遠心鋳造を使用した薄い部分との格子金属の間接製作

このビデオの全体的な目的は、遠心鋳造によるラティス金属作製のために、溶融金属で細胞状マイクロキャビティを充填するプロセスを実演することです。本内容は、急速マイクロキャスティングにおけるプロセスパラメータ、溶融金属の材料特性、およびラティス金型キャビティの形状が、流動および凝固とどのように相関しているかという重要な疑問に答えるのに役立ちます。この手法は、ラティス金属の製造において金属の直接3Dプリンティングを補完し、ラティス金属の設計空間における材料選択肢を広げるものです。

本日は、博士課程の学生であるJiwon Munと共に手順を実演します。準備として、CADソフトウェアを用いて、湯道システムを備えたオクテットトラス構造の犠牲パターンを作図します。この湯道システム一体型のオクテットトラス構造パターンは、鋳造中に溶解します。

CADソフトウェアを使用して犠牲パターンの体積を記録し、必要な金属質量を算出します。アクリルモデルをプリントした後、テキストプロトコルに詳述されている鋳造プロセスに進みます。次のステップは、サポート材の溶出です。

続いて、支持材の残渣をさらに除去します。その後、パターンを組み立てます。組み立て後、インベストメントの混合工程を行います。

埋没材と水の混合物から、すべての塊を完全に取り除いてください。次に、バーンアウト工程に移ります。まず、加熱および冷却スケジュールに従って、電気炉の時間を設定します。

このサイズのフラスコの場合、バーンアウトには6時間かかります。ここで、電気炉の電源を入れ、バーンアウトスケジュールを開始します。バーンアウトの間、犠牲パターンが融解し、ガスとなって分解されます。

次に、続く2つのセクションで説明するキャスティング工程に進みます。開始する前に、遠心鋳造機の腕が425 RPMの角速度で回転することを確認してください。タコメーターを使用して、この速度に必要な設定を確認してください。

各合金を溶解するためのセラミックるつぼを選択します。メタルカッターを用いて、合金を10 millimeterから20 millimeterの大きさに切り分けます。ここではアルミニウムと銅を用いますが、各合金を約150 gramsずつ切り分けて準備します。

次に、格子設計に必要な各合金の正確な質量を計量します。パターンの空洞は、溶融した合金で容量一杯まで正確に満たす必要があります。ここで、室温の水を入れたバケツを用意します。

30 litersで十分です。次に、難燃性の衣服を着用し、手袋とゴーグルを装着してください。そして、石膏型を一時的に炉から取り出します。

それを遠心鋳造機のフラスコ台にセットし、遠心機のアームのバランスを調整します。次に、石膏型を炉に戻し、装置を482 °Cまで加熱し始めます。その間に、るつぼをるつぼホルダーに設置し、刻んだ合金をるつぼに充填します。

次に、アセチレントーチを準備します。接続された酸素タンクのバルブを開き、ガス圧を96.5 kilopascalsまたは14 PSI付近に維持します。その後、注意深くトーチに点火し、ガス圧で炎の強度を調整します。

細心の注意を払ってください。炎の温度は1,200 °Cに達します。次に、刻んだ合金をるつぼに入れ、完全に液状になるまで注意深く溶解させます。

カーボンロッドを使用して合金をかき混ぜ、トーチの炎の中立炎で溶解させます。金属を適切に溶解させることは極めて重要です。なぜなら、金属の温度が低すぎると型全体に充填されず、逆に温度が高すぎると気孔率が増加し、構造的な問題が生じるためです。

次に、予熱した石膏型を炉から取り出し、溶融合金が入ったるつぼの隣にあるフラスコクレードル保持アームにセットします。装置のカバーを閉じ、アームを少なくとも3分間回転させます。カバーを閉じると、装置は自動的に回転を開始します。

マクロ粒子力学と角速度から計算すると、約 420 RPM で回転させることで、鋳型空洞への流入速度が 8.03 meters per second になります。3 分後、遠心鋳造機の電源を切ります。次に、カバーを開け、トングを使用してフラスコクレードルから石膏型を取り出します。

合金の色が固相の状態に戻るまで、型を室温で15〜20分間冷却します。その後、トングを使用して、石膏型を水バケツに入れ、約5分間急冷します。型が室温に近づけば、急冷は完了です。

次に、金型内部の格子状金属を取り出すために、金型を水に溶解させます。Jibsen金型は2分以内に容易に溶解します。これで、テキストプロトコルに記載されているサンドブラストによる洗浄などの後処理が可能になります。

金型は、特に壁面の薄いアルミニウム製オクテットトラスなど、やや脆弱であるため、必ず記載されたサンドブラスト圧を使用してください。プロトコルセクションに記載されている間接付加製造法を用いて、アルミニウムおよび銅合金によるオクテットトラス金属を製作しました。犠牲パターンを溶かし出すために、6時間のバーンアウト工程を実施しました。

遠心鋳造プロセスの後、最終製品としてアルミニウム合金および銅合金によるオクテットトラス金属が得られた。溶融アルミニウム合金は、湯流れ不良を起こすことなく格子状の鋳型空洞全体を完全に充填した。一方、溶融銅合金では、溶融金属の注入口への注入初期段階における早期凝固に起因する鋳造欠陥が見られた。

このビデオを視聴することで、遠心鋳造を用いたラティス金属の間接作製における、溶融金属のセル状マイクロキャビティへの充填に対するプロセスパラメータの影響について、十分に理解することができるはずです。この手法の開発により、ポリマーの3Dプリンティングと遠心鋳造を組み合わせることで、ラティス金属分野の研究者が間接作製を探索する道が開かれました。