ロストフォームキャスティングで作られる製品と業界がそれを選ぶ理由

ロストフォーム鋳造 これは高度な蒸発パターン鋳造プロセスであり、発泡パターン (目的の部品の正確なレプリカ) を結合していない砂に詰め、次に溶融金属を充填して発泡を蒸発させ、正確な形状をとります。を使用して製造された製品は、 失われたフォーム鋳造 対象となる部品は、自動車のエンジン ブロック、複雑なマニホールド、工業用ポンプ ハウジング、バルブ本体、鉄道部品、芸術的な彫刻に及びます。これには、厳しい寸法公差、複雑な内部形状、または複数の部品から機械加工または組み立てるのに法外な費用がかかるニアネットシェイプの出力が要求されるあらゆる部品が含まれます。によると、 米国鋳造協会 (AFS、2023) 、世界のロストフォーム鋳造市場は約 2022年に16.8億ドル 主に自動車の軽量化義務と、従来の砂型鋳造に必要な中子とバインダーの排除によって推進され、2030 年までに 6.1% の CAGR で成長すると予測されています。この記事では、このプロセスを使用してどの製品が鋳造されるのか、特定の形状で他の製品よりも優れたパフォーマンスを発揮する理由、失われたフォームが正しい選択であるかどうかを決定する材料と業界の制約は何かを正確に検証します。

ロストフォームキャスティングのしくみ: 製品の背後にあるプロセス

ロストフォーム鋳造 は、従来の砂型と中子を、溶融金属が金型キャビティを満たすときに破壊される (「失われる」) 発泡パターンで置き換えることにより、ネットシェイプの金属部品を製造します。プロセス順序によって、どの製品形状が達成可能であるかが決まります。また、この方法が従来の鋳造では経済的に製造できない設計を可能にする理由も決まります。

1. フォームパターンの製造: 発泡ポリスチレン (EPS) ビーズをアルミニウム ツールに注入し、蒸気で発泡させて、すべての内部通路、ボス、アンダーカットを含む最終部品のパターンを形成します。複雑なアセンブリの場合は、複数のフォームのサブパターンを水溶性接着剤で接着して単一の鋳造パターンを作成します。フォームパターンの寸法精度は、鋳造品の寸法精度、つまり公差を直接決定します。 ±0.005 インチ/インチ (±0.127 mm/mm) ごとに達成可能です ASTM E2349 / AFS ガイドライン .
2. 耐火コーティング: 組み立てられた発泡体パターンは、セラミック耐火スラリー (通常はアルミナまたはジルコンベース) に 1 ～ 3mm の厚さで浸漬コーティングされ、乾燥されます。このコーティングには 2 つの機能があります。砂の圧縮圧力下でパターンの寸法を維持するための剛性を提供することと、発泡分解ガスが型から浸透する速度を制御することです。この速度は、完成した鋳物の表面品質と気孔率に直接影響を与えるパラメーターです。
3. 砂の圧縮: コーティングされたパターンは、スチール製フラスコ内の乾燥した非結合ケイ砂に埋め込まれ、フラスコを振動させてすべてのパターン フィーチャの周囲に砂を均一に圧縮します。結合剤、樹脂、生砂水の添加物は使用されていません。砂は基本的に調整なしで再利用可能であり、プロセスコストに大きな利点があります。
4. 注湯とパターン蒸発: 溶融金属はフォーム パターンのスプルーに直接注がれます。金属の熱により EPS フォームが蒸発します。 2,600°F (1,427°C) アルミニウムの流し込みの場合、金属が後ろの空洞を満たすときにパターン内を進む燃焼前線を生成します。分解ガスは、透過性耐火物コーティングと結合していない砂を通って逃げます。
5. ノックアウトとフィニッシュ: 凝固後、枠枠を逆さにすると、鋳物は最小限の労力で緩んだ砂から落ちます。ほとんどの形状では、ノックアウト ハンマーやコアの取り外し、ゲート切断ツールは必要ありません。回収した砂は冷却してそのまま再利用します。

ロストフォーム鋳造を使用して製造されている自動車製品はどれですか?

自動車業界は、単一のエンドユーザーとしては最大の規模を誇ります。 失われたフォーム鋳造 、およそを占める 世界の失われたフォーム生産量の 65 ～ 70% (出典: グローバル キャスティング マガジン、2022 年 ）。このプロセスが 1980 年代後半から自動車メーカーに採用されるようになったのは、それまで一度の流し込みでは不可能だった、または複数の機械加工と組み立て部品が必要だった複雑な複数通路のアルミニウムおよび鉄鋳物の製造が可能になるためです。

エンジンブロックとシリンダーヘッド

アルミニウムのエンジン ブロックと鉄のシリンダー ヘッドは、最も多く使用されている用途です。 失われたフォーム鋳造 自動車製造において。エンジン ブロックには、ウォーター ジャケット、オイル通路、シリンダー ボア、ボルト ボスがすべて単一の幾何学的に複雑な鋳造品の中に含まれており、従来の砂型鋳造では内部通路を形成するために 6 ～ 14 個の砂中子が必要でした。で 失われたフォーム鋳造 完全なブロック パターン (すべての内部通路を含む) は単一のフォーム アセンブリとして製造され、すべてのコアとそれらによって導入される寸法のばらつきが排除されます。その結果、より滑らかな内部通路壁（ウォータージャケットのポンピングロスを低減）と、コアセットの代替品よりも狭いボア間の間隔を備えたネットシェイプ鋳物が得られ、エンジンの小型化と軽量化が可能になります。典型的な直列 4 アルミニウム エンジン ブロックは、 失われたフォーム鋳造 およその重さ 20 ～ 25% 削減 同等の鉄鋳物よりも、 機械加工作業が 40% 削減 従来の生砂型鋳造で製造された同じ部品との比較 (出典: SAE インターナショナルテクニカルペーパー 2021-01-0428 ）。

インテークマニホールド

インテークマニホールド（空気または混合気をスロットルボディから各シリンダーの吸気ポートに分配するコンポーネント）は、エンジン内で幾何学的に最も複雑な鋳造品の 1 つです。長く、湾曲し、分岐する内部ランナーは、すべてのシリンダーに均等に空気流が分配されるように正確な寸法にする必要があります。ランナー間のばらつきは、燃焼の均一性と出力を直接的に低下させます。 ロストフォーム鋳造 は、滑らかで正確な形状のランナーを備えた一体型のアルミニウム インテーク マニホールドを 1 回の操作で製造します。一方、従来の鋳造では、各接合部に段差が生じるガスケット接合部分を備えた複数部品のアセンブリが必要です。あたり SAE 論文 2019-01-1083 、ワンピース 失われたフォームキャスト アルミニウム製マニホールドは、ランナー間の流量変動が 未満であることを示します。 1.5% 、組み立てられた複数ピースのマニホールドの変動が 3 ～ 5% であるのと比較して。

エキゾーストマニホールド

エキゾーストマニホールドには、背圧を最小限に抑えるために内部を滑らかな壁にする必要がある、複雑な曲面形状の高温鉄合金 (通常、最高 1,650°F / 900°C までの温度に対応する D5S ダクタイル鋳鉄または SiMo ダクタイル鋳鉄) が必要です。 ロストフォーム鋳造 はコアなしでこれらの形状を製造し、鋳放し状態で Ra 250 ～ 500 マイクロインチ (6.3 ～ 12.5 μm) の内面仕上げを達成します。これは、内面の二次加工なしで排気サービスに十分な性能です。

デフキャリアとトランスミッションハウジング

ディファレンシャル キャリアとトランスミッション ハウジングは、複雑な外部形状 (取り付けボス、ベアリング サドル、リブ パターン) と正確な寸法のベアリング内部ボアを組み合わせており、 失われたフォーム鋳造 。このプロセスでは、軸受穴位置の寸法公差を±0.005インチ/インチに保つことができるため、必要な加工代が削減され、場合によっては、軸受穴をフルボーリングではなく仕上げホーニングのみで鋳放し状態で使用できるようになります。

ブレーキキャリパーとナックル

アルミ製ブレーキキャリパーとステアリングナックルは、 失われたフォーム鋳造 車両のハンドリングダイナミクスにおける重要な要素であるバネ下重量を最小限に抑えます。あ 失われたフォームキャスト アルミニウム製フロントナックルの重量は約 3.5 ～ 4.5 ポンドですが、同等の砂鉄鋳造品の重量は 7 ～ 9 ポンドであり、以下に定義されている荷重ケースで同等の構造性能を備えています。 SAE J328 ホイールおよびナックル疲労基準 .

ロストフォーム鋳造を使用して鋳造される産業およびエンジニアリング製品は何ですか?

自動車を超えて、 失われたフォーム鋳造 設計の複雑さ、内部通路、または厳しい公差により、代替の鋳造方法が不経済になる幅広い工業製品に選択されるプロセスです。産業用アプリケーションが約 20～25% 世界の失われた泡生産量（出典： AFS ロストフォーム鋳造委員会、2022 年 ）。

ポンプハウジングとインペラ

遠心ポンプのハウジングとインペラには、油圧効率を直接決定する滑らかで正確に湾曲した内部ボリュート通路が必要です。 ロストフォーム鋳造 は、従来の砂型鋳造よりも滑らかな渦巻き状の表面仕上げを備えた鋳鉄およびステンレス鋼のポンプ ハウジングを製造し、油圧損失を削減し、同等の流量でポンプ効率を 2 ～ 5 パーセント向上させます。これは、年間数百万の工業用ポンプ時間にわたって測定可能なエネルギー節約となります。ごとに 油圧学会規格 (HI 1.3、2020) 、内部容積 Ra 値が 500 マイクロインチ (12.5 μm) 未満であると、500 GPM を超える遠心ポンプの効率が目に見えて向上します。 失われたフォーム鋳造 ボリュート表面の二次加工を行わずに、鋳放しの状態でこれを実現します。

バルブボディ

産業プロセス制御、石油およびガス、および油圧システム用の複雑なバルブ本体には、複数の内部流路、クロスドリルポート、および正確な寸法のシートボアが含まれています。この組み合わせには、従来の鋳造やビレットからの大規模な機械加工では複数のコアが必要です。 ロストフォーム鋳造 これらの内部流路ネットワークを 1 回の注入で製造することで、内部座面のパーティング ラインのバリを排除し、中型から大型のバルブ ボディのビレット機械加工と比較して、機械加工要件を 30 ～ 50% 削減します (出典: 鋳造技術インターナショナル、2021 ）。

コンプレッサーハウジングとスクロールコンポーネント

HVAC システム、冷凍装置、空圧ツールで使用されるスクロール コンプレッサーの本体には、鋳造で製造できる幾何学的に最も複雑な形状の 1 つであるインボリュート螺旋表面が含まれています。 ロストフォーム鋳造 は、従来の砂型鋳造では達成できない寸法精度でフォームパターンからこれらのスパイラル形状を再現し、材料を大幅に除去して生鋳造から荒加工するのではなく、相手スクロール表面の仕上げ加工のみを必要とするニアネットシェイプの製造を可能にします。

ギアボックスと減速機ハウジング

産業用ギアボックスのハウジングは、リブ、冷却フィン、オイル チャネル、取り付けパッドがすべて同じ鋳物上にあることが多く、複雑な多面形状にわたって正確なベアリング ボアの位置合わせを維持する必要があります。 ロストフォーム鋳造 リブの厚さを最小限に抑えながら、これらの複雑な形状を生成します。 3 mm 角の半径は次のようにタイトです 1.5mm 、ハウジングの剛性を損なうことなく重量を削減する薄壁のギアボックス設計が可能になります。

ロストフォームキャスティングを使用している他の産業および製品はどれですか?

自動車や重工業を超えて、 失われたフォーム鋳造 は、さまざまな特殊な製品カテゴリに対応しており、自由な設計と寸法精度の独自の組み合わせにより、特定の利点が得られます。

鉄道および鉄道インフラコンポーネント

鉄道のブレーキ シュー、台車フレーム、およびカプラーのコンポーネントには、複雑な形状の高強度ダクタイル鋳鉄またはマンガン鋼が必要であり、厳しい疲労および衝撃基準に合格する必要があります。 ロストフォーム鋳造 ブレーキシュー本体と摩擦インサートハウジングに使用され、次の条件を満たす一貫した気孔のない鋳物を製造します。 AAR (アメリカ鉄道協会) M-215 仕様 鉄道鋳物用。パーティング ラインとコアの除去により、鉄道構造鋳造品の応力集中点が減少し、同じ形状の従来の砂型鋳物と比較して疲労寿命が向上します。

農業機械部品

トラクターの油圧バルブ本体、プランターの種子計量ハウジング、コンバインハーベスターの凹型フレームは、 失われたフォーム鋳造 ダクタイル鋳鉄とアルミニウムで。農業機械は、低から中程度の生産量で複雑な流体処理形状を必要とします。まさにこのような条件下では、 失われたフォーム鋳造's ダイカストに比べて金型コストの利点が最も重要です。あ 失われたフォーム鋳造 トラクターの油圧マニホールド用ツールの費用はおよそ 15,000 ドル～40,000 ドル 同等の高圧ダイカスト工具の価格が 80,000 ～ 250,000 ドルであるのに比べ、年間 500 ～ 10,000 個の生産量で経済的です。

船舶用エンジンおよび推進コンポーネント

船舶用船外機エンジンブロック、スターンドライブハウジング、船舶用ポンプインペラは、 失われたフォーム鋳造 耐食性、軽量、幾何学的複雑性を兼ね備えたアルミニウム合金。船外機下部ユニット (ギア ケース、ウォーター ポンプ通路、トリム タブ取り付け部を含む) は、海洋生産において最も幾何学的に複雑な小型鋳造品の 1 つであり、従来の鋳物では形成するのに 3 ～ 5 個のコアを必要とする交差する通路があります。

美術鋳造と建築金工

アーティストや建築家が使用 失われたフォーム鋳造 （アートの文脈では「フルモールド鋳造」と呼ばれることが多い）を使用して、オリジナルの彫刻されたフォームモデルの完全な表面テクスチャとディテールを備えたブロンズやアルミニウムの彫刻、建築装飾パネル、カスタムハードウェアを製造します。ワックスパターンとセラミックシェルを必要とするインベストメント鋳造とは異なり、 失われたフォーム鋳造 これにより、アーティストは一般的なツール (熱線、ナイフ、やすり) を使用して EPS フォームに直接彫刻し、中間モデルを転送することなく直接キャストすることができ、複数段階の複製プロセスで失われる自発的な表面テクスチャを維持します。

ロストフォームキャスティングと他のキャスティング方法: どの製品にどちらが最適ですか?

ロストフォーム鋳造 他のすべての鋳造方法に取って代わるものではありません。特定の製品特性に対して選択的に優れています。以下の表は、典型的な工業製品のプロセス選択を決定する基準全体で、生砂型鋳造、インベストメント鋳造、および高圧ダイカストと比較しています。

表 1: ロストフォーム鋳造と生砂鋳造、インベストメント鋳造、および高圧ダイカスト鋳造の、寸法公差、表面仕上げ、内部通路能力、工具コスト、および代表的な製品の比較。出典: AFS、SAE International、Casting Technology International (2021–2023)。

ロストフォームキャスティング製品にはどのような材料が使用されていますか?

鋳造金属の選択 失われたフォーム鋳造 どの製品を製造できるか、また鋳造品がどのような使用条件に耐えられるかが決まります。このプロセスは、高圧ダイカストよりも幅広い合金に適合しており、鉄合金を処理できるという点で、他の多くの精密鋳造オプションとは異なります。

表 2: ロストフォーム鋳造に使用される鋳造材料の市場シェア、注入温度、および典型的な製品用途別。出典: AFS ロストフォーム鋳造委員会年次報告書 (2022 年)。

複雑な製品の代替品ではなくロストフォームキャスティングが選ばれる理由

エンジニアと調達チームが選択する 失われたフォーム鋳造 特定の製品については、次の条件のうち 3 つ以上が同時に存在する場合、つまり、代替プロセスが技術的に不適切であるか、経済的に法外であるかのいずれかの条件が存在します。

• 3 つ以上の砂中子が必要となる複雑な内部通路: 従来の砂型鋳造では各コアにより、工具コスト、組立ての労力、コアプリントの寸法のばらつき、および注入中のコアの移動の可能性が追加されます。従来の鋳造で 8 個のコアを必要とする製品は通常、コスト競争力が高くなります。 失われたフォーム鋳造 年間生産量が 2,000 ユニットを超え、5,000 ユニットを超えるとコストと品質の両方で優れています (出典: 鋳造技術インターナショナル、2021 ）。
• 機械加工を最小限に抑えるニアネットシェイプ要件: 未加工の鋳造材料の除去コストが部品コストの合計の 25% を超える製品の場合、 失われたフォーム鋳造's 寸法精度とコアレス内部通路の製造により、加工時間が大幅に短縮されます。複雑なアルミニウム製パワートレイン部品の場合、従来の砂型鋳造に比べて製造コストの合計で 15 ～ 35% の優位性が得られます。 SAEインターナショナル (2020) .
• パーティングラインのない外部形状: 従来の鋳造では、すべての外面に抜き勾配とパーティング ラインのフラッシュが必要です。 ロストフォーム鋳造 パーティング ラインがゼロになり、2 ピースの砂型では物理的に不可能な外部形状 (アンダーカット、凹曲面、複合曲線) が可能になります。この自由度により、抜き勾配を犠牲にすることなく、重量に対する剛性を最適化した構造リブパターンが可能になります。
• 中程度から高度の複雑さを持つ中程度の生産量: ロストフォーム鋳造 複雑な部品の場合、年間 500 ～ 500,000 個の部品が生産効率のスイート スポットを占めますが、これはインベストメント鋳造の経済範囲を超えており (遅すぎる)、高圧ダイカスト工具への投資を正当化する必要量を下回っています。
• 環境コンプライアンス要件: ロストフォーム鋳造 化学結合剤を使用していないため、注入時に結合剤の分解排出物 (ベンゼン、トルエン、フェノール) が発生しません。これは、VOC 規制が厳しい地域では大きな利点となります。また、乾燥砂は熱再生を行わずに 95 ～ 98% リサイクル可能であり、化学結合砂システムと比較して鋳造廃棄物を大幅に削減します。

紛失した発泡鋳造製品に関するよくある質問