ラピッドプロトタイピングが航空宇宙・自動車・防衛産業の精密鋳造に革命をもたらす

航空宇宙、防衛、自動車などの主要産業において、基幹部品の多くは金属部品であり、その相当数が非対称形状、不規則な曲面、または複雑で微細な構造を持つ部品です。

これらの部品製造には、分解加工や精密鋳造（インベストメントキャスティング）が採用されることが一般的です。精密鋳造では、金属部品を複製するためのマスターモールドやトランジションモールドが必要となり、その設計・製造が鋳造品生産のボトルネックとなってきました。

ラピッドプロトタイピング技術は、精密鋳造に必要なワックスパターンを迅速に提供できます。これにより、従来の鋳造プロセスにおける「ワックスパターン準備の長期化」「高コスト」「曲面など複雑形状の製造困難」といった課題を解決し、生産効率と製造の柔軟性を大幅に向上させます。

ラピッドプロトタイピング技術の製造プロセス

• ラピッドプロトタイピング製造技術（RPM）には、SLS（選択的レーザー焼結）、SLA（光造形）、SLM（選択的レーザー溶解）などの成形手法が含まれます。CAD技術、数値制御技術、レーザー技術、材料技術などの現代科学技術を統合しています。
• 従来の製造方法とは異なり、RPMのプロセスはまず製品の3D CADソリッドモデルまたはサーフェスモデルファイルを生成し、それをRPファイル標準のSTL形式に変換、変換時のエラーを修正します。
• その後、各層のデータをラピッドプロトタイピング装置へ送信。積層造形によりレーザーを熱源として各層を焼結または溶融・接合し、部品全体が完成するまで繰り返します。
• SLS法で使用される材料は、パラフィンワックス、プラスチック、低融点金属粉末、またはそれらの混合物など、各種焼結可能な粉末です。プロセス要件に応じて適切な材料を選定し、製品の物理モデルを迅速に製作します。

ラピッドプロトタイピングと精密鋳造の複合プロセス

精密鋳造は全鋳造プロセス中で最も精度が高く、再現性に優れ、鋳造品の後処理が少なくて済みます。しかし、ワックスパターンや他の消失型モールドの設計・製造が必要です。

鋳物の複雑さと寸法により、製造サイクルは通常数週間から数ヶ月かかります。モールド取得後もさらに1週間ほど鋳造に要し、その大半がワックスパターンとモールドシェルの製作に費やされます。これが高コストと長納期の原因となり、特に少量生産では顕著です。

RPM技術なら、モールドを製造せずに精密鋳造用ワックスパターンを直接成形可能です。レーザーRPM（SLS）で作るワックスパターンはパラフィンワックス粉末を使用します。

工程は、作業台に粉末を一層敷き、コンピュータ制御下でレーザービームにより選択的に焼結します（部品の中空部分は焼結せず粉末のまま）。焼結部分が固化し部品の実体部分を形成。一層完了ごとに次の層へ進み、新しい層が前層と強固に焼結されます。全層完了後、余分な粉末を除去して焼結ワックスパターンを取り出します。

RPM技術は材料の適用範囲が広く、パラフィン粉末でワックスパターンを、セラミック粉末でセラミックシェルを、金属粉末でワックスパターン成形用の金属モールドを製作できます。

ラピッドプロトタイピング技術の精密鋳造への応用は主に3つに分類されます：

• ワックスパターンまたはロストフォームパターン（精密鋳造用プロトタイプ）の成形——少量生産、製品開発、複雑鋳物の試作に使用
• 少量生産向けの直接シェル成形
• ワックスパターン成形用マスターモールドのラピッドプロトタイピング——量産に使用
• これらの手法により、従来プロセスにおけるワックスパターン製造のボトルネックを解消します。

結論

ラピッドプロトタイピング技術で精密鋳造用ワックスパターンを製作すれば、金属マスターモールドの製作による鋳物形状の制約や開発プロセスの制約を回避でき、開発サイクルを大幅に短縮可能です。また、削減されたモールドコストを、より複雑で高精度な先端鋳物の研究開発・生産に回せます。

ラピッドプロトタイピングと精密鋳造は相補関係にあります。ラピッドプロトタイピングがなければマスターモールド製作が精密鋳造のボトルネックとなり、精密鋳造がなければラピッドプロトタイピングの応用にも大きな制約が生じます。