インベストメント鋳造：精密金属部品のための信頼できる鋳造法

インベストメント鋳造とは？

インベストメント鋳造は、ロストワックス鋳造とも呼ばれ、機械の金属部品、パーツを製造するプロセスです。インベストメント鋳造は、比較的コスト効率が良く汎用性の高い鋳造方法の一つですが、他の方法より時間がかかります。金属の鋳造は厳格な要件に従う必要があります。例えば、製品は溶融金属で作られるため、鋳造プロセスは耐熱性でなければなりません。

また、これらのプロセスで作られる鋳物の精度も重視されます。さまざまな機械加工が必要になると、多大なコストと労力がかかります。しかし、インベストメント鋳造では、最終工程の表面平滑化を除き、過度な機械加工なしで鋳造プロセスを完了できます。

インベストメント鋳造の仕組み

インベストメント鋳造のプロセスは、ワックス模型の形成と金属鋳造で完了します。つまり、金属を鋳造する前にワックス模型を作り、その後ワックス模型に金属を鋳造します。

ワックス模型の形成は、ワックスパターン鋳造、ワックスパターン組み立て、シェル構成、ワックス除去の4ステップに分けられます。金属鋳造は、金属鋳造、切断、カスタマイズに分けられます。

ワックスパターン鋳造

ワックス形成の第一歩は、ワックスを金属注入ダイ（通常はアルミニウム注入ダイ）に注ぐことです。冷却されたワックスパターンは、金属が加熱時に膨張し、冷却後に収縮するため、最終金属製品より大きくする必要があります。

ワックスパターン組み立て

ワックスパターンが冷却されたら、熱したアイロンに浸してワックスパターン同士を接着し、いわゆる金属供給システムを作ります。金属供給システムは、後で溶融金属を注ぐための空洞を提供するため、金属精密鋳造の鍵となり、最終製品の機械加工要件を減らす要因となります。

シェル構成

その後、ワックスパターン組み立て（金属供給システム）をスラリーと呼ばれるセラミック溶液に浸します。このステップは機械による不完全を防ぐため手作業で行われます。スラリーに浸した組み立てをサンドスタッコでコーティングして強化し、乾燥させます。スラリーへの浸漬とサンドスタッコによるコーティングを、所望のワックス模型厚さ（約3/10インチ、約7.5mm）になるまで繰り返します。これには約5日かかります。

ワックス除去

厚みが出て乾燥したワックス模型を、オートクレーブ（高温蒸気室）に5〜10分間入れ、シェルまたはセラミック模型からワックスを溶かし出します。ワックスが除去されシェルが完全に乾燥したら、ワックス模型形成プロセスは完了です。

金属鋳造

溶融金属をシェルに注ぐ前に、シェルを炉で約2〜3時間加熱し、シェルを強化し、シェルの特性を安定させて、後で溶融金属とシェルの相互作用を減らします。

金属が溶融し、華氏2200度（約1200℃）に達したら、溶融金属をシェルのチャンバーに注ぎ、冷却・硬化させます。アルミニウムの場合約2時間、鋼の場合約4〜5時間で冷却します。その後、セラミックシェルを割り取り、最終金属部品が残り、次のステップに進みます。このプロセスは約5〜10分かかります。

切断とカスタマイズ

最後に、金属供給システムを切断・研削して最終製品の仕上げを平滑にし、これらの製品を出荷できます。

インベストメント鋳造 vs 砂型鋳造

インベストメント鋳造は、ワックスを砂に置き換えたもう一つの鋳造法である砂型鋳造の対抗馬の一つです。プロセスの複雑さ、必要な型、機械加工要件など、いくつかの違いがあります。

プロセスの複雑さ

インベストメント鋳造と砂型鋳造を比較すると、前者のプロセスの方がより複雑です。前者は最終製品の要求に応じて型の統合に専念するためです。砂型鋳造で作られる製品はインベストメント鋳造ほど汎用性が高くないため、砂型鋳造に必要なプロセスは比較的少なく、シンプルです。

必要な型

前述の通り、インベストメント鋳造は型と最終製品の製造により多くのプロセスを要します。最終製品の全構成をカバーする唯一の型で済みます。対照的に、砂型鋳造の型形成はよりシンプルでステップが少ないです。必要な構成を作るため、砂型鋳造では1製品につき2つの半分型が必要で、インベストメント鋳造より多くなります。

機械加工要件

インベストメント鋳造の複雑さが比較的高いため、型の統合と完全性が高く、それに応じて機械加工は少なくて済みます。一方、砂型鋳造で作られる型は粗いため、後でカスタマイズされた最終製品の形状を達成するためにより多くの機械加工が必要です。

インベストメント鋳造 vs ダイカスト

型やダイの製造には、ダイカストと呼ばれる別の方法があります。これは電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、電極からスパークを発生させて型やダイの空洞を作る方法です。ダイカストプロセスはEDMマシンと呼ばれる機械で行われ、熱として電気エネルギーを送る電極はグレー鋳鉄で作られ、電子伝導性のワークピースが必要になります。これにより、EDMマシンが適用できるワークピースに制限が生じます。対照的に、インベストメント鋳造で生産されるセラミック型の汎用性は、EDMマシンよりはるかに高いです。

しかし、作業効率の面では、ダイカストがインベストメント鋳造を上回ります。インベストメント鋳造が要求する複雑なプロセスから解放されているためです。したがって、鋳造方法の汎用性と作業効率を考慮し、どちらを選ぶかは製造業者の個人的な好みと考慮事項によります。