셸 몰딩

쉘몰드 주물이라고도 하는 쉘몰딩은 레진 덮개 모래를 이용해 금형을 형성하는 소모성 몰딩 주조 공정이다.^[1] 모래 주조와 비교하여 이 공정은 치수 정확도가 더 우수하고, 생산성이 더 높으며, 노동 요구 사항이 더 낮다. 정밀도가 높은 중소형 부품에 사용한다.^[2] 쉘 몰딩은 20세기 중반 독일에서 제조 공정으로 개발되었다. 그것은 독일의 기술자 요하네스 크론닝에 의해 발명되었다.^[3][4] 쉘 몰드 주조는 용해된 금속이 소모성 몰드에 주입된다는 점에서 모래 주조와 유사한 금속 주조 공정이다. 단, 쉘 몰드 주물에서 몰드는 패턴 주위에 모래-레진 혼합물을 도포하여 만든 얇은 벽의 쉘이다. 원하는 부품 모양의 금속 조각인 패턴은 여러 개의 쉘 몰드를 형성하기 위해 재사용된다. 재사용 가능한 패턴은 더 높은 생산률을 허용하는 반면, 일회용 몰드는 복잡한 기하학적 구조를 주조할 수 있게 한다. 쉘 몰드 주조는 금속 패턴, 오븐, 모래-레진 혼합물, 덤프 박스, 용해된 금속을 사용해야 한다.

쉘 몰드 주조는 철 및 비철 금속을 모두 사용할 수 있으며, 가장 일반적으로 주철, 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 알루미늄합금 및 구리합금을 사용한다. 대표적인 부품은 크기가 소형에서 중형이며 기어 하우징, 실린더 헤드, 커넥팅 로드, 레버 암 등 높은 정확도가 요구된다.

쉘 몰드 주조 공정은 다음 단계로 구성된다.

패턴 생성 - 2피스 금속 패턴은 일반적으로 철이나 강철로 원하는 부품의 모양으로 생성된다. 저용량 생산을 위한 알루미늄이나 반응성 물질을 주조하기 위한 흑연과 같은 다른 재료가 사용되기도 한다.

금형 생성 - 먼저 각 패턴의 절반을 175-370°C(350-700°F)로 가열하고 윤활유를 코팅하여 탈거가 용이하도록 한다. 다음으로 가열된 패턴은 모래와 수지 바인더가 혼합된 덤프 박스에 고정된다. 덤프 박스는 뒤집어져 있어 이 모래-레진 혼합물이 패턴을 코팅할 수 있다. 가열된 패턴은 부분적으로 혼합물을 치료하고, 이제 패턴 주위에 껍데기를 형성한다. 각각의 패턴 반과 주변의 껍질은 오븐에서 완성되도록 경화되었다가 껍질이 패턴에서 배출된다.

몰드 조립체 - 두 개의 쉘 반쪽이 함께 결합되고 전체 쉘 몰드를 형성하도록 단단히 고정된다. 코어가 필요한 경우 몰드를 닫기 전에 코어를 삽입한다. 그런 다음 쉘 몰드는 플라스크에 놓이고 배접 물질로 지지된다.

주입 - 용융된 금속을 레이들로부터 탕구계통으로 붓고 몰드 캐비티를 채우는 동안 몰드가 단단히 고정된다.

냉각 - 주형을 채운 후 용해된 금속이 냉각되어 최종 주물의 형태로 굳을 수 있다.

주조 제거 - 용해된 금속이 냉각된 후 주형이 파손되고 주물이 제거될 수 있음 공급 시스템에서 여분의 금속을 제거하고 주형에서 모래를 제거하려면 트리밍 및 세척 프로세스가 필요하다.

쉘 성형 품목의 예로는 기어 하우징, 실린더 헤드 및 커넥팅 로드가 있다. 고정밀 성형 코어를 만드는 데도 쓰인다.

과정

셸 몰드를 만드는 과정은 다음 6단계로 구성된다.^[2][5]

1. 얇은(3~6%) 보온성 페놀 수지 및 액체 촉매로 덮인 미세 실리카 모래를 뜨거운 패턴에 버리거나, 불거나, 쏜다. 패턴은 보통 주철로 만들어지며 230~260°C(450~600°F)까지 가열된다. 모래가 부분적으로 경화되도록 모래를 패턴 위에 몇 분 동안 놓아두도록 한다.
2. 그런 다음 패턴과 모래가 반전되어 과도한 모래가 패턴에서 떨어져 나와 "껍질"만 남게 된다. 패턴의 시간과 온도에 따라 껍질의 두께는 10~20mm(0.4~0.8인치)이다.
3. 무늬와 껍데기를 함께 오븐에 넣어 모래 경화를 마무리한다. 이 셸의 인장 강도는 350~450psi(2.4~3.1 MPa)이다.
4. 그리고 나서 딱딱해진 껍질은 패턴에서 벗겨진다.
5. 그런 다음 열전 접착제를 사용하여 클램핑 또는 접착을 통해 두 개 이상의 쉘이 결합되어 금형을 형성한다. 이 완성된 금형은 즉시 사용되거나 거의 무한정 보관될 수 있다.
6. 셸 몰드를 주조하기 위해 플라스크 내부에 배치하고 셸을 보강하기 위해 숏, 모래 또는 자갈로 둘러싸여 있다.^[6][7]

이 공정에 사용되는 기계를 조개 성형 기계라고 한다. 그것은 패턴을 가열하고, 모래 혼합물을 바르고, 껍질을 굽는다.

세부 사항

쉘 몰드 패턴의 설정 및 생산은 몇 주가 걸리며, 그 후에는 시간당 5-50개의 생산량을 달성할 수 있다.^[8] 일반적인 재료로는 주철, 알루미늄, 구리 합금이 있다.^[1] 알루미늄과 마그네슘 제품은 보통 한계로 평균 약 13.5kg(30lb)이지만 45~90kg(100~200lb) 범위에서 주물이 가능하다.^{[citation needed]} 한계의 작은 끝은 30g(1온스)이다. 소재에 따라 가장 얇은 단면 주물은 1.5~6mm(0.06~0.24인치)이다. 최소 초안은 0.25~0.5도.^[1]

모래 화합물이 거의 수축되지 않고 금속 패턴을 사용하기 때문에 일반적인 공차는 0.005 mm/mm 또는 in/in이다. 더 미세한 모래가 사용되기 때문에 주조 표면 마감은 0.3–4.0 마이크로미터(50–150 μin)이다. 수지는 또한 매우 매끄러운 표면을 형성하는데 도움을 준다. 일반적으로 이 공정은 한 주조물에서 다음 주조물까지 매우 일관된 주물을 생산한다.^[5]

모래-레진 혼합물은 고온에서 수지를 연소시켜 재활용할 수 있다.^[6]

장단점

이점

• 셸 몰딩은 대량 생산을 위해 완전히 자동화할 수 있다.^[2]
• 높은 생산성, 낮은 인건비와 우수한 표면 마감, 공정의 정밀도는 가공 비용을 줄인다면 그 자체로 지불하는 것보다 더 많은 돈을 지불할 수 있다.
• 가스로 인한 문제는 거의 없고, 껍질에 습기가 없기 때문에, 아직 남아 있는 작은 가스는 얇은 껍질 사이로 쉽게 빠져나간다. 금속을 부으면 레진 바인더 일부가 껍질 표면에 타버리기 때문에 흔들림이 쉽다.^[1][5]
• 매우 좋은 표면 마감, 높은 생산률, 낮은 인건비(자동화된 경우)로 복잡한 모양과 미세한 디테일을 형성할 수 있다.
• 툴링 비용 절감, 고철 발생 최소화
• 매우 큰 부품과 복잡한 모양들이 생산될 수 있다.
• 다양한 재료 옵션.
• 낮은 툴링 및 장비 비용.
• 고철은 재활용할 수 있다.
• 짧은 리드 타임이 가능하다.

^[9]

단점들

• 전체 금형이 패턴에서 형성되기 때문에 탕구계는 패턴의 일부여야 하는데, 이는 비용이 많이 들 수 있다.
• 모래용 수지는 껍질만 형성되고 있기 때문에 별로 필요하지는 않지만 비싸다.^[5]
• 높은 장비 비용.
• 재료 강도 불량.
• 높은 다공성 가능.
• 이차 가공이 필요한 경우가 많다.
• 수동으로 할 경우 높은 인건비.

적용들

실린더 헤드, 커넥팅 로드, 엔진 블록 및 매니폴드, 기계 베이스.

참조

메모들

http://www.custompartnet.com/wu/shell-mold-casting.

https://thelibraryofmanufacturing.com/shell_mold_casting.html

https://monroeengineering.com/blog/what-is-shell-molding/

참고 문헌 목록

• Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003). Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.). Wiley. ISBN 0-471-65653-4.
• Todd, Robert H.; Dell K. Allen; Leo Alting (1994). Manufacturing Processes Reference Guide. Industrial Press Inc. ISBN 0-8311-3049-0.

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