인베스트먼트 주조 – 작동 원리, 공정 등

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모래 주조와 마찬가지로 인베스트먼트 주조는 고대 문명에서 이미 실행된 가장 오래된 주조 공정 중 하나입니다. 기원전 3700년 레반트 지역에서 보석, 장식품, 우상을 만들기 위해 시작된 이 주조 기술은 하라파, 메소포타미아, 아즈텍, 마야, 베냉 문명에서도 사용되었으며 이집트 통치자의 무덤에서도 발견되었습니다.

인베스트먼트 캐스팅의 기본 원칙은 수천 년이 지난 지금까지도 변함없이 유지되고 있습니다. 그러나 CAD/CAM, 적층 제조, 실시간 모니터링 기능과 같은 지원 기술이 추가되면서 이 산업 공정의 최종 부품 품질, 일관성, 경제성이 크게 개선되었습니다.

이 글에서는 최신 인베스트먼트 주조 공정의 작동 방식과 장점, 단점 및 사용 사례에 대해 살펴봅니다.

인베스트먼트 캐스팅이란?

인베스트먼트 캐스팅은 정밀 주조 또는 분실된 왁스 캐스팅은 가장 인기 있는 금속 성형 기술 중 하나입니다. ‘투자’라는 용어는 ‘투자하다’라는 고대의 의미에서 유래한 것으로, 물체에 옷을 입히거나 물질을 겹겹이 둘러싸는 것을 가리킵니다.

이 과정에서 왁스 패턴은 내화 재료 에 세라믹 쉘 몰드 형성. 이 패턴은 재료가 식을 때 수축을 수용하기 위해 최종 제품보다 약간 큰 치수로 제작합니다.

쉘 몰드는 표면이 단단하기 때문에 인베스트먼트 주조는 다음과 같은 이점을 제공합니다. 모래 주조보다 더 매끄러운 표면 마감을 제공합니다.. 이 공정은 대부분의 금속에 사용할 수 있습니다. 인베스트먼트 주조와 호환성이 높은 인기 금속으로는 청동, 마그네슘, 스테인리스강 합금, 유리, 탄소강, 황동, 알루미늄 및 알루미늄 합금 등이 있습니다.

인베스트먼트 주조 공정

인베스트먼트 주조 공정은 널리 사용되는 모래 주조 공정보다 더 복잡하기 때문에 더 많은 단계가 포함됩니다. 인베스트먼트 주조에는 8단계가 포함되며 다음과 같습니다:

1. 마스터 패턴 생성
2. 마스터 주사위 만들기
3. 왁스 패턴 생성
4. 쉘 몰드 만들기
5. 왁스 제거
6. 용융 금속 붓기 및 후속 냉각
7. 쉘 몰드에서 주물 제거
8. 후처리 작업

각 단계에서 어떤 일이 일어나는지 자세히 살펴보겠습니다:

1. 마스터 패턴 생성

마스터 패턴은 필요한 제품의 정확한 복제본입니다. 목재, 금속, 플라스틱, 점토, 왁스 또는 기타 특수 합금으로 만들 수 있습니다. 수년에 걸쳐 제조업체들은 CAD/CAM과의 호환성 및 향상된 치수 정확도 때문에 3D 프린팅 마스터 패턴으로 전환해 왔습니다.

2. 마스터 다이 제작

마스터 패턴은 마스터 주사위를 만드는 데 사용됩니다. 마스터 다이의 제작 기법은 마스터 패턴의 소재에 따라 다릅니다. 예를 들어 마스터 패턴이 강철로 만들어진 경우 알루미늄은 660°C(1,220°F)에서 녹는 반면 강철은 약 1,500°C(2,732°F)에서 녹기 때문에 용융 알루미늄에 마스터 패턴을 배치할 수 있습니다. 따라서 용융된 알루미늄은 강철을 녹이지 않습니다. 응고되면 알루미늄 기반의 마스터 다이가 만들어집니다.

3D 프린팅 마스터 다이 는 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 금속 금형에 대한 비용 효율적인 대안 몇 개의 주물만 필요한 경우.

3. 왁스 패턴 만들기

마스터 다이에서 왁스 패턴을 생성하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 한 가지 방법은 소량의 왁스를 다이에 채우고 다이의 내부 표면을 고르게 코팅하고 굳을 때까지 흔들어주는 것입니다. 원하는 두께가 될 때까지 이 과정을 반복하여 속이 빈 왁스 패턴을 만듭니다.

두 번째 방법은 마스터 다이를 왁스로 완전히 채우는 것입니다. 왁스는 다이에 직접 주입하거나 고압 주입을 통해 공급할 수 있습니다. 고압을 사용하면 복잡한 구성 요소의 경우 왁스가 캐비티의 모든 기능을 채울 수 있습니다. 이렇게 생성된 왁스 패턴은 견고합니다.

이 단계에서 코어를 추가하여 왁스 패턴에 내부 캐비티를 만들 수 있습니다. 코어의 일반적인 재료로는 용해성 왁스 또는 세라믹이 있습니다. 용해성 왁스는 5단계에서 제거되며 세라믹 코어는 최종 제품이 굳은 후에 제거됩니다.

4. 쉘 몰드 만들기

왁스 패턴은 용융 금속의 고온을 견딜 수 없습니다. 따라서 용융 금속의 열을 견딜 수 있도록 왁스 패턴으로 세라믹 몰드를 제작합니다. 세라믹 몰드는 다음과 같이 형성됩니다. 왁스 패턴을 내화 재료의 슬러리에 담그기 에 담그고 굳어지도록 합니다.

이 과정은 바닐라 아이스크림에 초콜릿 층을 입히는 것과 본질적으로 동일합니다. 차가운 바닐라 아이스크림이 뜨겁게 녹은 초콜릿과 접촉하면 초콜릿이 아이스크림에 달라붙어 거의 즉시 굳어 아이스크림을 덮는 얇은 초콜릿 껍질이 만들어집니다.

마찬가지로 세라믹 슬러리가 왁스 패턴과 접촉하면 왁스 패턴에 달라붙어 굳어집니다. 원하는 두께의 세라믹 몰드를 얻기 위해 미세한 슬러리부터 시작하여 거친 슬러리까지 여러 차례 왁스 패턴을 통과시킵니다. 그런 다음 몰드를 식힙니다.

5. 왁스 제거

슬러리가 굳으면 왁스를 제거하고 세라믹 몰드를 추가로 소결하기 위해 용광로에 넣습니다. 소결은 압력과 열을 통해 액화되지 않은 상태로 제품을 굳히는 과정입니다. 온도가 상승함에 따라 소결은 몰드를 굳히고 녹은 왁스는 나중에 사용할 수 있도록 회수합니다. 이 단계를 통해 실제 주조 공정을 위한 견고한 세라믹 몰드가 만들어집니다.

6. 용융 금속 붓기 및 후속 냉각

왁스 제거 단계가 끝나면 테스트를 위해 금형을 냉각합니다. 균열이나 기타 결함이 발견되면 세라믹 슬러리 또는 특수 시멘트를 사용하여 수정할 수 있습니다.

테스트 결과가 성공적으로 나오면 금형을 다시 가열한 후 액체 금속을 붓습니다. 이 예열은 용융 금속이 액체 상태로 유지되도록 합니다. 상태로 유지하여 금형을 균일하게 채울 때까지 더 오랜 시간 동안 유지합니다.

금속을 붓기 위해 세라믹 몰드를 뒤집어 모래가 채워진 용기에 넣습니다. 용융 금속은 중력 또는 외부 압력에 의해 금형에 부어집니다.

진공 보조 충진 도 사용할 수 있습니다. 가격대는 높지만 중력 및 압력 기반 충전에 비해 자원 효율성이 훨씬 뛰어납니다.

진공은 용융 금속을 금형 안으로 끌어당기고, 모든 중요 부품이 굳으면 진공이 해제되어 사용하지 않은 용융물이 배출되도록 합니다. 이 공정은 스프 루와 게이트의 재료 응고를 최소화하여 다음과 같은 결과를 가져옵니다. 최대 95%의 재료 수율중력 주입의 15~50%에 비해 훨씬 높습니다.

그런 다음 재료가 세라믹 쉘 몰드에서 분리되지 않을 정도로 단단해질 때까지 식혀서 굳힙니다.

7. 금형에서 주물 제거

분리 작업은 일반적으로 금형을 망치로 두드려 주물을 분리하는 방식으로 수행됩니다. 금형에서 금속 주물을 분리하는 다른 방법으로는 워터젯, 미디어 블라스팅, 진동 및 금형의 화학적 용해 등이 있습니다. 그런 다음 스프 루, 러너 및 기타 게이팅 시스템 구성 요소를 분리하여 재활용합니다.

8. 후처리 작업

인베스트먼트 주조 공정 일반적으로 후속 가공이 필요하지 않습니다.. 그러나 결과가 예상과 다를 경우 주물을 사용하기 전에 표면 마감 작업이 필요할 수 있습니다. 일반적으로 공작 기계를 사용한 표면 연마는 표면 결함을 연마하고 다듬는 데 적합합니다. 하지만 상황에 따라 수공구, 용접, 유압 스트레이트닝과 같은 다른 마감 공정이 필요할 수 있습니다.

인베스트먼트 주조의 장점

인베스트먼트 주조 공정은 다음과 같은 이점을 제공합니다:

• 복잡한 부품의 경우에도 뛰어난 치수 정확도
• 더 매끄러운 표면 마감
• 다양한 금속에 사용 가능
• 파트를 절단선 없이 단일 주조로 제작합니다.
• 소량 및 대량 제조에 적합
• 리소스 낭비 최소화
• 부품을 결합할 수 있어 다운스트림에서 조립 작업이 필요 없음
• 수축 허용치 걱정 없이 90도 각도로 주조 가능
• 다른 금속 제조 공정보다 환경 친화적임

인베스트먼트 주조의 한계

인베스트먼트 주조 공정에도 일정한 한계가 있습니다:

• 부품 품질에 영향을 미칠 수 있는 변수가 매우 많다는 점입니다. A 높은 수준의 공정 제어 는 고품질 부품 생산에 필수적입니다.
• 인베스트먼트 주조의 크기에는 모래 주조와 같은 다른 주조 공정보다 낮은 상한선이 있습니다.
• 내부 공동이 있는 물체를 주조하는 것은 다른 주조 공정보다 더 까다로울 수 있습니다.
• 더 긴 생산 주기 및 리드 타임
• 인베스트먼트 주조 기술은 특히 수량이 적고 제조 공정에 영구 공구를 사용하는 경우 다른 공정보다 비용이 많이 듭니다.

인베스트먼트 주조의 응용 분야

업계에서는 인베스트먼트 주조를 사용하여 다음과 같은 제품을 생산합니다:

• 터보차저 로터 및 터빈 블레이드
• 방아쇠, 해머, 리시버와 같은 총기 부품
• 펌프, 밸브 및 연소기 부품과 같은 발전 및 냉각 시스템 부품
• 섬세한 부품과 엄격한 허용 오차를 가진 복잡한 주얼리
• 엔진 부품, 변속기 부품, 브레이크, 도어 핸들, 기어, 하우징, 브래킷, 로드 등을 포함한 자동차 부품

인베스트먼트 주조 선택 시기

투자 캐스팅 프로세스에 대해 알아본 후, 투자 캐스팅이 최고의 ROI를 제공하는 5가지 시나리오에 주목하여 지식을 요약해 보겠습니다:

중간 크기 범위 – 인베스트먼트 주조는 제품의 무게가 다음과 같은 범위일 때 더 나은 결과를 제공합니다. 몇 그램에서 최대 1,000kg까지. 무게가 1,000kg을 초과하는 부품은 모래 주조 공정에 더 적합합니다.

매우 복잡한 형상 – 인베스트먼트 주조는 터빈 블레이드, 의료 장비, 치과용 크라운 및 인레이, 발전 장비, 항공 우주 부품 등과 같은 매우 복잡한 형상을 만들 수 있습니다.

많은 수의 부품 – 인베스트먼트 주조는 소량의 품목을 제조해야 하는 경우 공정 비용이 높아지기 때문에 비용 효율적이지 않습니다. 그러나 품목 수가 특정 임계값 이상으로 증가하면 개당 비용이 모래 주조를 포함한 다른 방법보다 낮아질 수 있습니다.

높은 표면 마감의 필요성 – 인베스트먼트 주조는 표면이 매우 미세한 경질 금형을 사용하여 탁월한 표면 마감을 구현할 수 있는 공정입니다.

높은 치수 정확도의 필요성 – 인베스트먼트 주조를 통해 그물 또는 그물에 가까운 형상을 주조할 수 있습니다. 이 공정을 사용하면 후처리의 필요성도 최소화할 수 있습니다.

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