砂型・ダイカスト・インベストメント鋳造：金属部品に最適なプロセス選定

適応性、性能、比較的安価なコストにより、一部の鋳造プロセスは多くの産業用途で広く使用されています。例えば、砂型鋳造、ダイカスト、インベストメント鋳造は、消費財、自動車、医療、航空宇宙産業向けの金属部品製造に世界中で広く用いられる鋳造プロセスです。

すべての3つの製造プロセスが良質な金属部品を生産できますが、それぞれにメリットと制限があるため、用途によって最適なプロセスが異なります。理想的なアプローチは、要件、設計複雑性、材料特性、部品設計のその他重要な要素に依存します。

金属鋳造

金属鋳造とは何か？簡単に言えば、鋳造プロセスは金属を溶かし、溶融材料を準備された金型に注ぎ込んで形状を与えることです。今日のほとんどの鋳造技術は、溶融金属の取り扱い方と金型への配置方法で異なります。部品設計によっては、鋳造プロセスでネットシェイプ部品を生産できます。したがって、部品の最終的な要求形状と適合を達成するために追加の機械加工は不要です。

製品設計者は、各プロセスの機能と相違点を理解し、どのプロセスがコンポーネントに適しているか（砂型鋳造、ダイカスト、インベストメント鋳造）を判断する必要があります。設計者は、複雑さ、要求、結果を認識することでのみ、用途に最も適したプロセスを選択できます。

では、3つの鋳造手順を簡単に確認しましょう。

ダイカストとは？

ダイカストは、溶融金属を圧力で金型に押し込み、金属鋳造品として凝固させる一般的な永久金型鋳造プロセスです。ダイカスト品または圧力ダイカスト品は、自動車ハウジング、家電部品、玩具などで一般的に使用されます。

砂型鋳造とは？

砂型鋳造はダイカストとわずかに異なります。まず、溶融金属を消耗型砂金型に手動で注ぎ込み、3D形状に冷却させます。

インベストメント鋳造とは？

インベストメント鋳造では、溶融材料を耐火材料で作られた金型に注ぎ込みます。金属が金型内で凝固したら、耐火金型を破壊して鋳造品を取り出します。ワックスパターンを使用して耐火材料で金型を作ります。

砂型鋳造、ダイカスト、インベストメント鋳造の違い

砂型鋳造、ダイカスト、インベストメント鋳造の違いは何ですか？

砂型、インベストメント、ダイカストは様々な用途に最適な選択肢です。効率的で、品質は比較的同等で、類似材料を鋳造できます。したがって、砂型鋳造、ダイカスト、インベストメント鋳造の違いを評価する際に明確な勝者を決定するのは困難です。

しかし、インベストメント、ダイ、砂型鋳造の製造プロセスを決める際には、いくつかの重要な違いが存在します。それらを知ることは製品設計者にとって有益で、情報に基づいた意思決定を助けます。

砂型、インベストメント、ダイカストプロセスの最も重要な8つの違いをご紹介します。

金型設計と材料

砂型、インベストメント、ダイカストプロセスの主な違いは、金型作成に使用される材料です。

ダイカスト金型は永久金属製ですが、砂型鋳造金型は消耗型の砂です。インベストメント鋳造では、ワックスパターンの周りに特殊な耐火コーティングを施して金型を作ります。

永久金型のため、ダイカストは砂型鋳造とインベストメント鋳造より生産速度が速く、後者は毎回金型を作り直す必要があります。インベストメント鋳造は1本のツリーで複数部品を鋳造できるため、金型あたりの部品数で優位性があります。

使用する砂の品質が鋳造表面品質に大きく影響します。対照的に、ダイカストの金属金型とインベストメント鋳造の微細スラリー耐火材料金型は、砂型鋳造より滑らかな表面を実現します。

砂型鋳造とインベストメント鋳造の金型は毎回破壊されますが、ダイカスト金型は鋳造ラン後すぐに再利用可能です。この特性と素晴らしい処理速度が最も重要な側面の一つです。そのためダイカストは一般的に高速生産設定で好まれます。

この格差により、砂型鋳造は速度を要する用途には不向きです。一方、プロセスは比較的コスト効率が良く汎用性が高く、合金や異形状に最適です。さらに、製造プロセスがシンプルで幅広い合金を容易に扱えるため、設計者により多くの自由度があります。

金属鋳造タイプ	金型材料と製造
砂型鋳造	消耗型金型 金型材料：砂 1〜2週間
ダイカスト	永久金型 金型材料：金属 4〜10週間
インベストメント鋳造	消耗型金型 金型材料：耐火材料 ワックスパターンから完成鋳造まで7〜10日

材料

インベストメント鋳造と砂型鋳造はあらゆる材料を鋳造可能です。しかし、ダイカストは一般的に低融点非鉄金属の部品鋳造に使用されます。したがって、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、黄銅がダイカストで広く使用され、一方アルミニウム合金、黄銅合金、鋳鉄、鋳鋼が砂型鋳造の一般的材料です。

インベストメント鋳造は砂型鋳造と非常に似ており、あらゆる材料を鋳造可能です。

金属鋳造タイプ	砂型鋳造	ダイカスト	インベストメント鋳造
鋳造可能金属	無制限	低融点金属	無制限

部品特性

ダイカスト部品は、プロセスに伴う高圧のため、一般的に砂型とインベストメント鋳造より耐久性が高いです。また、高圧により内部隙間がなく、製品全体がほぼ内部欠陥フリーです。

ダイカストは砂型鋳造より速く冷却されるため、ダイカスト部品はより微細で均一な微細構造を持ちます。通常、この微細構造により機械的特性が最大20%向上します。

• 砂型鋳造 – 材料特性は比較的劣る
• ダイカスト – 高圧により良好な機械的特性と微細構造
• インベストメント鋳造 – 機械的特性と微細構造は鋳造方法によるが、通常砂型鋳造とダイカストの中間

鋳造特性と特性	砂型鋳造	ダイカスト	インベストメント鋳造
部品サイズ – 重量(kg) – 最小	0.01	< 0.01	0.001
部品サイズ – 重量(kg) – 最大	制限なし	50	100
気孔率（1＝最良〜5＝最悪）	3〜5	1〜3	5
形状複雑性（1＝最良〜5＝最悪）	1〜2	3〜4	1

部品複雑性

ダイ、インベストメント、砂型鋳造の結果におけるもう一つの違いは、部品の全体的な複雑性です。インベストメント鋳造と砂型鋳造は、ダイカストよりはるかに複雑で大規模な設計を扱えます。ダイカストは寸法精度と速度が大幅に優れていますが、複雑な形状の製造能力は限定的です。

インベストメント鋳造とダイカストも制限があり、砂型鋳造と比較して中小型部品に適しています。

鋳造特性と特性	砂型鋳造	ダイカスト	インベストメント鋳造
部品サイズ – 重量(kg) – 最小	0.01	< 0.01	0.001
部品サイズ – 重量(kg) – 最大	制限なし	50	100
形状複雑性（1＝最良〜5＝最悪）	1〜2	3〜4	1

肉厚

砂型鋳造は一般的に厚い肉厚になります。厚い肉厚は機械加工や後処理で誤差修正の余地が大きいですが、重くなります。

鋳造プロセス	肉厚 最小	肉厚 最大
砂型鋳造	3.00 mm	制限なし
ダイカスト	0.50 mm	12.00
インベストメント鋳造	1.00 mm	75.00

一方、ダイカストはより薄い肉厚を生産しながら、より高い寸法精度を維持します。結果として、砂型鋳造はタイトな公差が必要な小さな物体には不向きで、一貫性を維持し最高の結果を出すことが極めて困難になります。インベストメント鋳造も薄肉化可能で、複雑な形状とフィーチャーに適した選択肢です。

生産量

砂型鋳造のメリットの一つは、工具要件が少ないことです。その結果、プロセスは比較的速く、即座に良い結果を得られます。一方、ダイカストはより複雑で時間のかかる初期工具が必要なため、大量生産に最適です。

インベストメント鋳造は1バッチあたりの部品数が多く（ツリーあたり複数部品を鋳造可能）、初期セットアップ時間はダイカストと似ています。

鋳造特性と特性	砂型鋳造	ダイカスト	インベストメント鋳造
典型的生産レート（個/金型時間）	1〜20	2〜200	1〜1000
最小数量	1	10,000	10

ただし、ダイカストは大量生産ではより速いプロセスです。高速生産 means ダイカストなら代替工法より短時間で千個生産可能です。しかし、ダイカストに必要な初期工具時間を考えると、100〜150個以下しか必要ない場合は他のプロセスの方が良いです。

公差と精度

3つの鋳造の中でダイカストが最も優れた公差精度を提供します。以下はアルミニウムを例にした典型的な値で、鋳造プロセスの精度と公差は以下の要因に依存します：

• 設計複雑性
• パターン設備とダイ設備のタイプ
• 使用金属と合金
• パターンとダイの状態
• 鋳造所の作業方法

寸法	ダイカスト	砂型鋳造	インベストメント鋳造
25mmまで	±0.050mm	±2.00mm	±0.250mm
50mmまで	±0.075mm	±2.00mm	±0.350mm
75mmまで	±0.100mm	±2.00mm	±0.400mm
100mmまで	±0.125mm	±3.00mm	±0.500mm

鋳造公差と精度のチャート・テーブルについては以下の規格を参照してください。

• ISO 8062 – 鋳造寸法公差と機械加工代

表面仕上げ

もう一つの重要な要因は最終製品の表面仕上げです。砂型鋳造プロセスは粗く荒い表面を生み出し、冷却後さらに処理や機械加工が必要な場合があります。一方ダイカストは優れた表面仕上げで、追加処理がほとんど不要です。

インベストメント鋳造は通常、微細スラリー材料により優れた表面仕上げを生み出します。

コスト

すべての製造プロセスと同様、単価は材料、人件費、設備など様々な要因に依存します。例えば、砂型鋳造は他より人件費がかかり、ダイカストは高価な金型と機械が必要、インベストメント鋳造は長い生産時間を要します。

砂型のシンプルさと比較すると、ダイカスト用の金属金型製作はコストがかかります。また、金属金型はより多くの時間と専門知識を必要とし、プロセス全体のコストを押し上げます。

鋳造プロセス	金型コスト	設備コスト	人件費	生産レート（個/時）
砂型鋳造	低	低	低〜中	< 20
ダイカスト	高	高	低〜中	< 200
インベストメント鋳造	中〜高	低〜中	高	< 1000

開発時間も鋳造プロセス間で異なり、全体コストを増やします。

• 砂型鋳造 – 2〜10週間の開発時間
• ダイカスト – 12〜20週間
• インベストメント鋳造 – 5〜16週間

下図はコストが生産数量とレートに依存することを示しています。

砂型、ダイ、インベストメント鋳造のメリットとデメリット

鋳造タイプ	メリット	デメリット
砂型鋳造	ほぼすべての金属を鋳造可能 部品サイズ、形状、重量に制限なし 低工具コスト	仕上げ加工必要 粗い表面仕上げ 広い公差
ダイカスト	優れた寸法精度 優れた表面仕上げ 低気孔率 高生産レート	高い金型コスト 部品サイズ制限 一般的に非鉄金属に限定 長いリードタイム
インベストメント鋳造	複雑な部品形状 優れた表面仕上げと精度 ほぼすべての金属を鋳造可能	部品サイズ制限 高価なパターンと金型 高い人件費

砂型、ダイ、インベストメント鋳造の特性比較

鋳造特性と特性	砂型鋳造	ダイカスト	インベストメント鋳造
部品サイズ – 重量(kg) – 最小	0.01	< 0.01	0.001
部品サイズ – 重量(kg) – 最大	制限なし	50	100
典型的表面粗さ（Ra-μm）	5〜250	1〜2	0.3〜2
気孔率（1＝最良〜5＝最悪）	3〜5	1〜3	5
形状複雑性（1＝最良〜5＝最悪）	1〜2	3〜4	1
寸法精度（1＝最良〜5＝最悪）	3	1	1
肉厚 – 最小	3	0.5	1
肉厚 – 最大	制限なし	12	75
典型的寸法公差(mm)	1.6〜4.00	±0.001〜0.005	±0.005
典型的生産レート（個/金型時間）	1〜20	2〜200	1〜1000
最小数量	1	10,000	10