[分析] インベストメント鋳造におけるラピッドプロトタイピング技術の応用

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-9-22 15:43 に最後に編集されました。

製造業、特に航空、宇宙、国防、自動車などの基幹産業では、基本的なコア部品は一般的に金属部品であり、多くの金属部品は非対称であったり、表面が不規則であったり、構造が複雑であったり、内部に微細構造を含んでいたりします。これらの部品の生産には、鋳造や分解加工法が採用されることが多いです。インベストメント鋳造では、金属部品を複製するためのマスターモールドまたはトランジションモールドが必要であり、モールドの設計と製造が鋳造生産のボトルネックになります。ラピッドプロトタイピング技術は、精密鋳造に必要なワックス型や消失模型を迅速に提供できるため、ワックス型や木型などの従来の鋳造における長い準備サイクル、多額の投資、曲面などの複雑な部品の製造の難しさなどの問題を解決し、生産効率と製造の柔軟性を大幅に向上させます。
CNC 加工、鋳造、金属コールドスプレー、シリコン型などの製造方法と合わせて、ラピッドオートプロトタイピングは、現代のモデル、型、部品の製造における強力な手段となっています。インベストメント鋳造技術とラピッドプロトタイピング技術の有機的な組み合わせにより、生産コストの削減と高効率化が実現され、鋳造品のパーソナライズ化、多様化、迅速化の目標が達成されました。

1 ラピッドプロトタイピング技術
1.1 ラピッドプロトタイピング技術の製造プロセス ラピッドプロトタイピング製造技術は、ラピッドプロトタイピング製造技術 (略して RPM) とも呼ばれます。 SLS、SLA、SLMなどの成形方法が含まれ、CAD技術、CNC技術、レーザー技術、材料技術などの現代の科学技術の成果が統合されています。従来の製造方法とは異なり、ラピッドプロトタイピングプロセスでは、まず製品の 3D CAD ソリッドモデルまたはサーフェスモデルファイルを生成し、そのソリッドモデルを RP ファイル標準の STL 形式 (ステレオリソグラフィー) に変換し、ファイル変換中に発生したエラーを修復します。その後、各層のデータがラピッドオートマチックプロトタイピングマシンに転送され、材料追加法とレーザーを加熱源として各層が順に焼結または溶融され、同時に接続され、部品全体が完成します。 SLS 造形法の造形材料は、パラフィン、プラスチック、低融点金属粉末、またはそれらの混合粉末など、さまざまな焼結可能な粉末であり、プロセスの要件に応じて、対応する材料を選択して、製品のソリッドモデルを迅速に蓄積して作成します。投資ラピッドプロトタイピング技術のプロセスフローを図 1 に示します。

図 1 ラピッドワックスプロトタイピング技術のプロセスフロー1.2 ラピッドプロトタイピングとインベストメント鋳造を組み合わせたプロセス 精密鋳造は、すべての鋳造方法の中で最も正確で、再現性が高く、鋳造に必要な機械加工はわずかです。精密鋳造では、まずワックスモデルまたはロストフォーム用の他の型の設計と製造が必要であり、鋳造の複雑さとサイズに応じて、通常、数週間から数か月かかります。鋳型を入手してから鋳造品が完成するまでにさらに 1 週間かかります。この数週間は主にワックスモデルとシェルの作成に使用されます。少量生産では鋳型のコストが高くなります。
RPM 技術は金型の製造を必要とせず、精密鋳造用のワックスモデルを直接形成できます。ワックスモデルのレーザーラピッドプロトタイピング（SLS法）で使用される造形材料はパラフィン粉末です。プロセスは、まず作業台に粉末の層を広げ、次にコンピューター制御の下でレーザービームで選択的に焼結します（部品の中空部分は焼結されず、粉末材料のままです）。焼結された部分は一緒に固まり、部品の固体部分を形成します。 1 つの層が完成すると、次の層が実行され、新しい層が前の層としっかりと焼結されます。すべての焼結が完了したら、余分な粉末を除去して焼結ワックスモデルを取得します。このプロセスの特徴は、材料の適応範囲が広いことです。鋳造ワックスは精密鋳造ワックス型の作成に使用でき、セラミックパウダーはセラミックシェルの作成に使用でき、金属パウダーはワックス型をプレスするための金属型の作成に使用できます。精密鋳造におけるラピッドプロトタイピング技術の応用は、次の 3 つの状況に分けられます。
一つは、複雑な鋳物の小ロット生産や製品開発、試作などに使われる、精密鋳造の原型となる成形ワックスパターンやロストフォームです。
2つ目は、小規模生産に用いられるダイレクトシェル方式です。
3 つ目は、大量生産に使用されるラピッドプロトタイピングワックス型、つまりマスター型です。これらの方法は、従来の方法におけるワックスモデル製造のボトルネックの問題を解決するもので、プロセスフローは図 2 に示されています。

図2 急速鋳造プロセスのフローチャート

2 ワックスモデルとシェル製造プロセスの要件
2.1 ワックスモデルのサイズ ワックスモデルのサイズと表面品質は、図面の技術要件に従って決定されます。サイズについては、ワックスモデルの収縮率、合金の収縮率、金型シェルの膨張係数、および現場のプロセス条件に基づいて、実験を通じて総合的な線収縮を決定する必要があります。たとえば、成形機は Pro/E を使用して 3D モデリングを行い、STL ファイル形式に変換します。収縮率が決定された後、MagicsRP ソフトウェアで処理するときに、まず部品のスケールを調整して、理想的なサイズのワックスモデルを取得し、その後鋳造品を得ることができます。合金の種類と鋳型シェルの種類が線収縮に与える影響を考慮して、鋳造品の実際のサイズを決定し、ワックスパターンのサイズを再度修正して、最終的に適格なワックスパターンと鋳造品を得ることができます。たとえば、低炭素鋼の鋳造品の場合、従来の方法で作られたワックス型の総合収縮率は 2.5% です。鋳造品のサイズを実際に測定した後、総合収縮率はわずか 1.8% です。ワックス型のレーザーラピッドプロトタイピングを行うときは、MagicsRP ソフトウェアでモデルのスケールを調整するだけで、ワックス型のサイズを修正できます。しかし、鋳造製造工程においては、拘束収縮などの非自由収縮が存在し、その中でも内孔サイズの収縮率は小さく、外孔サイズの収縮率は大きい。 Pro/E を使用して 3D モデリングを行うと、ワックスモデルの収縮関係に基づいてワックスモデルの実際のサイズを直接描画できます。

2.2 ワックス型の組立溶接 ラピッドプロトタイピングマシンで製造されるワックスモデルプロトタイプは、変形せず、サイズが正確で、仕上げ処理後に表面が滑らかで、溶接、スラリー化、シェル化、脱ワックスが可能であることが求められます。注入システムは、同様の性能を持つ中温ワックスを使用して、しっかりとした結合を促進し、シェル製造の強度要件を満たします。そのサイズは、インベストメント鋳造プロセスの設計に応じて選択されます。組み立て溶接プロセスは従来のワックス金型と同様で、内部ゲートの長さと間隔を確保し、ライザー収縮補正を容易にし、金型シェルの安定した配置を保証します。

2.3 シェルの準備 ラピッドプロトタイピング技術で作られたワックスモデルはコーティング性能が優れており、コーティング、スラリー、サンド、乾燥の準備に独自のプロセスを使用できます。バインダーはシリカゾルまたはエチルケイ酸塩、表面耐火物はジルコン粉末、裏打ち層はムライトまたは石炭脈石粉末です。使用される焼結粉末は融点が高く流動性がないため、シェルは蒸気脱蝋プロセスを使用できませんが、ワックスモデルは純酸素環境で高温焙焼して除去するか、または注ぎ口とワックスモデルを開放大気環境で焙焼して除去することができます。

3つの応用例
3.1 インベストメント鋳造エンジンブロック 4気筒エンジンブロックの鋳造品は大きくて形状が複雑なため、金型の設計と製造が困難です。生産に必要なテンプレート、コアボックス、ワックス金型の製造は極めて困難なプロセスです。CNC加工センターなどの高価な設備を使用しても、加工技術とプロセスの実現可能性には依然として大きな困難があり、トリミングのためにフィッターが必要になることもあります。金型設計から加工、製造まで、複数のリンク、長いサイクル、高コストを伴う複雑なプロセスです。わずかなミスでも全面的なやり直しにつながる可能性があります。ワックスモデルはラピッドプロトタイピング技術を使用して直接作成されるため、金型の製造サイクルとコストが節約されます。
図３は、急速鋳造法を用いて製造された４気筒エンジンのワックスモデルである。従来の金属鋳造法では、金型の製造サイクルは約半年かかり、コストは数十万元かかります。急速鋳造法では、金型の急速成型に3日、シェルの製造と鋳造のプロセスに約7日かかります。全体の試作タスクは、当初の計画より5か月前倒しできます。

図3 急速鋳造技術を使用して製造された4気筒エンジンのワックス型。鋳造物のサイズが大きいため、水ガラスを使用してシェルを作成する場合、シェルの強度を十分に確保することが困難です。シリカゾルを使用してシェルを作成すると、シェルのサイズが大きいため、焼成中に亀裂が発生する可能性があります。一般的には複合殻が使用され、表面層はシリカゾルジルコン砂で作られ、第2層と第3層はシリカゾルムライトパウダーコーティングで作られ、ムライト砂が散りばめられ、補強層は水ガラス殻技術で作られています。殻の製造プロセス全体はわずか5日間で、焙焼と注入によって鋳造品が得られます。

3.2 精密鋳造アルミニウム合金ノズル 接続パイプはYL108アルミニウム合金で作られており、ダイカストが一般的な方法です。試作品として、ダイカスト金型を設計することは、生産サイクルが長いだけでなく、コストが高く、部品のサイズ設計を最適化するのに便利ではありません。ラピッドプロトタイピング技術を使用してワックス型を作成すると、柔軟性が高まり、型を作り直すことなくパイプの 3 次元形状を変更するだけで済みます。まず、Pro/E を使用して、図 4 に示すように接続パイプの 3 次元モデルを作成します。モデルを収縮率 0.8% に従って STL 形式に変換し、ラピッドプロトタイピングマシンに入力して、接続パイプのワックス型のプロトタイプを作成します。

図4 テイクオーバー3Dモデル

ワックスモデルを適切にトリミングし、注入システムを溶接してから、シェルの作成プロセスを開始します。パイプ構造がシンプルなので、セラミック鋳造の場合、砂の洗浄の問題は発生しません。表面層はジルコン粉末で作られ、裏面層は石炭脈石粉末耐火物で作られており、合計6層で強度要件を満たすことができます。鋳型シェルを焙焼してロストワックスした後、300℃～400℃の熱いシェルにアルミニウム合金液を注ぎます。鋳型が完全に冷却された後、鋳造鋳型シェルを丁寧に洗浄し、最後に鋳物をサンドブラストします。検査後、鋳物のサイズは図面の範囲内にあり、表面は滑らかです。

3.3 石膏鋳造インテークマニホールド 石膏鋳造とは、石膏で貝殻を作ることです。アルミニウムマグネシウム合金鋳物などの低融点金属部品の場合、石膏型を使用する方が効率的であり、同時に鋳造品の品質を効果的に保証でき、鋳造の成功率も高くなります。石膏鋳造の最初のステップは、図 5 に示すように、ラピッドプロトタイピング部品を使用してロストモールドを作成することです。ワックスモデルをトリミングした後、注入システムを溶接し、モジュールを石膏スラリーに埋めて石膏型を作成します。石膏型は完全に硬化し、一定時間乾燥させた後、焼成炉に入れて焼成します。ラピッドプロトタイピングのロストフォームは高温焼成により溶解し、最終的には完全に消失します。同時に、石膏型は乾燥して硬化します。このプロセスには通常約2日かかります。鋳物に気孔がなく輪郭がはっきりしていることを保証するために、特殊な真空鋳造装置で溶融アルミニウム合金液を石膏型に注入し、冷却後、石膏型を破壊してアルミニウム合金鋳物を得ます。この金属部品の製造方法は、ダイカスト金型を使用した製造コストのわずか 2% ～ 5% と非常に低コストです。生産サイクルは非常に短く、通常はわずか 2 週間です。真空環境で鋳込みが完了するため、石膏鋳物の性能は精密鋳造と同等、あるいは通常の精密鋳造よりも優れています。

図5 エンジン吸気マニホールドシリーズ製品のワックスモデル

3.4 ガスタービン鋳物の鋳造 航空宇宙技術分野において、高性能で複雑な形状の鋳物の一体鋳造の問題を解決するために国内外で使用されている最も効果的な方法は、ラピッドプロトタイピング技術とインベストメント鋳造を組み合わせて、それぞれの長所を活用することである[5]。図7に示すように、複雑で成形が難しいガスタービンのタービンインペラは、全体として複数のブレードが形成されており、ブレードの形状は空気力学の原理に従って設計されているため、金型の開きやコアの引き抜きが難しく、キャビティの加工が非常に困難です。金型の設計と製造サイクルが長く、コストも高いため、製品の研究開発にも大きな制限が生じます。
ラピッドプロトタイピング技術は、上記の困難を克服し、図6に示すように、ガスタービンのタービンインペラのワックスモデル（注入システムを含む）を直接製造することができます。ワックスモデルは、成形中にインペラの形状によって制約されません。その後の表面処理により、形成されたワックスパターンの表面粗さ Ra は 6.3μm に達し、埋没パターンの寸法精度と表面品質を十分に保証できます。ガスタービンのタービンは、一般的にセラミックシェルを使用して鋳造されます。鋳物の耐疲労性を向上させるために、表面結晶粒微細化技術を使用して、ブレード領域の結晶粒を等軸にします。したがって、シェルの製造プロセスは、コバルトアルミネート-シリカゾル-ジルコン粉末スラリーを使用して表面層をコーティングし、石炭脈石を裏層と補強層の耐火材料として使用することです。ブレードは薄く、緩むことが許されないため、注入システムは高圧ヘッドと大モジュールの球状ライザーを使用して設計されています。注湯温度と鋳型シェル温度を適切に制御し、溶鋼の製錬品質を向上させることで、図7に示すように高品質の鋳物が得られます。

図6 ガスタービンワックスモールドモジュールガスタービン鋳造

4 結論 ラピッドプロトタイピング技術を使用してインベストメント鋳造用のワックスパターンを製造すると、金型製作による鋳物の形状や開発プロセスへの制限を回避し、開発サイクルを大幅に短縮し、金型製造コストを節約し、複雑で高精度な最先端の鋳物を製造できます。ラピッドプロトタイピングと精密鋳造は相互に補完し合います。ラピッド自動プロトタイピングがなければ、鋳造金型の生産が精密鋳造のボトルネックになります。しかし、精密鋳造がなければ、ラピッドオートマチックプロトタイピングの応用は大きく制限されるでしょう。

編集者: 南極熊情報源: 張希蓮 (岳陽職業技術学院機械電気工学科)

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