ダイハツ工業は3Dプリンターで砂の型を造り、その型で試作部品を作る取り組みを進めている。今回、従来のアルミ部品だけでなく、エンジンなど鉄部品の試作も可能にした。その要になったのが、砂である。天然の砂から人口の砂に変えるなどして実用化した。
人工砂を使うメリットは砂の熱膨張率の低さによる型の精度の良さである(関連記事:ダイハツ、3Dプリンターで砂型を造り鉄部品の試作可能に)が、デメリットとなったのがアルカリ性物質であることだ。従来の天然珪砂は中性に近い弱酸性(シリカの成分割合によって性質が異なる)であるのに対して、今回の人工砂はアルカリ性である。
弱酸性の天然珪砂は反応において酸触媒と相性が良いのだが、人工砂はアルカリ性なので酸触媒を混ぜた際に中和されて結合反応が止まってしまう。このために従来の3Dプリンターによる造型では、人工砂を用いるフラン自硬性プロセスが採用できなかった。
そこでダイハツでは人工砂が生砂の状態で酸触媒をコーティングして強制的に酸化する方法を考案した。だが、一時的にはpHは下がるものの、アルカリ性の物質と接触しているために、少しでも処理に手間取ると時間の経過とともに弱酸性になってしまい、型が固まりにくくなる。
そこで生砂に特殊な酸性物質を使った処理を施して酸性の膜を内側に付加、そのうえで表面に酸触媒層によるコーティングを施す、“2層コーティング”と呼べる技術を開発した。
「砂の粒子の内側に中和を抑制する層を焼き付けるイメージで、酸性物質を添加した。さらに温度を上げて充分に内部で拡散させたうえで、酸触媒層を加えた結果、時間が経てもpHの値が変わらずに硬化が続くことになった」(ダイハツ生産技術部技術企画室主任係長の髙田和樹氏)という。
加えて、ダイハツはコスト抑制などを狙って、鋳造後の砂型のリサイクル性にも配慮して開発を進めた。
「従来は液体の酸触媒とフラン樹脂の2種類の材料を加えた砂の積層を繰り返す“2液湿式”を採用していたが、酸触媒を添加した人工砂を積層し続けるとさらに粘り強くなって泥状になるので積層が難しくなる。加えて、酸触媒の追加によって強い酸性を帯びるので、型材料を全量廃棄しなければならなかった。今回のプロセスは、人工砂に酸性物質と酸触媒層をあらかじめコーティングしているので“1液乾式”と呼んでいる。砂の酸性が強まらず、粘結剤を吹いていない部分(全使用量の30~50%)は乾いたままで硬化していないので、鋳造後に破砕・研磨処理した後、再度コーティングして再利用が可能となった」(髙田氏)。