【分析】新しい鋳造製品の開発におけるPCM3D印刷技術の実践

製造原理の観点から見ると、ラピッドプロトタイピング（RP）技術は、処理原理を「除去」から「蓄積」へと変え、製造技術に革命的な飛躍をもたらしました。世界で実用化されているラピッドプロトタイピング装置の主な方式としては、PCMプロセス、ステレオリソグラフィー、レーザー積層焼結、レーザー薄膜積層製造、フォトマスク法、熱溶解積層法、直接セラミックシェル法などがあります。当社は2008年より新製品開発においてラピッドプロトタイピングメーカーと提携しております。

現在、この協力では、ラピッドプロトタイピング技術を適用して、KJ100シリンダーヘッド、S2000シリンダーブロック、S2000シリンダーヘッドなどの製品の最初のサンプル鋳造品が開発されています。この協力で使用されているラピッドプロトタイピング技術には、レーザー薄膜積層製造とPCMラピッドプロトタイピングプロセスが含まれます。この記事では、主にS2000シリンダーヘッド鋳造品の製造におけるPCMラピッドプロトタイピングプロセスの適用について説明します。

鋳造分野における1PCMラピッドプロトタイピング技術

1.1 PCMラピッドプロトタイピングプロセスの形成原理
PCM（パターンレス鋳造モデリング）プロセスは、RP理論を樹脂砂成形プロセスに拡張し、輪郭スキャンスプレー硬化プロセスを採用して、モデルレス鋳造品の迅速な製造を実現します。具体的な実施プロセスは、設計部品の3次元コンピュータ画像を処理し、ソリッド3次元砂コアモデルを抽出し、ソリッド3次元砂コアモデルを一連の非常に薄いサンプル断面プロファイルデータに変換し、制御情報を生成することです。次に、PCMラピッドプロトタイピングマシン上で樹脂ノズルを制御し、樹脂をコアサンドの表面に均一に噴霧します。1層が完了したら、モデルの硬化を促進するために予熱を行います。

1.2S2000シリンダーヘッド製造のためのPCMプロセス
1.2.1 前処理プロセス<br /> まず、鋳造金型を計画・設計します。つまり、プロセスパラメータを決定し、最適な処理方向を選択し、注入システムを設計します。設計されたS2000シリンダーヘッド製品は、公差を適切に補正し、製品の3Dモデルを鋳物の3Dモデルに変換し、鋳物の3Dデータから層状断面プロファイルデータを取得し、層情報を用いて制御情報を生成します。

1.2.2 成形工程
1) ローラーコア砂: ローラーサンディング工程に従って、ローラーサンディング機に生砂と自己硬化性硬化剤を加えます。樹脂添加量は 1.6% ~ 2.2%、硬化剤は樹脂の 30% ~ 50% です。生砂と硬化剤は 20 秒ほど予圧をかけ、その後 PCM ラピッドプロトタイピング機の砂ホッパーに入れて待機させます。
2) 図1に示すように、造形が必要な場合、ローラーで準備された中子砂は、砂散布機構を使用して砂箱の表面に、各層の厚さが約0.2mm〜0.5mmになるように均一に散布されます。製造工程において、層の厚さが 0.2mm ～ 0.5mm の場合、気道に段差が生じることが判明したため、製造後に気道を平滑化する必要がありました。

図1 砂を表面に均等に広げる
3) 図2に示すように、樹脂ノズルはリニアガイドデジタルモーターによって制御され、平面上を移動し、最初にモデルの境界をスキャンし、次にキャビティ部分をスキャンします。ノズルは、0°、30°、90°などのさまざまな角度で樹脂をスプレーできます。樹脂と触媒が架橋反応を起こし、樹脂と触媒が作用する場所では中子砂が固まり、それ以外の場所では中子砂は粒状の乾燥砂として残り、部品の薄層を形成します。1層が完成すると、モデルの硬化を促進するために予熱が行われます（リニアガイドデジタルモーターで制御され、中間にヒートパイプが設置され、1往復に約10秒かかります）。

図2 リニアガイドデジタル樹脂ノズル
4) 1 つの層が固まった後、次の層を結合するプロセスを繰り返します。すべての層が結合されると、3 次元のソリッド鋳型が得られます。鋳型の中央にある固まっていない乾燥砂を掃除すると、図 3 に示すように、一定の壁厚を持つ鋳型が得られます。しかし、固化していない砂はリサイクルが難しく、コストに一定の影響を与えます。

図3 型ができたら型を取り出す
5）セラミック砂と洗浄砂を圧延して比較しました。2つの生砂は、一定の圧延プロセスに従って均一に圧延されました。圧延後、「8」サンプルコアを採取して性能試験を行いました。生砂に対してより敏感であることがわかりました。同時に、表1に示すように、砂コアの性能の安定性を強化する必要があります。
表1 PCMラピッドプロトタイピング法の「8」サンプルの性能試験結果

1.2.3 鋳物の後処理と鋳造

1) 金型の焼成：金型を箱型抵抗炉に入れて焼成します。必要に応じて焼成温度と時間を制御します。一般的に、温度は170℃～200℃、時間は2時間～3時間です。
2) 金型の内面を補修・塗装する：各部品の状態に応じて、手作業で塗装し（一般的には、最初にジルコン粉末を塗布し、次に通常のねずみ鋳鉄用塗料を塗布します。図4を参照）、塗料を焼き付けて乾燥させ（温度約170℃～180℃、時間40分～70分）、バリや塗料の蓄積を削り取ります。

図4: 金型の内面のコーティングまたはディッピング
3) 各鋳型のコアを組み立てます。各コアヘッドの排気口として中空ナイロンロープを使用し（通常はφ4mmのナイロンロープを使用しますが、図5に示すように、焼成後に液化して流れ出ます）、次にコアヘッドを自己硬化性砂で密封します。
4) 中子を鋳型にセットし、鋳型の組み立て、鋳込み、洗浄などの工程を経て、最終的に必要な鋳造ブランクの製造が完了します。

1.3 PCMラピッドプロトタイピングプロセスの概要
S2000シリンダーヘッドはPCMラピッドプロトタイピングプロセスを採用しています。注文から鋳造ブランクの納品まで合計15〜20日かかります。これは、新製品開発のための従来の鋳造プロセスに必要な3〜4か月よりも大幅に短縮されています。製品開発サイクルをスピードアップし、金型を必要としません。統合モデリング、同時コア成形、抜き勾配なしを採用し、自由曲面（曲線）の鋳物を製造できます。しかし、実際の応用から、PCM ラピッドプロトタイピングプロセスは、離散/スタッキング成形プロセスの原理を採用しているため、製造された鋳物に「段差面」の特性が生じ、必要な高精度の成形部品を製造することが困難になることもわかりました。

図5 金型の排気をしっかり行う

精度に関して非常に厳しい要件が課されるシリンダーヘッドのエアウェイ鋳造など。気道などの要求度が高い鋳型を製造する場合、工程パラメータの制御がより困難になり、製造完了後に厳密なフォローアップ処理が必要になります。同時に、PCM ラピッドプロトタイピングプロセスは従来の鋳造プロセスよりも生砂に対して敏感であるため、中子砂の性能の安定性もさらに向上させる必要があります。

結論応用研究によると、ラピッドプロトタイピング技術は伝統的な鋳造における技術革命であり、木型、金属型、中子箱の製造を必要とせず、グリーン性、デジタル化、柔軟性、迅速性などの特徴を備えています。ラピッドプロトタイピング技術は、単一部品および小ロットの鋳造品の迅速な製造のためのソリューションを提供し、単一部品および小ロットの鋳造品と金型ブランクの製造において大きな技術的利点を持っています。ラピッドプロトタイピングにおける PCM プロセスの実際の使用を通じて、PCM プロセスには依然として欠点があり、改善の余地があることがわかりました。のように：

① PCMラピッドプロトタイピング法では、段差面を形成するために離散・積層成形プロセスを採用しているため、産業界が求める高精度な成形部品を製造することが困難である。
②生砂に対する感受性が高く、工程管理が困難になる。
③ 未固化砂はリサイクルが難しく、コスト等の無駄が発生します。これらは、PCM ラピッドプロトタイピング技術が将来解決しなければならない問題です。

編集者: 南極のクマ
著者: 張昊、劉春雷 (広西玉柴機械有限公司)

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