シェル成形とは: プロセス、材料、用途

溶融した材料を鋳型に流し込み、凝固させて形を作る伝統的な砂型鋳造法について聞いたことがあるかもしれません。しかし、最終製品はすぐには正確な要件を満たさないことが多く、適切な寸法と表面仕上げを実現するために一連の機械加工操作が行われます。

シェル成形 は、これらの課題に取り組む洗練された鋳造方法です。砂に頼る代わりに、砂と熱硬化性樹脂バインダーで薄くて硬いシェルを作成します。このシェルは優れた寸法精度と滑らかな表面仕上げを提供し、追加の機械加工の必要性を減らします。 

この記事では、シェル成形のプロセス、それに最適な材料、そしてさまざまな業界におけるさまざまな製品への応用について説明します。

シェルモールディングとは何ですか?

シェルモールディングは クローニング シェルモールド鋳造は、発明者ヨハネス・クローニングにちなんで名付けられました。クローニングは、生涯をかけて鋳造技術と機械の開発に取り組んだドイツ人エンジニアです。シェルモールド鋳造の発見は、より正確な部品製造への道を開いたクローニングの大きな革新の 1 つでした。

シェル鋳造は消耗品です 鋳型鋳造技術 砂と熱硬化性樹脂バインダーでできた薄壁のシェルを鋳型として使用する方法です。このシェルは従来の砂型とは異なり、強度があり樹脂で結合されています。優れた寸法精度と滑らかな表面仕上げが得られます。 

シェル成形プロセス: ステップバイステップ

シェルモールド鋳造プロセスは、一連の準備手順を伴うため、砂型鋳造プロセスよりもわずかに長くなります。プロセスの流れは次のとおりです。 

ステップI: 金属パターンの加工

鋳造には、収縮と加工代を考慮した金属パターンが必要です。通常、メーカーは機械加工によって 2 つの半分に分割して製造します。鉄と鋼が一般的ですが、反応性金属の場合はグラファイトも選択肢の 1 つです。  

ステップ II: 金型の構築

これは、金属パターンを 230～340ºC (450～650ºF) で加熱することから始まる、工程の中で最も重要なプロセスです。次に、技術者がステアリン酸カルシウムで潤滑し、砂殻がくっつかないようにします。 

型全体を、細かいシリカ砂と熱硬化性フェノール樹脂の混合物が入ったダンプ ボックスの上に吊るします。そのボックスをひっくり返して、熱い型を砂と樹脂の混合物で覆います。型からの熱により混合物の層がわずかに硬化し、厚さ約 9 ～ 20 mm の堅いシェルが形成されます。 

数秒後、型をひっくり返して再度箱詰めし、ゆるんだ未硬化の砂を落とします。こうすると、型に付着した硬化したシェルだけが残ります。最後に、シェルはオーブンに入れられ、完全に硬化します。ここで、引張強度 (350 ～ 450 psi) が得られます。シェルは XNUMX 部構成であるため、もう半分についても同じ型の作成プロセスが繰り返されます。

ステップIII: 金型の組み立て

両方の棚を組み立てた後、組み立てを開始します。結合には、クランプまたは接着の 2 つのオプションがあります。

ステップIV：注入プロセス

シェルをさらに補強するために、技術者はシェルを注入ジャケット内に置くか、砂、砂利、または金属ショットで囲むことがあります。次に、溶融金属を鋳型の空洞に注ぎます。これは手作業または機械で行われます。 

ステップ V: 冷却とギプスの除去

金属は自然に冷えます。固まったら、作業員は鋳型を開けたり壊したりして鋳造部品を取り出します。その後、仕上げの要件に従って鋳造品を洗浄または機械加工します。

シェル成形に適した材料

シェル鋳造は、鉄系と非鉄系の両方を含む、ほとんどの種類の金属、純金属、合金に使用できます。 

鋳鉄

鋳鉄は、その機械的特性により、かつては最も多く鋳造される金属でした。現在でも、業界で広く使用されています。この鋳造には、ほつれ鋳鉄、ノジュラー鋳鉄、白鋳鉄、可鍛鋳鉄、合金鋳鉄が人気があります。

鋼 

鋳鋼品は、高い引張強度と靭性で知られています。最適な鋼材の選択肢は次のとおりです。

• 炭素鋼： 合金元素の割合が少ないため、機械加工性や耐摩耗性に優れていますが、他の種類の鋼に比べて腐食の影響を受けやすいという欠点があります。 

• 合金鋼： これらの鋼には、強度と硬度を高めるために追加の合金元素が含まれています。鋳造に適したグレードには、45Mn と 40Cr があります。

• ステンレス鋼： ステンレス鋼はクロム含有量が高い（約 10.5%）ため、耐腐食性と耐久性に優れています。ただし、脆い性質があり、強度は炭素鋼ほど高くありません。 

アルミニウム合金

アルミニウム合金は、航空宇宙などの軽量用途に適しています。 ASTM A356 ASTM 360 は、金型鋳造用の一般的なアルミニウム合金です。

銅合金

銅は優れた導電性と耐腐食性を備えた延性材料です。そのため、電気部品など、これらの特性が求められる用途で使用されます。ただし、銅合金は高価で、鋼鉄よりも強度が低くなります。

シェル成形の利点

シェルモールド鋳造は、優れた許容誤差、表面仕上げ、および多様な材料機能を備えているため人気があります。 

鋳造プロセスがもたらす利点のリストは次のとおりです。

• 寸法精度の向上: シェル成形製品は優れた寸法精度を備えています。これは、熱と圧力下で形状を維持する硬化シェルの薄い層によるものです。中型部品の場合、最大 ±0.25 mm の許容誤差を実現できます。
• 良好な表面仕上げ: 砂型鋳造とは異なり、溶融金属は乾燥した密閉シェルと接触し、その表面は滑らかで多孔性がありません。これにより、表面の変形が少なくなり、理想的には最大2.5µmの表面粗さが得られます。
• 短いリードタイム: 一度シェルモールドを作れば、一貫した結果で再利用できます。これにより、リードタイムが短縮されるだけでなく、同じユニットの大量生産でもプロセスが経済的になります。 
• ガス欠陥レベルの低減: このプロセスでは、他の方法よりも高いバインダー含有量を使用します。それでも、薄壁の中空コアにより自然な通気経路が形成されます。シェル鋳型内の粗い砂の浸透性が向上するため、ガスの蓄積がなくなり、鋳造品質が向上します。
• 自動化の可能性: シェル鋳造プロセスは簡単に自動化できるため、大量生産に適しています。金属パターンの加熱、シェルの形成、組み立てなど、すべての主要タスクを処理できる機械があります。 
• 多用途の素材サポート: シェル成形により鉄金属と非鉄金属の両方を鋳造できます。これにより、さまざまな材料で多目的に使用できます。  

シェル成形の限界

シェル鋳造の欠点は次のとおりです。

• 重量制限のある取り扱い: シェル成形は薄肉構造のため、中型サイズおよび重量制限のある材料部品のみに対応します。30g から 10 kg (25 ポンド) までの部品を処理できます。 
• 高価な樹脂シェルモールディングに使用される熱硬化性フェノール樹脂は、従来の砂型鋳造で使用されるバインダーよりも高価です。
• 高い設備コスト: このプロセスでは、加熱と硬化のための別のセットアップも必要となり、コストがさらに増加し​​ます。さらに、自動化バージョンに切り替えると、資本コストはさらに高くなります。  

シェルモールド鋳造の用途

シェル鋳造は、金属部品を短時間で寸法精度良く複製するのに非常に効果的です。そのため、シェル成形製品は、自動車、航空宇宙、エネルギー、医療など、複数の業界にわたります。 

樹脂の存在により表面の滑らかさが増し、大規模な後処理が不要になります。その結果、労力と時間が削減され、全体的な生産コストが削減されます。これらの理由から、メーカーは小型から中型の金属部品の製造にシェル成形法を好みます。

以下の表は、さまざまな産業分野におけるシェル成形の具体的な用途の概要を示しています。 

シェル成形と他の鋳造プロセスの比較

成形とは、金型内で材料を溶かして固めることで成形する技術を指す幅広い技術で、シェル鋳造もその 1 つです。このほかにも、サンディング鋳造、ダイカスト、インベストメント鋳造など、密接に関連する技術があります。 

シェル成形と砂型鋳造

砂型鋳造とシェルモールディングは砂型鋳造技術です。ただし、鋳型の作成プロセスは異なります。砂型鋳造では、詰め込まれた砂全体が鋳型の役割を果たします。一方、シェルモールディングでは、砂と樹脂バインダーの薄いシェルを鋳型として使用します。 

砂型はゆるいため、表面欠陥や寸法誤差が発生する可能性が高くなります。一方、消耗型は薄くて硬いため、シェルモールド製品は仕上がりが良好です。

シェル成形とインベストメント鋳造

ロストワックス精密鋳造 シェルモールディングとは異なる鋳造方法を採用しています。鋳造ごとにワックスパターンを使用します。これらのワックスパターンはツリー構造 (ワックススプルー) に組み立てられ、セラミックスラリーでコーティングされ、その後溶かされて鋳型の空洞が残ります。

したがって、パターンと鋳型の材料は異なります。シェル鋳型は通常金属製です。一方、インベストメント鋳造ではワックスで造られます。シェル鋳造では砂型が使用され、インベストメント鋳造では屈折セラミックが使用されます。 

シェル成形面の表面仕上げは優れていますが、精密鋳造の場合、鋳造製品の仕上げは最大 1.3 ミクロンまでさらに高くなります。  

シェル成形とダイカスト

シェル鋳造とダイカストはどちらも金属鋳造技術ですが、主な違いは金型です。ダイカストでは、永久的な金属の金型、つまりダイを使用し、高圧をかけて溶融金属を金型の空洞に注入します。一方、シェル鋳造では、砂と樹脂でできた使い捨てのシェル型を使用します。

ダイカストとは異なり、シェル成形では高圧は不要です。代わりに、樹脂結合シェルの強度を利用して精度を実現します。また、ダイカストは、融点の低い金属と単純な形状の部品にしか適していません。

シェル成形と射出成形

射出成形 は、別の精密な成形技術ですが、主にプラスチック製品の複製に重点を置いています。このプロセスでは、溶融プラスチックが高圧下で金属の金型に注入され、そこで冷却されて最終形状に固まります。 

したがって、シェル成形と射出成形の主な違いは、対象材料と鋳造方法です。シェル成形プロセスでは、溶融金属を砂型（消耗型）に注ぎます。一方、射出成形では、プラスチックを固体型（非消耗型）に注入します。    

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