【技術電子報】應用3D列印陶殼模鑄模技術控制鑄造製程金屬凝固行為及其縮孔

Control of Solidification Behavior and Shrinkage Porosity for Metal Casting Process based 3D Printing Ceramic Shell Mold

洪珮純1、郭信宏2、蔡和霖3*

1金屬工業研究發展中心金屬製程研發處熔鑄組副工程師

2金屬工業研究發展中心金屬製程研發處熔鑄組副組長

3金屬工業研究發展中心金屬製程研發處副組長

主要聯絡人的電話及mail

蔡和霖 07-3513121轉2504 hltsai@mail.mirdc.org.tw

一、摘要

利用積層製造技術於陶殼模鑄模設計，可依照鑄件品質需求，製作出厚薄不均一陶殼模鑄模，達到控制冷卻速率及凝固時產生縮孔形成位置。藉由鑄造製程模擬模組建立及預測分析結果顯示，隨著澆冒口部分之陶殼模鑄模厚度增加，縮孔位置會朝向澆冒口端移動，降低缺陷於鑄件內部形成，對於鑄造製程提供有效改善品質的方法。

For the casting industries, the ceramics shell mold with uneven thickness is fabricated by additive manufacturing techniques. It benefits to control the cooling rate and shrinkage porosity formation during casting process depending on the numerical modeling. The casting quality is improved by the increasing the riser thickness of ceramic mold since the shrinkage porosities were formed toward the riser zone.

二、前言

全球鑄造產業於2018年產值約為221億美元，根據全球商業風險與產業分析報告(Global Info Research Business Risk & Industry Analysis Reports)調查，預估精密鑄造產值由2017年198億美元至2023年245億美元，其年複合成長率約為3.6% 。鑄造業是國內重要基礎工業，廣泛應用於金屬製品、機械零件等製造業。其中精密鑄造具有表面細緻度高、尺寸精度佳與適用於多種合金鑄造優勢，普遍應用於航太、能源、生醫等高階產業用之小型零件開發為主。

近年來，隨著精密鑄件產品趨向複雜化(厚薄不均)、一體化及大型化應用，對於鑄件尺寸精度與表面細緻度提升需求日趨嚴苛。然而，傳統精密鑄造陶殼模鑄模製程包含開立射蠟模、反覆沾漿淋砂、乾燥、脫蠟、燒結等繁雜工序，以及無法控制模壁厚度；若產品開發屬於大型或厚薄不均之特性時，容易因為凝固行為控制不佳，造成鑄件厚薄區凝固速率不同，於凝固速率小之區域因為凝固行為造成體積收縮，且無多餘金屬液補充，即可觀察到該區域有鑄造縮孔現象發生。為了避免縮孔缺陷形成影響鑄件品質，傳統陶殼模製程過程中，針對鑄件特徵較厚區域，特別增加更厚澆冒口設計，藉此各區塊保溫、散熱、冷卻之速率控制，進而達到控制整體金屬液於模穴之凝固方向性；但此方法常造成材料利用率下降並增加鑄件的後處理工序，導致製造成本增加。

根據多篇研究結果顯示利用積層製造技術製備陶殼模鑄模，可以提供鑄模彈性化設計及提升精密鑄造鑄件品質，對於少量多樣之創新產品開發，更可以縮短產品開發時間50%以上與降低研發成本75%以上。其中噴膠黏粉技術(Binder jetting)可適用於多種類粉末材料與黏結劑，噴印過程於常溫常壓下即可進行，噴墨頭接收驅動訊號後直接將黏結劑噴印圖案於粉床(Powder bed)上，將粉末黏結成形，隨後以逐層堆疊方式建構出初始物件 (Green part)，製作大型化物件，而未噴印粉末可回收再回到噴印製程中，此陶殼模鑄模製作方法已成為主要發展製程技術重點之一。

本文主要聚焦於陶瓷粉體積層製造方法應用於一體形精密鑄造用陶殼模鑄模之關鍵殼模設計參數，並整合3D列印無形狀限制優勢進行鑄造模擬及方案設計技術，探討不均厚陶殼模鑄模設計對於控制鑄件各區塊之凝固速度，藉此達到預測分析精密鑄造過程中金屬液凝固行為/方向及縮孔缺陷形成之關鍵影響因素，提供發展3D列印陶殼模鑄模之研究開發基礎。

三、精密鑄造製程技術

精密鑄造法，又稱脫蠟法(Lost wax casting），具有可鑄造出更薄、形狀更複雜、表面光度佳、尺寸精密度高及生產速度快之優勢。其製作過程包含射製蠟模、組立蠟樹、反覆沾漿、淋砂、脫蠟與殼模燒結、熔解與澆鑄如圖1所示，其中沾漿淋砂在於控制鑄造用殼模模具之壁厚，進而影響陶殼模鑄模的強度與金屬液凝固速度，近年來，相關報告研究殼模厚度、殼模熱傳係數對精密鑄造凝固速度的影響，隨著殼模厚度增加，有效降低殼模中之金屬液凝固速度，且透過不同熱傳導係數(20 ~ 80 w/mk)之陶殼模材料應用，金屬液凝固時間減少44%以上，由此可知，若能夠有效控制殼模的厚度與熱傳速度，將有效控制金屬液凝固速度，並且能夠影響鑄造產品的微觀組織，調整鑄件品質及性能。

圖1 精密鑄造流程圖

四、精密鑄造凝固原理與鑄件品質改善方法

熔融金屬澆注至陶殼模鑄模中便開始冷卻，由澆注液態金屬完全凝固所需時間稱為凝固時間，鑄件內部在凝固過程中因金屬液本身熱脹冷縮的特性，在冷卻凝固的過程中，高溫金屬液補充其凝固收縮，而產生體積收縮的現象，收縮過程分成為三階段(1)熔融金屬液澆注後，液態金屬降溫過程會產生0.5%的液態收縮(Liquid contraction)；(2)由接觸陶殼模鑄模模穴的金屬液開始形成凝固金屬表層，即鑄件表面，而金屬液態凝固成固態過程中，由鑄件表面往內部凝固會產生凝固收縮(Solidification shrinkage)、(3)固態元件於降溫過程中低溫區產生拉應力，造成固態熱收縮(Solid thermal contraction)，故從最後步驟了解到，鑄件內部凝固的速度較遲，容易造成鑄件內部或表面產生凹陷或不規則的孔洞，稱為縮孔(Shrinkage porosity)如圖 2所示。

傳統鑄造製程，皆以設計補充流道(Feed channel)、進模口(Gate)、冒口(Riser)等來獲得方向性凝固使鑄件得到足夠金屬液補充如圖 3。改善鑄件品質常藉由鑄造方案設計，克服模壁逐漸向中心凝固的現象稱之漸進式凝固(Progressive solidification)狀況，使鑄件每一個部分於凝固過程中都能夠由補充澆道獲得金屬液補充，即所謂方向性凝固(Directional Solidification)，主要是利用溫度梯度控制穩定且定向的熱傳方向，使液態金屬在凝固的時候是以單方向往熱傳的反方向進行，延長冷卻凝固時間，降低並改善較厚斷面內部缺陷。

然而，凝固過程中固液界面受到溫度梯度、凝固速度及溶質濃度等影響，可分成四種型態如圖 4所示。固液介面的初始凝固行為導致微小預凝固點生成，若固液界面的液相區溫度高於熔點，此凝固點則再次熔合，呈現Planar的固液介面；當固液介面溫度略低於熔點，預凝固點將持續成長，稱之Cellular現象；當主要固液界面溫度梯度漸緩，會使Cellular成長至Dendrite狀態；甚至溫度梯度達一定臨界點時，液相區不受主要固液介面影響，Free Dendrite於液相區獨立生成。固液介面以Planar形態為佳，輔助方向性凝固減少縮孔的效果，據文獻指出溫度梯度大、凝固速度小、初始濃度小時，則有利於方向性凝固的效果。根據上述原理說明，若能夠利用不同殼模厚度設計，來建立殼模本身的溫度梯度變化，達到控制殼模熱傳，進而影響金屬液凝固速度與方向的傳遞控制，將有效建立出良好的方向性凝固趨勢，促使鑄件缺陷降低與良率改善。

圖2 鑄件縮孔缺陷(a)、縮孔微觀組織(b)

圖3 漸進式凝固及澆冒口補縮之示意圖

圖4 四種不同固液介面形態

五、3D列印陶殼模鑄模數值模型建立

本文以厚薄比差異大之輥身形狀鑄件做為製程研究分析對象如圖5a所示，透過澆冒口增設如圖5b之方案設計，探討控制縮孔缺陷形成位置與鑄件品質改善之陶殼模設計方法。材料則選擇A356鋁合金，由於此合金固液相溫度差距小，更能夠有效說明模擬出不同陶殼模鑄模厚度所導致凝固缺陷差異。金屬液於陶殼模內降溫凝固過程，藉由FLOW 3D CAST商用軟體以有限差分法(Finite Difference Method)，建立模具網格，模擬精密鑄造過程中，鑄件對於熱傳導、流場、壓力場及溫度場變化，製程邊界條件設定，包括材料選用及精密鑄造製程條件如表 1所示，以及殼模材料熱物性質如表 2所示。針對圖5c澆冒口處的殼模厚度進行加厚設計如圖 6所示，虛線以上為殼模加厚部位t1，虛線以下t0固定8 mm殼模厚度，厚薄比t1／t0設定為1~8，最後再轉成STL網格格式做真實模具的輸入，預測整體殼模不均厚設計對於鑄件品質之影響。

圖5 輥身3D幾何圖檔(a)、輥身鑄造方案設計(b)、輥身殼模圖檔(c)

圖6 不均厚陶殼模鑄模設計示意圖

六、3D列印陶殼模鑄模數值分析方法

異厚陶殼模鑄造製程模擬方法之示意圖如圖 7所示，整體製程分析以理想澆鑄充填情況進行無相變化之凝固過程，建立A356鋁合金鑄造品質模擬分析，初期先針對產品進行均厚8mm模壁陶殼模進行模擬分析，模擬之鑄造缺陷與溫度場分布結果如圖 7(a)(b)(c)所示，在相同的殼模厚度下，澆冒口因為輥身結構特徵的限制，頸部較薄處，快速產生冷卻凝固，使澆冒口無法發揮補縮，延長凝固時間，導致內部較厚斷面處的輥身內部溫度還沒凝固，其他的區塊已產生凝固，形成嚴重縮孔，與實際鑄件相比，其鑄造缺陷位置相符合，如圖 7(d)所示。

圖7 凝固方向示意圖(a)、溫度場分布(b)、缺陷位置預測(c)、實際鑄件比對(d)

七、3D列印陶殼模鑄模不均厚殼模設計與方向凝固控制分析

觀察模擬分析結果如圖 8所示，藉由澆冒口殼模厚度增加，觀察不均厚殼模厚度比1~8之金屬液凝固過程。圖 8(a)為縮孔開始形成之位置，SH1均厚殼模會從鑄件較薄處的上下兩端開始凝固，導致縮孔會於鑄件內部形成；同時可由圖 8(b)觀察到未完全凝固金屬(黃色區域)生成於SH1均厚殼模鑄件內部，隨著殼模厚薄比增加，冒口處保溫效果讓殼模冒口與鑄件兩區域溫度差距變大，各區塊凝固速度差異亦隨之增加，導致形成縮孔起始位置及未完全凝固區域會往冒口處向上移動。鑄件內金屬液相完全凝固成固態後縮孔位置如圖 8(c)所示，SH2殼模厚度比為2之設計，可觀察到仍有部分縮孔會殘留於鑄件內部，雖然為完全凝固區域可移動至冒口區，但最後凝固於鑄件內所產生拉力仍會導致形成細長形縮孔於冒口與鑄件介面處。隨著殼模厚度比增加，完全凝固前固液界面位置，由底部單方向往上位移，證明其藉由殼模異厚設計，確實能夠控制整體金屬液固液界面之凝固方向，進而控制缺陷位置。

殼模厚薄比增加可觀察到凝固時間啟動漸緩外，也會造成固相率變化如圖 9所示，針對為殼模厚薄比1、3、5及7之固相率曲線，除了具有方向性凝固效果外，其溫度變化趨近於Planar狀態，尤其SH5及SH7厚度比5倍以上，方向性凝固更是明顯；綜合以上結果分析所述，當殼模厚度增加為6倍時，其殼模本身之冒口補縮效果與5倍差不多，代表殼模厚度的增加，存在臨界值效果，超過該厚度臨界值，熱傳控制的貢獻將會減小，可以收斂殼模增厚的最大範圍值；當鑄件厚跟薄差異達2倍時，模壁的厚薄差異達5倍，可達到各區塊保溫、散熱、冷卻之速率控制，減少不必要的殼模增厚成本，有效輔助3D列印陶殼模鑄模的金屬液方向性凝固控制及改善鑄造缺陷之鑄造方案建立。

圖8 不均厚殼模厚度比1、2、3、4、5、6、7及8之金屬液凝固過程模擬未凝固區域(a)、縮孔開始形成位置與溫度場變化(b)、完全凝固後所產生縮孔形貌(c)

圖9 3D列印陶殼模鑄模厚度變化與固相率之關係圖

八、結論

本文整合具無形狀限制優勢之3D列印陶殼模、鑄造模擬分析及鑄造方案設計技術，分析3D列印陶殼模鑄模不均厚設計對其鑄件缺陷位置及凝固行為的影響，研究結果顯示金屬液凝固行為隨著殼模厚薄比增厚而改變，鑄件固液相轉換時間增加足以讓澆冒口發揮補縮效果、有利於方向性凝固的planar狀態隨厚薄比設計而優化及凝固完全前主要固液界面位置對應的殼模厚度及鑄造方案的設計，得以而知，殼模厚薄比增厚於鑄件縮孔缺陷位置的關係，輔助3D列印陶殼模鑄造產業用之製程缺陷預測及鑄造參數和鑄造方案設計，提供發展3D列印陶殼模鑄模之研究及技術開發的理論基礎。

九、誌謝

感謝經濟部技術處108年金屬中心創新前瞻技術研究計畫108-EC-17-A-25-0642的支持，使本計畫得以順利進行，特此致上感謝之意。

十、參考文獻

[1]. Metal Casting Market: Global Industry Trends, Share, Size, Growth, Opportunity and Forecast 2019-2024.

[1]. Investment Casting 2018 Global Industry Size, Share, Trends, key Players Analysis, Applications, Forecasts to 2023.

[1]. J. Jiang and X. Y. Liu, “Dimensional variations of castings and moulds in the ceramic mould casting process”, J. Mater. Process. Technol., Vol. 189, pp. 247–255, 2007.

[1]. S. A. Uhland, Richard K. Holman, S. Morissette, M. J. Cima, and E. M. Sachs, “Strength of Green Ceramics with Low Binder Content”, J. Am. Ceram. Soc., Vol. 84, pp. 2809–2818, 2001.

[1]. H.-Y. Park, E.-H. Kim, H.-H. Choi, G.-H. Cho, Y.-G. Jung, and J. Zhang, “New conversion process for fabricating a ceramic core by a 3D printing technique”, Surf. Coat. Technol., Vol. 332, pp. 527–532, 2017.

[1]. D. Szeliga, K. Kubiak, W. Ziaja, R. Cygan, J. Sz. Suchy, A. Burbelko, W. J. Nowak, and J. Sieniawski, “Investigation of casting–ceramic shell mold interface thermal resistance during solidification process of nickel based superalloy”, Exp. Therm Fluid Sci., Vol. 87, pp. 149–160, 2017.