アルミニウム インベストメント鋳造: プロセス、利点、用途

アルミニウム 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) は、優れた表面仕上げ、寸法精度、機械的完全性を備えたほぼネットシェイプのコンポーネントを製造するため、航空宇宙用ブラケット、医療用ハウジング、および高性能自動車部品の頼りになるプロセスとなっています。 正しく設計されたアルミニウム インベストメント鋳造では、±0.005 インチ/インチ (±0.13 mm/mm) の公差と 63 ～ 125 μインチ Ra という低い表面粗さが達成され、多くの場合二次加工が不要になります。

砂やダイカストとは異なり、インベストメント鋳造ではワックスパターンの周りに構築されたセラミックシェルを使用するため、複雑な形状、薄壁（最低0.060インチ/1.5 mm）、レタリングや内部通路などの微細なディテールが可能になります。このプロセスは、工具コストの問題よりも精度の方が優先される、少量から中量の生産に最適です。

段階的なインベストメント鋳造プロセス

このプロセスは、溶解したワックスをアルミニウムの金型に注入して、最終部品と同じパターンを形成することから始まります。次に、複数のパターンが中央のワックス スプルーに組み立てられ、「ツリー」が作成されます。このアセンブリはシリカベースのスラリーに繰り返し浸漬され、細かいスタッコでコーティングされ、6 ～ 12 層にわたるセラミック シェルが構築されます。

乾燥後、シェルはオートクレーブ (通常 180 ～ 200°C) で脱脂され、空洞が残ります。その後、シェルを 870 ～ 1000°C で焼成して、残留ワックスを除去し、セラミックを強化します。溶融アルミニウム (通常は A356、A360、または 380 などの合金) が、重力または真空下でホットシェルに注入されます。凝固後、ウォーターブラストまたは機械的振動によってシェルが除去され、個々の鋳物がスプルーから切断されます。

一般的なアルミニウム合金とその特性

すべてのアルミニウム合金がインベストメント鋳造に適しているわけではありません。最も広く使用されているものは、優れた流動性、高温引裂耐性、および鋳造後の熱処理性を備えています。

A356-T6 は重要なアプリケーションの業界標準です 熱処理に対する優れた応答性と耐疲労性によるものです。

他の鋳造方法と比較した設計上の利点

インベストメント鋳造は、複雑さとパフォーマンスが両立する点で優れています。ダイカストと比較して、高い工具コスト (金型の場合は 10,000 ～ 50,000 ドルに対して 50,000 ～ 500,000 ドル) が回避され、抜き勾配なしでより複雑な内部フィーチャーが可能になります。砂型鋳造と比較して、優れた表面仕上げとより厳しい公差を実現し、機械加工を最大 70% 削減します。

• パーティングラインやバリがなく、シームレスな美しさを実現
• 細部の優れた複製 (例: 彫刻の 0.010)
• 内部気孔を除去するHIP（熱間静水圧プレス）に対応

制限とコストに関する考慮事項

その精度にもかかわらず、 アルミニウムインベストメント鋳造 制約があります。複数のステップでシェルを構築するため、リードタイムは長くなります (4 ～ 8 週間)。部品のサイズは通常 30 ～ 40 ポンド (14 ～ 18 kg) に制限されますが、一部の鋳造工場では最大 100 ポンドを扱います。このプロセスは、ダイカストの方が経済的であるため、非常に大量の生産 (>50,000 ユニット/年) にも苦労します。

部品あたりのコストは 15 ドルから 200 ドルの範囲で、重量、複雑さ、後処理に大きく影響されます。ただし、 機械加工、組み立て、スクラップを含むライフサイクル全体のコストを考慮すると、複雑で少量の部品の場合はインベストメント鋳造の方が経済的であることがわかります。

重要な品質管理およびテストプロトコル

評判の高い鋳物工場は、ワックスパターン計測、シェル厚さ検証、合金分光分析、最終鋳造 CMM チェックなど、あらゆる段階で厳格な検査を実施しています。非破壊検査 (NDT) は、安全性が重要な部品の標準です。

• 内部気孔率の X 線または CT スキャン (ASTM E1742 による)
• 表面亀裂の染料浸透検査 (ASTM E165)
• 引張試験と伸び試験の試験サンプルの機械試験

航空宇宙鋳造では、多くの場合、Nadcap 認定と、溶解ロットから完成品までの完全なトレーサビリティが必要です。

業界を超えた現実世界のアプリケーション

アルミニウムのインベストメント鋳造は、高価値の分野で広く普及しています。航空宇宙分野では、燃料マニホールド、アクチュエーター ハウジング、ドローン フレームが形成されており、そこでは軽量化と信頼性が交渉の余地がありません。医療業界では、滅菌適合性が必要な MRI コンポーネントや手術器具のハンドルにこれらの製品が使用されています。防衛用途には、極度の振動に耐える必要があるターゲット システム ブラケットや UAV 部品が含まれます。

注目すべき例: 大手電気自動車メーカーは、モーターのエンドキャップを機械加工ビレットから A356 インベストメント鋳造に切り替え、剛性を維持しながら部品重量を 35% 削減し、コストを 22% 削減しました。

将来のトレンドと持続可能なイノベーション

業界は持続可能性と自動化の向上に向けて進歩しています。 VOC 排出量を削減するために、ケイ酸エチルに代わって水ベースのスラリーが使用されています。ロボットによるワックス パターンのアセンブリと 3D プリントされたセラミック コアにより、より迅速なプロトタイピングとコンフォーマルな冷却チャネルが可能になります。一部の鋳造工場では現在、機械的特性を損なうことなく 80% を超えるリサイクルアルミニウム含有量を使用しています。

積層造形が、3D プリントされたワックスまたはポリマー パターンを使用する従来のインベストメント鋳造とハイブリッド化するにつれて、プロセスはより高速になり、より環境に優しく、幾何学的自由度がさらに向上しています。 アルミニウム部品の精度、完全性、設計の柔軟性を求めるエンジニアにとって、インベストメント鋳造は依然として比類のないものです。