3Dプリンタでワックス模型を作り、ロストワックス法で鋳造すれば、切削加工では難しい複雑形状を型を起こさずに試作できる。ただしワックスの収縮と埋没材の膨張を踏まえた寸法補正が成否を分ける。

3Dプリンタで作ったワックス模型が割れる理由

ロストワックス法で試作品を作ろうとして3Dプリンタで出力したワックス模型を埋没材に埋めたところ、焼成中に割れたという失敗は珍しくなく、教科書ではワックス模型を焼き切ると簡潔に書かれていても、実際には急激な熱膨張で埋没材が割れて鋳型として使えなくなる場合があり、その背景には3Dプリンタ用ワックス材の熱膨張率が手作業で成形する鋳造用ワックスよりも大きいという材料差がある。

ロストワックス法は、ワックス模型を埋没材で包み、焼成炉で加熱してワックスを溶かし・燃焼させて空洞を作り、そこに溶湯を注ぐ鋳造法であり、3Dプリンタを使えば切削加工では難しい内部空洞や複雑な曲面を持つ模型を型無しで出力できる一方で、従来の手作業で行うロストワックス法と同じ条件で焼成すると、埋没材が割れる・ワックスが不完全燃焼で残る・鋳型内にガスが溜まるといった不良が出やすくなる。

3Dプリンタ用のワックス材は、光造形方式ならUV硬化樹脂に可燃性のフィラーを混ぜた材料、FDM方式ならPLA系のフィラメントが使われ、いずれも鋳造用ワックスと比べて熱膨張率が大きいため、焼成温度を急激に上げると埋没材にかかる応力が増し、鋳造工は焼成プログラムの昇温速度を下げたうえでワックスが気化する温度帯の保持時間を長く取り、割れの起点を作らない条件へ寄せていく。

前提条件・必要な道具

3Dプリンタの選択基準

ロストワックス法で使う模型を出力できる3Dプリンタは、光造形方式（SLA・DLP）とFDM方式の2種類であり、光造形方式はUV硬化樹脂を層ごとに固めて造形するため0.05mm以下の積層ピッチで滑らかな表面が得られる一方、ロストワックス法では模型の表面粗さがそのまま鋳物の内面に転写されるため、仕上がりを優先するなら光造形方式の方が有利となる。

FDM方式は樹脂フィラメントを溶かして積層する方式であり、積層ピッチは0.1〜0.2mm程度になるため表面に積層痕が残って鋳物の内面も粗くなりやすいが、光造形方式よりも材料費が安く、大型の模型を短時間で出力できるので、試作の目的が形状確認や強度試験である場合は、表面粗さよりも製作速度とコストを優先してFDM方式を選ぶ場面もある。

どちらの方式でも、出力後の模型に残るサポート材の除去と表面の洗浄が必要であり、サポート材が残ったまま埋没すると焼成時に燃え残って鋳型内にガスが溜まりやすくなるため、光造形方式ではイソプロピルアルコールで未硬化の樹脂を洗い流し、FDM方式では手作業でサポート材を取り除く工程を省けない。

ワックス材・樹脂材の選択

光造形方式で使う樹脂は、燃焼時の灰分（焼成後に残る無機物）が少ないキャスタブルレジンを選ぶ必要があり、一般的なUV硬化樹脂は燃焼後に炭素が残って鋳型内面に付着し鋳肌不良の原因になるのに対し、キャスタブルレジンはワックスと同様に燃焼後の灰分がきわめて少なく、鋳型内に残渣を残しにくい。

FDM方式ではPLA系のフィラメントが使われるが、PLAは燃焼時に大量の煙とガスを発生させるため、焼成炉の排気能力が小さいとガスが鋳型内に残って鋳巣の原因になり、現場ではPLAの代わりに燃焼性の良いワックス系フィラメントを使う例もある一方で、ワックス系フィラメントは柔らかく積層時に反りが出やすいため、造形台の温度管理と冷却速度の調整が欠かせない。

埋没材と焼成炉

ロストワックス法で使う埋没材は、石膏系と珪砂系の2種類であり、石膏系埋没材は硬化時の膨張率が大きくワックスの収縮を補償できるため寸法精度を出しやすい一方、珪砂系埋没材は耐熱性が高く鉄系材料やステンレスなど高融点の溶湯に使え、3Dプリンタで出力した模型は手作業で成形したワックスよりも寸法が安定しているため、石膏系埋没材を使えば寸法補正の幅を小さくできる。

焼成炉は電気炉が一般的で、温度制御がプログラム可能なものを選ぶ。ワックスの気化温度帯（150〜300℃）で保持時間を取るため、昇温速度と保持温度を段階的に設定できる機能が必要になる。炉内の排気能力も重要であり、ワックスが燃焼して発生するガスを外部に排出できないと鋳型内にガスが残るため、炉の容量は埋没材を流し込むフラスコ（鋳型容器）の大きさに合わせて選定する。

湯口と押湯の設計

3Dプリンタでワックス模型を作る場合、湯口と押湯も一体で出力でき、従来のロストワックス法では模型を手作業で成形した後に湯口棒と押湯棒をロウ付けするため接合部から剥がれやすいが、3Dプリンタで一体出力すれば接合部が無くなり、埋没時の変形も防ぎやすくなる。

湯口の太さと配置は、溶湯の流れと凝固の順序を考えて決める必要があり、湯口が細いと溶湯の流れが遅くなって鋳型内で凝固が始まり湯回り不良が出る一方、太すぎると押湯の効果が薄れて製品部に引け巣が残るため、教科書にある湯口の断面積を製品の最大断面積の1/3〜1/2にするという目安だけでは足りず、3Dプリンタで出力する模型は肉厚が一定でない場合も多いことから、現場では湯口の位置を製品の最も厚い部分に近づけ、押湯を最後に固まる部分の真上へ置く調整が重視される。

Step 1: 3DCADでワックス模型を設計する

ロストワックス法で鋳造する製品の3Dモデルを作る際には、ワックスの収縮と埋没材の膨張を見込んだ寸法補正が必要であり、ワックスは焼成時に気化する一方で埋没材は硬化時に膨張するため、両者の変化量を別々に把握したうえでモデル寸法に反映させる必要がある。石膏系埋没材の場合、硬化時の線膨張率は一定の範囲で見込む考え方が一般的である。ワックスの収縮率は材質によって異なるが、キャスタブルレジンの場合も収縮を見込んで補正する必要がある。

3DCADで設計する段階では、製品の寸法に対して埋没材の膨張率とワックスの収縮率を加味した補正を加えるが、補正値は理論値にとどまり、実際には埋没材の配合・焼成温度・溶湯の温度によって寸法が変わるため、初回の試作では補正無しで出力し、鋳物の寸法を測定して補正量を決めるという回り道も珍しくない。

3Dモデルには湯口と押湯も含める。湯口は製品の最も厚い部分に接続し、押湯は湯口の反対側に配置する。湯口の長さは50mm以上取り、溶湯が鋳型内に入る前に流速を落とせるようにする。押湯の体積は製品の最も厚い部分の体積の1.5倍以上が目安であり、製品の形状が複雑な場合は押湯を複数配置する構成となる。

Step 2: 3Dプリンタでワックス模型を出力する

光造形方式で出力する場合、スライサーソフトで積層ピッチとサポート材の配置を設定し、積層ピッチは0.05mm以下にすれば表面の粗さを抑えられるが、サポート材は模型の下面と傾斜面に自動配置されるため接点が多いと除去時に表面を傷つけやすく、造形精度だけを追う設定がそのまま後工程の欠点になることもあるので、サポート材の密度を下げて接点の数を減らす調整が効いてくる。

FDM方式で出力する場合、積層ピッチは0.1〜0.2mmに設定する。ノズル温度とベッド温度は材料メーカーの推奨値に従うが、ワックス系フィラメントの場合はノズル温度を低めにして、フィラメントが溶けすぎないようにする。造形速度を遅くすれば積層精度が上がるが、出力時間は長くなる。

出力後の模型は、サポート材を除去してから表面を洗浄する必要があり、光造形方式ではイソプロピルアルコールに浸けて未硬化樹脂を洗い流し、UV硬化炉で二次硬化を行う一方、FDM方式では手作業でサポート材を取り除き、表面に残った糸状の樹脂をカッターで削ることになり、サポート材の除去が不完全だと焼成時にガスが発生して鋳型内に残るため、この段階の処理不足が後工程の不良へ連鎖しやすい。

Step 3: 埋没材を調合してフラスコに流し込む

石膏系埋没材は、粉末と水を混ぜて使う。混合比は埋没材のメーカーが指定する値に従うが、一般的には粉末100に対して水30〜40の重量比だ。水が多いと硬化後の強度が下がり、水が少ないと流動性が悪くなって模型の細部に埋没材が入らないため、指定比率から大きく外すと寸法精度だけでなく鋳型強度にも影響が及ぶ。

埋没材を混ぜる際には真空脱泡機を使って気泡を抜くべきであり、気泡が残ったまま硬化すると鋳型内面に穴が開いて溶湯が流れ込み、鋳肌不良の原因になる一方、真空脱泡機が無い場合は埋没材をゆっくり攪拌して気泡が浮き上がる時間を取る必要があり、ただし攪拌時間が長すぎると埋没材が硬化し始めるため、攪拌開始から流し込みまでを5分以内に終える管理が求められる。

ワックス模型をフラスコ（金属製の円筒容器）の中央に固定し、埋没材を流し込む。模型の湯口側を上にして、押湯が最も高い位置に来るように配置する。埋没材は模型の下側から流し込み、気泡が模型の表面に残らないようにする。フラスコの縁まで埋没材を流したら、再度真空脱泡機にかけて気泡を抜く。

埋没材の硬化時間は室温で30分〜1時間であり、硬化後にフラスコを取り外して鋳型の表面を確認し、ワックス模型が露出していれば埋没材の量が不足していると判断できるが、この場合に再度埋没材を流し込むと一度硬化した埋没材と新しい埋没材の境目に亀裂が入りやすいため、初回の流し込みで模型全体を覆うようにフラスコの高さと埋没材の量を調整し切る必要がある。

Step 4: 焼成炉でワックスを焼き切る

埋没材が硬化したら、焼成炉に入れてワックスを焼き切る。焼成プログラムは、昇温速度・保持温度・保持時間の3要素を段階的に設定する。3Dプリンタで出力したワックス模型は、手作業で成形したワックスよりも熱膨張率が大きいため、昇温速度を遅くして埋没材への応力を減らす必要がある。

一般的な焼成プログラムは、まず室温から150℃まで1時間かけて昇温し150℃で1時間保持してこの温度帯でワックスを軟化させて埋没材の隙間から流れ出させ、次に150℃から300℃まで1時間かけて昇温し300℃で2時間保持して気化・燃焼を進め、最後に300℃から700℃まで2時間かけて昇温し700℃で1時間保持することで、埋没材に残った炭素を燃焼させて鋳型内を清浄にする流れである。

焼成炉の排気口は開けておく。排気が不十分だと、炉内にガスが溜まって不完全燃焼を起こす。すると鋳型内に炭素が残る。焼成が終わった後も急冷は避けるべきであり、炉内で鋳型を冷却し、炉の電源を切ってゆっくり冷ますことで埋没材の割れを抑え、鋳型の温度が200℃以下になった段階で取り出す手順となる。

Step 5: 溶湯を注いで凝固させる

鋳型の温度が室温まで下がったら、溶湯を注ぐ準備をする。ロストワックス法で使う材料はアルミニウム合金・青銅・真鍮・ステンレスなどだ。材料の融点に応じて溶解炉を選ぶ。アルミニウム合金なら電気炉またはガス炉、青銅・真鍮なら高周波誘導炉、ステンレスなら真空溶解炉を使う。

溶湯の温度は、材料の融点より50〜100℃高い温度に設定する。温度が低いと鋳型内で凝固が始まり、湯回り不良が出る。温度が高すぎると鋳型が焼け、鋳肌が荒れる。溶湯の温度は熱電対で測定し、注湯直前に再度確認する。

注湯は鋳型の湯口から溶湯をゆっくり流し込むが、注湯速度が速いと溶湯が鋳型内で跳ねて空気を巻き込みガス巣の原因となる一方、遅すぎると鋳型内で凝固が始まって湯回り不良が出るため、湯口から溢れない程度の速度で連続して注ぎ、押湯まで溶湯が満たされた時点で注湯を止めて鋳型を静置する。

凝固時間は製品の肉厚と材料の熱伝導率で決まり、アルミニウム合金なら数分、青銅・真鍮なら10分程度、ステンレスなら20分程度かかるため、取り出しを急ぐと内部が安定しないまま後工程へ進むことになり、凝固が完了した後に鋳型を水に浸けて埋没材を溶かし、鋳物を取り出してから湯口と押湯をグラインダーで切断し、表面をブラスト処理で清浄にする。

よくある失敗と対処法

埋没材が焼成中に割れる

3Dプリンタで出力したワックス模型を埋没材で包んで焼成したところ、埋没材に亀裂が入り、溶湯が漏れ出す失敗がある。原因は焼成プログラムの昇温速度が速すぎることにあり、ワックスが急激に膨張すると埋没材にかかる応力が大きくなって亀裂が入る。

対処法は焼成プログラムの昇温速度を半分に下げることであり、特に150℃から300℃の温度帯はワックスが気化する温度帯であるため、この区間の昇温速度を1時間に50℃以下に抑え、保持時間も長く取ってワックスが完全に気化してから次の温度帯に移ることで、割れの再発を抑えやすくなる。

鋳物の内面に炭素が残る

鋳物を取り出したところ、内面に黒い炭素の膜が付着していたという失敗がある。原因はワックスの不完全燃焼であり、焼成炉の排気能力が小さいとワックスが燃焼して発生したガスが炉内に残り、その結果として炭素が鋳型内に付着する。

対処法は、焼成炉の排気口を開けて換気を強化することだ。排気ファンが付いている炉なら、ファンの回転数を上げる。それでも炭素が残る場合は、焼成プログラムの最高温度を800℃まで上げ、保持時間を2時間に延ばし、高温で長時間保持して炭素の燃焼を進める。

鋳物の寸法が設計値と合わない

鋳物の寸法を測定したところ、設計値よりも大きい・小さいという寸法不良が出る失敗がある。原因は埋没材の膨張率とワックスの収縮率を正確に見込んでいないことにあり、埋没材の種類・焼成温度・溶湯の温度が変わると、寸法も連動して変わる。

対処法は、初回の試作で鋳物の寸法を測定し、設計値との差を記録したうえでその差の分だけ3Dモデルの寸法を補正し、再度出力して鋳造することであり、数回の試作を重ねれば補正量が安定していき、鋳造品の寸法公差はJIS B 0403で規定されているものの、ロストワックス法の場合は砂型鋳造よりも公差を小さくできることが見て取れる。

湯回り不良で製品の一部が欠ける

溶湯を注いだが、製品の薄肉部や先端部に溶湯が回らず、欠けた状態で凝固する失敗がある。原因は、溶湯の温度が低い・湯口の配置が悪い・鋳型の温度が低いのいずれかである。

対処法は、溶湯の温度を融点より100℃高くすることに加え、鋳型の温度も200℃程度に予熱して溶湯が鋳型内で急冷されにくい状態を作り、さらに湯口の配置は薄肉部の近くに追加の湯口を設けることで改善できるため、3Dモデルの段階で湯口を複数配置し、溶湯が全体に行き渡るように設計へ戻して見直すことになる。

安全上の注意点

焼成炉を使う際には、炉内の温度が700℃以上になるため、耐熱手袋と保護メガネを着用し、炉の扉を開ける際には高温の空気が顔に当たらないよう扉の横に立って開け、フラスコを取り出す際には金属製のトングを使って素手で触らないことが基本となる。

溶湯を扱う際には、溶湯が皮膚に触れないよう長袖の作業服と耐熱エプロンを着用し、床にこぼれた場合はコンクリートに含まれる水分が急激に蒸発して爆発的に飛散する（スポーリング）ため、あらかじめ床には乾燥した砂を敷いておき、万一こぼれても溶湯が砂に吸収される状態を作っておく必要がある。

埋没材を水に浸けて溶かす際には、鋳型の温度が100℃以下に下がってから行う。高温の鋳型を水に入れると、急激な温度差で鋳型が破裂し、破片が飛散する。鋳型の温度は赤外線温度計で確認し、安全を確認してから作業する。

3Dプリンタで使うキャスタブルレジンやワックス系フィラメントは可燃性があるため、保管場所では火気を近づけず、焼成炉の周辺も換気を十分に行って可燃性ガスが溜まらないようにし、作業後は炉の電源を切ったうえで炉内の温度が室温まで下がったことを確認してから現場を離れるべきである。

次にやるべきこと

3Dプリンタでワックス模型を出力し、ロストワックス法で試作を行ったら、次は量産に向けた金型の設計に進む。ロストワックス法は1個ずつ模型を作るため、量産には向かない。試作で形状と寸法が確定したら、金型を起こしてダイカストまたは重力金型鋳造に切り替える判断となる。

ダイカストは金型に溶湯を圧力をかけて注入する鋳造法で、寸法精度が高く、1つの金型で数万個の製品を作れる。一方、重力金型鋳造は金型に溶湯を自然に流し込む鋳造法であり、ダイカストよりも設備費が安く中量産に向くため、どちらを選ぶかは製品の数量・寸法公差・材料の組み合わせで決まってくる。

金型の設計では、抜き勾配・分割面・湯口の配置が重要であり、抜き勾配は製品を金型から取り出すための傾斜として一般的には1〜3度付け、分割面は金型を上下に分ける面として製品の形状に応じて決め、湯口の配置はロストワックス法と同じく最も厚い部分に近づける必要があるため、金型の設計を外部に委託する場合は試作品の3Dデータと鋳物のサンプルを提供し、寸法公差と表面粗さの要求を明確に伝えることになる。

試作で失敗した箇所が量産でも繰り返し問題になるという見方は鋳造現場で広く共有されており、湯口・押湯の配置と寸法補正を試作段階で詰めておけば、量産用金型の手戻りを減らしやすいという関係がここでも見て取れる。