알루미늄 인베스트먼트 주조(유실 왁스 주조라고도 함)는 탁월한 표면 마감, 치수 정확도 및 기계적 무결성을 갖춘 거의 그물 형태의 부품을 생산하므로 항공우주 브래킷, 의료용 하우징 및 고성능 자동차 부품에 적합한 공정입니다. 올바르게 설계하면 알루미늄 인베스트먼트 주조는 ±0.005인치/인치(±0.13mm/mm)의 공차와 63~125μin Ra의 낮은 표면 거칠기를 달성하므로 종종 2차 가공이 필요하지 않습니다.
모래나 다이 캐스팅과 달리 매몰 주조는 왁스 패턴을 중심으로 제작된 세라믹 쉘을 사용하여 복잡한 기하학, 얇은 벽(1.5mm/0.060인치) 및 문자나 내부 통로와 같은 미세한 세부 묘사를 가능하게 합니다. 이 프로세스는 정밀도가 툴링 비용 문제보다 중요한 중소 규모 생산에 이상적입니다.
단계별 매몰 주조 공정
이 공정은 용융된 왁스를 알루미늄 다이에 주입하여 최종 부품과 동일한 패턴을 형성하는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 여러 패턴을 중앙 왁스 스프루에 조립하여 "나무"를 만듭니다. 이 어셈블리를 실리카 기반 슬러리에 반복적으로 담그고 미세한 치장벽토로 코팅하여 6~12개 층에 걸쳐 세라믹 껍질을 만듭니다.
일단 건조되면 껍질은 오토클레이브(일반적으로 180~200°C)에서 탈랍되어 구멍이 남습니다. 그런 다음 쉘을 870~1000°C에서 소성하여 잔류 왁스를 제거하고 세라믹을 강화합니다. 일반적으로 A356, A360 또는 380과 같은 합금인 용융 알루미늄을 중력 또는 진공 상태에서 뜨거운 쉘에 붓습니다. 응고 후 워터 블라스팅이나 기계적 진동을 통해 쉘을 제거하고 스프루에서 개별 주물을 절단합니다.
일반적인 알루미늄 합금 및 그 특성
모든 알루미늄 합금이 매몰 주조에 적합한 것은 아닙니다. 가장 널리 사용되는 것은 우수한 유동성, 열간 인열 저항성 및 주조 후 열처리성을 제공합니다.
| 합금 | 실리콘(%) | 인장 강도(ksi) | 주요 용도 |
|---|---|---|---|
| A356.0 | 7.0 | 30–35(캐스트 그대로) 40~45(T6) | 항공우주, 의료 |
| A360.0 | 9.0 | 30~33(캐스트 그대로) | 부식 방지 하우징 |
| 380.0 | 8.5 | 44–48 (캐스트 그대로) | 고강도 구조 부품 |
A356-T6은 중요한 애플리케이션을 위한 업계 표준입니다. 열처리에 대한 반응성과 내피로성이 우수하기 때문입니다.
다른 주조 방법에 비해 설계 장점
매몰 주조는 복잡성이 성능을 충족시키는 데 탁월합니다. 다이 캐스팅에 비해 높은 툴링 비용($10,000~$50,000, 다이의 경우 $50,000~$500,000)을 피하고 구배 각도 없이 더 복잡한 내부 기능을 허용합니다. 샌드 캐스팅에 비해 표면 마감이 우수하고 공차가 더 엄격하여 가공 작업이 최대 70% 감소합니다.
- 파팅라인이나 플래시가 없어 매끄러운 미학이 가능합니다.
- 미세한 디테일의 탁월한 복제(예: 조각의 0.010)
- HIP(Hot Isostatic Pressing)과 호환되어 내부 기공을 제거합니다.
제한 사항 및 비용 고려 사항
그 정확성에도 불구하고, 알루미늄 투자 주조 제약이 있습니다. 다단계 쉘 구축으로 인해 리드 타임이 더 길어집니다(4~8주). 부품 크기는 일반적으로 14~18kg(30~40lbs)으로 제한되지만 일부 주조소에서는 최대 100lbs까지 처리합니다. 또한 이 공정은 다이캐스팅이 더욱 경제적이 되는 대량 생산(연간 50,000개 이상)으로 인해 어려움을 겪습니다.
부품당 비용은 $15~$200이며 무게, 복잡성 및 후처리에 따라 크게 영향을 받습니다. 그러나, 기계가공, 조립, 폐기 등을 포함한 전체 수명주기 비용을 고려할 때 인베스트먼트 주조는 복잡하고 소량의 부품에 더 경제적인 경우가 많습니다.
중요한 품질 관리 및 테스트 프로토콜
평판이 좋은 주조소에서는 왁스 패턴 계측, 쉘 두께 검증, 합금 분광학 분석, 최종 주조 CMM 검사 등 모든 단계에서 엄격한 검사를 실시합니다. 비파괴 검사(NDT)는 안전에 중요한 부품에 대한 표준입니다.
- 내부 다공성에 대한 X선 또는 CT 스캐닝(ASTM E1742에 따름)
- 표면 균열에 대한 염료 침투 검사(ASTM E165)
- 인장 및 신장에 대한 증인 샘플의 기계적 테스트
항공우주 주조에는 종종 Nadcap 인증과 용융 로트부터 완성 부품까지의 완전한 추적성이 필요합니다.
산업 전반에 걸친 실제 애플리케이션
알루미늄 인베스트먼트 주조는 고부가가치 분야 어디에서나 볼 수 있습니다. 항공우주 분야에서는 연료 매니폴드, 액추에이터 하우징 및 드론 프레임을 구성하는데, 여기서 무게 절감과 신뢰성은 타협할 수 없습니다. 의료 산업에서는 멸균 호환성이 요구되는 MRI 부품 및 수술 기구 핸들에 이 제품을 사용합니다. 국방 응용 분야에는 극심한 진동을 견뎌야 하는 표적 시스템 브래킷과 UAV 부품이 포함됩니다.
주목할만한 예: 선도적인 전기 자동차 제조업체는 모터 엔드 캡용 가공 빌렛에서 A356 매몰 주조로 전환하여 강성을 유지하면서 부품 중량을 35%, 비용을 22% 줄였습니다.
미래 동향과 지속 가능한 혁신
업계는 더 큰 지속 가능성과 자동화를 향해 발전하고 있습니다. 수성 슬러리는 VOC 배출을 줄이기 위해 에틸 실리케이트를 대체하고 있습니다. 로봇식 왁스 패턴 조립과 3D 프린팅된 세라믹 코어를 사용하면 더 빠른 프로토타입 제작과 형상 적응형 냉각 채널이 가능합니다. 현재 일부 주조소에서는 기계적 특성을 손상시키지 않으면서 80%가 넘는 재활용 알루미늄 함량을 사용하고 있습니다.
적층 제조가 3D 프린팅된 왁스 또는 폴리머 패턴을 사용하는 기존 매몰 주조와 결합함에 따라 공정은 더욱 빠르고 친환경적이며 기하학적 자유도가 더욱 향상되고 있습니다. 알루미늄 부품의 정밀도, 무결성 및 설계 유연성을 원하는 엔지니어에게 매몰 주조는 타의 추종을 불허합니다.
