金属鋳造は溶かした金属を鋳型に流し込み、冷却・凝固させることで金属部品を製造する、古くから使われてきた金属加工技術です。歴史ある技術でありながら、現在でも金属部品の製造において最も広く利用されている加工方法の一つです。

本記事では金属鋳造の基本的な仕組みや代表的な鋳造工程に加え、3Dプリントなどの最新のデジタルツールを従来の鋳造プロセスに取り入れることでメリットについて詳しく解説します。

金属鋳造の概要

鋳造技術はその誕生以来、常に進化と変化を重ねてきましたが、基本となる原理やプロセスは大きく変わっていません。ここでは、一般的な鋳造の工程をステップごとにご紹介します。

ステップ1：原型製作

鋳造工程に入る前に、まずは完成品の形状を再現するための「原型（パターン）」を作成する必要があります。鋳型の設計にはこの原型が不可欠です。原型は金属製品の正確な形状や寸法を実現するためのもので、従来は木材、発泡スチロール、プラスチック、あるいはワックス（蝋）などの素材で作られてきました。

近年では3Dプリンタを用いた原型製作が広く普及しており、設計者はCADソフトウェアを使ってデジタルデータから直接、精密な原型を作成できるようになっています。

原型は完成品の完全なレプリカというわけではありません。鋳造工程をスムーズに進めるため、溶かした金属（溶湯）を流し込む湯口や、内部のガスを逃がすための通気孔など、必要な構造が追加されています。
また冷却時に発生する金属の収縮を考慮し、原型は実際の完成品よりもやや大きめに設計されるのが一般的です。

鋳造品に中空構造が含まれる場合は、内部形状を正確に再現するために「中子（なかご）」と呼ばれる部品が用いられます。中子は通常砂や金属で作られ、鋳型の内部に配置された後、鋳造後に取り除かれます。

ステップ2：鋳型製作

次のステップは、鋳型の製作です。鋳型には、大きく分けて再利用可能なもの（非消耗型）と、使用後に破壊される再利用不可のもの（消耗型）があります。
消耗型の鋳型は、砂、石膏、ワックス、または3Dプリントによって作られることが多く、鋳造後に壊して取り出されるのが一般的です。一方、非消耗型の鋳型は金属などの耐久性の高い素材で作られ、同じ鋳型を使って何度も鋳造を行うことができます。

ステップ3：溶かした金属の流し込み

この工程では炉を使って金属を加熱して溶解させます。鋳造に用いられる金属として一般的なのは、鉄、アルミニウムおよびその合金、鋼、銅、亜鉛などです。また用途によっては金や銀といった貴金属が使用されることもあります。メーカーは製品の目的や特性に応じて、最適な材料を選択します。金属が十分に溶けたら、鋳型のキャビティ（空洞部）に流し込み、冷却・凝固させて形状を形成します。

ステップ4：鋳型の取り外しと洗浄

金属が冷却・凝固したら鋳型から鋳造品を取り出します。鋳型の種類によって取り出し方は異なりますが、代表的な方法には振動を加えて鋳型を崩す「型ばらし」、インベストメント材（埋没材）を洗い流す方法、エジェクタピンを使って押し出す方法などがあります。

続いて通気孔や堰、湯口など、鋳造過程で必要だった余分な部分を切除します。仕上げ工程では、やすりがけ、研磨、切削、サンドブラストなどの処理を行い、製品の最終的な形状と表面仕上げを整えます。

鋳造工程の種類

すべての鋳造技術で核となる工程は同じですが、用途に応じて様々な方法があります。最も一般的な方法は、ダイキャスト、インベストメント鋳造、砂型鋳造などです。

ダイカスト

ダイキャストは溶かした金属を鋼製の金型キャビティに高圧で注入し、金属部品を高速かつ高精度に製造する鋳造方法です。この工程では再利用可能なダイキャスト金型を機械に固定し、ノズルから金属を高圧で射出します。金属が冷却・凝固すると金型が開き、エジェクタピンによって鋳造品が取り出されます。

ダイキャスト工程には主に「ホットチャンバー方式」と「コールドチャンバー方式」の2種類があります。それぞれの工程には違いがありますが、共通する特徴も多く、どちらも高速・高精度な量産に適した手法です。

ホットチャンバーダイカスト

ホットチャンバーダイキャストは、2つのダイキャスト手法のうち最も一般的な方法です。この方式では金属を加熱・溶解するための炉が機械に組み込まれており、鋳造工程が一体化されています。金属が溶湯状態になると、円筒形のチャンバーがその中に降下し、射出部であるグースネックの構造により、チャンバーがすばやく溶湯で満たされます。その後、空気圧またはピストンの力で溶けた金属が金型内に高圧で注入されます。

このように射出部を直接溶湯に浸した状態で金属を注入できるため、工程は非常に迅速かつ効率的です。ただし、チャンバーが常に高温の溶湯にさらされるため射出部の腐食が課題となり、融点の高い金属の鋳造には適していません。ホットチャンバー方式は、鉛、マグネシウム、亜鉛、銅など、比較的融点が低く、流動性に優れた金属に適した鋳造手法です。

コールドチャンバーダイキャスト

ホットチャンバーダイキャストとは対照的に、コールドチャンバーダイキャストでは腐食を防ぐために低速での作業が行われます。この方法では作業者が射出部に溶湯を手動で充填し、その後ピストンの力で金属を金型に注入します。
この工程ではホットチャンバー方式で問題となる射出部の腐食リスクが低減されます。アルミニウムやアルミ合金など、融点の高い金属の鋳造に適した製造手法です。

ダイキャストの利点

ダイキャストは高速かつ高精度で鋳造品を製造できる技術です。複雑な形状の部品でも大量生産が可能で、滑らかな表面仕上げと高い強度を両立させることができます。この大量生産能力が評価され、自動車産業や航空宇宙産業などで欠かせない鋳造手法となっています。

ダイキャストの弱点

ダイキャスト用の金型や機器は高額なため、小ロットの量産では費用対効果があまり良いとは言えません。また使用する金属の加工特性によっては、複雑な形状の製品を製造できるかどうかに影響が出ることもあります。

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インベストメント鋳造は、ワックスやスラリー、鋳型を用いて複雑な形状の鋳造品を製造できる技術です。最も古くからある鋳造方法のひとつですが、繊細で精密な金属部品を作れることから現在でも高い評価を受けています。

この製法はジュエリーや歯科、アート分野を中心に広く用いられており、工業分野では「インベストメント製法」として、エンジニアリングや製造業で精密な金属部品の製造に活用されています。

インベストメント鋳造の原型は通常ワックスや3Dプリントによるポリマーで作られます。原型はツリー状に組み立てられ、シリカのスラリーに浸すか、フラスコに入れて液状のインベストメント石膏で覆います。石膏が乾燥したら鋳型を逆さまにして炉に入れます。これにより原型が溶け出し、内側に原型と同じ形状の空洞が形成されます。その後溶かした金属を重力や真空圧を利用して空洞内に流し込みます。鋳造後は、やすりがけ、研磨、切削、サンドブラストなどの処理を施し、最終的な形状や表面の仕上げを行います。

Clear Castレジン、Castable Waxレジン、Castable Wax 40レジン、True Castレジンは、すべてインベストメント鋳造用の3Dプリントパーツの製作にご利用いただけます。用途に応じて適した材料が異なり、Castable Waxレジンは軽量から中重量のジュエリーに適しています。True Castレジンは中重量のジュエリーや厚さ5mmまでのエンジニアリング部品に、Clear Castレジンは厚さ3mm以上の部品製作に最適です。

インベストメント鋳造の利点

インベストメント鋳造は非常に汎用性の高い技術です。ほかの鋳造方法では実現が難しい、あるいは不可能な複雑な形状でも、ほぼすべての金属を用いて正確かつ再現性の高い鋳造品を製造できます。また仕上がりの表面品質が優れているため、必要な表面処理や機械加工を最小限に抑えられ、寸法公差も非常に厳しく管理できる点が特徴です。

これらの特長からインベストメント鋳造品は自動車、航空宇宙、産業用機器、医療器具、歯科インプラントなどの複雑な形状を必要とする製品や、高級ジュエリー、美術品の鋳造に最適な製法となっています。

インベストメント鋳造の弱点

一方で、インベストメント鋳造は工程が複雑で手間がかかる方法でもあります。鋳型の作製には特殊な設備や高価な難溶性材料、結合剤が必要で、多くの手作業も伴います。また中子を必要とする鋳造品の製造は難易度が高く、比較的小さな部品の鋳造に適した手法です。

砂型鋳造

砂型鋳造は約3000年前に始まり、現在まで最も広く使われている鋳造方法です。この方法により機械加工に頼らずに鋳造品を製造することができます。

砂型鋳造では、まず原型または鋳造品のレプリカを作成します。原型の材料としては木材やプラスチックが一般的に用いられます。原型は収縮を考慮してやや大きめに作られます。片面に特徴的な形状がある部品の場合は、上の画像のように開放型の鋳型が必要です。複雑な形状の面が複数ある部品では原型を2つの鋳造ボックスに分割し、内側にキャビティを持つ密閉型の鋳型を作ります。上半分を「コープ」、下半分を「ドラッグ」と呼びます。

原型を作成したら、その周囲に隙間なく砂を詰めていきます。次に溶湯が鋳型のキャビティ内をスムーズに流れるように、湯道や堰を設けます。原型を取り除いた後は、砂型の中央をクランプで固定します。金属が溶けて溶湯状態になったら鋳型に流し込み冷却します。冷めた後は振動や高圧水を使って砂型を取り除きます。最後に鋳造品から湯道や堰を切り離し、最終的な形状に仕上げます。

砂型鋳造の利点

砂型鋳造は機械の制約を受けにくく非常に適応性の高い製造手法で、ほぼあらゆるサイズや複雑さの鋳造品を製造できます。砂は安価で豊富に入手できるため設備コストも低く、多様な改良が可能です。特に大型の鋳造品を製作する場合、砂型鋳造が現実的かつ経済的な唯一の方法と言えるでしょう。さらに製造期間が短いため、短納期の生産にも適しています。

こうした多用途性から、砂型鋳造は医療機器、自動車部品、電子機器、ガスタンク、エンジンブロックなど、幅広い産業で広く採用されています。

砂型鋳造の弱点

砂型鋳造で作られた製品は水密性が低く、表面はややざらついた仕上がりになります。また鋳造時に発生する収縮や表面の粗さにより部品の寸法精度が低下し、それに伴って製品の強度も影響を受けます。より高品質な仕上がりを求める場合は、時間をかけて丁寧な表面処理を行う必要があります。

3Dプリントを鋳造に活用

エンジニアやデザイナー、ジュエラー、ホビイストは、間接的なインベストメント鋳造、ダイレクトインベストメント鋳造、ピューター鋳造、砂型鋳造といった金属鋳造法と3Dプリント製の原型を組み合わせたり3Dプリント製の鋳型に直接金属を流し込んだりすることで、3Dプリントのスピードと柔軟性を最大限に活かすことができます。3Dプリントを活用したラピッドツーリングで製作された金属鋳造品は従来の鋳造方法に比べて製造時間が数分の一に短縮され、金属3Dプリントよりもはるかに低コストでの製造が可能です。

またSLA方式の光造形3Dプリンタには鋳造に対応した高精度な材料が豊富に揃っており、従来の鋳造方法と比べてデザイン上の制約を受けずに、低コストかつ短期間で金属部品を製作できます。

間接インベストメント鋳造

鋳型や金型から原型を作る工程は「間接インベストメント鋳造」と呼ばれます。これは最終的なインベストメント鋳型に加えて、原型を作るための型を別途製作する必要があるためです。
ワックス用の硬い鋳型（金型とも呼ばれます）は、一般的にアルミニウムやスチールを切削して作られます。この機械加工による鋳型製作には数千ドルの費用がかかり、鋳型を完成させてから実際に鋳造工程で原型を評価できるようになるまで加工や研磨作業に数週間を要します。

3Dプリントを活用すれば、High TempレジンやRigid 10Kレジンなど、高い耐熱性を持つ材料を使って金型を直接製作することが可能になります。鋳造品の表面品質を向上させるためには、金型の内面をやすりがけや研磨で滑らかに仕上げる方法や、均一でマットな仕上がりを好む場合はビーズブラスト処理を施す方法があります。寸法精度を保つためには実際の製品よりも大きめに鋳型を3Dプリントし、収縮分を補正します。ワックスや各鋳造工程で発生する収縮率の詳細は、サプライヤーの仕様書でご確認いただけます。

また鋳造用の鋳型を3Dプリント製の成形型に置き換えることで金型を直接プリントして機能を評価できるため、企画段階から最初の試作までの期間を数日にまで大幅に短縮できます。

鋳造品は成形性を考慮した設計規則（例えば、アンダーカットを避けることや抜き勾配を付けることで経済的になるなど）を満たす必要があります。しかし組立治具を使って複数の部品を一体化することで、複雑な原型の製作も可能になります。

ダイレクトインベストメント鋳造

ダイレクトインベストメント鋳造とは、原型を製作した後そのまま造形材料で原型を包み込む工程に移行できる方法です。複雑すぎる形状や広範囲にアンダーカットや細かいテクスチャがある部品の製造に最適です。通常の方法では金型製作に高額な費用がかかりますが、この方法なら効率的に対応できます。

従来は特注品や少量生産の部品の原型を手作業で彫ったり、機械加工で製作していました。しかし3Dプリントを導入することで原型を直接3Dプリントできるため、デザインや納期の制約が大幅に軽減されます。

またエンジニアが直接原型を製作できるため、工程全体の期間を短縮できるだけでなく従来のDFM（Design For Manufacturability／製造容易性設計）による制約を超えた自由な設計が可能になります。Formlabsは、特に工業用インベストメント鋳造やジュエリー鋳造に適した、ダイレクトインベストメント鋳造向けの3Dプリント材料を開発しています。

砂型鋳造

砂型鋳造でも、インベストメント鋳造と同様に原型を3Dプリントで製作できます。
従来使われてきた木材などの材料に比べ、3Dプリンタは非常に複雑な形状を精密に表現できるため、デザインデータからそのまま鋳造工程に移行することが可能です。

ピューター鋳造

ピューターは融点が低く加工性に優れた金属合金で、繊細な形状のメタルフィギュアやジュエリー、スケールモデル、骨董品のレプリカなど、装飾用途の金属製品に適しています。FormlabsのSLA方式3Dプリンタで使用できるHigh Tempレジンのような高耐熱性材料の登場により、ピューター鋳造用の鋳型を3Dプリントで直接製作できるようになりました。

鋳型の設計には犠牲鋳型法と強制剥離型の2種類があります。犠牲鋳型法では鋳造工程の途中で鋳型を破壊することを前提にシェルを作ります。一方、強制剥離型は鋳型が半面ずつに分かれており、再利用が可能です。

3Dプリント製の鋳型を使ってピューターを鋳造すると、金属の3Dプリントに比べてコストを抑えつつ、細部の再現性や表面品質を大幅に向上させることが可能です。さらにワックス鋳造と比較しても、直接3Dプリントした鋳型を用いることで工程にかかる手順や手作業を削減しながら、より繊細なディテールを最大限に表現できます。

鋳造工程に3Dプリントを取り入れるには

設計の自由度を高めながらコストと製造期間の削減を目指すなら、鋳造工程への3Dプリントの導入が非常に有効です。断面のある大型形状や複数の中子を必要とする部品など、従来の鋳造法では困難だった複雑なデザインも3Dプリントを活用することで製造が可能になります。例えば鋳物工場やジュエリー業界では、3Dプリント製の原型なしでは製造が難しかった複雑な特注品も手軽に作れるようになります。

さらに3Dプリントを導入すれば、複数の機械設備や外部の受託メーカーに依存せずに済みます。デジタルデータと3Dプリンタ、材料さえあれば誰でも製造でき、材料はすべて最終製品の造形に使われるため、コストや廃棄物の削減にもつながります。

さらに鋳造工程に3Dプリントを取り入れることで、コストや製造期間の削減も可能になります。従来のように高価な金型を何週間もかけて製作するのではなく、3Dプリンタを使えば、原型や鋳型をわずか数時間で作成できます。

Diversified Metalsmiths, Inc.では最新の技術を従来の金属鋳造工程に取り入れることで、コスト削減、製造期間の短縮、そして需要への迅速な対応を実現しています。同社ではFormシリーズのSLA方式3DプリンタとClear Castレジンを活用することで、これまでの鋳造プロセスや外注体制を変えることなく、鋳造用の原型を短時間かつ手頃な価格で内製できるようになりました。

「Form 3Lを購入した主な理由は、原型製作にかかるコストの違いです。Form 3Lと関連機器を償却した場合でさえ、現在受けている注文分は収支均衡となりますし、今後の注文にいたっては部品1点あたり200ドル以上も節約できる想定です。アクリル製の原型を作る場合も、SLA光造形でClear Castレジンを使って原型を作る場合も、鋳造前後の工程にほとんど違いがありません」
Diversified Metalsmiths 技術部長、John Farr氏

鋳造工程に適した3Dプリンタ

鋳造に3Dプリントを組み合わせることで、より高速かつ効率的な製造が実現できます。
FormlabsのSLA光造形方式3Dプリンタなら、鋳造工程にかかる時間やコストを削減できます。Formlabsの光造形3Dプリンタの詳細またはご相談につきましてはお気軽にお問い合わせください。