[分析] 複雑な薄肉部品用石膏型の真空加圧製造における積層造形ワックスモデル技術の応用

[分析] 複雑な薄肉部品用石膏型の真空加圧製造における積層造形ワックスモデル技術の応用
3Dプリント積層造形ワックスモデル技術と石膏真空加圧技術の統合は、「3Dプリント」+「伝統的製造」の新しい製造方法であり、ハイエンドの複雑な薄肉部品の問題を解決します。ワックスパウダーを使用して3Dプリントで作られたワックス型は、融点が低く、収縮が小さく、表面が滑らかで、変形が小さいという特徴があり、3Dプリントで印刷されたPSパウダー型の高融点、大きな収縮、大きなガス放出によって引き起こされる不完全な脱型、型シェルの割れ、環境保護という長年の問題を解決します。石膏型真空加圧技術は、成形性に優れ、熱伝導率が低く、キャビティ表面が滑らかで、部品サイズが正確で、表面品質が良好で、圧力補償性に優れています。 3Dプリントワックス型の強力な離型性と石膏型真空加圧技術の優れた金型複製および成形特性を活用し、正確な寸法、滑らかな表面、高い内部品質要件を備えた小型および中型の薄肉の複雑な軽合金部品の精密成形に特に適しています。この記事では、3D プリント積層造形ワックスモデル技術と石膏真空加圧技術の統合の利点をさらに実証するために、いくつかの典型的な複雑な薄肉部品の事例を紹介します。

1. 意義 これまで、複雑な薄肉部品は主に旋削、鋳造、鍛造、溶接などの方法で製造されてきました。近年、高速切削や電解加工技術の進歩により、複雑な薄肉部品の加工も大きく進歩しました。しかし、複雑な薄肉部品は構造が複雑で剛性が低く強度が弱いため、旋削、鍛造、溶接時に変形しやすく、部品の形状や位置の誤差が大きくなり、加工品質が要求を満たすことが困難になります。特に、アルミニウム合金の複雑な薄肉部品の加工は、常に難しい点となっていました。

従来の鋳造プロセスでは、複雑な薄肉部品を製造することは非常に困難です。現在、国内外では金型プレスで部品のワックス型を取得し、精密鋳造で複雑な薄肉部品を生産する方法が一般的に使用されています。この方法には、成形サイクルが長く、コストが高いなどの問題があります。米国テクトロニック社が製造したボーイング 767 機の燃料ブースト ポンプ ハウジング。形状と構造が非常に複雑で、A356アルミニウム合金から鋳造されており、重量は6.3kgです。鋳造鋳型は 22 個のワックス型で構成され、それぞれが個別にプレスされ、4 つの複合ワックス型に組み合わされます。4 つの複合ワックス型は、ブースター ポンプ ハウジングの一体型ワックス型に組み立てられ、石膏混合スラリーとともに石膏型に流し込まれ、真空下で鋳造されます。もう一つの例は、航空電子機器のハウジングとフレームです。回路システムの安定した動作を確保するために、シールドルーム、プリント基板、放熱システムを一度に鋳造して、一体型のアルミ鋳造品を形成することが期待されています。

同時に、放熱効率を向上させ、構造剛性を強化するために、鋳物の表面に多数の平らで薄いヒートシンクとバンプを鋳造し、サンドイッチ構造を鋳造することもできます。米国のボーイング社が開発・製造した空中発射巡航ミサイルAGM-89Bは、ミサイル本体の80%を鋳物で構成している。ミサイル本体全体は、44個のアルミニウム精密鍛造品、機械加工、溶接組立品ではなく、9個の大型一体鋳造品で構成されている。現在、我が国における複雑な薄肉鋳物を製造する主な方法は、まず金型を製作し、その後、低圧鋳造、差圧鋳造、真空吸引鋳造、圧力調整鋳造を組み合わせて複雑な薄肉金属部品を製造することです。この方法は、プロセス開発サイクルが長く、歩留まりと原価率が低く、コストが高くなります。急速溶融金型技術（3Dプリント積層造形ワックス金型と石膏金型の真空加圧を組み合わせた技術）の採用により、我が国の複雑な薄肉鋳物の生産に存在する問題を根本的に解決し、複雑な薄肉鋳物の品質を向上させ、開発製造サイクルを短縮し、生産および研究開発コストを削減することができます。

PS粉末鋳型鋳造と比較すると、ワックス粉末鋳型鋳造はより環境に優しく、基本的に有害ガスを発生せず、ワックス材料をリサイクルでき、複雑な内部空洞を持つ鋳物の精密鋳造に多くの利点があります。海外では選択的レーザー焼結（SLS）用ワックス粉末材料の研究報告はほとんどない。

現在、中国でSLSによる精密鋳造「ワックスパターン」の製作に使用されている材料は主にポリスチレン（PS）粉末であり、焼結変形が小さく、成形性能が優れ、成形精度が高く、寸法安定性が強い。しかし、PSベースの「ワックス型」は除去が難しく、殻が膨張しやすいため、一般的な蒸気脱蝋工程で除去できるのはごく一部であり、残りは高温焙煎工程でのみ完全に除去できます。この部分はガスに変換されて大気中に排出され、環境に多大な汚染を引き起こします。将来的には、環境に優しい材料に置き換えられることは避けられません。ワックスパウダーを SLS 材料として使用すると、灰分が少なく、脱ワックスが容易で、鋳造プロセスが従来のプロセスに近くなり、汚染がないという特徴があります。

石膏型真空圧力精密鋳造技術は、優れた成形性、低い熱伝導率、滑らかなキャビティ表面、正確な部品サイズ、良好な表面品質を備えています。石膏型の優れた成形性と真空加圧成形の利点を生かし、特に寸法が正確で表面が滑らかで内部品質の要求が高い中小型の薄肉複合軽合金部品の精密成形に適しています。最小壁厚は0.8～1.5mm（局所的に0.5mm）、寸法精度はCT4～5レベル、薄肉部品のX線透視はレベル1に達します。石膏鋳型の真空圧力精密鋳造技術は、薄肉の複雑な軽合金部品の生産歩留まり、内部品質、外部品質を大幅に向上させることができるだけではありません。

3Dプリント積層造形ワックスモデル技術と石膏真空加圧技術を統合し、3Dプリント用ワックス粉末を使用してワックスモデルを作成し、その後石膏真空加圧によって複雑な薄肉部品を迅速に製造することは、非常に重要な意味を持ちます。

2. 重要な技術

（１）３Ｄプリント積層造形ワックスモデル技術<br /> 設備の選択：図1に示すように、選択的レーザー焼結SLS装置HLP-800（北京北恒力技術開発有限公司が開発）を使用し、最大成形サイズは（800mm×600mm×500mm）で、ワックス粉末成形プロセスモジュールを選択します。原理は、成形部品の上面に材料粉末を広げ、平らに削り取ることです。コンピューター制御の下、断面プロファイルの情報に従って、高強度 CO2 レーザービームが部品の固体部分の粉末を焼結します。 1 層が完了したら、作業台を 1 層の厚さだけ下げ、次の層の粉末の敷設と焼結を行います。このサイクルにより、最終的に 3 次元の製品が形成されます。

材料選択：3Dプリント特殊ワックスパウダー（北京北恒力技術開発有限公司開発）、融点71℃、平均粒子サイズ：56.3μm。
3D 印刷プロセス: スキャン速度 1600/mm·s-1、レーザー出力 9-16W、層厚 0.1mm。

（２）石膏型真空加圧技術<br /> 設備選定：図2に示す石膏型シェル製造・焼成生産ラインと電磁真空ブースター注入システム（北京北恒力技術開発有限公司開発）。

石膏シェルの製造と焼成の生産プロセス：ワックスパウダーの3Dプリントワックスモデルを組み立てた後、真空状態で石膏を注ぎ、成形します。注ぎ込んだ石膏が乾燥した後、焼成して脱型します。完全に脱型され、脱水された石膏は保温され、注入を待ちます。

電磁真空加圧注湯システム: 溶融金属は電磁力の作用により金型キャビティ内に注入され、安定した充填、正確な圧力実行、鋳造プロセスの実行が簡単で、プロセスの再現性が良好です。このシステムには、以下の利点があります。① 溶融金属がスムーズに伝達され、乱流による酸化や空気の吸収を回避します。同時に、溶融金属は磁場によって精製され、鋳造の組織と性能の向上にプラスの効果をもたらします。 ② 流量と加圧仕様を正確かつ継続的に制御でき、応答が迅速かつ正確で、鋳造プロセスを厳密に実行できます。 ③ 炉体に圧縮空気を追加せず、保護雰囲気下で作業できるため、ガスの溶解が減り、気孔の形成が減少します。保持炉の容量は350Kg、最大充填圧力は0.05Mpa、充填および保持時間の範囲は300秒、コンピューターはプロセス曲線を「圧力-時間」曲線として設定します。流量は0〜3.0Kg/s（シングルポンプ）、0〜6.0Kg/s（ダブルポンプ）で連続調整可能、真空度は10Pa、ブースト圧力は0.8Mpaです。

（３）デジタル鋳造工程設計・シミュレーション技術

鋳造プロセスの設計とシミュレーションには、CASTsoft CAE/CAD テクノロジが採用されており、鋳造物の重量、体積、弾性率、鋳造プロセスのシミュレーション、鋳造欠陥の予測と結果の表示を統合し、鋳造における充填フロー状態、凝固プロセス、温度場シミュレーション、欠陥予測、冷却速度解析、応力解析を実現し、ゲート、ライザー、チル、鋳型の厚さ、ライザー スリーブなど、鋳造プロセスに関係するプロセス パラメータとプロセス スキームを評価します。 金型製造や実際の注入前に適切な工程を確保することで、試し注入や金型修正の回数を減らすことができ、開発サイクルを短縮し、コストを削減できます。

プロセス設計とシミュレーション技術により、石膏型真空安定充填制御、石膏型加圧凝固制御、石膏型真空加圧精密鋳造プロセスの設計と最適化を行い、充填安定性、注湯不足、冷間閉鎖、収縮空洞、収縮多孔度などの欠陥を解決し、電流と磁力のマッチング、部品可変断面の加圧速度、注湯時間などの関係の分析と研究にデータサポートを提供し、さらに注湯システム、加圧圧力曲線、凝固シーケンス、初期温度などの重要なプロセスパラメータを最適化します。

3. 生産フローチャート

鋳物の石膏型真空圧力精密鋳造は、図 3 に示す技術ルートに従って実行されます。

4. 主な製造工程

1. 構造分析<br /> 薄肉で複雑なアルミニウム合金シェルの研究開発ニーズに応えて、3Dプリント積層造形法を使用してワックスモデルを印刷し、石膏型真空加圧インベストメント鋳造を実行して、金型を使わない迅速な生産を実現します。

アルミ合金シェルの外寸は565×467×435（mm）です。鋳物の壁厚は不均一で、最大壁厚は45mm、最小壁厚は約2mmです。鋳物の材質はZL101A合金です。鋳物の内孔にはベアリングを取り付ける必要があり、鋳物は一定の圧力に耐えなければなりません。そのため、鋳物の気密性には一定の要件があり、鋳物構造は鋳造プロセスの順次凝固原理に準拠しています。構造と品質要件の分析を通じて、石膏鋳型の真空加圧精密鋳造法を採用し、底部に内ゲートを開けて充填プロセスをスムーズにし、酸化スラグ介在物を減らします。マルチゲートとライザー圧力収縮補正プロセスを組み合わせ、注入速度、鋳型シェル温度、下部チラーによって凝固シーケンスを調整します。ライザーと断熱綿プロセスを使用して、鋳造品の品質を確保します。シリンダー本体の形状と内部構造を図4に示します。

2.3Dワックスモデル印刷と正確なサイズ制御<br /> 設計された 3D 鋳造金型は、前処理ソフトウェアとシステム制御ソフトウェアを通じてスライス、STL ファイルのエラーの修復、スケーリング、エンティティのセグメント化/結合、サポートの追加、寸法設定を行うことができます。また、STL、SSL、CLI グラフィック ファイルの読み込み、STL グラフィックの表示、等間隔レイヤー スライス、アダプティブ レイヤー スライス、スキャン トラジェクトリの最適化、制御コードの生成、処理時間の予測などを行うことができます。さらに、産業用 CT スキャン装置とインターフェイスして、スキャンされたデータ ファイル (CLI) を処理することもできます。スキャン制御コードの読み取り、加工パラメータの設定、加工工程予熱温度曲線の設定、加工工程レーザーパワー曲線の設定、サポートフリー予熱待機温度/時間の設定。

特定のアルミニウム合金シェルの構造特性とワックス粉末材料の特性に応じて、3D プリントの主なパラメータは次のように設定されます。
a. 印刷層の厚さ：0.12mm
b. 作業面上のレーザービームの移動速度を1200mm/sに設定します。
c. 粉末散布リニアユニットの移動速度を120mm/sに設定します。
d. レーザーの実際の出力：9W
e. 送り代：0.05mm
f. 変換係数: 1.05。

23時間の設備加工を経て、主材料を使用した自家製ワックス粉末鋳造の試作品が完成しました。このプロトタイプはまだ直接使用することはできず、簡単な後処理が必要です。最初のステップは、完成したワックス部品の未焼結粉末を洗浄し、高圧エアガンを使用してシリンダーワックス部品の残りの粉末を吹き飛ばすことです。 2 番目のステップでは、鋳造プロトタイプを低温のワックス液 (温度は 55 ～ 60 度に制御) に浸し、プロトタイプの表面にパラフィンワックスの薄い層が一度付着し、冷却後に再度浸します。 3 番目のステップは、冷却されたプロトタイプの表面を滑らかに研磨することです。研磨が滑らかであればあるほど、実際の鋳造品の表面仕上げは高くなります。最終的なモジュール効果を図 5 に示します。

寸法は3つの座標で測定されます。すべての寸法は正常範囲内にあり、サイズ精度はCT6とCT7の間です。サイズの比較を図6に示します。

3. 鋳造工程設計と鋳造工程シミュレーション解析<br /> 製品の実際のアプリケーション要件に応じて、ZL101A材料を使用して製造します。最初に鋳造ブランクを出力し、鋳造プロセス設計を実行してプロセスレイアウト、ライザーサイズ、注入システムサイズを決定します。次に、鋳造プロセスシミュレーションソフトウェアを使用して鋳造プロセスをシミュレートし、最後に実行可能な注入プロセス計画を決定します。具体的な方法は、次の 2 つのステップで完了します。

ステップ 1: デジタル鋳造プロセス設計およびシミュレーション技術の鋳造プロセス設計 CAD モジュールを使用して、プロセス熱ノードを計算し、ライザーの位置とサイズを決定し、鋳造プロセスのレイアウトを決定し、注入システムを決定します。

ステップ 2: デジタル鋳造プロセス設計およびシミュレーション技術の鋳造プロセスシミュレーション CAE モジュールを使用して鋳造プロセスをシミュレートし、欠陥に応じてライザー、チラー、ベントを再設計し、最終的に収縮欠陥のない鋳造品を取得します (または欠陥を最小限に抑えます)。モデリング、コーティング、注入温度によって表面品質が確保され、鋳造プロセスシミュレーションソフトウェアによって鋳造プロセスがシミュレートされ、最終的に実行可能な鋳造プロセス計画が決定されます。最終的に、実行可能な鋳造プロセススキームは図7に示すように決定され、シミュレーション結果は図8に示され、鋳造プロセスワックスパターングループツリーは図9に示される。


プロセス最適化プロセスの説明:
a) ライザーとゲートロッドのサイズを変更して、ジョイントシミュレーションとアルミニウム合金シェル構造を繰り返しました。最終的に、鋳造欠陥が排除され、注入プロセスパラメータが決定されました。注入温度は700 + 10度、鋳型砂の摂取量は12〜15mm、焙焼温度は720度、鋳型注入温度は200度、注入時間は約15秒、充填圧力は0.014Mpa、保持圧力は0.12Mpa、保持時間は10分でした。最高の品質と最高のプロセス成功率。
b) アルミニウム合金シェルの上部にある小さな熱ノードをさらに調整するために、鋳造前に焼成鋳物の上部に厚さ 20 mm の大きな鉄板を置き、急冷しました。
c) ライザーとゲートロッドの収縮が完全に補正されるように、焙焼前に鋳物のホットスポットにチラーを配置します。

4. 石膏型真空加圧鋳造法によるアルミニウム合金シェルの鋳造プロセス<br /> 特定のアルミニウム合金シェルの構造特性と 3D プリント ワックス モデルの特性により、インベストメント鋳造シェルの製造、乾燥、脱ワックスは、従来のワックス モデルや 3D プリント PS ワックス モデルのプロセスとは大きく異なります。

インベストメント成形と乾燥：組み立てた工芸樹のワックスモデルを真空タンクに入れ、真空状態でスラリーを注ぎ、石膏モデルが完全に硬化するまで、温度20度の部屋に15〜20時間置きます。

脱ワックス：3Dプリントシリンダーワックスモデルは、自家製ワックスパウダーを使用しています。材料構成は、従来の中低温ワックスに似ています。3Dプリントプロセスのニーズにより、コンポーネントが調整され、ワックスパウダーの流動性に有益な特別なコンポーネントが追加されています。従来のリサイクルワックスコンポーネントを汚染しないように、ワックスはリサイクルせずに選択されています。ワックスパウダーの融点は80度以下です。石膏は水に敏感なので、湯煎脱蝋（90～95℃）や高圧蒸気脱蝋（100℃以上）による脱蝋はできません。焙煎・加熱法を直接行うことで脱蝋を成功させることができます。

今回は焙煎脱蝋法を採用し、具体的なパラメータは以下のとおりです。a )脱蝋温度：90〜140℃。
b) 脱蝋ツール：焙煎炉
c) 脱蝋時間：1～3時間
d) 脱蝋前のモジュール保管時間は12時間以上であるが、モジュール保管は3日を超えてはならない。
e) 脱蝋が完了したかどうかは、ゲートでのワックスの流れと煙の色によって判断されます。
f) 焙煎時間は2〜3営業日です。
鋳造材料はZL101A、注入温度は700±10度、鋳型シェル砂消費量は12〜15mm、焙焼温度は720度、鋳型シェル注入温度は200度、注入時間は約15秒、充填圧力は0.014Mpa、保持圧力は0.12Mpa、保持時間は10分です。

鋳造精度と表面品質の制御、先進的な石膏型材料配合プロセス技術の使用、鋳造表面品質と寸法精度の向上、鋳造寸法精度と表面品質の向上。材料（金属材料、鋳造材料）とプロセス（シェルアルミ合金製錬工程、精錬工程、シェル製造、焙焼工程、ペースト材料配合工程、充填工程など）から始まり、シリンダー成形工程全体を管理し、標準化された品質管理仕様とシステムを形成します。高度な成分分析装置、機械的特性試験装置、欠陥検出装置を使用して、鋳物の材料組成、機械的特性、内部構造を確認します。関連するプロセスを図10、11、12に示します。

V. 結論

薄肉の複雑なアルミ合金シェルの迅速な金型レス生産は、3Dプリント積層造形ワックスモデル技術と石膏真空加圧技術の統合が、ハイエンドの複雑な薄肉部品の問題を解決する「3Dプリント」+「従来の製造」の新しい製造方法であることを十分に検証しました。この生産方法は、製造サイクルが長い、処理量が大きい、修理溶接、サイズが不安定、内部欠陥が多い、修理回数が多いなどの既存の製造上の問題を解決できます。この技術は、新製品開発、単品小ロット/複雑な部品/金型生産において明らかな利点があり、4〜7営業日以内に金属製品を実現できます。

著者: Xu Hong Anhui Hengli Additive Manufacturing Technology Co., Ltd.


分析、製造、ワックスモデル、技術、複雑

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