世界最高スペックの鋳造用砂型 3Dプリンタの製品化に成功

産学官連携で世界最高スペックを目指す

「鋳造」とは、金属を熱で溶かし、鋳型に流し込んで成形する金属の加工法をいいます。自動車などに使用される機械部品の多くは鋳造によって作られた部品が使われており、日本のものづくりには欠かすことができない技術です。従来、鋳造に使う砂型は、最初に原型となる木型を作り、その木型を用いて作るものでした。しかし、木型は手作りのため工数がかさみ、コスト削減にも限界があります（図1）。
こうした状況の中、自動車などの機械部品の設計・開発手法として注目されているのが、鋳造用砂型3Dプリンタです。従来、木型を用いて作製していた砂型を、砂をバインダ（結合剤）で一層ずつ固めていくことで積層造形していきます。

図1（左）　従来の木工法
（木型を製作⇒砂を用いて木型の形状を転写⇒木型を取り出す⇒溶けた金属を流し込む⇒砂型を壊し鋳造品を取り出す）
写真1（右）　3Dプリンタによる砂型造形

3Dプリンタによる砂型造形では木型を作る必要がないため、鋳造品の試作が格段に容易になります。また、多数の試作により量産前の検証を十分に行えるようになり、製品の信頼性向上も期待できます（写真1）。2008年ごろ、当時の砂型3Dプリンタは欧米のメーカーが先行していました。しかし、海外の装置だと言語の壁があります。マニュアル、サポートも全て英語だったので日本のユーザーは導入することが難しいのが実情でした。装置のトラブル等が発生しても、遠距離であること、言語問題で正確にトラブルの内容を把握できない等、対応が遅れる問題があったのです。そこで国立研究開発法人産業技術総合研究所（産総研）製造技術研究部門総括研究主幹の岡根利光さんは、海外製プリンタに見劣りしない生産性で、より複雑な鋳造物を量産できるメイドインジャパンの砂型用3Dプリンタ開発を考えました。

図2　TRAFAM 体制図（鋳造用砂型3Dプリンタ開発）

こうした背景のもと、2013年7月に経済産業省の事業として「超精密三次元造形システム技術開発プロジェクト」がスタートし、TRAFAMがその翌年に設立されました（図2）。
TRAFAMは、世界最高水準の純国産産業用3Dプリンタの開発を目的として、2014年に設立された技術研究組合で、組合員は、岡根さんが所属する産総研のほか、装置開発、材料開発、実証・評価を担当する企業および大学等で構成されています。TRAFAMは高速化、高精度化、材料の多様化を実現する砂型積層造形（バインダジェット）方式を採用した次世代型産業用3Dプリンタの技術・材料の開発を行い、評価基盤等の周辺技術を開発して、ものづくりの高付加価値化を進めています。

「超精密三次元造形システム技術開発プロジェクト」でリーダーを務めた岡根さんの力強い開発パートナーが、群栄化学工業株式会社開発本部商品技術部長の永井康弘さん、シーメット株式会社取締役開発部部長の大場好一さん、株式会社コイワイ専務取締役の小岩井修二さんでした。

産学官連携の「超精密三次元造形システム技術開発プロジェクト」で目指したのは、海外の特許に抵触せず、海外製品の性能を上回る鋳造用砂型3Dプリンタの開発でした。コイワイは鋳物の試作・量産を行っており、海外のバインダジェット方式の3Dプリンタを2008年に日本で初めて導入するなど実績がありました。それだけに海外製品の問題点も熟知しており、自分たちの困り事が全て解決できれば、世界最高峰の3Dプリンタができると確信していました。そこに化学メーカーの群栄化学工業、光造形システムの製造販売の実績があるシーメットが加わりました。

バインダジェット方式を採用

樹脂や金属の部品を直接造形する従来の3Dプリンタは作製に時間がかかり、大量生産に向かないという側面がありました。そこで岡根さんはもともと鋳物の砂型に利用され、高速造形が可能なことで知られていたバインダジェット方式を利用することを考えました。
バインダジェット方式は、紙の印刷に使われているインクジェット方式の紙とインクの代わりに、敷きつめられた砂に、バインダと呼ばれる特殊な結合剤を噴出して立体物の断面に塗布する動きを繰り返して積層造形をする方式です（写真2)。

写真2　敷きつめられた砂にバインダが塗布された状態

「バインダジェット方式と同じ原理のインクジェット方式は印刷用の版下など大きなものの速い印刷に使われていたので、このスピードを利用したいと考えました」（岡根さん）
そして岡根さんは海外メーカーで主流のバインダジェット方式をさらに独自の方式へと改善します。

造形速度を毎時１万ccから10万ccへ

岡根さんは過去に、二輪車の車体フレーム部品を砂型用3Dプリンタで開発しており、15kgあったフレームを60%軽量化することに成功していました。
しかし問題はスピードでした。当時のバインダジェット方式の積層スピードは毎時１万cc。このスピードでは一般乗用車で量産型となると能力が足りませんでした。岡根さんは、速度を一桁上げれば量産にも対応できると考えていました。 例えば、自動車部品のシリンダーヘッドの鋳造であれば、砂型が6分に１個必要です。これは、1日10時間稼働とすると1日に100個生産できるスピードとなり、毎時10万cc以上あれば量産に対応できます。そこで岡根さんはプロジェクトで、毎時10万cc以上のスピードおよび最大造形サイズ1m×1m×0.6m以上を目標に設定しました。
すでにこの目標スペックが決まっていた段階でプロジェクトに参加した大場さんは、毎時10万ccという製造スピードに驚きながらも、「やってできないことはない。テストを重ねながら感触を掴んでいきました。自社のソフトウェア、ノウハウなど3Dや造形の技術には自信がありました。それをフル活用したということですね」と当時を振り返ります。

プロジェクトでは、いきなり10万ccのハードルは高いので、まずは１万ccのバインダジェット方式の装置を開発しました。そして商品化もしてユーザーの反応を見ながら、並行して５万ccのプロトタイプの装置を開発しました。設計から製造を毎年繰り返しながら、毎時10万ccという世界最高レベルの速度で造形できる3Dプリンタの開発がスタートしました。