インベストメント鋳造

インベストメント鋳造は、ロストワックス鋳造に基づく工業プロセスであり、最も古い金属成形技術の1つです。^[1]「ロストワックス鋳造」という用語は、現代のインベストメント鋳造プロセスを指すこともあります。

インベストメント鋳造は、過去 5,000 年にわたってさまざまな形で使用されてきました。初期の形態では、鋳造プロセスに必要なパターンを形成するために蜜蝋が使用されていました。今日では、パターンの作成には、より高度なワックス、耐火材料、および特殊な合金が一般的に使用されています。インベストメント鋳造は、さまざまな金属や高性能合金で、正確性、再現性、汎用性、完全性を備えた部品を製造できるという点で高く評価されています。

壊れやすいワックスパターンは、鋳型製作中に受ける力に耐えなければなりません。インベストメント鋳造で使用されるワックスの多くは、再生利用して再利用することができます。^[2] ロストフォーム鋳造は、プロセスの特定のステップを省略した最新のインベストメント鋳造方法です。

インベストメント鋳造法は、鋳型を作るためにパターンを耐火材でインベストメント（囲む）し、溶融物質を鋳型に流し込むことからこの名がつけられた。鋳造できる材料には、ステンレス鋼合金、真鍮、アルミニウム、炭素鋼、ガラスなどがある。耐火鋳型の中の空洞は、わずかに大きめだが、それ以外は目的の部品と全く同じである。使用される耐火材の硬さにより、インベストメント鋳造法では優れた表面品質の製品を生産することができ、二次機械加工の必要性を減らすことができる。^[3]

水ガラスとシリカゾルの精密鋳造は、現在使用されている2つの主要な精密鋳造方法です。主な違いは、表面粗さと鋳造コストです。水ガラス法では、高温の水で脱蝋し、セラミック鋳型は水ガラス石英砂で作られます。シリカゾル法では、フラッシュファイアで脱蝋し、シリカゾルジルコン砂でセラミック鋳型を作ります。シリカゾル法はコストは高くなりますが、水ガラス法よりも表面が優れています。^[4]

このプロセスは、数オンスの小型鋳物と数百ポンドの大型鋳物の両方に使用できます。ただし、大量の小型部品に最適です。^[5]ダイカストや砂型鋳造よりも高価になる可能性がありますが、大量生産すると単位あたりのコストが下がります。インベストメント鋳造では、他の鋳造方法では困難または不可能な複雑な形状を製造できます。また、表面仕上げや機械加工を最小限に抑えて、優れた表面品質と低い公差を備えた製品を製造することもできます。

鋳造は、オリジナルのワックス モデルから行う (直接法) ことも、ワックスで作る必要のないオリジナルのパターンのワックス レプリカから行う (間接法) こともできます。次の手順は間接法について説明しており、完了までに 2 ～ 7 日かかります。

1. マスターパターンの作成：アーティストまたは鋳型製作者は、ワックス、粘土、木材、プラスチック、またはその他の材料からオリジナルのパターンを作成します。^[6]近年、コンピュータ支援設計ソフトウェアで作成されたモデルの3Dプリントを使用したパターンの制作が普及しており、高解像度のパターンには主に樹脂ベースのステレオリソグラフィー（SLA）またはDLP 3Dプリンターが使用され、高精度が要求されない場合には標準のPLAフィラメントが使用されます。3Dプリントされたパターンを使用する場合は、直接ステップ5に進みます。
2. 鋳型を作る：マスターダイと呼ばれる鋳型は、マスターパターンに合わせて作られます。マスターパターンが鋼で作られている場合は、より融点の低い金属を使用してパターンから直接マスターダイを鋳造することができます。ゴムの鋳型もマスターパターンから直接鋳造することができます。あるいは、マスターパターンを作成せずに、マスターダイを独立して機械加工することもできます。^[6]
3. ワックスパターンの製造:ワックスパターンと呼ばれていますが、パターン材料にはプラスチックや凍結水銀も含まれる場合があります。^[6]ワックスパターンは、2つの方法のいずれかで製造できます。1つのプロセスでは、ワックスを型に注ぎ、通常約3 mm（0.12インチ）の厚さの均一なコーティングが型の内側の表面を覆うまで振り回します。これは、目的のパターンの厚さに達するまで繰り返されます。別の方法では、型全体を溶融ワックスで満たし、固体として冷却します。^[要出典]
   コアが必要な場合は、溶解性ワックスまたはセラミックの2つのオプションがあります。溶解性ワックスコアは、ワックスパターンの残りの部分とともにインベストメントコーティングから溶け出すように設計されています。セラミックコアは、製品が硬化した後に取り除かれます。^[6]
4. ワックスパターンを組み立てる: 複数のワックスパターンを作成し、1回のバッチ注入で鋳造する1つの大きなパターンに組み立てることができます。この場合、パターンはワックススプルーに取り付けられ、パターンクラスターまたはツリーを作成します。パターンを取り付けるには、加熱ツールを使用して指定されたワックス表面をわずかに溶かし、次に互いに押し付けて冷却して硬化させます。数百ものパターンをツリーに組み立てることができます。^{[6] [7]ワックスパターンは、加熱された金属ツールを使用して}パーティングラインまたはフラッシングをこすり取ることを意味するチェイスも行うことができます。最後に、パターンは完成品のように見えるようにドレスアップされます（欠陥を取り除くことによって）。 ^[8]
5. 埋没材を塗布する:埋没材と呼ばれるセラミック鋳型は、コーティング、スタッコ、硬化という一連の手順を、希望の厚さになるまで繰り返して製造されます。
   1. コーティングでは、パターン クラスターを細かい耐火材料のスラリーに浸し、その後水を切り、均一な表面コーティングを作成します。この最初のステップ (プライム コートとも呼ばれます) では、鋳型の細かいディテールを保存するために細かい材料が使用されます。
   2. スタッコは、パターンを流動床に浸したり、降雨サンダーに置いたり、手作業で材料を塗布したりして、粗いセラミック粒子を塗布します。
   3. 硬化によりコーティングが硬化します。これらの手順は、インベストメントが必要な厚さ（通常は 5 ～ 15 mm）に達するまで繰り返されます。インベストメント型は完全に乾燥するまで放置されますが、これには 16 ～ 48 時間かかります。乾燥は、真空にしたり、環境湿度を最小限に抑えたりすることで加速できます。インベストメント型は、パターンクラスターをフラスコに入れ、上から液体のインベストメント材料を注ぐことでも作成できます。次に、フラスコを振動させて閉じ込められた空気を逃がし、インベストメント材料が小さな隙間を埋めるのを助けます。^{[6] [9]}
   4. 材料:埋没材を作るのに使われる一般的な耐火材料は、シリカ、ジルコン、さまざまなアルミニウムケイ酸塩、アルミナです。シリカは通常、溶融シリカの形で使われますが、より安価な石英が使われることもあります。アルミニウムケイ酸塩はアルミナとシリカの混合物で、一般的に使われる混合物のアルミナ含有量は42～72%です。アルミナ含有量が72%の化合物はムライトと呼ばれます。一次コーティングでは、ジルコニウムが溶融金属と反応しにくいため、ジルコンベースの耐火物が一般的に使われます。 ^{[9]シリカが使われる前は、石膏と粉砕した古い鋳型 (}シャモット)の混合物が使われていました。^[10]耐火物を固定するために使用される結合剤には、エチルケイ酸（アルコールベースで化学的に硬化）、コロイド状シリカ（水ベース、シリカゾルとも呼ばれ、乾燥により硬化）、ケイ酸ナトリウム、およびpHと粘度が制御されたこれらのハイブリッドが含まれます。
6. 脱蝋: セラミック鋳型が完全に硬化したら、上下を逆にして炉またはオートクレーブに入れ、ワックスを溶かしたり蒸発させたりします。シェルの破損のほとんどはこの時点で発生します。これは、使用されるワックスの熱膨張係数が周囲の埋没材よりもはるかに大きいためです。ワックスは加熱されると膨張し、応力が発生します。これらの応力を最小限に抑えるために、ワックスは可能な限り急速に加熱され、外側のワックス表面が溶けてすぐに流れ出るようにします。これにより、ワックスの残りの部分が膨張するスペースができます。状況によっては、加熱前に鋳型に穴を開けて応力を軽減することもあります。鋳型から流れ出たワックスは通常、回収されて再利用されます。^[11]
7. バーンアウト予熱：次に、鋳型をバーンアウトにかけ、870 °C から 1095 °C に加熱して水分と残留ワックスを除去し、鋳型を焼結します。この加熱は鋳型を注入前に予熱するためにも使用されることがありますが、鋳型を冷却してテストすることもあります。予熱により金属がより長く液体のままでいられるため、鋳型の細部までよく充填され、寸法精度が向上します。鋳型を冷却すると、見つかった亀裂はセラミックスラリーまたは特殊なセメントで修復できます。^{[11] [12]}
8. 鋳込み：鋳型は開いた側を上にして砂が入った容器に入れられます。金属は重力で注入されるか、正圧やその他の力を加えて押し込まれます。真空鋳造、傾斜鋳造、圧力補助鋳込み、遠心鋳造は追加の力を使用する方法で、鋳型に充填が困難な薄い部分がある場合に特に便利です。^[12]
9. 鋳物の分離：鋳物を分離するために、シェルはハンマーで叩かれたり、メディアブラストされたり、振動されたり、ウォータージェットで噴射されたり、化学的に溶解されたり（液体窒素で溶解されることもある）される。湯口は切り離されてリサイクルされる。その後、鋳物は、通常は研磨によって鋳造工程の痕跡が除去される。^[12]
10. 仕上げ：研磨後、完成した鋳物は仕上げにかけられます。通常は研磨よりもさらに進んで、手作業による工具と溶接で不純物や欠陥を取り除きます。部品をさらに矯正する必要がある場合、この工程は通常、油圧矯正プレスで行われ、製品を許容範囲内に収めます。^[13]

• 
  ターボチャージャーローター鋳造用インベストメントシェル
• 
  内部の外観を見ると、滑らかな表面仕上げと高いレベルのディテールが見て取れます。
• 
  完成したワークピース

• 優れた表面仕上げ^[14]
• 高い寸法精度^[14]
• 非常に複雑な部品も鋳造可能^[14]
• ほぼすべての金属は鋳造できる^[14]
• バリやパーティングラインがない^[14]
• 金属の有効利用^[15]
• 鋳造工程による環境への危険性の低減^[16]

主な欠点は、特に短期生産の場合、全体的なコストです。コストが高い理由としては、特殊な設備、高価な耐火物や結合剤、鋳型を作るための多くの作業、多くの労働力が必要、時々微細な欠陥が発生することなどが挙げられます。しかし、それでも同じ部品を棒材から機械加工して製造するよりもコストは低くなります。たとえば、銃製造では、ピストルの製造コストを下げるために精密鋳造に移行しています。

さらに：

• コアを必要とするオブジェクトを鋳造するのは難しい場合があります。
• このプロセスは高価であり、通常は小さな鋳​​造に限定されており、コアが関係する場合はいくつかの困難が生じます。
• 穴は1/16インチ（1.6mm）より小さくすることはできず、直径の約1.5倍より深くしてはいけません。^[17]
• インベストメント鋳造では、他の鋳造プロセスに比べて長い生産サイクルが必要です。
• 金型や鋳造品の品質に影響を与えるプロセス要因は多数あるため、品質管理システムは困難です。

重力注入技術のバリエーションとして、真空を使用して金型を充填する方法があります。この一般的な形式は、この技術を発明したヒッチナー製造会社にちなんでヒッチナープロセスと呼ばれています。この技術では、金型に下向きの充填パイプがあり、それを溶融物の中に降ろします。真空によって溶融物がキャビティに引き込まれ、重要な部分が固化すると真空が解除され、未使用の材料が金型から出ます。この技術では、スプルーと一部のゲートを固化する必要がないため、重力注入よりも大幅に少ない材料を使用できます。^{[18] [19]}

この技術は、ゲートシステムで固まる材料が少ないため、従来の鋳込みよりも金属効率が良い。重力鋳込みの金属収率は15～50%であるのに対し、反重力鋳込みでは60～95%である。乱流も少ないため、乱流を制御する必要がないため、ゲートシステムを簡素化できる。金属はプールの上部より下から引き出されるため、金属にはドロスやスラグ（密度が低く（軽く）、プールの上部に浮かぶ）が含まれない。圧力差により、金属が鋳型のあらゆる複雑な部分に流れ込む。最後に、より低い温度を使用できるため、粒子構造が改善される。^[18]

この方法は真空鋳造という用語で耐火セラミックスの鋳造にも使用されます。^[20]

真空鋳造（VPC ）は、正確には真空アシストダイレクトポアと呼ばれ、ガス圧と真空を使用して鋳造の品質を向上させ、気孔率を最小限に抑えます。通常、VPCマシンは上部チャンバーと下部チャンバーで構成されます。上部チャンバー、または溶解チャンバーにはるつぼが収容され、下部鋳造チャンバーにはインベストメントモールドが収容されます。両方のチャンバーは、ストッパーの付いた小さな穴で接続されています。下部チャンバーで真空が引き込まれ、上部チャンバーに圧力が加えられた後、ストッパーが取り外されます。これにより、モールドを満たすための最大の圧力差が作成されます。^[21]真空鋳造プロセスに最もよく使用される材料は、高ニッケルベースの合金と超合金です。ターボチャージャー製品は、この鋳造プロセスの一般的な用途ですが、^[22]銀と金のジュエリーの製造にも定期的に使用されています。

インベストメント鋳造は、鋳造可能な金属であればほぼすべてに使用されます。しかし、アルミニウム合金、銅合金、鋼が最も一般的です。工業用途では、サイズ制限は 3 g (0.1 オンス) から数百キログラムです。^[23]断面積制限は 0.6 mm (0.024 インチ) から 75 mm (3.0 インチ) です。一般的な許容差は、最初の 25 mm が 0.1 mm (最初の 1 インチが 0.005 インチ)、それ以降は 1 センチメートルごとに 0.02 mm (それ以降は 1 インチごとに 0.002 インチ) です。標準的な表面仕上げは 1.3～4 マイクロメートル (50～125 マイクロインチ) RMS です。^[14]

ロストワックス鋳造の歴史は数千年前に遡る。^[24]最も古い用途は偶像、装飾品、宝飾品で、型には天然の蜜蝋、鋳型には粘土、炉の燃料には手動のふいごが使われた。その例は世界中で見つかっており、ハラッパー文明（紀元前2500～2000年）の偶像、エジプトのツタンカーメン（紀元前1333～1324年）の墓、メソポタミア、アステカ、マヤの メキシコ、アフリカのベニン文明では、このプロセスで銅、青銅、金の精巧な芸術作品が作られた。インベストメント鋳造法の最も古い使用例の1つは、イスラエル南部で発見された「宝の洞窟」で見つかった物品である。これらの品々は、炭素14年代測定法によって紀元前3700年頃に作られたものであることが確認されている。^[25]

インベストメント鋳造法を説明した最古の文献 (Schedula Diversarum Artium) は、羊皮紙の製法を含むさまざまな製造工程を説明した修道士、テオフィラス・プレスビテルによって西暦 1100 年頃に書かれたものです。この本は彫刻家で金細工師のベンヴェヌート・チェッリーニ(1500 年 - 1571 年)によって使用され、彼は自伝の中で、イタリアのフィレンツェにあるランツィのロッジアにある「メデューサの首を持つペルセウス」の彫刻に使用したインベストメント鋳造法を詳しく述べています。

インベストメント鋳造法は、 1897年にアイオワ州カウンシルブラッフスのバーナバス・フレデリック・フィルブルックが記述したように、歯科医がクラウンやインレーの作成に使用し始めた19世紀後半に、近代的な工業プロセスとして使用されるようになりました。 ^[26]その使用は、シカゴのウィリアム・H・タガートによって加速されました。彼は1907年の論文で、技術の開発について説明しました^[要出典]。彼はまた、優れた特性を持つワックスパターン化合物を配合し、インベストメント材料を開発し、空気圧鋳造機を発明しました。

1940 年代、第二次世界大戦により、従来の方法では成形できない、または過度の機械加工を必要とする精密ネットシェイプ製造や特殊合金の需要が高まりました。業界はインベストメント鋳造に目を向けました。戦後、インベストメント鋳造は複雑な金属部品を使用する多くの商業および産業用途に広まりました。

インベストメント鋳造は、航空宇宙産業や発電産業において、複雑な形状や冷却システムを備えたタービンブレードを製造するために使用されています。^[14]インベストメント鋳造で製造されるブレードには、単結晶（SX）、一方向凝固（DS）、または従来の等軸ブレードが含まれます。

インベストメント鋳造は、銃器メーカーが銃器のレシーバー、トリガー、ハンマー、その他の精密部品を低コストで製造するために広く使用されています。^[要出典]

カルステン・ソルハイムは、彼の会社PINGを通じて、クラブヘッドに初めてインベストメント鋳造法を取り入れ、ゴルフクラブの設計に革命を起こしたことで有名です。 ^[27]このプロセスはすぐに業界標準となり、クラブヘッドの周囲に重量を分散できるようになりました。

標準的な精密鋳造部品を使用する他の業界としては、特に 3D 印刷技術の登場以降、軍事、航空宇宙、医療、宝石、航空会社、自動車、ゴルフ クラブなどがあります。

高解像度の3D プリンターが普及するにつれ、3D プリントは精密鋳造で使用されるはるかに大きな犠牲鋳型の作成に使用され始めました。Planetary Resources 社は、この技術を使用して新しい小型衛星の鋳型を印刷し、それをセラミックに浸して、一体型推進剤タンクと埋め込みケーブル配線を 備えたチタン製 宇宙バスの精密鋳造品を形成しました。

• フルモールド鋳造
• ロストフォーム鋳造

• アメリカ金属協会、ASM インターナショナル ハンドブック委員会、ASM インターナショナル合金相図委員会 (1990)、ASM ハンドブック: 鋳造、第 15 巻 (第 10 版)、ASM インターナショナル、ISBN 978-0-87170-021-6。
• デガーモ、E. ポール; ブラック、J. T.; コーサー、ロナルド A. (2003)、製造における材料とプロセス(第 9 版)、Wiley、ISBN 0-471-65653-4。
• シアス、フレッド R. (2006)、ロストワックス鋳造：古い、新しい、そして安価な方法（イラスト版）、ウッズミア プレス、ISBN 978-0-9679600-0-5。
• カルパクジャン、セロペ、シュミッド、スティーブン（2006）、製造エンジニアリングとテクノロジー（第5版）、ピアソン、ISBN 0-13-148965-8。

ウィキメディア・コモンズには、インベストメント鋳造に関連するメディアがあります。

• 「インベストメント鋳造の可能性の範囲: PMI 合金およびエンジニアリング ガイド」(PDF) 。Precision Metalsmiths, Inc. 2012 年 2 月 19 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2009年 2 月 23 日に取得。
• ケビン・マイケルズ (2019 年 2 月 7 日)。「オピニオン: サプライ チェーンのアキレス腱が 5,000 年もの歴史を持つ理由」。Aviation Week & Space Technology。