ロストワックス鋳造の作り方: ステップバイステップの説明 

インベストメント鋳造とは何ですか?なぜ複雑な部品に最適な選択肢なのでしょうか?

ロストワックス鋳造は、他の鋳造法では実現できない複雑な形状の高精度金属部品の製造を可能にする技術プロセスです。砂鋳造やチル鋳造とは異なり、型から取り出した後に表面を機械的に処理する必要がないため、最終製品のコストが 30 ～ 45% 削減されます。この方法の本質は、将来の部品のワックスコピーを作成し、それをセラミックシェルで覆い、ワックスを溶かし、得られたキャビティを溶融金属で満たすことです。このプロセスは、公差が 100 分の 1 ミリメートル単位で測定されるタービンブレード、医療用インプラント、宝飾品、航空宇宙部品の製造に最適です。

私たちの実務では、クライアントが複雑な内部チャネルを持つ部品に対して安価な鋳造方法を選択することでコストを節約しようとする状況に遭遇しました。結果は予想通りでした。欠陥は 60% に達し、その後の機械加工のコストが鋳造自体のコストを上回りました。当社のクライアントの 1 つであるポンプ装置メーカーは、土鋳造技術をスクリュー チャネル ポンプ ハウジングに適用するために 3 か月と 15,000 ユーロを失いました。ロストワックス技術（ロストワックス）への移行により、問題は即座に解決されました。欠陥は 2% に減少し、ガス穴のない均質な金属組織により製品の耐用年数が延長されました。

このプロセスでは、温度条件とバインダーの化学組成を厳密に遵守する必要があります。たとえば、ワックスの溶融温度が 95°C を超えると、セラミック シェルの変形が発生する可能性があり、鋳造品の形状の変化につながります。ここでは人的要因が重要な役割を果たすため、自動化された温度制御ラインの使用をお勧めします。部品のバッチを注文する場合は、サプライヤーが ISO 9001 認定を受けており、高温ニッケル合金や生体適合性チタンなど、特定の合金を扱った経験があることを確認してください。

準備段階：マスターモデルと金型の作成

サイクル全体の成功ロストワックス鋳物の製造最初の段階、つまりマスターモデルの開発の品質に依存します。これは単なる図面ではなく、物理的な標準であり、通常は表面粗さが Ra 0.4 以下のアルミニウムまたは鋼で作られています。この段階では、エンジニアは冷却時の材料の収縮を考慮する必要があります。収縮は合金によって 1.2% から 2.5% まで異なります。この段階での収縮係数の計算誤差は致命的です。プロファイルが複雑なため、完成した金属鋳造品の寸法を機械的に修正することができないことがよくあります。

マスターモデルの承認後、ワックスモデルを鋳造するための型を作成します。ここで適切な金型材料を選択することが重要です。小規模シリーズ (最大 500 個) の場合は、より安価で迅速に製造できるアルミニウム金型が適しています。ただし、大量生産の場合は、硬化鋼の使用を強くお勧めします。あるプロジェクトでは、2000 ユニットのバッチにアルミニウムの金型を使用しましたが、800 回目の鋳造までに、アルミニウムの熱膨張により形状が「浮き」始めました。クライアントは、溶解する必要がある欠陥部品のバッチを受け取りました。これは評判と費用を損なうものでした。そのため、現在では工具材料を選択する前に必ず量的監査を実施しています。

• 加工精度：マスター モデルは、少なくとも IT6 の精度で CNC マシンで処理する必要があります。ツールマークはすべて、各ワックスモデル上で繰り返されます。
• ゲートシステム:ゲートのデザインはマスターモデルの段階ですでにレイアウトされています。金属挿入の角度が正しくないと、乱流や空気の巻き込みが発生します。
• 金型材質：長期生産にはグレード 45 鋼または同等品、試作にはアルミニウム。

主要シリーズを発売する前に、必ずサプライヤーに初回品目検査 (FAI - 初回品目検査) レポートを要求してください。これは、最初の鋳物がすべての図面寸法に対応していることを確認する文書です。署名されたプロトタイプ受入証明書なしで量産を開始しないでください。プロトタイプとマスターモデルの開発について詳しく見る.

段階的な説明: ワックスモデルからセラミックシェルまで

このテクノロジーの中心となる要素は、ワックスモデルの作成です。このプロセスは、準備された型に加圧下で溶融ワックスを注入することから始まります。ワックスの温度は、混合物の組成（パラフィン、ステアリン、ポリマー添加剤）に応じて、狭い範囲（通常は 65 ～ 75℃）に維持する必要があります。熱すぎるワックスは冷えると縮みます。ワックスが冷たすぎると、型の薄い部分を埋めることができません。除去後、モデルは充填不足やバリなどの欠陥がないか目視検査されます。

次の重要なステップは、ワックス モデルをクラスター (ツリー) に組み立てることです。個々のモデルは、加熱されたツールを使用して中央のスプルーに溶接されます。継ぎ目の溶接の品質は、将来のセラミックフォームの完全性を決定します。接合部が弱いと、スラリーを塗布する際にワックスが剥がれたり、後から金属を流し込む際にブレークアウトが発生したりすることがあります。私たちの実践では、継ぎ目の溶接が不十分なために金属が金型のキャビティに侵入し、40 個の部品からなるクラスター全体が破壊されたケースがありました。オペレーターがツールを十分に温めなかったため、ワックスが適切に拡散しませんでした。

1. 最初の層（フェイスコート）を適用します。クラスターは、微粒子フィラー（フラクション 0.05 ～ 0.1 mm のジルコンまたはエレクトロコランダム）を含む懸濁液に浸漬されます。この層は、鋳物の将来の表面を形成します。金属に穴ができる可能性がある気泡を避けることが重要です。最初の層の乾燥は、湿度 40 ～ 50%、温度 20 ～ 22°C の制御された環境で 4 ～ 6 時間行われます。
2. 後続のレイヤーの適用 (スタッコイング):最初の層が乾燥した後、より粗い砂（端数0.2〜0.8 mm）を使用して2層目、3層目、およびさらなる層を塗布します。層の数は鋳物の質量と合金の種類によって異なります。通常、スチール部品には 6 ～ 9 層、アルミニウム部品には 4 ～ 6 層が必要です。次の層を塗布する前に、各層が完全に乾燥している必要があります。
3. シェルの厚さの制御:セラミックシェルの総厚は 6 ～ 10 mm である必要があります。シェルが薄すぎると注ぐときに割れてしまう可能性があり、シェルが厚すぎると型を温めるのが難しくなり、充填が不完全になる可能性があります。
4. デヴォックス (ワックス除去):完成したクラスターはオートクレーブまたはオーブンに入れられます。ワックスが溶けて流れ出し、中空のセラミックの形状が残ります。プロセス温度は通常 150 ～ 180°C です。残ったワックスは、900 ～ 1000°C の温度で 2 ～ 4 時間かけて焼き尽くされます。このステップは非常に重要です。ワックスが完全に除去されていない場合、ワックスが金属と反応して鋳造表面の浸炭を引き起こします。

懸濁液中のバインダーの品質に注意してください。ケイ酸エチルの代わりに安価なケイ酸ナトリウムを使用すると、熱間成形強度が低下する可能性があります。結合剤が熱衝撃に耐えられず、注湯中に型が崩れてしまうケースも見られました。鋳造工場で使用される材料の化学組成を必ず確認してください。セラミックシェルの技術要件.

金属を流し込み、鋳物を仕上げる

ワックスを除去した後、セラミックモールドを高温で焼成（仮焼）して、最終的な強度を実現します。焼成温度は、注入される金属の種類によって異なります。ステンレス鋼の場合、金型は真空炉で 850 ～ 950°C、チタン合金の場合は 1100°C 以上に加熱されます。冷却を避けるため、型をオーブンから取り出した後、すぐに注ぐ必要があります。熱亀裂を防ぐために、金型と金属の間の温度差を最小限に抑える必要があります。

鋳造プロセスは、重力鋳造、射出成形、遠心鋳造などのさまざまな方法を使用して実行できます。宝飾品や小さな部品の場合、薄い部分をより確実に充填するために遠心機がよく使用されます。大型の工業用装置では、真空アーク溶解が使用され、酸化物混入のない高純度の金属を得ることができます。重要な機器の製造において重要なのは、チタン、N06625 ニッケル合金、C46400 船舶用黄銅などの活性金属と耐食性金属を扱うこのアプローチです。たとえば、会社無錫開勝電力石油化学設備有限公司石油およびガス産業向けの熱交換器およびコンポーネントを専門とする同社は、同様の鋳造および加工原理を適用して、複雑な合金からチューブ束およびグリッドを製造することに成功しました。同社の ASME および PED 認定製品は、金属構造の厳格な管理と欠陥の欠如により、造船および化学産業における極度の圧力や腐食環境に耐えることができる機器の作成がどのように可能であるかを示しています。

金属が硬化し、金型が冷えた後、ノックアウト、つまりセラミックシェルの機械的破壊が発生します。これは労働集約的なプロセスであり、多くの場合、空気圧ハンマーやサンドブラスト チャンバーを使用して手作業で行われます。次に、ゲート システムから鋳物を分離します。この目的には、材料が特に硬い場合にはバンドソー、油圧はさみ、または放電切断が使用されます。次に、切断領域を洗浄し、研磨します。

仕上げには、必要な機械的特性を達成するための熱処理 (焼き入れ、焼き戻し、時効) が含まれます。これに続いて、内部欠陥を特定するための X 線撮影、超音波検査、および CMM (座標測定機) での幾何学的パラメータの測定といった品質管理が行われます。制御のすべての段階を通過した後でのみ、部品は出荷の準備ができているとみなされます。非破壊検査 (NDT) 段階を無視することは、低予算メーカーにありがちな間違いであり、負荷条件下での部品の故障につながります。

鋳物を注文する際のよくある間違いとその回避方法

あらゆるテクノロジーを駆使してもロストワックス鋳物の製造、結婚のリスクは存在します。これらのリスクを理解することは、技術仕様を適切に作成し、信頼できる請負業者を選択するのに役立ちます。最も一般的な間違いは、モデルの材料の選択を間違えることです。多くの場合、顧客は合金のブランドを指定せずに図面を送ったり、鋳造特性がオリジナルとは根本的に異なる類似品を指定したりします。たとえば、304 鋼を 316 に置き換えることは大したことではないように思えるかもしれませんが、316 は流動挙動が異なり、特定の形状では熱割れが発生する傾向があります。

2 番目の重大な間違いは、許容誤差が非現実的であることです。ロストワックス技術により高精度を実現できますが、重量が5kgを超える大型鋳物にIT7公差を要求することは経済的に非現実的であり、技術的にも困難です。これには特別な装置と複数のテスト溶融が必要となり、部品のコストが 3 ～ 4 倍増加します。部品の機能によって正当化される場合を除き、鋳造精度クラスの CT4 ～ CT5 規格に準拠することをお勧めします。あるケースでは、顧客はギア ハウジングの 0.02 mm の穴の位置合わせを要求しました。鋳造工場はこれを達成するために 5 回の繰り返しを試みましたが、最終的には部品をフライス加工する必要があり、鋳造の利点が無効になってしまいました。

• 処理許容量の過小評価:精密鋳造であっても、表面によっては機械加工が必要な場合があります。十分な余裕（通常 1 ～ 2 mm）を残してください。そうしないと、スケールを取り外した後に「黒い跡」やサイズの欠陥が発生する可能性があります。
• 収縮方向を無視する:金属はさまざまな方向に不均一に収縮します。設計者は 3D モデルでこれを事前に予測する必要があります。そうしないと、パーツが歪んでしまいます。
• 制御の節約:バッチコストの 10% を節約するために X 線検査を拒否すると、1 か月の作業後に負荷がかかると潰れる内部細孔のある部品を受け取ることになる可能性があります。

もう一つの重要な側面は環境規制です。ロストワックスモデルの製造には、化学薬品の使用と排気が伴います。サプライヤーが許可と最新の排出ガス制御システムを持っていることを確認してください。欧州やロシアでは鋳造工場への要件が厳しくなり、「グレー」な工場での作業は規制当局の検査による供給停止につながる可能性がある。出典:出典: Rosstandart (鋳物工場生産の要件).

他のテクノロジーとの比較: ロストワックスモデルを選択する場合

鋳造技術の選択は、常にコスト、精度、バッチサイズの間の妥協点によって決まります。それが自分に合っているかどうかを知るにはロストワックス鋳物の製造、主な競合他社である砂型鋳造と金属射出成形（チル）と比較してみましょう。

砂型鋳造は、生産の準備にはるかに安価です。単一の砂型を作成するには、ワックスモデルのクラスターとセラミックシェルを作成するコストに比べて数セントのコストがかかります。ただし、砂型鋳造は精度が低く（IT15～IT16）、表面が粗く、より多くの機械加工が必要です。この方法は、小規模生産における単純な形状の大型部品 (フレーム、エンジン ハウジング) に適しています。パーツの重量が 50 kg で、単純な平面がある場合は、砂を選択してください。部品の重さが 200 グラムで、複雑な形状の内部チャネルがある場合、砂は機能しません。

高圧ダイカストは優れた性能と優れた表面仕上げを提供します。しかし、金型のコストは数万ドルかかります。この技術は、10,000 部以上の流通でのみ効果を発揮します。さらに、射出成形では合金 (主にアルミニウム、亜鉛、マグネシウム) の選択が制限されており、充填乱流によりガス密度の高い部品を製造することはできません。

ロストワックスモデルは、これらの方法の間のニッチを占めます。耐火物や機械加工が難しい合金 (チタン、インコネル、耐熱鋼) を含むあらゆる合金を扱うことができます。精度は機械加工に近いため、完全に機械加工を回避できる場合もあります。金型のコストは射出成形よりも低いため、中規模のシリーズ (50 ～ 5000 個) ではこの方法の費用対効果が高くなります。主な欠点はサイクルタイムです。乾燥と焼成の複数段階のプロセスがあるため、バッチの作成には 3 ～ 6 週間かかる場合があります。

次の場合にこのテクノロジーを使用することをお勧めします。

1. この部品は複雑な形状をしており、固体のワークピースからフライス加工することによっては、材料を大量に無駄にすることなく (バイトゥフライ比 > 5) 得られません。
2. さらなる加工を必要とせずに、高い精度と表面の清浄度が必要です。
3. 部品の材質は機械加工が困難です。
4. バッチ サイズは、高価な金属射出成形金型のコストを正当化するには十分ではありません。

よくある質問

インベストメント鋳造の最低注文数量はいくらですか?

技術的には一部の部品を鋳造することも可能ですが、クラスターとセラミックの型を準備するのに高い労働力がかかるため、経済的に採算が取れません。通常、収益性の最小バッチは 10 ～ 20 個から始まります。単一のサンプルを注文する場合、1 つの部品のコストは大量生産の場合よりも 10 ～ 15 倍高くなる可能性があります。プロトタイピングの場合、テストに 1 ～ 2 個しか必要ない場合は、ワックスまたはダイレクト メタル 3D プリントを使用することをお勧めします。

この方法を使用して取得できる部品の最大寸法はどれくらいですか?

理論上の制限はありませんが、実際には、ワークショップの設備の能力と大きなセラミック型の変形のリスクによって寸法が制限されます。標準範囲は数グラムから 20 ～ 30 kg です。不均一な収縮や熱応力による欠陥のリスクが急激に高まるため、重量が 50 kg を超える部品はまれです。非常に大きな部品の場合は、ロストワックスコアを使用して複雑な空洞を形成する砂型鋳造がより頻繁に使用されます。

バッチを作成するのにどれくらい時間がかかりますか?

機器の開発を含む全サイクルには 4 ～ 8 週間かかります。マスターモデルと蝋型の製作には2〜3週間かかります。 100 個のバッチのセラミック シェルを実際に鋳造して構築するには、層ごとに乾燥する必要があるため、さらに 2 ～ 3 週間かかります。複数のシフトで作業し、速乾性のバインダーを使用する場合は追加料金を支払えば、緊急の注文も可能ですが、コストが 30 ～ 50% 増加します。

リサイクルワックスを使用できますか?

はい、ワックスは再生可能です。型から溶かした後、回収され、セラミックや水の不純物が取り除かれて再び使用されます。ただし、特性の安定性を維持するには、混合物中の主ワックスの割合は少なくとも30〜40％にする必要があります。リサイクルワックスを完全に使用すると、模型の表面品質が低下し、欠陥が増加します。優れた鋳造工場には独自のワックス回収プラントがあり、環境への影響とコストを削減します。

このような鋳物にはどのような品質基準が適用されますか?

ロシアおよびCIS諸国では、主な規格はGOST R 53453-2009（インベストメントモデルを使用した耐食性、耐熱性および耐熱性合金からの鋳造）です。航空宇宙産業向けの国際規格 ASTM A641 (炭素鋼用) および AMS (航空宇宙材料規格) も広く使用されています。ご注文の際は、機械的性質や化学成分がどのような規格を満たす必要があるかを必ずご指定ください。契約に基準への言及がないと、品質紛争に直結します。

結論と次のステップ

インベストメント鋳造は、複雑な形状の高品質の金属部品を作成するために不可欠な技術であり続けています。実効値。見た目の複雑さとプロセスの長さにもかかわらず、プロジェクトの最終的な経済性は、多くの場合、材料の無駄が減り、高価な機械加工が不要になることで恩恵を受けます。成功の鍵は、設計段階での詳細な計画、工具材料の適切な選択、およびワックスから最終熱処理に至るまでの各ステップの厳格な管理にあります。

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