、3Dプリンタとの互換性などの要素を考慮してください。

金型印刷用の一般的な材料には、さまざまな種類の樹脂や熱可塑性プラスチックが含まれます。デジタルモデルを3D印刷用に準備するには、スライシングソフトウェアを使用します。このソフトウェアは3Dモデルファイルを受け取り、プリンターが従うべき一連の指示を生成し、レイヤーの高さ、インフィル密度、印刷速度、その他の設定を指定します。これらのパラメータは、特定の要件に応じて調整します。選択した印刷材料を3Dプリンターにロードします。

これは、使用するプリンタの種類によって、フィラメントのロールを装填したり、適切な容器に樹脂を注入したりすることを含む場合があります。スライスファイルをプリンタに送信して、3Dプリントプロセスを開始します。プリンターは、スライスソフトウェアが提供する指示に従って、レイヤーごとにモデルの作成を開始します。最初は目を離さないようにして、すべてが密着し、見栄えが良いことを確認し、問題が生じた場合はトラブルシューティングを行います。

印刷した型を使用し、シリコーンを注入して鋳造プロセスを開始する。

鋳造プロセスを開始するには、メーカーの説明書に従ってシリコーンを混ぜ、ベースと触媒成分の比率が適切であることを確認する。シリコーン混合物の準備ができたら、型にゆっくりと均等に注ぎます。シリコーンが型の空洞を満たすように、一方の端から注ぎ始める。注湯中に気泡が入ると、最終的な鋳造が台無しになるので注意すること。

金型を軽くたたくか振って、残っている気泡を取り除く。こうすることで気泡が表面に浮き上がり、気泡のないスムーズな鋳造が可能になります。また、シリコーン鋳造用に設計された真空チャンバーや圧力タンクなどの専用器具を使用すると、より効果的に気泡を取り除くことができます。

メーカーが推奨する時間、シリコーンを硬化させます。硬化時間は使用しているシリコーンの種類によって異なりますので、必ず指示に従ってください。あなたが先に進む前に、シリコーンが硬化し、完全に硬化するのに十分な時間を与える必要があります。

シリコーンが完全に硬化したら、慎重に型から取り出します。使用する型によっては、型を半分に切り離したり、型を曲げたりして鋳型を取り出す必要があるかもしれません。

余分な部分を取り除く

シリコンの型から鋳造物をうまく脱型したら、次のステップは余分な部分を切り落とすことです。この余分な部分とは、希望の形からはみ出したり、エッジに沿って形成されたシリコーン材料の追加キャストを指します。

キャストをよく見て、トリミングが必要な部分を特定する。鋭利なホビーナイフかハサミを使い、希望する形の輪郭に沿って余分なシリコンを切り落とします。正確を期し、誤って実際のキャストに切り込みを入れないよう、時間をかけてください。

鋳造の複雑さによっては、望ましい結果を得るために異なるツールやテクニックを使用する必要があります。余分な部分を取り除くことは、鋳物の最終的な外観と品質を向上させるのに役立つため、鋳造プロセスにおける重要なステップです。余分なシリコン素材を注意深く取り除くことで、細部が洗練され、元のモデルに近い、きれいで洗練された仕上がりになります。

3Dプリンティング鋳造金型の利点

3Dプリンターで作られた金型を使うことには、以下のような多くの利点がある：

金型製造サイクルの短縮

3Dプリント金型は、製品開発サイクル全体を短縮し、イノベーションを推進する源となる。これまで企業は、新しい金型の製造に多額の投資が必要なため、製品設計の更新を遅らせたり、断念したりすることがありました。金型製造のリードタイムを短縮し、既存の設計ツールを迅速に更新できるようにすることで、3Dプリンティングは、より頻繁な金型の変更や改良を可能にします。これにより、金型設計サイクルを製品設計サイクルに合わせることができます。

さらに、金型を作るために自社で3Dプリンターを購入する企業もあり、これは製品開発をスピードアップし、より柔軟で適応性の高いものにする。戦略的には、サプライヤーから不良金型を入手するような、長いリードタイムや開発停滞のリスクに対して、サプライチェーンがより強靭になる。

製造コストの低減

金属を3Dプリントするコストが従来の金属製造よりも高い現状であれば、プラスチック部品の方がコストを節約しやすい。

金属3Dプリント金型は、（これらの部品の固定費を償却するのが難しいため）少量で断続的な最終部品の製造や、（3Dプリント用に特別に最適化された）特定の形状の製造に経済的に有利です。材料が非常に高価で、従来の金型製造ではスクラップ率が高い場合は、特に費用対効果が高くなります。

また、3Dプリンティングは、精密な金型を数時間で作ることができるため、製造工程や利益に貢献する。これは、生産を停止したり、多くの工具を在庫しておくにはコストがかかる場合に特に有効だ。

最後に、生産開始後に金型の修正が必要になることもよくあります。3Dプリントの柔軟性により、エンジニアは同時に数え切れないほどの反復を試すことができ、金型設計の修正による初期費用を削減することができます。

金型設計の改善により、最終製品の機能性が向上

金属3Dプリンティングの特殊な冶金学は、多くの場合、金属の微細構造を改善し、鍛造または鋳造材料と同等またはそれ以上の機械的および物理的特性を持つ完全な高密度プリント部品を製造します（熱処理および試験方向による）。

積層造形は、金型の設計を改善するための無限の選択肢をエンジニアに与えます。対象となる部品が複数のサブコンポーネントで構成されている場合、3Dプリントには設計を統合し、部品点数を削減する能力があります。これにより、製品の組み立てプロセスが簡素化され、公差が小さくなります。

また、複雑な製品機能をこなすことができるため、高機能な最終製品をより早く、より少ない製品不良で作ることができる。例えば 射出成形品 は、注入された材料と金型固定具を流れる冷却液との間の熱伝達条件に影響されます。旧来の方法で作ると、冷却材を運ぶ流路は通常直線状なので、成形品の冷却が遅くなり、不均一になります。

3Dプリンティングでは、あらゆる形状の冷却チャンネルを作ることができるので、より最適化された均一なコンフォーマル冷却が可能になり、より高品質なパーツを作ることができ、スクラップも少なくなります。また、より早く熱を奪うことができるため、より高品質なパーツを作ることができます。 射出成形 冷却時間は通常、全体の約70%であるため、サイクルタイムは短くなる。 射出成形 サイクルだ。

人間工学に基づきツールを最適化し、最低限のパフォーマンスを向上させる。

3Dプリンティングは、製造における満たされていないニーズに対応する新しい工具の検証を容易にし、より多くの可動・固定治具を製造に投入することを可能にする。従来、工具とそれに対応する装置は、再設計と製造に多大な費用と労力がかかるため、できるだけ長持ちするように設計されてきました。3Dプリントを使えば、企業は、廃棄されて要件を満たさないものだけでなく、いつでもどんな工具でも改修できる。

必要な時間と初期費用がほとんどない3Dプリンティングは、より優れた限界性能のために工具を最適化することをより経済的にします。そのため、技術者は設計時に人間工学をより考慮することで、操作の快適性を向上させ、処理時間を短縮し、使用や保管の利便性を高めることができる。これは組立作業時間を数秒短縮するだけかもしれないが、大きな足しにはならない。さらに、工具設計を最適化することで、部品のスクラップ率を減らすこともできる。

カスタム金型は最終製品のカスタマイズに役立つ

生産サイクルが短縮され、より複雑な形状を作ることができ、最終的な製造コストを削減できるため、企業はカスタムパーツを作るのに役立つカスタムツールをたくさん作ることができる。3Dプリント金型は、医療機器や医療用品のようなカスタム製造に本当に適している。外科医がより良い手術をより早く行えるように、手術用のガイドやツールのようなカスタムツールを3Dプリントすることができます。

結論

まとめると、3Dプリンターを使って金属鋳造用金型を作ることは、製造業にとって画期的なことだ。複雑なカスタム金型を、これまでよりも速く簡単に作ることができる。従来の金型製作と比べて、この方法には大きな利点がある。より速く、より安く、より良い金型を作ることができる。工具の使い心地を良くしたり、工具の働きを良くしたりと、より多くのことができる金型を作ることができます。カスタム金型は、カスタムパーツを作るのに役立ちます。

しかし、鋳型が何でできているのか、どのようにプリントするのかを考えなければなりません。正しい計画を立て、正しく実行すれば、3Dプリントを使って金属鋳造をより良く、より速くすることができます。技術が進歩すれば、3Dプリンティングと金属鋳造は製造業を変えるでしょう。新しい方法でモノを作り、より多くのモノを作ることができるようになる。