金属鋳造技術の進歩:最先端、課題、トレンドのレビュー—パート II:新技術と再活性化技術

この論文の要約は、MDPI発行の「Advances in Metal Casting Technology: A Review of State of the Art, Challenges and Trends—Part II: Technologies New and Revived」に基づいて作成されました。

1. 概要:

  • タイトル: Advances in Metal Casting Technology: A Review of State of the Art, Challenges and Trends—Part II: Technologies New and Revived (金属鋳造技術の進歩:最先端、課題、トレンドのレビュー—パート II:新技術と再活性化技術)
  • 著者: Dirk Lehmhus
  • 出版年: 2024年
  • 出版ジャーナル/学会: Metals, MDPI
  • キーワード: Metal Casting Technology, Review, State of the Art, Challenges, Trends, Technologies, New, Revived (金属鋳造技術、レビュー、最先端、課題、トレンド、技術、新規、再活性化)
Figure 1. An overview of topics covered in the present text. The graphic shows the areas of interest discussed in the previously published first part of this editorial (PART I in the diagram, see [1]) as well as those focused on in this second part. While Part I concentrated on boundary conditions, Part II is technology oriented. (a) Figure 1. An overview of topics covered in the present text. The graphic shows the areas of interest discussed in the previously published first part of this editorial (PART I in the diagram, see [1]) as well as those focused on in this second part. While Part I concentrated on boundary conditions, Part II is technology oriented.
Figure 1. An overview of topics covered in the present text. The graphic shows the areas of interest discussed in the previously published first part of this editorial (PART I in the diagram, see [1]) as well as those focused on in this second part. While Part I concentrated on boundary conditions, Part II is technology oriented. (a) Figure 1. An overview of topics covered in the present text. The graphic shows the areas of interest discussed in the previously published first part of this editorial (PART I in the diagram, see [1]) as well as those focused on in this second part. While Part I concentrated on boundary conditions, Part II is technology oriented.
Figure 2. Publication numbers sourced from Google Scholar and Scopus on semi-solid casting technologies: (a) semi-solid casting in general, (b) rheocasting and (c) thixocasting process family examples.
Figure 2. Publication numbers sourced from Google Scholar and Scopus on semi-solid casting technologies: (a) semi-solid casting in general, (b) rheocasting and (c) thixocasting process family examples.

2. 抄録または序論

本稿は、Special Issue「Advances in Metal Casting Technology」のために書かれた社説の第2部であり、2022年11月に発表されたパートIを基にしています。パートIでは、グローバルな金属鋳造産業の概要を示し、e-モビリティやギガキャスティング技術の出現、鋳造産業への環境負荷低減圧力など、市場と製品の変化を強調しました。パートIIでは、視点を変え、業界内の技術開発を検討し、一般的なトレンドまたは先行する課題への対応として分類し、「新規技術と再活性化技術の両方」を網羅的に議論します。網羅的な記述は不可能であることを認めつつも、本レビューは「読者にさらなる研究のための出発点を提供する」ことを目指しています。最終章では、Special Issueへの寄稿を、議論された技術分野の文脈において位置づけます。パートIと同様に、著者の専門分野である「アルミニウム合金の高圧ダイカスト(HPDC)」に偏っている可能性があることをご了承ください。

3. 研究背景:

研究トピックの背景:

金属鋳造業界は、「e-モビリティ、ギガキャスティング技術の出現、鋳造業界への環境負荷低減圧力[1]」など、市場と製品の変化によって変化の時代を迎えています。これらの進化する要求は、分野における技術進歩の再検討を必要としています。「ガー Gartner hype cycle [2-4]」のような技術中心のモデルや、「コンドラチエフ波とその関連[5]」のような経済レベルの観察など、技術進化の周期的な性質は、新規技術と再活性化技術の両方を定期的に再評価することの重要性を強調しています。

既存研究の現状:

以前に発表された本論説のパートIでは、鋳造業界に影響を与える「変化する市場と境界条件」についてすでに「本稿のパートIで議論」しています。既存の研究には、グローバルな金属鋳造のトレンドの概要や、ギガキャスティングのような特定の技術の分析が含まれます。「半凝固金属加工」のような特定の技術への学術的および産業界の関心は、「図2」に示すように、Google ScholarやScopusのようなデータベースの出版トレンドによって証明されています。しかし、特に現在の業界の課題の文脈において、新規技術と再活性化技術の両方に焦点を当てた包括的なレビューが必要です。

研究の必要性:

「鋳造業界への環境負荷低減圧力の増大[1]」と、e-モビリティのような新しい市場の要求への適応は、鋳造所が高度な技術を探求し採用する「必要性」を生み出しています。本レビューは、この必要性に対応するために、「新規技術と再活性化技術の両方」の概要を提供し、「読者にさらなる研究のための出発点を提供」し、戦略的な技術採用の意思決定を支援することを目的としています。さらに、「新しいアイデア、新しい市場ニーズ、または制限特許の失効」により「技術の再出現」の可能性と技術の周期的な性質を理解することは、長期的な業界競争力にとって重要です。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

本レビューの主な「目的」は、「業界内の技術開発を、一般的なトレンドまたは先行する課題への対応として見ることができる技術開発、言い換えれば、本稿では新規技術と再活性化技術の両方について議論する」ことを検討し、要約することです。専門家レベルのハンドブック概要をこれらの技術について提供し、金属鋳造における現在の最先端技術の文脈において位置づけることを目指しています。第二の目的は、Special Issue「Advances in Metal Casting Technology」への寄稿を、議論されたより広範な技術的展望の中に位置づけることです。

主な研究:

本レビューで探求される「主な研究」分野は以下の通りです。

  • 新規技術と再活性化技術: 「図1」に示すように、「半凝固加工」、「複合・ハイブリッド鋳造」、「複雑性」、「スマート鋳造」に特に焦点を当てています。
  • 半凝固加工: レオキャスティングとチクソモールディングへの再燃した関心を検証し、レオキャスティングの「オンデマンドスラリー」原理と、チクソキャスティングに対する利点を強調します。「ガス誘導半凝固(GISS)」、「ニューレオキャスティング(NRC)」、「ラピッドスラリーフォーメーション(RSF、レオメタルTMとしても知られる)」、「スワールエンタルピー平衡装置(SEED)」、「半凝固レオキャスティング(SSRTM)」のような特定のレオキャスティング法を詳細にレビューします。
  • 複合・ハイブリッド鋳造: 軽量設計、設計の自由度、スマート製品、生産効率、熱伝達、電気伝導率における応用を中心に、材料を鋳造によって接合する動機と方法を探求します。材料接合、形状嵌合、力嵌合を含む様々な接合技術のレビュー、および様々な材料の組み合わせと接合技術のレビューを行います。「図5」は、複合鋳造における強度を制御する原理を示しています。
  • 複雑性: 鋳造における複雑性の概念、コア技術とアディティブマニュファクチャリングによる複雑性向上の方法、および折りたたみ式コアやコア、金型、パターン、パーマネントおよびロストの積層造形などの新しいコア技術について分析します。
  • スマート鋳造: 「簡素化、分散化、強化、保護」の原則に従って分類された、鋳造へのセンサーと電子システムの統合へのアプローチをレビューし、様々なセンサータイプとアプリケーションを検討します。「図9」は、センサー統合を可能にする原理を示しています。
  • バーチャルワールド:モデリング、シミュレーション、最適化: 鋳造シミュレーションの最先端技術について議論し、ユーザビリティの向上、欠陥予測、境界条件の理解に焦点を当てます。データ分析、デジタルツイン、メタモデルを、鋳造におけるインダストリー4.0の重要な側面として探求します。「図12」は、データ分析のためのラムダアーキテクチャを示しています。

研究仮説:

レビュー論文であるため、明示的な研究仮説はありません。しかし、暗黙の仮説は、これらの「新規技術と再活性化技術」が金属鋳造業界が直面する課題とトレンドに対する実行可能なソリューションを提供し、構造化されたレビューがこの分野の専門家にとって貴重な洞察を提供することです。

5. 研究方法

研究デザイン:

本稿では、記述的レビューデザインを採用しています。既存の文献と著者の専門知識に基づいて、選択された金属鋳造技術の最先端の概要を提供する社説レビューとして構成されています。「図1」に示すように、グラフィックは、以前に発表された本論説の最初の部分(図中のパートI、[1]を参照)で議論された関心領域と、この第2部で焦点を当てている領域を示しています。パートIは境界条件に焦点を当てていましたが、パートIIは技術指向です。」

データ収集方法:

データ収集方法は、金属鋳造技術に関連する既存の出版物、特許、業界リソースの包括的なレビューに基づいています。著者は、「図2」に示すように、「Google ScholarまたはScopus」のようなデータベースを利用して、半凝固鋳造のような分野における学術活動を示す出版トレンドを評価しています。レビューには、「Comptech」や「Rheinfelden Alloys」のような企業のウェブサイトへの言及によって証明されるように、業界のウェブサイトや技術文献からの情報も組み込まれています。

分析方法:

分析方法は質的かつ記述的です。著者は、レビューした文献からの情報を分類および統合して、各技術分野における主要なトレンド、課題、および進歩を特定します。分析は、「図1」に概説されている技術カテゴリを中心に構成されており、「半凝固加工」、「複合・ハイブリッド鋳造」、「複雑性」、「スマート鋳造」の体系的な概要を提供します。著者はまた、レオキャスティングとチクソキャスティング、および様々なレオキャスティング法など、異なる技術の長所と短所を強調するために比較分析を使用しています。

研究対象と範囲:

「研究対象」は主に金属鋳造技術であり、特に現在の業界の課題とトレンドに関連する「新規技術と再活性化技術」に焦点を当てています。「範囲」は、選択された技術に限定されており、「網羅的であることは不可能」であることを認めています。レビューは、著者の専門知識のために「アルミニウム合金の高圧ダイカスト(HPDC)」を強調していますが、「重力ダイカスト」、「低圧ダイカスト(LPDC)」、「砂型鋳造」、「インベストメント鋳造」など、議論されている技術に関連する他の鋳造プロセスに関する議論も含まれています。地理的な範囲はグローバルであり、中国やヨーロッパを含む様々な地域の研究活動と産業活動を考慮しています。

6. 主な研究結果:

主な研究結果:

  • 半凝固加工: レオキャスティングは、「オンデマンドスラリー」原理により、従来の合金と材料の再利用を可能にするため、チクソキャスティングよりも利点がある再活性化技術として強調されています。様々なレオキャスティング法(GISS、NRC、RSF/RheoMetalTM、SEED、SSRTM)が詳細に説明されており、半凝固状態を実現するためのメカニズムと、それぞれの利点と欠点を強調しています。レオキャスティングは、HPDCよりも「凝固収縮の低減」、「金型充填中の層流」、「給湯効率の向上」、「溶融金属と熱伝達係数(HTC)値の低減」などの利点を提供します。
  • 複合・ハイブリッド鋳造: 複合およびハイブリッド鋳造は、自動車構造部品用の悪名高いギガキャスティングアプローチで遭遇する困難の一部を排除しながら、大型構造部品を実現するための実行可能な代替案として提示され、軽量設計、設計の自由度、および機能の統合を提供します。安定した接合(材料接合、形状嵌合、力嵌合)を実現するための主要な原則、およびe-モビリティと構造部品における材料の組み合わせと応用例について議論します。「図5」は、複合鋳造における強度を制御する原理を示しています。
  • 複雑性: アディティブマニュファクチャリング、特に3D砂型印刷は、特にコア製造において、鋳造の複雑性を高めるための重要なイネーブラーとして特定されています。折りたたみ式コアは、デコアリングのための新しいアプローチとして紹介されています。「表3」は、異なる鋳造プロセスにおける複雑性を高めるためのアプローチの例を提供します。
  • スマート鋳造: 鋳造へのセンサーと電子システムの統合は、新興トレンドとしてレビューされ、「簡素化、分散化、強化、保護」戦略によって分類されています。様々なセンサータイプ(ワイヤータイプ、光ファイバー、ピエゾ抵抗、RFID)と、構造ヘルスモニタリングおよびプロセス制御におけるアプリケーションについて議論します。「図9」は、センサー統合を可能にする原理を示しています。
  • バーチャルワールド:モデリング、シミュレーション、最適化: 鋳造シミュレーションは成熟した技術として認識されており、現在進行中の進歩は、ユーザビリティ、欠陥予測、境界条件の精度に焦点を当てています。データ分析、デジタルツイン、メタモデルは、インダストリー4.0の重要な要素として強調されており、プロセス最適化と品質管理を可能にします。「図12」は、データ分析のためのラムダアーキテクチャを示しています。

提示されたデータの分析:

  • 出版トレンド(図2): Google ScholarとScopusからの出版データ(「図2」)の分析により、半凝固鋳造技術への学術的な関心が変動しているものの、概ね維持されており、レオキャスティングはScopusデータで最近増加傾向にあることが明らかになりました。チクソキャスティングの出版数は、2000年代から2010年代にピークを迎えた後、減少傾向を示しています。
  • レオキャスティングの利点(リスト): HPDCに対するレオキャスティングの利点としてリストアップされたものは、鋳造品質の向上、材料廃棄物の削減、およびプロセス効率の向上に貢献する可能性を強調しています。
  • 複合鋳造における材料接合(図5): 「図5」は、複合鋳造における強力な接合を実現するための様々なアプローチを視覚的に分類し、浸透と材料相互作用の重要性を強調しています。
  • 複雑性へのアプローチ(表3): 「表3」は、鋳造の複雑性を高めるための様々な技術の構造化された概要を提供し、鋳造プロセスとアプローチによって分類され、利用可能な多様な戦略を紹介しています。
  • センサー統合原理(図9): 「図9」は、鋳造におけるセンサー統合を成功させるための4つの主要な原則を視覚的に要約し、スマート鋳造設計のための概念的フレームワークを提供します。
  • ラムダアーキテクチャ(図12): 「図12」は、鋳造プロセスにおけるデータ分析の速度と精度を両立させるための妥協案の例としてラムダアーキテクチャを示し、データ処理と情報配信への階層型アプローチを強調しています。
  • デジタルツインコンセプト(図14): 「図14」は、鋳造におけるデジタルツインを実装するための概念的なワークフローを示し、シミュレーション、メタモデリング、およびリアルタイムプロセスデータを統合して、品質管理とプロセス制御を実現します。

図のリスト:

Figure 3. Radio filter produced by means of the RSF/RheoMetalTM process. A unique feature of this product is the weight reduction of 1.6 kg facilitated by wall thicknesses as low as 0.4 mm at 40 mm height (aspect ratio 100). High conductivity low Si alloys were used, and thermal transport properties further increased by up to 20% depending on the alloy composition by means of heat treatments, as depicted in the top right diagram by means of arrows denoting the course of the latter (images provided by Comptech AB, Skillingaryd, Sweden).
Figure 3. Radio filter produced by means of the RSF/RheoMetalTM process. A unique feature of this product is the weight reduction of 1.6 kg facilitated by wall thicknesses as low as 0.4 mm at 40 mm height (aspect ratio 100). High conductivity low Si alloys were used, and thermal transport properties further increased by up to 20% depending on the alloy composition by means of heat treatments, as depicted in the top right diagram by means of arrows denoting the course of the latter (images provided by Comptech AB, Skillingaryd, Sweden).
Figure 4. Overview of rheocast and high-pressure die-cast aluminum and magnesium alloys in as-cast and T6 states in terms of yield strength, ultimate tensile strength and elongation at failure.
Figure 4. Overview of rheocast and high-pressure die-cast aluminum and magnesium alloys in as-cast and T6 states in terms of yield strength, ultimate tensile strength and elongation at failure.
Figure 5. An overview of principles controlling strength in compound casting. The image in the top left corner shows metallographic sections of infiltrated surface structures created via laser pulses to facilitate a micro-scale form fit. E in the image marks the worst case, poor wetting and bonding, while C denotes the middle position. More interesting are the extreme cases described in the image
Figure 5. An overview of principles controlling strength in compound casting. The image in the top left corner shows metallographic sections of infiltrated surface structures created via laser pulses to facilitate a micro-scale form fit. E in the image marks the worst case, poor wetting and bonding, while C denotes the middle position. More interesting are the extreme cases described in the image
Figure 6. Sample images of parts produced by compound (a–c) and hybrid casting (d); (a,b) AlSi7Mg0.3 LPDC subsize front axle carrier frame demonstrator with integrated EN AW6060 extrusion, general (a) and detail view (b); (c) AlSi9Cu3 HPDC e-motor housing demonstrator with integrated aluminum tubes as cooling channels, cast by ae group AG, Gerstungen, Germany; (d) aerospace secondary structure hybrid bracket combining a CFRP and an aluminum HPDC component [131] (all images by Fraunhofer IFAM)
Figure 6. Sample images of parts produced by compound (a–c) and hybrid casting (d); (a,b) AlSi7Mg0.3 LPDC subsize front axle carrier frame demonstrator with integrated EN AW6060 extrusion, general (a) and detail view (b); (c) AlSi9Cu3 HPDC e-motor housing demonstrator with integrated aluminum tubes as cooling channels, cast by ae group AG, Gerstungen, Germany; (d) aerospace secondary structure hybrid bracket combining a CFRP and an aluminum HPDC component [131] (all images by Fraunhofer IFAM)
Figure 11. Digitalization meets the HPDC challenge. So much to measure, so much to correlate, and
mere seconds left to do it in time to react on a part-by-part basis. Note that the list of parameters
suggested here is indicative of the breadth of the issue only and certainly not complete
Figure 11. Digitalization meets the HPDC challenge. So much to measure, so much to correlate, and mere seconds left to do it in time to react on a part-by-part basis. Note that the list of parameters suggested here is indicative of the breadth of the issue only and certainly not complete
Figure 14. Combining advanced simulation and modelling and AI or MOR techniques to realize a digital twin in casting technology covering both the design and production phase
Figure 14. Combining advanced simulation and modelling and AI or MOR techniques to realize a digital twin in casting technology covering both the design and production phase
  • 図1. 本稿で取り上げるトピックの概要。
  • 図2. 半凝固鋳造技術に関するGoogle ScholarとScopusからの出版数:(a)一般的な半凝固鋳造、(b)レオキャスティング、(c)チクソキャスティングプロセスファミリーの例。
  • 図3. RSF/RheoMetalTMプロセスによって製造されたラジオフィルター。
  • 図4. レオキャストおよび高圧ダイカストアルミニウム合金とマグネシウム合金の、鋳造状態およびT6状態における、降伏強度、引張強度、伸びの概要。
  • 図5. 複合鋳造における強度を制御する原理の概要。
  • 図6. 複合(a〜c)およびハイブリッド鋳造(d)によって製造された部品のサンプル画像。
  • 図7. 折りたたみ式コアの概念の背後にある基本原理。
  • 図8. (a)ExOneが提供するS-Max Pro砂型プリンター、(b)印刷されたコアパッケージの例。
  • 図9. 金属鋳造におけるセンサーと電子システムを統合する方法—一般的な原則。
  • 図10. 定常的な製品進化の概念を説明する概略図。
  • 図11. デジタル化がHPDCの課題に対応。
  • 図12. ラムダアーキテクチャ、精度と速度のバランスの例。
  • 図13. データ分析の利用方法—一般的なスキーム。
  • 図14. 高度なシミュレーションとモデリング、AIまたはMOR技術を組み合わせて、鋳造技術におけるデジタルツインを実現。

7. 結論:

主な調査結果の要約:

本レビューでは、市場の要求と環境への配慮によって推進される金属鋳造技術のダイナミックな進化を強調しています。「半凝固鋳造」は、従来のHPDCに代わる実行可能な代替案として再浮上しており、レオキャスティングは明確な利点を提供しています。「複合・ハイブリッド鋳造」は、大型の多材質部品のソリューションを提供し、一方、アディティブマニュファクチャリングは、特にコア製造において、鋳造の複雑性に革命を起こしています。「スマート鋳造」は、センシングおよび通信機能を統合する機能拡張として登場しています。「バーチャルワールド」は、高度なシミュレーション、データ分析、およびデジタルツインを含み、インダストリー4.0の文脈において、プロセス最適化と品質管理に不可欠です。

研究の学術的意義:

本レビューは、金属鋳造における主要な技術進歩の包括的かつ構造化された概要を提供し、この分野の研究者や学者にとって貴重なリソースを提供します。多様なソースからの情報を統合し、トレンド、課題、および将来の研究方向を強調しています。技術の分類と、それぞれの長所と短所の分析は、金属鋳造技術の現状のより深い理解に貢献します。

実際的な意味合い:

業界の専門家や鋳造所の実務家にとって、本レビューは技術の採用と開発に関する戦略的な洞察を提供します。レオキャスティングのような再活性化技術の可能性を強調し、複合およびハイブリッド鋳造の実装に関するガイダンスを提供し、複雑性に対するアディティブマニュファクチャリングの能力を紹介し、スマート鋳造とインダストリー4.0のコンセプトによってもたらされる機会を探求します。レビューでは、鋳造プロセスを最適化し、品質を向上させるためのシミュレーションとデータ分析の重要性を強調し、競争力と持続可能性を向上させようとする鋳造所のためのロードマップを提供します。

研究の限界と今後の研究分野:

レビューでは、「網羅的であることは不可能」と述べて、その範囲の限界を認めています。「アルミニウム合金の高圧ダイカスト(HPDC)」への固有の偏りも限界です。特定された今後の研究分野には、以下が含まれます。

  • レオキャスティング技術のさらなる開発と産業実装。
  • 複合およびハイブリッド鋳造における界面特性評価と予測の課題への取り組み。
  • コアおよび金型製造におけるアディティブマニュファクチャリングの応用の拡大、および折りたたみ式コアのような新しいコア材料の探求。
  • スマート鋳造技術の広範な採用に対する経済的および技術的障壁の克服。
  • 特に複雑な欠陥集団について、欠陥予測と材料特性予測のためのシミュレーション技術の進歩。
  • 鋳造プロセスのための堅牢でユーザーフレンドリーなデジタルツインソリューションの開発、リアルタイムプロセス制御と最適化のためのデータ分析とメタモデリングの統合。
  • 鋳造におけるデータ駆動型モデルの効率と精度を高めるための物理情報機械学習のさらなる研究。

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9. 著作権:

  • この資料は、「Dirk Lehmhus」の論文:「Advances in Metal Casting Technology: A Review of State of the Art, Challenges and Trends—Part II: Technologies New and Revived」に基づいています。
  • 論文ソース: https://doi.org/10.3390/met14030334

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