遠心鋳造を使用した薄い部分との格子金属の間接製作
2016年5月14日
遠心鋳造を有するポリマーの3D印刷を組み合わせた間接的な添加剤の製造方法は、0.5mmの壁の厚さ5mmの単位セル長さを有する3次元オクテットトラス金属（AlとCuの合金）を製造するために概説されています。
このビデオの全体的な目標は、遠心鋳造による格子金属の製造のために、細胞の微小共振器に溶融金属を充填するプロセスを実証することです。このメッセージは、ラピッドマイクロキャスティングにおいて、プロセスパラメータ、溶融金属の材料特性、格子モールドキャビティの形状が流れや凝固とどのように相関しているかなどの重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術は、格子金属の製造において、大量の金属を直接3Dプリントすることを補完し、格子金属の設計空間における材料の選択肢を拡大します。
今日は、博士課程の学生であるジウォン・ムンさんと一緒に手順を実演します。準備として、コンピュータ支援設計ソフトウェアを使用して、スプルー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描画します。このオクテットトラス構造とスプルーシステムの統合パターンは、鋳造中に溶融します。
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、必要な金属質量を計算します。アクリルモデルを印刷した後、テキストプロトコルで詳しく説明されている鋳造プロセスに進みます。次のステップは、サポート材料の溶融です。
これに続いて、支持材料の残留物がさらに除去されます。次に、パターンを組み立てます。組み立てに続いて、インベストメントミキシングプロセスが実行されます。
投資用水混合物の塊をすべて取り除いてください。次に、バーンアウトのプロセスです。まず、加熱と冷却のスケジュールに従って炉の時間を設定します。
このサイズのフラスコの場合、燃え尽き症候群には6時間かかります。次に、炉の電源を入れて、バーンアウトスケジュールを開始します。燃え尽き症候群になると、犠牲のパターンは溶けて解離してガスになります。
次に、次の 2 つのセクションで説明する鋳造プロセスに進みます。始める前に、遠心鋳造機のアームが425RPM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見つけます。
各合金を溶かすためのセラミックるつぼを選択します。金属カッターを使用して、合金を10ミリメートルから20ミリメートルの小片に切ります。各合金(この場合はアルミニウムと銅)を約150グラム切り刻みます。
次に、格子設計に必要な各合金の正確な質量を量ります。パターンキャビティは、溶融合金で容量まで正確に充填する必要があります。さて、室温のバケツの水を用意します。
30リットルで十分です。次に、難燃性の服を着て、手袋とゴーグルを着用します。次に、石膏型を一時的に炉から取り出します。
遠心鋳造機のフラスコクレードルに入れ、遠心分離機のアームのバランスを取ります。次に、石膏型を炉に戻し、機械を摂氏482度に加熱し始めます。その間、るつぼをるつぼホルダーに入れ、刻んだ合金をるつぼに入れます。
次に、アセチレントーチをセットします。接続された酸素タンクのバルブを開き、ガス圧を96.5キロパスカルまたは14PSIの近くに保ちます。その後、トーチを慎重に点火し、ガス圧で炎の強さをコントロールします。
十分に注意してください。炎は摂氏1, 200度まで上がります。次に、刻んだ合金をるつぼで完全に液化するまで慎重に溶かします。
カーボンロッドを使用して合金を攪拌し、トーチの炎の中性部分で溶かします。金属が冷たすぎると、フォーム全体に埋まらないため、金属を適切に溶融することが重要です。しかし、暑すぎると、多孔性の増加により構造的な問題が発生します。
次に、予熱した石膏型を炉から取り出し、溶融合金と一緒にるつぼの横にあるフラスコクレードル保持アームにロードします。機械のカバーを閉じ、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、機械は自動的に回転を開始します。
約420 RPMは、巨視的な粒子ダイナミクスと角速度によって計算されたように、金型キャビティで毎秒8.03メートルの入口速度を作成します。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外します。
合金の色が固相の色に戻るまで、金型を室温で15〜20分間冷まします。次に、トングを使用して、水バケツで石膏型を約5分間急冷します。金型が室温に近づくと、完全に急冷されます。
さて、金型内の格子金属を取得するには、金型を水に溶かすだけです。ジブセン型は2分以内に簡単に溶けます。テキストプロトコルに記述されているサンドブラストによるクリーニングなど、後処理が可能になりました。
金型、特に薄い壁を持つアルミニウムオクテットトラスはやや壊れやすいため、説明されているサンドブラスト圧力を必ず使用してください。プロトコルのセクションで説明されている間接的な積層造形を使用して、アルミニウムと銅の合金を使用してオクテットトラス金属を製造しました。バーンアウトプロセスは、犠牲のパターンを溶かすために6時間行われました。
遠心鋳造プロセスの後、最終製品はアルミニウムと銅合金で作られたオクテットトラス金属でした。溶融アルミニウム合金は、ミスランなしで格子金型キャビティ全体を完全に満たしました。一方、溶融銅合金は、入口への溶湯注入の初期段階での早期凝固による鋳造欠陥を有すると考えられていました。
このビデオを見れば、遠心鋳造を使用して格子金属を間接的に作製し、溶融金属を細胞マイクロキャビティに充填するプロセスパラメータの影響を十分に理解できるはずです。この技術は、その開発後、格子金属の分野の研究者が、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により、間接製造を探求する道を開きました。
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概要
この記事では、ポリマーの3Dプリンティングと遠心鋳造を組み合わせた間接的な積層造形法を概説し、3Dオクテットトラス金属を作成します。このプロセスは、特定の寸法を持つアルミニウムと銅合金の製造に焦点を当てています。
主要な研究構成要素
科学分野
- 材料科学
- 積層造形
- 冶金学
背景
- この研究は、先進的な製造技術を用いたラティスメタルの製作を探求します。
- 金属鋳造におけるプロセスパラメータと材料特性の重要性を強調します。
- 3Dプリンティングと遠心鋳造の統合により、設計の可能性が拡大します。
- マイクロ鋳造における流動と凝固の理解は、成功的な製造に不可欠です。
研究の目的
- 溶融金属で細胞状のマイクロキャビティを充填するプロセスを実証すること。
- プロセスパラメータと材料特性との相関関係を調査すること。
- 革新的な技術を通じてラティスメタルの製造を向上させること。
使用された方法
- 犠牲パターンを作成するためのコンピュータ支援設計ソフトウェアの利用。
- 鋳造用のポリマーモールドの3Dプリンティング。
- 設計されたモールドへの溶融金属の遠心鋳造。
- 鋳造プロセス中の流動と凝固ダイナミクスの分析。
主要な結果
- 溶融金属によるマイクロキャビティの充填の成功実証。
- 鋳造プロセスに影響を与える主要パラメータの特定。
- ラティスメタル設計のための材料選択の拡大。
- 統合製造技術の検証。
結論
- この組み合わせた方法は、複雑なラティス構造の製造を向上させます。
- プロセスパラメータは最終製品の品質に大きな影響を与えます。
- このアプローチは、積層造形における材料設計の新たな道を開きます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This indirect additive manufacturing approach enables cost-effective production of complex lattice metals, addressing limitations of direct metal AM such as high cost and material constraints. By combining 3D-printed sacrificial patterns with centrifugal casting, the method expands material selection and supports rapid prototyping of lightweight structures. It provides a scalable pathway for early-stage evaluation of lattice geometries in materials discovery workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of structure-property relationships in lattice architectures for biomimetic material design.
- Operational Value: Supports rapid iteration of lattice geometries using polymer printing before metal commitment.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces reproducible lattice metal samples with controlled wall thickness and unit cell dimensions for mechanical testing.
- Operational Value: Standardizes sample preparation via precise sacrificial pattern volume calculation and centrifugal casting parameters.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates evaluation of aluminum and copper alloy lattice systems for potential use in implantable or device applications.
- Operational Value: Enables assessment of casting defects related to premature solidification, informing process optimization for translational reliability.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery to preclinical workflows by providing a bridge between digital design and physical validation of lattice metal prototypes.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how lattice geometry influences mechanical response in simulated physiological environments.
- Screening: Delivers quantifiable outputs such as dimensional fidelity and defect formation under controlled process parameters.
- Analytics: Enables correlation of centrifugal speed (425 RPM), melt temperature (482°C), and flow velocity (8.03 m/s) with casting success.
- Translational Research: Highlights material-specific challenges, such as copper alloy premature solidification, critical for risk assessment in device development.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform where sacrificial patterns can be redesigned for different lattice systems without changing core casting infrastructure.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in linking processing parameters to final lattice integrity.
- Operational Value: Improves reproducibility through idazable steps: pattern volume measurement, six-hour burnout, and controlled quenching.
- Strategic Value: Lowers capital barrier to lattice metal exploration by avoiding direct metal AM equipment.
- Portfolio Impact: Enables go/no-go decisions on lattice material systems based on casting success and structural fidelity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in CAD design, polymer 3D printing, and metal casting safety protocols.
- Needs access to centrifugal casting capable of 425 RPM, furnaces for burnout at 482°C, and metal melting via acetylene torch.
- Demands standardization of investment mixing and burnout schedules across teams to ensure mold integrity.
- Requires adaptation of process parameters when changing lattice geometry or alloy system (e.g., Al vs Cu).
- Limited by mold fragility during post-processing, particularly for thin-walled aluminum lattices requiring low-pressure sandblasting.
