인베스트먼트 캐스팅

Investment casting
아트 인베스트먼트 캐스팅은 로스트 왁스 캐스팅을 참조하십시오.
인베스트먼트 주물을 사용하여 제조된 원자력발전소용 밸브의 입구 커버

인베스트먼트 주물은 가장 오래된 금속 성형 기술 [1]중 하나인 로스트 왁스 주물을 기반으로 하는 산업 공정입니다."로스트 왁스 주조"라는 용어는 현대적인 인베스트먼트 주조 공정을 지칭할 수도 있습니다.

인베스트먼트 캐스팅은 지난 5,000년 동안 다양한 형태로 사용되어 왔습니다.초기 형태에서 밀랍은 주조 과정에 필요한 패턴을 형성하기 위해 사용되었습니다.오늘날에는 보다 진보된 왁스, 내화물 및 특수 합금이 일반적으로 패턴을 만드는 데 사용됩니다.인베스트먼트 주물은 다양한 금속 및 고성능 합금에서 정확성, 반복성, 범용성 및 무결성을 갖춘 부품을 생산하는 능력으로 평가받고 있습니다.

깨지기 쉬운 왁스 패턴은 몰드를 만드는 동안 발생하는 힘을 견뎌야 합니다.인베스트먼트 주조에 사용되는 왁스의 대부분은 재활용 및 [2]재사용이 가능합니다.로스트 폼 주조는 프로세스의 특정 단계를 제거하는 현대적인 인베스트먼트 주물입니다.

인베스트먼트 주물은 이 공정에서 패턴을 내화재로 투자(주변)하여 금형을 만들고 용융 물질을 금형에 주조하기 때문에 붙여진 이름입니다.주조할 수 있는 재료에는 스테인리스강 합금, 황동, 알루미늄, 탄소강 및 유리가 포함됩니다.내화 금형 내부의 공동은 원하는 부품의 정확한 복제품입니다.사용되는 내화재의 경도 때문에 인베스트먼트 주물은 뛰어난 표면 품질을 가진 제품을 생산할 수 있으며, 이는 2차 기계 [3]공정의 필요성을 줄일 수 있습니다.

오늘날 워터 글라스와 실리카졸 인베스트먼트 주물은 두 가지 인베스트먼트 주조 방법입니다.주요 차이점은 표면 거칠기와 주조 비용입니다.고온수중에 물유리법이 이슬로 스며들어 세라믹 몰드를 물유리 석영모래로 한다.실리카졸법은 섬광에 이슬이 맺혀 실리카졸 지르콘 모래가 세라믹 몰드를 만든다.실리카졸법은 수유리법에 [4]비해 가격은 비싸지만 표면은 좋다.

이 공정은 몇 온스의 소형 주조물과 수백 파운드의 무게가 나가는 대형 주조물 모두에 사용할 수 있습니다.다이캐스팅이나 샌드캐스팅보다 비용이 많이 들 수 있지만 대량으로 생산될수록 단위 비용이 감소합니다.인베스트먼트 주물은 다른 주조 방법으로는 어렵거나 불가능한 복잡한 형상을 만들 수 있습니다.또한 표면 마감이나 가공을 최소화하면서 뛰어난 표면 품질과 낮은 공차를 가진 제품을 생산할 수 있습니다.

과정

제트 엔진 터빈 블레이드를 만드는 데 사용되는 왁스 패턴

주조물은 오리지널 왁스 모델(직접법) 또는 왁스로 만들 필요가 없는 오리지널 패턴의 왁스 복제품(간접법)으로 만들 수 있습니다.다음 단계에서는 간접 프로세스에 대해 설명합니다.이 프로세스를 완료하는 데 2~7일이 소요될 수 있습니다.

  1. 마스터 패턴 제작: 아티스트 또는 몰드 메이커는 왁스, 점토, 나무, 플라스틱 또는 다른 [5]재료로 오리지널 패턴을 만듭니다.최근 몇 년 동안 컴퓨터 지원 디자인 소프트웨어로 제작한 모델의 3D 인쇄를 이용한 패턴 제작은 고해상도 패턴에 주로 수지 기반 SLA(Stereorisography) 또는 DLP 3D 프린터 또는 높은 수준의 정확도가 필요하지 않은 표준 PLA 필라멘트를 사용하여 인기를 끌고 있습니다.3D 프린팅 패턴을 사용하는 경우 5단계로 직접 진행합니다.
  2. 금형 만들기: 마스터 다이로 알려진 금형은 마스터 패턴에 맞게 제작됩니다.마스터 패턴이 강철로 만들어진 경우, 마스터 다이는 용해점이 낮은 금속을 사용하여 패턴에서 직접 주조할 수 있습니다.고무 몰드는 마스터 패턴에서 직접 주조할 수도 있습니다.또는 마스터 패턴을 [5]생성하지 않고 마스터 다이를 독립적으로 가공할 수 있습니다.
  3. 왁스 패턴 생성:왁스 패턴이라고 불리지만, 패턴 재료는 플라스틱과 냉동 [5]수은을 포함할 수도 있습니다.왁스 패턴은 두 가지 방법 중 하나로 제작할 수 있습니다.한 공정에서 왁스는 몰드에 붓고 보통 약 3mm(0.12인치) 두께의 균일한 코팅이 몰드의 내부 표면을 덮을 때까지 이리저리 휘저어집니다.원하는 패턴 두께에 도달할 때까지 이 과정을 반복합니다.또 다른 방법은 몰드 전체를 녹인 왁스로 채우고 고체물체로 [citation needed]냉각시키는 것입니다.
    코어가 필요한 경우 수용성 왁스 또는 세라믹의 두 가지 옵션이 있습니다.수용성 왁스 코어는 나머지 왁스 패턴과 함께 인베스트먼트 코팅에서 녹아 나오도록 설계되었습니다. 세라믹 코어는 제품이 경화된 [5]후 제거됩니다.
  4. 왁스 패턴 조립:여러 개의 왁스 패턴을 만들어 하나의 큰 패턴으로 조립하여 한 번에 주조할 수 있습니다.이 경우 왁스 스프루에 패턴을 부착하여 패턴 클러스터 또는 트리를 만듭니다.패턴을 부착하기 위해 가열 도구를 사용하여 지정된 왁스 표면을 살짝 녹여 서로 누르고 차갑게 하고 굳힌다.수백 개의 패턴을 하나의 [5][6]트리로 조립할 수 있습니다.왁스 패턴도 추적할 수 있습니다. 즉, 가열된 금속 공구를 사용하여 분할선이나 섬광을 지웁니다.마지막으로, 패턴은 (결함을 제거함으로써) 완성된 [7]작품처럼 보이도록 옷을 입힌다.
  5. 투자 자료 적용:투자로 알려진 세라믹 몰드는 원하는 두께에 도달할 때까지 코팅, 코팅 및 경화 등의 일련의 단계를 반복하여 생산됩니다.
    1. 코팅에는 패턴 클러스터를 미세한 내화재 슬러리에 담근 다음 배출하여 균일한 표면 코팅이 이루어집니다.프라임 코팅이라고도 하는 이 첫 번째 단계에서는 몰드의 미세한 디테일을 보존하기 위해 미세한 재료가 사용됩니다.
    2. 스투코잉은 패턴을 유동층에 담그거나 레인샌더에 놓거나 손으로 재료를 도포하여 거친 세라믹 입자를 도포합니다.
    3. 경화를 통해 코팅이 경화됩니다.투자액이 필요한 두께(0.2~0.6인치)에 도달할 때까지 이 단계를 반복합니다.인베스트먼트 몰드는 완전히 건조된 상태로 방치되며, 이는 16~48시간이 소요될 수 있습니다.진공 청소기를 적용하거나 환경 습도를 최소화하여 건조 속도를 높일 수 있습니다.패턴 클러스터를 플라스크에 넣은 후 위에서 액체 투자 재료를 부어 투자 몰드를 만들 수도 있습니다.그런 다음 플라스크를 진동시켜 끼인 공기가 빠져나갈 수 있도록 하고 투자 재료가 작은 [5][8]틈을 메울 수 있도록 도와줍니다.
    4. 재료: 투자를 만드는 데 사용되는 일반적인 내화 재료는 실리카, 지르콘, 다양한 알루미늄 규산염 및 알루미나입니다.실리카는 보통 용융 실리카 형태로 사용되지만, 가격이 저렴하기 때문에 석영으로 사용되기도 합니다.알루미늄 규산염은 알루미나와 실리카의 혼합물로, 일반적으로 사용되는 혼합물은 알루미나 함량이 42~72%입니다. 알루미나 72%에서는 이 화합물을 물라이트라고 합니다.1차 코팅 중에는 지르코늄이 [8]용융 금속과 반응할 가능성이 낮기 때문에 지르콘 기반 내화물이 일반적으로 사용됩니다.실리카 이전에는 석고와 구주형(샤모트)의 혼합물이 [9]사용되었습니다.내화 재료를 제자리에 고정하는 데 사용되는 바인더에는 에틸 규산염(알코올 기반 및 화학 세트), 콜로이드 규산염(물 기반, 건조로 설정된 실리카졸이라고도 함), 규산나트륨 및 pH와 점도를 제어하는 이들 혼합물이 포함됩니다.
  6. 드왁스: 세라믹 몰드는 완전히 경화되면 뒤집어서 용해로 또는 고압 클레이브에 넣어 왁스를 녹이거나 증발시킵니다.대부분의 셸 실패는 사용되는 왁스가 주변 투자 재료보다 훨씬 큰 열팽창 계수를 가지기 때문에 이 시점에서 발생합니다. 왁스가 가열되면 팽창하여 응력이 발생합니다.이러한 스트레스를 최소화하기 위해 왁스는 가능한 한 빨리 가열되어 외부 왁스 표면이 빠르게 녹고 배출되어 나머지 왁스들이 팽창할 수 있는 공간을 만듭니다.특정 상황에서는 이러한 응력을 줄이기 위해 가열하기 전에 몰드에 구멍을 뚫을 수 있습니다.곰팡이에서 흘러나오는 왁스는 보통 회수하여 [10]재사용합니다.
  7. 연소 예열:그런 다음 몰드를 870°C~1095°C로 가열하여 습기와 잔류 왁스를 제거하고 몰드를 소결시킵니다.때로는 이 가열이 주형을 주입하기 전에 예열하기 위해 사용되기도 하지만, 다른 경우에는 주형을 냉각시켜 테스트를 수행할 수 있습니다.예열하면 금속이 액체를 더 오래 유지하여 모든 몰드 디테일을 더 잘 채우고 치수 정확도를 높일 수 있습니다.금형이 냉각되도록 방치할 경우 발견된 균열을 세라믹 슬러리 또는 특수 [10][11]시멘트로 수리할 수 있습니다.
  8. 붓기:그런 다음 투자 몰드는 모래로 채워진 욕조에 열린 면을 위로 하여 놓는다.금속은 중력을 주입하거나 양의 공기압 또는 기타 힘을 가하여 강제할 수 있습니다.진공 주조, 틸트 주조, 압력 보조 주입 및 원심 주조는 추가 힘을 사용하는 방법이며,[11] 몰드에 채워지기 어려운 얇은 부분이 있을 때 특히 유용합니다.
  9. 분리:셸은 망치로 두들겨지거나, 미디어 블러스트, 진동, 워터젯 또는 화학적 용해(때로는 액체 질소와 함께)되어 주물을 방출합니다.스프레이를 잘라 재활용합니다.그런 다음 일반적으로 [11]연삭을 통해 주조 공정의 흔적을 제거하기 위해 주물을 청소할 수 있습니다.
  10. 마감: 연마 후 완성된 주물을 마감합니다.이는 일반적으로 연삭보다 더 나아가 수동 공구 및 용접을 통해 불순물과 음극을 제거합니다.부품에 추가 면 고정이 필요한 경우 일반적으로 유압 면 고르기 프레스를 사용하여 이 프로세스를 수행합니다. 유압 면 고르기 프레스는 제품을 [12]공차에 맞게 조정합니다.
  • The investment shell for casting a turbocharger rotor

    터보차저 로터를 주조하기 위한 인베스트먼트 셸

  • A view of the interior investment shows the smooth surface finish and high level of detail

    내부 투자의 뷰는 매끄러운 표면 마감과 높은 디테일을 보여줍니다.

  • The completed workpiece

    완성된 공작물

이점

  • 뛰어난[13] 표면 마감
  • 높은[13] 치수 정밀도
  • 매우 복잡한 부품은 캐스트[13] 가능
  • 거의 모든 금속을 주조할[13] 수 있습니다.
  • 점멸 또는 분할선[13] 없음
  • 금속의 효과적인[14] 활용
  • 주조[15] 공정에서 발생하는 환경적 위험 감소

단점들

주요 단점은 전체 비용, 특히 단기 프로덕션의 경우입니다.고비용의 원인으로는 전문 장비, 고가의 내화물 및 바인더, 금형을 만들기 위한 많은 작업, 많은 노동력이 필요하며 때때로 미세한 결함이 발생하는 경우가 있습니다.그러나, 그 비용은 여전히 바 스톡에서 가공하여 동일한 부품을 생산하는 것보다 낮습니다. 예를 들어, 총기 제조는 권총 생산 비용을 낮추기 위해 투자 주조로 전환되었습니다.

기타:

  • 코어를 필요로 하는 오브젝트를 주조하는 것은 어려울 수 있습니다.
  • 이 공정은 비용이 많이 들고 일반적으로 소형 주물에 한정되며 코어가 관련된 몇 가지 어려움이 있습니다.
  • 구멍은 1/16인치(1.6mm)보다 작을 수 없으며 [16]직경의 약 1.5배보다 깊어서는 안 됩니다.
  • 인베스트먼트 주물은 다른 주조 공정에 비해 더 긴 생산 주기가 필요합니다.
  • 금형 및 주물의 품질에 영향을 미치는 공정 요소가 많기 때문에 품질 관리 시스템이 까다롭습니다.

역중력 주조

중력 주입 기법의 변형은 진공 상태를 사용하여 몰드를 채우는 것입니다.이것의 일반적인 형태는 이 기술을 발명한 히치너 제조 회사의 이름을 따서 히치너 공정이라고 불립니다.이 기술에서 몰드에는 용융물 속으로 내려가는 하향 주입 파이프가 있습니다.진공은 용융액을 캐비티 안으로 끌어 들입니다. 중요한 부품이 굳으면 진공이 방출되고 사용되지 않은 물질이 몰드를 떠납니다.이 기술은 스프루와 일부 게이트가 [17][18]굳을 필요가 없기 때문에 중력 주입보다 훨씬 적은 재료를 사용할 수 있습니다.

이 기술은 탕구 시스템에서 응고되는 재료가 적기 때문에 기존의 주입 방식보다 금속 효율이 높습니다.중력 주입은 금속 수율이 15~50%에 불과하지만, 역 중력 주입은 60~95%입니다.또한 난기류가 적기 때문에 난기류를 제어할 필요가 없기 때문에 게이트 시스템을 간소화할 수 있습니다.금속은 풀장 위쪽 아래에서 끌어당겨져 있기 때문에 금속에 먼지나 슬래그(더 낮은 밀도(더 가볍고 풀장 위쪽까지 부유)가 없습니다.압력 차이는 금속이 몰드의 모든 복잡한 부분으로 흐를 수 있도록 도와줍니다.마지막으로, 낮은 온도를 사용할 수 있어 입자 [17]구조를 개선할 수 있습니다.

이 프로세스는 진공 [19]주조라는 용어로 내화 세라믹을 주조하는 데도 사용됩니다.

진공 압력 주조

VPC(Vacuum Pressure Casting)는 VPC(Vacuum Assist Direct Pour)로 불리며 가스 압력과 진공을 사용하여 주조물의 품질을 개선하고 다공성을 최소화합니다.일반적으로 VPC 기계는 상부 및 하부 챔버, 즉 도가니를 수용하는 상부 챔버 또는 용해 챔버와 투자 몰드를 수용하는 하부 주조 챔버로 구성됩니다.양쪽 챔버는 스토퍼가 포함된 작은 구멍을 통해 연결됩니다.하부 챔버에서는 진공이 당겨지고 상부에서는 압력이 가해진 후 스토퍼를 제거한다.이렇게 하면 [20]몰드를 채울 수 있는 가장 큰 압력 차이가 생성됩니다.진공 주조 공정에서 가장 일반적인 재료는 고니켈 기반 합금과 초합금입니다.터보차저 제품은 이러한 주조 [21]공정의 일반적인 용도이지만 은과 금 장신구 제조에도 정기적으로 사용됩니다.

세부 사항

인베스트먼트 주물은 거의 모든 주조 가능 금속에 사용됩니다.그러나 알루미늄 합금, 구리 합금 및 강철이 가장 일반적입니다.산업용에서는 크기 제한이 3g(0.1oz)에서 수백 [22]kg까지입니다.단면 한계는 0.6mm(0.024인치) ~ 75mm(3.0인치)입니다.일반적인 공차는 첫 번째 25mm(첫 번째 인치의 경우 0.005인치)에 대해 0.1mm이고 각 추가 센티미터에 대해 0.02mm(추가 인치의 경우 0.002인치)입니다.표준 표면 마감은 1.3~4마이크로미터([13]50~125μin) RMS입니다.

역사

로스트 왁스 주조의 역사는 수천 [23]년 전으로 거슬러 올라간다.초기 용도는 우상, 장식품 및 보석류였으며, 무늬에는 천연 밀랍, 주형에는 점토, 스토킹 용해로에는 수동 작동식 풀무 등을 사용했습니다.하라판 문명 (기원전 2500-2000년)의 우상들, 투탕카멘 (기원전 1333-1324년), 메소포타미아, 아즈텍, 마야 멕시코의 이집트 무덤들, 그리고 그 과정이 구리, 청동, 금의 세밀한 예술작품을 생산한 아프리카의 베냉 문명 등, 전 세계적으로 그 예가 발견되었다.지금까지, 인베스트먼트 주조 공정의 가장 초기의 용도는 이스라엘 남부에서 발견된 '보물 동굴'에서 발견되었다.이 물건들은 탄소-14 연대 측정 [24]기법을 사용하여 기원전 3700년경에 만들어진 것으로 확인되었다.

인베스트먼트 주조 과정을 기술한 최초의 문서(Schedula Diversarum Artium)는 양피지 레시피를 포함한 다양한 제조 과정을 기술한 수도승 Theophilus Chelro에 의해 서기 1100년경에 작성되었습니다.이 책은 조각가이자 금세공가인 벤베누토 셀리니(1500-1571)가 자서전에서 이탈리아 플로렌스의 로지아 데이 란지(Logia dei Lanzi)에 서 있는 메두사(Medusa) 조각상과 함께 페르세우스를 위해 사용한 투자 주조 과정을 상세히 기술한 책이다.

인베스트먼트 주조는 1897년 [25]아이오와주 Council Bluffs의 Barnabas Frederick Philbrook이 기술한 바와 같이 치과의사들이 인베스트먼트 주물을 왕관과 상감을 만들기 위해 사용하기 시작한 19세기 후반에 현대적인 산업 공정으로 사용되기 시작했다.William H에 의해 그것의 사용이 가속화되었다.시카고의 태거트는 1907년 논문에 자신의 기술[citation needed] 개발에 대해 기술했다.그는 또한 우수한 성질을 가진 왁스 패턴 화합물을 만들고, 투자 재료를 개발했으며, 공기압 주조 기계를 발명했다.

1940년대, 제2차 세계대전은 기존의 방법으로는 성형할 수 없거나 너무 많은 기계가공을 필요로 하는 정밀 그물 모양 제조와 특수 합금에 대한 수요를 증가시켰다.업계는 인베스트먼트 캐스팅으로 눈을 돌렸다.전쟁 후, 복잡한 금속 부품을 사용하는 많은 상업 및 산업 분야로 그 사용이 확산되었습니다.

적용들

2014년 2월 Planetary Resources가 티타늄 일체형 우주 버스 위성을 공개.인베스트먼트 주물을 위한 희생 몰드는 케이블 배선 및 트로이덜 추진제 탱크를 내장한 3D 프린팅으로 제작되었습니다.왼쪽부터 피터 디아만디스, 크리스 르위키, 스티브 저베트슨.

인베스트먼트 주물은 항공우주 및 발전 산업에서 복잡한 형상 또는 냉각 시스템을 [13]가진 터빈 블레이드를 생산하기 위해 사용됩니다.인베스트먼트 주조로 생산되는 블레이드에는 단결정(SX), 방향성 고체(DS) 또는 기존 등축 블레이드가 있습니다.

인베스트먼트 캐스팅은 또한 총기 제조 업체들에 의해 저비용으로 [citation needed]총기 리시버, 트리거, 망치 및 기타 정밀 부품을 제작하기 위해 널리 사용되고 있습니다.

카르스텐 솔하임은 회사 PING을 통해 클럽 [26]헤드를 위한 인베스트먼트 캐스팅을 최초로 도입함으로써 골프 클럽 디자인에 혁명을 일으켰습니다.이 공정은 곧 클럽 헤드 주위에 무게를 분산할 수 있는 업계 표준이 되었습니다.

표준 투자 주조 부품을 사용하는 다른 산업으로는 특히 3D 프린팅 기술이 시작된 이후 군사, 항공, 의료, 보석, 항공, 자동차 및 골프 클럽이 있습니다.

고해상도 3D 프린터의 가용성이 높아지면서 3D 프린팅이 인베스트먼트 주조에 사용되는 훨씬 더 큰 희생 몰드를 만드는 데 사용되기 시작했습니다.Planetary Resources는 이 기술을 사용하여 새로운 소형 위성을 위한 몰드를 인쇄한 후 세라믹을 적셔 일체형 추진제 탱크와 내장 케이블 배선이 있는 티타늄 우주 버스를 위한 투자 주물을 형성했습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

메모들

  1. ^ 인베스트먼트 캐스팅 프로세스 설명
  2. ^ Kalpakjian & Schmid 2006.
  3. ^ 인베스트먼트 캐스팅
  4. ^ "Investment casting". Retrieved 2017-10-10.
  5. ^ a b c d e f Degarmo, Black & Kohser 2003, 페이지 317.
  6. ^ ASM 핸드북, 페이지 257
  7. ^ 를 클릭합니다Dvorak, Donna (May 2008), "The Not-So-Lost Art of Lost Wax Casting", Copper in the Arts (13).
  8. ^ a b ASM 핸드북, 페이지 257-258.
  9. ^ Sias 2006, 13-14페이지
  10. ^ a b ASM 핸드북, 페이지 261–262.
  11. ^ a b c Degarmo, Black & Kohser 2003, 페이지 318.
  12. ^ "A Guide To The Investment Casting Process. Texmo Precision Castings". Texmo Precision Castings. Retrieved 2019-02-27.
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  17. ^ a b Degarmo, Black & Kohser 2003, 페이지 319 – 320.
  18. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2015-12-08. Retrieved 2015-12-05.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  19. ^ Mitchell, Brian S. (2004), An introduction to materials engineering and science for chemical and materials engineers, Wiley-IEEE, p. 725, ISBN 978-0-471-43623-2.
  20. ^ Vacuum Pressure Casting Machine VPC K2S, retrieved 2010-03-03.
  21. ^ "Nickel Alloy Casting".
  22. ^ "Wisconsin Investcast Division". MetalTek. 2014-10-30. Retrieved 2016-06-09.
  23. ^ "The long history of lost wax casting. Over five thousand years of art and craftsmanship - ITRI - Tin Markets, Technology and Sustainability". www.itri.co.uk. Retrieved 2016-06-09.
  24. ^ "Everything You Need to Know About Lost Wax Casting". www.deangroup-int.co.uk. Retrieved 2021-10-27.
  25. ^ Asgar K (1988). "Casting Metals in Dentistry: Past - Present - Future" (PDF). Advances in Dental Research. 1 (2): 33–43. doi:10.1177/08959374880020011701. hdl:2027.42/67759. PMID 3073783. S2CID 17215227.
  26. ^ "Karsten Solheim changed golf equipment forever and he changed me too". 6 February 2011. Retrieved 3 February 2019.

참고 문헌

외부 링크

Wikimedia Commons에는 인베스트먼트 캐스팅과 관련된 미디어가 있습니다.