インベストメント鋳造：プロセス、利点、用途

インベストメント鋳造は、業界で最も広く使用されている鋳造プロセスの一つです。高い寸法精度、滑らかな表面、複雑な設計への対応力、迅速な生産など、多くの利点があるため、メーカーはインベストメント鋳造を頻繁に採用しています。

この記事では、精密鋳造について知っておくべきことをすべてご紹介します。精密鋳造の歴史を簡単に説明し、そのプロセスを詳しく説明するとともに、その用途、材料特性、メリットとデメリットについても考察します。

インベストメント鋳造とは何ですか?

インベストメント鋳造は「ロストワックス鋳造」とも呼ばれます。ワックス状の材料を用いて消耗品となる原型を作製し、その原型の正確な複製を作製するプロセスです。このプロセスでは、優れた耐熱性を持つセラミック製の鋳型を使用します。その結果、ほぼネットシェイプで、非常に高い表面品質の部品を製造できます。

その多くの利点と適応性により、他の鋳造方法の強力な競争相手となっている。 砂型鋳造とダイカストとりあえず、インベストメント鋳造について学び続けましょう。

歴史 私投資 C焼く

人々は5000年以上もの間、同様の方法で物を作ってきました。純粋な蜜蝋で作られた型は、金や銅などの軟質金属の鋳造に使用されていました。考古学者たちは、当時の宝飾品、偶像、芸術作品を発見しており、それらは見るだけでも興味深いものです。

金属加工に関する知識が深まるにつれ、人々は新たな金属鋳造技術の実験を始めました。この技術は19世紀末に歯科矯正器具の製造に使用され、さらに発展しました。

第二次世界大戦により、このプロセスは多くの人々に知られるようになりました。軍は、強度、精度、そして再利用性に優れた部品を製造する方法を必要としていました。その結果、現在インベストメント鋳造として知られるプロセスの改良が始まりました。

インベストメント鋳造はどのように機能しますか?

長年にわたり、メーカーは最高の鋳物を製造するため、精密鋳造プロセスの改良に尽力してきました。このセクションでは、その6つのステップを詳しく見ていきます。

マスターモデルの作成

ワックスモデルは、完成品の形状を正確に再現したものです。「マスターモデル」とは、鋳造に繰り返し使用できる基準となるものです。マスターモデルの鋳型を作成する際に使用される材料としては、ワックス、木材、金属、シリコンゴムなどが一般的です。どの材料を使用するかは、モデルの寿命とデザインの複雑さによって異なります。さらに、加熱・冷却時の材料の膨張・収縮の度合い、そして表面品質も考慮すべき要素です。各鋳造サイクルにおいて、オペレーターはマスターデザインに基づいてワックスモデルを作成します。

今日、エンジニアは3Dプリントやインベストメント鋳造法といった最先端の手法を用いてモデルを製作しています。かつては、 ダイカストプロセス ワックスモデルの作成には、しばしば3Dプリントが用いられていました。現在、3Dプリントは急速に普及している新しい技術です。エンジニアは、FDM方式の3Dプリントを安価で比較的高精度なため好んでいます。

ワックスモデルの組み立て

次のステップは、前のステップで作成したすべてのモデルをロストワックス鋳造の型に組み立てることです。組み立てられたモデルは木のように見えるため、「ツリー」という名前が付けられました。

オペレーターは、ゲート／ランナー／ライザーのネットワークを用いてモデルを組み立てます。このゲートネットワークにより、溶融金属が金型のあらゆる部分にスムーズに流れ込むようになります。

この組立工程は、手作業でも自動でも行うことができます。生産量が少ない場合や、鋳造品の形状がそれぞれ異なる場合は、手作業による組立を選択する場合があります。一方、鋳造工程を繰り返す場合は、自動化された生産セルを導入することが合理的です。

耐火材の塗布（含浸）

次に、作業員は型に耐火材を塗布し、所望の特性を実現します。コーティング工程には複数の含浸工程が含まれます。木をゆっくりと回転させ、セラミックスラリーと砂と石膏の混合物に何度も浸します。粘土は型が高温に耐えられるようにし、石膏は型をより強固にします。

ディッピング工程が進むにつれて、ワックスモデルの周りのセラミックシェルはどんどん厚くなっていきます。最初の層（マスターコアとも呼ばれます）を仕上げる際は、特に注意が必要です。これはパーツの品質と形状に大きな影響を与えます。

この工程は、シェルが適切な厚さになるまで繰り返されます。ほとんどの場合、シェルの厚さは3/8インチから1/2インチの間です。これは鋳造材料、サイズ、重量によって異なります。部品が重く、金属の融点が高い場合は、高温と高圧に耐えられるだけの厚みのあるシェルが必要です。

脱蝋

脱蝋工程では、溶融によって粘土殻からワックスを除去します。ワックスを加熱して溶かすために、工場では通常、蒸気オートクレーブまたは自溶炉が使用されます。

次に、オペレーターは溶融ワックスが容易に流れ出るように金型を下げます。金型はオートクレーブ内で90℃～175℃の温度で12時間加熱され、ワックスの大部分が流れ出ます。その後、金型はより高い温度（最高1000℃）で数時間焼成され、残留ワックスと水分が除去されます。

これは鋳造プロセスにおいて非常に重要なステップです。高温下では鋳型シェルに欠陥が生じる可能性があるためです。技術者は通常、ひび割れの発生を回避しようとします。そのため、精密鋳造工場では通常、鋳型に損傷を与えない方法で脱蝋処理が行われます。

さらに、このプロセスには耐火材料の熱処理という副次的な利点があります。これによりシェルが強化され、溶融金属との反応が起こりにくくなります。

予熱と注入

ここから、インベストメント鋳造プロセスが本格的に始まります。鋳型は、高温の溶融金属と接触した際に過度の反応を起こさないように予熱されます。

溶融金属は、作業員または機械によって制御された方法で鋳型に注入されます。一定の充填速度を維持することが重要です。これにより、乱流による鋳造欠陥を防止できます。さらに、溶融金属が空気と反応しやすい場合は、鋳型周囲に空気がないことを確認する必要があります。充填が完了すると、金属は鋳型内で固化し、冷却されます。

後処理

金属が固まると、ハンマー打撃またはウォータージェットを用いて金型を破壊します。部品を金型から取り出した後、一連の中仕上げ工程が行われます。

一つの作業は、製品の一部ではない注湯システムを閉じることです。粗い表面、鋭利なエッジ、その他の欠陥は、研磨やサンドブラストによって除去することもできます。 CNCフライス加工 ドリル加工とドリリングは、穴あけや表面加工にも使用できる2つの加工プロセスです。さらに、部品には様々な表面処理を施すことで、必要な表面仕上げを実現できます。

部品は後加工後、品質検査を受けます。検査チームは浸透探傷試験などの手法を用いて、ひび割れや穴などの欠陥がないか部品を検査します。また、強度、硬度、形状、寸法限界といったその他の品質要因も検査します。

さまざまな種類の精密鋳造材料

インベストメント鋳造の大きな利点の一つは、鉄金属や非鉄金属など、幅広い材料に対応できることです。つまり、最終製品の機械的特性はそれぞれ異なります。

• 鋼鉄軟鋼、高炭素鋼、その他の特殊合金鋼は、精密鋳造に適しています。精密鋳造で作られた鋼部品は、造船、航空機、軍事など、多くの分野で使用されています。
• ステンレス鋼ステンレス鋼は強度が高く、錆びにくく、滑らかで光沢のある表面をしています。ポンプハウジング、バルブ部品、ギア、ブッシングなどが一般的な部品です。
• アルミニウム あロイズこれらの金属は軽量で強度が高く、錆びにくいという特徴があります。アルミニウム合金部品の主な用途は、航空機や自動車部品です。
• ニッケル あロイズニッケル合金は非常に強度が高く、錆びず、高温でも安定しています。これらの金属で作られた鋳物は、高温の酸化環境で使用され、高いレベルの応力にも耐えることができます。
• コバルト あロイズこれらの合金は非常に強度が高く、摩耗、錆、化学反応、過熱、冷却を起こさないため、重機、医療、食品加工などに使用されています。
• キャスト 私ロン鋳鉄は非常に耐久性と強度に優れています。電気部品、配管継手、工具の歯車などに使用されます。
• 銅 あロイズ青銅や真鍮などの銅合金は、美しい外観を持ち、適度な引張強度と優れた熱伝導性を備えています。そのため、これらの金属は配管部品、ラジエーター、熱交換器などの部品に使用されます。

インベストメント鋳造部品の仕上げ方法

脱蝋後、精密鋳造品の表面は多少粗くなります。これは、粘土鋳型の主中子の跡が残っているためです。これらの部分の表面粗さは通常125Raですが、鋳型の材質や品質によって多少異なる場合があります。

そのため、望ましい滑らかな表面を実現するための表面処理は数多く存在します。材料を除去することで滑らかな表面を実現する方法もあれば、表面を塗装して滑らかにし、粗い表面を塗料の層の下に隠す方法もあります。

表面処理の種類は、望ましい外観、寸法公差、機械的特性などの要素に基づいて選択されます。表面処理には、以下のような様々な方法があります。

• 陽極酸化処理
• 研磨
• 絵画
• 粉体塗装
• 不動態化

インベストメント鋳造の用途

インベストメント鋳造プロセスは多くの分野で活用できます。一般的な応用分野をいくつかご紹介します。

• エネルギー産業この製造プロセスはエネルギー産業において非常に有用です。風力タービンのブレードは非常に大きく重いため、非常に高い強度と滑らかな表面が求められます。精密鋳造プロセスの利点の一つは、これらすべての特性を備えていることです。
• 造船造船業界では、金属部品の製造に精密鋳造法がよく用いられます。特殊な合金を用いて強度の高い金属板が作られます。これらの板は錆びにくく、船舶や潜水艦にも使用できます。この製法は多くの金属合金と互換性があるため、造船業界に適しています。
• 航空宇宙複雑な形状と高い強度に対応できるため、航空機エンジンや機体の重要部品の製造に活用できます。
• 医療業界この方法は医療分野で有用です。優れた表面仕上げの小型部品を製造できるためです。例えば、義肢、インプラント、手術器具などが一般的な用途です。
• 自動車産業インベストメント鋳造は、自動車産業向けの高性能部品（トランスミッションシステム部品、ロッカーアーム、パワートレイン部品など）の製造に使用されます。

インベストメント鋳造のメリットとデメリット

他の鋳造プロセスと同様に、インベストメント鋳造にも長所と短所があります。鋳造方法を適切に選択するには、両方の長所と短所を十分に理解することが重要です。以下では、これらについて詳しく説明します。

利点

その インベストメント鋳造プロセスには多くの利点があるだからこそ、これらの鋳造部品は非常に人気があるのです。

• 複雑な形状との互換性複雑な形状にも対応可能です。例えば、内部構造、急曲線、薄壁、浅い溝などです。これらはすべて単一の部品として製造できます。そのため、別々に製造された部品を組み立てる必要がありません。これは他の鋳造方法では必要な作業です。
• 優れた表面仕上げこの鋳造プロセスでは、最大3ミクロンの表面仕上げが可能です。砂型鋳造と比較して、インベストメント鋳造はさらに優れた結果をもたらします。さらに、インベストメント鋳造部品にはパーティングラインがないため、見た目も美しく仕上がります。
• 大型部品この方法は、様々なサイズの部品に適しています。100グラムから1トンまでの部品を加工できます。さらに、巨大なタービンブレードから小型の医療機器まで、様々な部品の製造が可能です。
• 優れた寸法精度インベストメント鋳造は、ほぼニアネットシェイプの鋳造プロセスであり、仕上げ公差は極めて小さいです。部品の仕上げ後の寸法公差は+/- 0.075 mmと驚異的です。
• 幅広い素材このプロセスは非常に柔軟性が高く、幅広い材料に使用できます。鋼、ニッケル合金、アルミニウム合金などの材料に適しており、精度の高い加工が可能です。

デメリット

一方で、精密鋳造プロセスにはいくつかの欠点もあります。鋳造に携わる人は誰でも、これらの欠点を認識しておく必要があります。

• 高額な工具・設備費: 初期の金型、マスター、そして機械（炉、セラミックコーティング機）は非常に高価です。そのため、このプロセスは小ロット生産には適していません。ただし、コストが主な懸念事項でない場合は、一部の小ロット生産には適している可能性があります。例えば、風力タービンブレードの製造などです。
• 高度な技術を要するプロセス既に述べたように、このプロセスには多くのステップがあります。各ステップには異なるスキルと知識が求められます。プロセスのどの段階でもミスが発生しやすく、企業にとって大きなコスト負担となる可能性があります。このキャスティングプロセスを採用する場合、適切な人材を見つけ、十分な報酬を支払うことが課題となる可能性があります。
• 時間がかかる鋳造工程は工程数が多いため、非常に時間がかかる場合があります。冷却や仕上げなど、工程によっては長時間かかる場合もあります。そのため、部品を迅速に必要とする企業は、生産サービスを検討する際に、他の鋳造方法も検討する必要があります。

Yonglihao Machineryはカスタム鋳造サービスを提供しています

インベストメント鋳造は非常に複雑なプロセスであることは明らかです。高度なスキルと経験を持つ人材が必要です。部品の鋳造が必要ですか？Yonglihao Machineryは比類のない鋳造サービスを提供いたします。例えば、インベストメント鋳造、 ホットチャンバーダイカスト、 そして 高圧ダイカスト プロセス。

Yonglihao Machineryは自社製造工場を保有しています。最先端の鋳造設備に加え、熟練した技術チームと経験豊富なエンジニアチームを擁しています。迅速かつ高品質な部品を生産し、お客様に迅速かつ丁寧なサービスを提供いたします。

よくある質問

3D プリントとインベストメント鋳造の違いは何ですか?

インベストメント鋳造では、溶融金属をあらかじめ形成された鋳型に流し込み、固化させます。3D プリントは積層造形技術です。FDM や SLS などの 3D プリント技術は、部品を層ごとに構築します。

インベストメント鋳造を習得するには長い時間がかかります。しかし、この鋳造プロセスは幅広い金属に対応し、完璧な表面仕上げを実現できます。3Dプリントはまだ初期段階にあり、金属部品の製造に関しては鋳造ほど優れていません。鋳造部品と比較した場合、3Dプリント部品には表面粗さ、気孔率、凹凸などの問題があります。

インベストメント鋳造と砂型鋳造の違い

インベストメント鋳造は、非常に複雑な形状と極めて高い表面仕上げを持つ部品を製造できます。一方、砂型鋳造はより優れています。これは、砂型鋳造プロセスでは大量の部品を製造できるため、コストを削減できるからです。さらに、このプロセスでは非常に大きな部品も製造できます。

インベストメント鋳造は環境に優しいですか?

はい。インベストメント鋳造では、ワックスと金属は定期的に回収され、他の鋳造工程で使用されるため、材料の無駄を省くことができます。インベストメント鋳造はエネルギーを消費し、環境に有害な煙を発生させますが、適切な煙制御と廃棄物処理によってこれらの問題を最小限に抑えることができます。