アルミ鋳造、鋳物、金型を一貫請負

根本の違い:砂型は使い捨て、金型は繰り返し使用

砂型は、製品の形をした模型(パターン)の周りに、(結合剤を混ぜた)砂を突き固め、その後模型を抜いて空洞を残すことで作られます。金属を注湯して凝固した後、製品を取り出すために型は壊され、鋳造のたびに新しい型を作る必要があります。再利用されるのは模型(および再生処理後の砂の一部)であり、型そのものではありません。

金型は、精密に機械加工された鋼製の型で、非常に多くの鋳造サイクルにわたって繰り返し使用できます。型は製品を取り出すために開かれ、次のサイクルのために閉じられるため、初期投資ははるかに大きくなりますが、多数の製品に分散されます。

この違いは、2つの重要な結果をもたらします。

• 逆転したコスト構造。砂型は初期コストが低い一方、製品ごとに新しい型を作る手間がかかるため、数量が増えても1個あたりのコストはゆっくりとしか下がりません。金型はその逆で、初期投資は高いものの、数量が十分に大きくなると1個あたりのコストが大きく下がります。2つのコスト曲線が交わる点は、製品の複雑さと大きさに依存するため、共通の数字はありません。
• 再現性。砂型は毎回新しい型であるため、型ごとにわずかな差が生じる可能性があります。金型はすべてのサイクルで同じ型であるため、鋳造ごとの製品は通常より均一になります。

型が溶融金属に何をするか:冷却速度、表面、公差

冷却速度。金属は砂よりもはるかに熱をよく伝えるため、金型は溶融アルミから熱をより速く奪います。より速く凝固した金属は、通常、より微細な組織となり、多くの場合より良好な機械的特性を伴います。砂型は冷却が遅いため、組織は粗くなります(この関係の科学的根拠は、冷却速度に関する記事で解説されています)。

表面と寸法精度。砂型は、砂粒そのものの表面を反映してより粗い表面を残し、公差も通常は広くなります。金型はより滑らかな表面と、より良い寸法精度の再現性をもたらすため、通常、仕上げ加工が少なくて済みます。

急速冷却の裏側。急速な冷却と剛性の高い型が、常に有利とは限りません。大型の部品や厚肉の部分では、高い冷却速度により、収縮を補うための金属の補給が難しくなり、熱応力が増すことがあります。押湯や湯道系を柔軟に設計できる砂型の方が、そうした形状には通常適応しやすくなります。

形状の自由度とサイズの限界

内部の空洞と複雑な形状。砂型は、砂中子によって内部の空洞や離型しにくい形状を作ることができ、鋳造のたびに型が壊されるため、「型抜き」を心配する必要もありません。金型は開かなければならないため、横穴や側面の溝のような形状にはスライドや金属中子が必要となり、型が複雑で高価になります。部品内部の複雑な空洞は、通常、砂型が有利となる点です。

製品サイズ。砂型は、同等の金型を作ると高価すぎる、または現実的でないような非常に大きな部品にも対応できます。金型は、鋼製の型とそれに付随する機械のサイズによって制限されます。

型の製作期間と、設計が変更される場合の柔軟性

砂型用の模型は、通常、製作が速く、修正も比較的安価です。そのため砂型は、設計が確定していない段階や少量生産に適しています。金型は加工に時間がかかり、製作後の修正は通常コストがかさみます。したがって、設計がまだ変わりつつある製品では、金型への投資が早すぎると、型の修正や作り直しが必要になる可能性があります。

直接比較表

以下の表は、業界の一般的な慣行に沿って、2つの型の違いを定性的にまとめたものです。

選び方:判断を左右する4つの質問

1. 必要な数量と再現性はどのくらいですか?少量で、製品間のわずかな差を許容できる場合は砂型寄り、大量で均一性が必要な場合は金型寄りです。
2. 表面と公差の要求はどうですか?仕上げ加工を少なくして、滑らかな表面と厳しい公差が必要な場合は、通常、金型の方が適しています。重要な箇所の大部分で鋳造後に加工する場合は、この利点は小さくなります。
3. 製品の形状とサイズはどうですか?非常に大きな部品や、内部に複雑な空洞を持つ部品は砂型寄り、小~中サイズで大量の部品は金型寄りです。
4. 設計は確定していますか?設計が変更中であれば砂型寄りで、設計が安定して初めて金型への投資が正当化されます。

ハイブリッドのケース:2つの型の組み合わせ

2種類の型は互いに排他的ではありません。一部の工程では、外面に金型を、内部の空洞に砂中子を用いる金型と砂中子の組み合わせを採用し、両者の中間的な方法としています。また、試作段階では砂型で始め、設計が安定してから金型に移行するプロジェクトもあります。

砂型で作った試作品は、金型で作った製品を完全には反映しないことに注意が必要です。冷却速度が異なるため、両者の組織と機械的特性が異なる可能性があり、砂型サンプルでの機械的特性の試験結果を、後の金型製品に対して確かなものとみなすべきではありません。

よくある3つの誤解

誤解1:「砂型は常に安い」。少量生産でのみ正しい考えです。数量が増えると、砂型の1個あたりコストはゆっくりとしか下がらず、総コストが金型を上回ることがあります。

誤解2:「金型は常に優れている」。非常に大きな部品、複雑な内部空洞、少量生産では当てはまりません。こうしたケースでは、金型は現実的でない、または経済的でないことがあります。

誤解3:「砂型で試作すれば、金型でも同じ結果になる」。前述の通り、冷却速度が異なるため、組織と機械的特性は異なる可能性があります。

サプライヤーに尋ねるべき質問

「どの型で作れますか」と尋ねるだけでなく、次の3つの質問の方が、多くの情報を引き出せることが一般的です。私の数量と設計では、2種類の型の損益分岐点はどこにあり、その根拠は何ですか。量産型と異なる種類の型でサンプルを作った場合、製品の機械的特性の要求に影響はありますか。型を作った後に設計が変更された場合、各型の調整にかかるコストと期間はどのくらいですか。