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科学知識:鋳造と成形シミュレーションとは?

2024-01-03

科学知識:鋳造(Casting)と成形シミュレーション(Molding simulation)とは?

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現代社会において、誰もが持っているスマートフォンや、仕事に不可欠なノートパソコン、道路上を走る自動車・バイク、これらの日常生活に使われている電子消費製品や産業製品は、大量の金属部品を使用しています。しかし、その金属部品がどのような技術を用いて製造されたのかをご存知でしょうか?

今回は、「鋳造(Casting)」」と「成形シミュレーション(Molding simulation)」について詳しく説明していきます。ここで、鋳造と成形シミュレーションについて理解を深めていただけたら幸いです。

 

鋳造(Casting)とは?

人類は金属の可塑性を発見して以来、それに関連する加工技術を研究しはじめ、人類社会とともに現代まで発展してきました。現代の製造プロセスで使用される一般的な加工技術には、例えば切削加工(NC加工(NC, Numerical Control machining)、CNC加工(CNC, Computerized Numerical Control))、プレス加工(Stamping)、鍛造加工(Forging)…などがあり、鋳造(Casting)もその一つです。

鋳造(Casting)は、人類社会の発展と共に長い間に使われてきた金属加工技術の一つで、その最古は紀元前3200年のメソポタミアの青銅器まで遡ります。この技術は、金属を加熱して融点に達すると液体になる特性を利用し、溶融した金属を型に流し込んで冷却して目的の形状に固めるものです。

また、現代における鋳造技術には、大まかにモールドに使われている材質で「消耗型鋳造(Expendable mold casting)」と「非消耗型鋳造(Non-expendable mold casting)」に分けられます。

  • 消耗型鋳造(Expendable mold casting)

    消耗型鋳造とは、砂、樹脂、石膏、蠟…等の材料を使ってモールドを作成し、一時的かつ短期的な需要に使用されます。しかし、これらの材料は耐久性がないため、繰り返し利用することはできません。また、消耗型鋳造は、モールドに使用される材料によって名前が付いています。

    • 砂型鋳造(Sand casting)
      砂の特性である可塑性と凝聚性と耐火性を利用し、砂でモデルを覆い、圧力をかけて細部の形状を成形し、溶融金属を注ぎ込んで鋳造する技術です。生産完了後の使用された砂は回収可能で、再利用できます。
    • 石膏型鋳造(Plaster mold casting)
      特殊成分で配合された石膏でモデルを覆い、凝固して製品の形状を得て、溶融した金属を石膏型に注ぎ込んで鋳造する技術。生産完了後の石膏型は溶融金属の影響で焼損するため、繰り返して利用できませんが、粉砕処理を行うと再利用できます。
    • シェルモールド鋳造(Shell mold casting)
      砂型鋳造と同じ概念を利用していますが、異なるのは鋳造砂に粘着剤を混入し、目的の形状に整えたら加熱して固め、鋳造する際に他のモールドと一緒に使用します。生産が完了後、粘着剤は高温で分解され、砂の状態に戻ります。しかし、不純物が混入するため、再利用する際に適切な処理が必要です。
    • ロストワックス鋳造(Lost-wax casting)
      上述のいずれの鋳造技術と異なり、使用するワックス(Wax)は再利用できません。ワックスで原型を作成したのち、石膏や樹脂などの材料で表面を覆い、乾燥して固めたら、焼結炉に入れて焼結して成形します。加熱中にワックスは高温で溶け出してなくなるので、空いた空間に溶融金属を注ぎ込んで鋳造する技術です。
  • 非消耗型鋳造(Non-expendable mold casting)

    前述の消耗型鋳造と異なり、耐高温・耐高圧に対応できる特殊な合金材料で金型を作り、長期的かつ半永久的に使用できます。金型は耐久性があるため、生産される製品は重複性があり、元の金型の形状に近く、大量生産または部品の製造に非常に向いています。非消耗型鋳造では、使用される技術によって名前が付いています。

    • 永久鋳型鋳造(Permanent mold casting)
      耐高温かつ金属疲労に強い材料で金型を作成し、鋳造に使われる技術です。関連する鋳造技術には、重力鋳造(Gravity casting)、低圧鋳造(Low-pressure casting)…などがあります。
    • ダイカスト(Die casting)
      圧力鋳造とも呼ばれています。熔解金属を高速・高圧で、精密な金型に注入し、短い時間で製品を成型する技術です。関連する鋳造技術にはホットチャンバーダイカスト(Hot-chamber die casting)コールドチャンバーダイカスト(Cold-chamber die casting)があります
    • 半凝固・半溶湯ダイカスト(Semi-solid metal casting)
      金属の液体と固体が共存するシャーベット状態(固液共存状態)を利用し、ダイカストを行う技術です。関連技術には、液体から固液共存状態にする半凝固ダイカスト(Rheocasting)、固体から固液共存状態にする半溶融ダイカスト(Thixocasting)…などがあります。
    • 遠心鋳造(Centrifugal casting)
      回転可能な金型に溶解金属を注ぎ込み、液体の特性と遠心力を利用し、溶解金属を金型に充填する技術です。金属のほか、液体化に溶解可能な建築・産業材料(ガラス、コンクリートなど)にも応用できます。


成形シミュレーション(Molding simulation)とは?

かつて鋳造で製品開発する際、金型内部の実際の流動や凝固状態を観察ができなかったため、大量生産の前に必ず試作品を生産し、金型の設計が適切であるか、強度が十分であるか、デザイン目的を満たしているかなどを評価する必要がありました。この方法では、大量のコストと長いリードタイムがかかります。

コンピュータ技術と鋳造技術の発展と伴い、コンピュータ工学支援システム(CAE、Computer Aided Engineering)に関連の技術が発展し、やがて金型内の溶解材料の流動や凝固状態をシミュレートができるようになり、生産する前に金型設計を検討・検証できるようになりました。その技術は成形シミュレーション(Molding simulation)と呼ばれ、溶解可能な材料によって、樹脂材料を使用する射出成形シミュレーション(Injection molding simulation)と金属材料を使用する鋳造シミュレーション(Casting Simulation)に分類されます。

  • 成形シミュレーションはどのように応用される?

    成形シミュレーションは樹脂材料の射出成形や金属材料の鋳造をシミュレーションできますが、金型(Mold)や製品(Product)のシミュレーションや検証に使用されることがほとんどです。また、実際の製造プロセスで成形シミュレーションを応用する場合は、下の図のように金型の設計と金型の製作の間に使われています。
    成形シミュレーションを活用すれば、エンジニア達は金型の製作前に設計上の不確定な要素を排除できるだけでなく、製品に問題が発生した場合も原因を分析でき、改善の根拠として活用できます。
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  • 成形シミュレーションが分析できる欠陥は?

    成形シミュレーションが分析できる欠陥については、通常は流動、凝固、温度などの原因による欠陥をシミュレーション・分析できます。ただし、開発メーカーが持つ技術や、ソフトウェアのコンセプトなどにより、モジュールの機能や精度に違いがあります。鋳造の成形シミュレーションの例を挙げると、鋳造シミュレーションでは、湯廻り不良(Misrun)、メタルウェーブ(Metal wave)、ヒートチェック(Hot cracking)、焼付け(Soldering)、空気の巻き込み(Air entrapment)、ブローホール(Blowhole)、ひけ巣(Shrinkage cavity)などの欠陥を分析できます。

  • 成形シミュレーションがもたらす効果は?

    成形シミュレーションは問題・欠陥が発生する箇所をシミュレーション・検証できるため、下にまとめた効果があります。

    • コストダウン
      成形シミュレーションを製造プロセスに導入すると、製造前や問題が発生した際に問題・欠陥についてシミュレーションおよび分析できるほか、改善案の検証も可能です。改善案に問題がないことを確証したのちに、実際の金型の改善に実行します。これにより、従来の製造プロセスと比較して、成形シミュレーションを導入した製造プロセスでは、コストを大幅に削減できます。
    • 品質向上
      成形シミュレーションは問題・欠陥をシミュレーションできるため、その分析結果を金型設計に応用することができ、金型と製品の品質改善と向上ができます。
    • 開発時間を短縮
      製品製造プロセスにおいて、もっとも時間がかかるのは開発プロセスです。開発プロセスでは、製品設計の検討に加え、開発製品のテストと検証に最も時間をかけます。CAE技術を使用する成形シミュレーションを導入することで、製造前にシミュレーションと検証を行うことができるため、テストと検証にかかる時間を大幅に短縮できます。
    • 環境負荷を低減
      開発プロセスでは、金型の製作や試作品の製造に大量な資材と費用がかかるだけでなく、製造プロセスでも多くの産業廃棄物が発生します。例えば、製品を金型からスムーズに取り外すための離型剤は、加熱により蒸発や劣化して、廃ガスや廃油が発生します。そのプロセスを成形シミュレーションで分析、検証を行うと、産業廃棄物を効果的に削減し、環境負荷も低減することができます。
    • 製造プロセスを最適化
      上述の効果をまとめると、製造プロセスに成形シミュレーションを導入することで、低コストで製品の設計を検証できるほか、分析結果を継続的にテスト・改善して品質を向上させることができます。さらに、検証で生成した大量なテストデータをベースとして最短時間で最適な製品開発をでき、製造プロセスを最適化することが可能です。

  • 成形シミュレーションの制限?

    確かに成形シミュレーションは問題・欠陥を分析でき、前述のような様々な効果をもたらします。しかし、厳密に言うと成形シミュレーションで得た分析結果は、完璧な条件で得られた実験データです。もし、成形シミュレーションを利用する際に、設定された製造条件が実際の環境と異なる場合は、得られた分析結果にズレが発生しやすく、金型設計の改善案に応用することができません。
    通常、成形シミュレーションでは金型と溶解材料の温度、ブランジャーロッドの射出速度・位置、射出・増圧圧力…などの基礎的な製造条件を設定できます。しかし、製造現場には実際の製造条件に影響するさまざまな要因があります。例を挙げると、マシンのメンテナンス状況、工場内の環境状況、現場作業者の経験…などがあります。

成形シミュレーションのメーカーと製品

  • 射出成形(Injection molding simulation)

    アメリカAutodeskのMoldflow、フランスDassault Systèmes S.A.のSolidWorks、台湾科盛科技(CoreTech System Co.)のMoldex3D、日本東レエンジニアリングDソリューションズ(Toray Engineering D Solutions Co., Ltd.)のTimon Mold Designer…などがあります。

  • 鋳造(Casting simulation)

    日本日立産業制御ソリューションズ(Hitachi Industry & Control Solutions, Ltd.)のAdstefan、フランスESIグループ(ESI Group)のProcast、日本QUALICA(QUALICA Inc.)のJscast、日本トヨタシステムズ(TOYOTA Systems corporation)のTopcast、アメリカFlow Science(Flow Science, Inc)のFlow-3D、韓国AnyCasting Software(AnyCasting Software co.,ltd.)Anycasting、スウェーデンNovacastのNovaFlow&Solid…などがあります。

 

以上の説明で、鋳造と成形シミュレーションについて大まかに理解できたのではないかと思います。次章では、成形シミュレーションの応用についてより詳しく紹介させていただきます。

それでは、また次回会いましょう。

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