シェルモールディング

シェルモールド鋳造（シェルモールド鋳造とも呼ばれる）^{[ 1 ]}は、樹脂で覆われた砂を使用して型を形成する使い捨ての型鋳造プロセスです。砂型鋳造と比較して、このプロセスは寸法精度が高く、生産性が高く、労働力要件が低くなっています。高い精度が要求される小型から中型の部品に使用されます。^{[ 2 ]} シェルモールドは、20世紀半ばにドイツで製造プロセスとして開発されました。ドイツのエンジニア、ヨハネス・クローニングによって発明されました。^{[ 3 ] [ 4 ]}シェルモールド鋳造は、溶融金属を使い捨ての型に流し込むという点で、砂型鋳造に似た金属鋳造プロセスです。ただし、シェルモールド鋳造では、型はパターンの周りに砂と樹脂の混合物を塗布して作られた薄壁のシェルです。パターンは、目的の部品の形状をした金属片で、複数のシェルモールドを形成するために再利用されます。再利用可能なパターンは生産性を高め、使い捨ての型は複雑な形状を鋳造することを可能にします。シェルモールド鋳造には、金属型、オーブン、砂と樹脂の混合物、ダンプボックス、溶融金属が必要です。

シェルモールド鋳造では、鉄系金属と非鉄金属の両方を使用でき、一般的には鋳鉄、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、銅合金などが用いられます。典型的な部品は小型から中型で、高い精度が要求されるもので、例えばギアハウジング、シリンダーヘッド、コネクティングロッド、レバーアームなどが挙げられます。

シェルモールド鋳造プロセスは、以下のステップで構成されます。

型作り ― 目的の部品の形状に合わせて、通常は鉄または鋼から2ピースの金属型を作成します。少量生産の場合はアルミニウム、反応性の高い材料の鋳造にはグラファイトなど、他の材料が使用される場合もあります。

金型製作 - まず、各パターン半分を175～370 ℃（347～698 °F）に加熱し、取り外しを容易にするために潤滑剤を塗布します。次に、加熱したパターンを、砂と樹脂バインダーの混合物が入ったダンプボックスにクランプで固定します。ダンプボックスを反転させ、この砂と樹脂の混合物がパターンを覆うようにします。加熱されたパターンによって混合物が部分的に硬化し、パターンの周囲にシェルが形成されます。各パターン半分と周囲のシェルはオーブンで完全に硬化され、その後、シェルがパターンから取り出されます。  

金型組み立て - 2つのシェル型を接合し、しっかりと固定して完全なシェル型を形成します。コアが必要な場合は、金型を閉じる前に挿入します。次に、シェル型をフラスコに入れ、裏打ち材で支えます。

鋳造 - 鋳型をしっかりと固定した状態で、溶融金属を柄杓から湯口システムに注ぎ込み、鋳型の空洞を満たします。

冷却 - 型に溶融金属が流し込まれた後、溶融金属は冷却され、最終的な鋳造品の形状に固まる。

鋳造品の取り出し - 溶融金属が冷えた後、鋳型を壊して鋳造品を取り出すことができます。供給システムから余分な金属を、鋳型から砂を取り除くために、トリミングと洗浄の工程が必要です。

シェル成形品の例としては、ギアハウジング、シリンダーヘッド、コネクティングロッドなどが挙げられる。また、高精度成形用コアの製造にも用いられる。

シェルモールドを作成するプロセスは、次の 6 つのステップから構成されます。^{[ 2 ] [ 5 ]}

1. 薄い（3～6％）熱硬化性フェノール樹脂と液体触媒で覆われた微細なシリカ砂を、熱した型の上に投入、吹き付け、または射出する。型は通常鋳鉄製で、230～260 ℃（446～500 °F）に加熱される。砂は型の上に数分間放置され、部分的に硬化する。  
2. 次に、型と砂を反転させ、余分な砂を型から落とし、「殻」だけを残します。型を作る時間と温度によって、殻の厚さは10～20mm （0.4～0.8インチ）になります。  
3. 型とシェルを一緒にオーブンに入れて、砂の硬化を完了させる。シェルの引張強度は350～450psi （2.4～3.1MPa ）になる。  
4. 硬化した外殻は、その後、型から剥がされる。
5. 次に、2つ以上のシェルをクランプまたは熱硬化性接着剤を用いて接着し、型を形成する。この完成した型は、すぐに使用することも、ほぼ無期限に保管することもできる。
6. 鋳造の場合、シェル型はフラスコ内に置かれ、シェルを補強するためにショット、砂、または砂利で囲まれます。 ^{[ 6 ]}

この工程で使用される機械はシェルモールディングマシンと呼ばれます。この機械は、型を加熱し、砂の混合物を塗布し、シェルを焼き上げます。

シェルモールドパターンのセットアップと製造には数週間かかり、その後、 1時間あたり5～50個の生産が可能になります。^{[ 7 ]}一般的な材料には、鋳鉄、アルミニウム、銅合金などがあります。^{[ 1 ]}アルミニウムとマグネシウム製品の平均重量は、通常の限界として約13.5 kg (30 lb)ですが、 45～90 kg (100～200 lb)の範囲の製品を鋳造することも可能です。最小限界は30 g (1 oz)です。材料によって、鋳造可能な最も薄い断面は1.5～6 mm (0.06～0.24 in)です。最小抜き勾配は0.25～0.5度です。^{[ 1 ]}        

砂型は収縮がほとんどないように設計されており、金属パターンが使用されるため、一般的な公差は 0.005 mm/mm または in/in です。より細かい砂が使用されるため、鋳造表面仕上げは0.3～4.0マイクロメートル(50～150 μin) です。樹脂も非常に滑らかな表面の形成を助けます。このプロセスは一般的に、鋳造ごとに非常に均一な鋳造品を生成します。^{[ 5 ]}   

砂と樹脂の混合物は、高温で樹脂を燃焼させることでリサイクルできる。^{[ 6 ]}

利点

• 非常に大きな部品
• 複雑で正確な形状、細部まで精緻に仕上げられ、表面も良好な仕上がり。
• 加工コストの削減
• シェルモールディングは大量生産のために完全に自動化することができる。^{[ 2 ]}
• 自動化すれば、生産性が向上し、人件費も削減できる。
• 短納期も可能です。
• 豊富な素材オプション。
• 工具・設備費が低い。
• シェル内に水分がないため、ガスによる問題はほとんどなく、わずかに残っているガスも薄いシェルを通して容易に逃げる。金属を注ぐと、樹脂バインダーの一部がシェルの表面で燃え尽きるため、振り出しが容易になる。^{[ 1 ] [ 5 ]}

デメリット

• ゲートシステムはパターンの一部でなければならない。なぜなら、金型全体がパターンから形成されるため、コストがかかる可能性があるからだ。
• 砂用の樹脂は高価だが、殻を作るだけなのでそれほど多くは必要ない。^{[ 5 ]}
• 材料の強度が低い。
• 高い多孔性が可能。
• 二次加工が必要となる場合が多い。
• 手作業で行うと人件費が高くなる。

シリンダーヘッド、コネクティングロッド、エンジンブロックおよびマニホールド、機械ベース。