砂型鋳造は古くから伝わる鋳造法です。溶けた金属を鋳型に流し込み、冷却することで成形されます。しかし、完成品が必ずしもすぐに正確な要件を満たすとは限りません。そのため、適切なサイズと表面仕上げを得るために、何度も研磨する必要があることがよくあります。シェル鋳造は、これらの問題を解決するより高度な鋳造方法です。
シェルモールディングでは、砂を一切使用しません。代わりに、砂と熱硬化性樹脂バインダーから作られた薄くて硬いシェルを使用します。このシェルは寸法精度が高く、表面が滑らかです。そのため、追加加工は必要ありません。この記事では、シェルモールディングのプロセスとその仕組みについて説明します。また、このプロセスに適した材料と、その多様な用途についても学びます。
目次
シェルモールディングとは何ですか？
シェルモールディング（別名クローニング法）は、この製法を発明したドイツ人技術者ヨハネス・クローニングにちなんで名付けられました。クローニングは鋳造工程と機械の改良に生涯を捧げました。彼の最も重要な功績の一つは、より精密な部品の製造を可能にしたシェルモールディングの発明でした。
シェルモールディングでは、砂と熱硬化性樹脂接着剤で作られた薄肉のシェルを型として用い、使用後は廃棄できます。一般的な砂型とは異なり、シェルは樹脂でしっかりと固定され、強度も優れています。さらに、部品の精度と表面の滑らかさも向上します。
シェル鋳造を完了するにはどのくらい時間がかかりますか?
複雑な金型の製造には長い時間がかかる場合があります。金型が完成したら、最も時間がかかるのは冷却です。1時間に製造できる部品の数は、自動化方法と金型のサイズと複雑さによって異なりますが、1時間あたり5～50個程度は製造可能です。
シェルモールディングの費用はいくらですか?
シェルモールディングの費用は、ほとんどの場合、1kgあたり0.25～0.30米ドルです。樹脂注入砂は通常の鋳物砂よりも高価なため、シェルモールディングは通常の砂型よりも高価になります。
シェルモールディングはダイカストよりも高価ですか?
相対的なコストは生産量によって異なります。少量生産の場合、シェルモールディングはダイカストよりも安価です。これは、ダイカストではこの種の部品を製造するためにのみ使用できる高価な金型が必要となるためです。一方、シェルモールディングの金型には砂と樹脂のみが必要です。
一方、ダイカストは、生産部品数が増えるほどコストが下がります。これは、金型にかかる高額な費用が、より多くの部品に分散されるためです。一方、シェルモールド鋳造では、毎回新しい砂と樹脂が必要になります。
ダイカストのコストと価格データの詳細については、 金属ダイカストのコスト 記事。
シェルモールドはどのように作られるのでしょうか?
シェルモールド鋳造は砂型鋳造よりも時間がかかります。これは、シェルモールド鋳造を開始する前により多くの準備が必要となるためです。シェルモールド鋳造のプロセスは以下のとおりです。
ステップ1：金属パターンの加工
何かを鋳造する場合、収縮率と加工代を考慮した金属模型が必要です。通常は機械加工され、2つの半分に分かれています。鋳型は通常、鉄鋼で作られています。反応性金属の場合は、グラファイトも選択肢となります。
ステップ2：型を作る
最初のステップは、金型を230～340℃（450～650℉）に加熱することです。これは工程の中で最も重要なステップです。その後、ステアリン酸カルシウムを使用して、砂殻が金型に付着するのを防ぎます。
模型全体を、細かいシリカ砂と熱硬化性フェノール樹脂が入ったティッピングボックスの中に吊るします。ティッピングボックスをひっくり返し、砂と樹脂の混合物が熱い模型を覆うようにします。金属模型の熱によって混合物が硬化し、厚さ約9～20mmの硬い殻が形成されます。
しばらくすると、型と箱をひっくり返し、まだ固まっていない砂を落とします。これで、型には固まった殻だけが残ります。最後に、殻をオーブンに入れて乾燥させ、硬化させます。2つの部分からなる殻が必要なので、型のもう半分も同じ手順で作ります。
詳細はこちら ダイカスト金型設計 金型設計のアドバイスを受けることができます。
ステップ3：型の組み立て
同じ手順で両方の型を作ったら、組み立てます。クランプまたは接着で固定します。
ステップ4：注入工程
技術者は、シェルを鋳型スリーブに入れたり、砂、砂利、または金属ショットで覆ったりします。これによりシェルが補強され、強度が向上します。その後、溶融金属を鋳型に流し込みます。これは手作業でも機械でも行うことができます。
ステップ5：鋳造物の冷却と除去
しばらく放置すると、金属は自然に冷えます。固まったら、作業員はそれを壊すか、鋳型を開けて鋳物を取り出します。その後、鋳物の外観に応じて洗浄または仕上げを行います。
シェル鋳造に使用できる材料
シェルモールディングでは、多様な材料を活用し、様々な産業ニーズに対応しています。このプロセスは鉄金属と非鉄金属の両方に対応しており、汎用性の高い鋳造方法となっています。
鉄金属
鉄系金属は、その強度と耐久性から、シェルモールディングによく使用されます。これには、様々な種類の鋼合金が含まれます。
- 炭素鋼炭素鋼は、合金元素含有量が10.5%未満の鉄合金で、広く使用されています。C20、C25、C30、C45などの鋼種は、切削性と耐摩耗性に優れているため人気があります。
- ステンレス鋼ステンレス鋼は、少なくとも10.5%のクロムを含み、耐食性に優れています。種類としては、フェライト系、マルテンサイト系、オーステナイト系、析出硬化系、二相系ステンレス鋼などがあります。
- 合金鋼20Mn、45Mnなどの合金鋼種は、その独特の特性から、高い強度と靭性が求められる用途に適しています。
非鉄金属
非鉄金属もシェル成形に適合しており、軽量、耐腐食性などの利点があります。
- アルミニウム合金重量が重視される場合は、ASTM A356、ASTM A413、ASTM 360などのアルミニウム合金が使用されます。これらの合金は強度と重量のバランスに優れています。
- 銅および銅合金銅とその合金は、導電性、加工性、耐食性に優れています。真鍮を除くすべての銅系合金は、シェルモールディングに適しています。
その他の適合金属
鋳造の特定の要件に応じて、他の金属を使用することもできます。金属の選択は、強度、耐食性、重量などの要因によって異なります。
シェルモールディングにはさまざまな材料が使用できるため、複雑な部品を高精度で製造するのに適した方法です。
- 炭素鋼グレード（C20、C25、C30、C45）は、機械加工性と耐摩耗性のために使用されます。
- ステンレス鋼の種類は耐腐食性があり、過酷な環境で使用されます。
- 合金鋼グレードは高い強度と靭性を備えています。
- 軽量という特性からアルミニウム合金が選ばれています。
- 銅および銅合金は、その導電性と耐腐食性が高く評価されています。
シェルモールディングの利点
シェルモールディングは、様々な材料に対応できるため、多くの方に好まれています。さらに、機械加工部品の精度と表面仕上げを向上させることができます。
シェルモールド鋳造プロセスの利点は次のとおりです。
- より正確な寸法シェルモールド鋳造製品は、凝固したシェルを加熱・加圧して形状を保持するため、非常に正確な寸法精度を実現します。この製法で製造された部品の公差は、わずか±0.25mmです。
- より良い表面仕上げ砂型鋳造とは異なり、溶融金属は乾燥した密閉されたシェルと接触します。シェルは表面が滑らかで気孔がありません。そのため、鋳造部品の表面仕上げはより良好で、欠陥も少なく、理想的には2.5ミクロン以下になります。
- 短納期シェルモールドは何度でも同じ結果を得ることができます。これにより、待ち時間が短縮されるだけでなく、同じ製品をより安価に生産できるようになります。
- ガス欠陥の低減他の製法よりも多くのバインダーを使用します。しかし、薄壁の中空コアは空気が自然に流れる経路を提供します。シェルモールド内の砂粒が粗いほど空気が通りやすくなり、鋳造品質が向上します。
- オートメーションシェルモールド鋳造工程は自動化が容易で、大量の製品を同時生産するのに適しています。金型の加熱、シェルモールドの製作、そして組み立てといった重要な作業をすべて自動化する機械があります。
- 幅広い素材に対応シェルモールディングは鉄金属と非鉄金属の製造に使用できます。つまり、様々な材料に使用できます。
シェルモールディングのデメリット
何事にも長所と短所があります。シェルモールディングの短所は次のとおりです。
- 重量制限のある取り扱いシェルモールドは壁厚が非常に薄いため、中型・大型の部品しか成形できません。この工程では、30グラムから10キログラム（25ポンド）までの部品を成形できます。
- 高価な樹脂シェルモールド鋳造に使用される熱硬化性フェノール樹脂は、従来の砂型鋳造に使用されるバインダーよりも高価です。
- 設備コストの高さこのプロセスには異なる加熱・硬化ユニットが必要となるため、コストが高くなります。自動化バージョンを使用する場合は、資本コストがさらに高くなります。
シェルモールディングの用途
シェルモールディング技術は、精密な金属部品を短時間で容易に複製することを可能にします。そのため、鋳造プロセスは医療、航空宇宙、自動車産業など、多くの分野で広く利用されています。
樹脂を添加することで部品の表面がより滑らかになり、後加工の手間が省けます。そのため、時間と労力が削減され、全体的な生産コストを削減できます。そのため、シェルモールディングは小型・中型の金属部品の製造に最適な方法です。
さまざまな業界におけるシェルモールディングの具体的な用途:
- 自動車: エンジンブロック、シリンダーヘッド、カムシャフト、クランクシャフト、トランスミッションケース
- 航空宇宙: タービンブレード、ギアボックス
- 産業機械: ギア、バルブ、ポンプハウジング、レバーアーム
- 電気機器: 電気システムのハウジングおよびコンポーネント
- 石油とガス: バルブボディ、カスタム精密部品
シェルモールディングおよびその他の鋳造プロセス
モールディングはより広い意味を持つ用語であり、シェルモールディングはモールディング方法の一つです。この方法では、溶融・凝固した材料を鋳型内で成形します。これに非常によく似た方法には、砂型鋳造、ダイカスト、インベストメント鋳造などがあります。
シェルモールディングと砂型鋳造の違い
砂型を使った造形方法には、砂型鋳造とシェルモールド鋳造の2種類があります。これらの方法では、鋳型を作る工程が異なります。砂型鋳造では、砂そのものが鋳型を形成します。シェルモールド鋳造では、砂と樹脂でできた薄いシェル状の鋳型が鋳型となります。
砂型は緩いため、表面欠陥や寸法誤差が発生しやすくなります。一方、シェル型は薄くて剛性が高いため、製品の外観がより美しく、精度も高くなります。
シェルモールディングとインベストメント鋳造の違い
鋳造において、インベストメント鋳造はシェルモールディングとは異なります。インベストメント鋳造では、ワックスモデルが毎回使用されます。ワックスモデルは樹木のような構造（ワックススプルー）に組み立てられ、セラミックスラリーで覆われた後、溶融されて鋳型のキャビティが形成されます。
つまり、設計と鋳型は異なる材料で作られるということです。シェルモールドのほとんどは金属製です。インベストメント鋳造ではワックス型を使用します。インベストメント鋳造では耐火セラミックスを使用し、シェルモールディングでは砂型を使用します。
シェルモールディングの利点の一つは、良好な表面仕上げです。しかし、精密鋳造製品の表面仕上げはさらに優れており、最大1.3ミクロンです。Yonglihao Machineryは、お客様に高品質の製品をご提供いたします。 精密鋳造サービス.
シェルモールディングとダイカストの違い
シェルモールディングと ダイカスト どちらも金属鋳造プロセスです。主な違いは、金型の製造と使用にあります。ダイカストでは、永久的な金型を使用し、溶融金属を高圧で金型キャビティに押し込みます。一方、シェルモールディングでは、砂と樹脂で作られたシェルモールドを使用し、これは一度しか使用できません。
シェルモールディングはダイカストのような高圧を必要としません。その代わりに、樹脂の強度を利用してシェルを接合することで、高精度な成形を実現します。また、ダイカストは溶融しやすい金属で作られたシンプルな部品にのみ適しています。
シェル成形と射出成形の違い
もう一つの精密成形技術は射出成形です。ただし、これは主にプラスチック製品の複製品の製造に使用されます。この方法では、溶融したプラスチックを高圧下で金属製の金型に押し込みます。その後、プラスチックは冷却され、最終形状に硬化します。
したがって、シェルモールディングと射出成形の主な違いは、使用される材料の種類と製造方法です。シェルモールディングでは、溶融金属を消耗型の砂型に流し込みます。一方、射出成形では、プラスチックを永久的に固められた型に押し込みます。
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