ریخته گری دقیق چیست؟

ساخت قطعاتی که هم خیلی دقیق باشند، هم جزئیات زیاد داشته باشند و هم سطح‌شان عالی باشد، همیشه یک چالش بزرگ بوده است. اما یک روش قدیمی، به اسم ریخته گری دقیق یا همان ریخته‌گری موم گُم‌شونده (Investment Casting)، وجود دارد که به عنوان یک راهکار عالی برای ساخت چنین قطعاتی محسوب می‌شود. این فرآیند ریشه‌های خیلی قدیمی در تاریخ بشریت دارد و قدمت آن به هزاران سال پیش برمی‌گردد. حتی از این روش برای ساخت مجسمه و جواهرات استفاده می‌کردند. حالا با کمک فناوری‌های جدید، به یکی از پیشرفته‌ترین روش‌های ساخت در صنایع مختلف، مثل فولاد تبدیل شده است. 

آشنایی با ریخته گری دقیق

ریخته گری دقیق، یک فرآیند برای ساخت قطعات فلزی است که در آن، فلز ذوب‌شده را داخل قالبی از جنس سرامیک یا مواد نسوز می‌ریزند. چیزی که این روش را خاص و ظریف می‌کند، طرز ساخت قالب آن است. برعکس روش‌های قدیمی‌تر مثل ریخته‌گری در ماسه که قالب از روی یک مدل قابل استفاده مجدد ساخته می‌شود و بیشتر برای قطعات بزرگ و با دقت کمتر به کار می‌رود، در ریخته گری دقیق، از یک مدل موقت استفاده می‌کنیم که معمولاً از موم یا پلاستیک ساخته شده است.

روش کار این‌طور است که بعد از آماده کردن، مدل مومی یا پلاستیکی را با چند لایه از یک ماده سرامیکی مایع (دوغاب سرامیکی) می‌پوشانند تا یک پوسته محکم و نسوز دورش تشکیل شود. بعد، این پوسته را همراه با مدل داخل کوره گرم می‌کنند تا موم داخلش آب شود و کاملاً از قالب بیرون بیاید. این خالی شدن کامل موم، یک فضای دقیقاً هم‌شکل قطعه را ایجاد می‌کند. 

برای همین است که به آن ریخته‌گری موم گُم‌شونده هم می‌گویند؛ چون مدل مومی، خودش را فدا می‌کند تا قطعه اصلی شکل بگیرد. این روش اجازه می‌دهد قطعاتی با شکل‌های خیلی پیچیده، دیواره‌های نازک (گاهی کمتر از نیم میلی‌متر)، و خطای ابعادی خیلی کم را بسازیم که با روش‌های دیگر، حتی آهنگری (Forging)، ساختشان خیلی سخت است یا اصلاً ممکن نیست.

مراحل ریخته گری دقیق

ریخته گری دقیق شامل مراحلی است که هر اشتباه کوچکی در هر مرحله می‌تواند به نتیجه بدی منجر شود. لازم به ذکر است که این مراحل چه در ریخته‌گری فولاد و چه در سایر فلزات مشابه است.

 1. ساخت مدل مومی (یا پلاستیکی)

این مرحله، اولین و مهم‌ترین قدم در این فرآیند و اساس دقت کل کار است. یک مدل دقیق از قطعه با استفاده از تزریق موم ذوب‌شده به درون قالب‌های فلزی دقیق (که به آن‌ها مستر دای گفته می‌شود) ساخته می‌شود. این قالب‌ها باید خیلی دقیق باشند. جزئیات و دقت این مدل، مستقیماً بر کیفیت و ابعاد قطعه تأثیر می‌گذارد. برای تولید همزمان چند مدل از یک قطعه، آن‌ها را به یک درخت یا خوشه مومی وصل می‌کنند تا بتوان چندین قطعه را همزمان ریخته‌گری کرد.

2. پوشش‌دهی با دوغاب سرامیکی (ساخت پوسته)

خوشه مومی آماده شده را در دوغاب سرامیکی (که مخلوطی از ذرات نسوز ریز مثل سیلیس، زیرکونیا و آلومینا در یک چسب مایع است) فرو می‌برند و سپس روی آن دانه‌های ماسه نسوز (Stucco)، که ذرات درشت‌تری هستند، می‌پاشند. این کار چندین بار (معمولاً ۶ تا ۹ بار) تکرار می‌شود تا یک پوسته محکم و با ضخامت کافی دور مدل‌های مومی ایجاد شود. هر لایه باید کاملاً خشک شود (گاهی اوقات با استفاده از فن یا تهویه مناسب) تا استحکام لازم را پیدا کند و ترک نخورد.

3. حذف موم (ذوب موم)

بعد از اینکه پوسته سرامیکی کاملاً خشک و محکم شد، قالب را در کوره بخار یا کوره با دمای بالا قرار می‌دهند تا موم داخلش ذوب شده و از طریق مجراها، به طور کامل از قالب خارج شود. این مرحله خیلی مهم است، چون اگر مومی باقی بماند، ممکن است در مراحل بعدی بخار شده و باعث نقص‌هایی مثل سوراخ یا حباب در قطعه شود. به این مرحله دی‌وکسینگ (Dewaxing) هم می‌گویند.

4. پخت قالب (کلسیناسیون)

قالب‌های بدون موم، زیر دمای خیلی زیاد (معمولاً بین ۸۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) و برای مدت زمان مشخصی پخته می‌شوند. این مرحله نه تنها باعث افزایش استحکام و کاهش تخلخل قالب می‌شود و آن را برای تحمل شوک حرارتی ناشی از ورود فلز ذوب‌شده آماده می‌کند، بلکه هر ناخالصی ارگانیک یا کربن باقی‌مانده از موم را هم از بین می‌برد. این پخت، ساختار سرامیک را پایدار و آماده دریافت فلز ذوب‌شده می‌کند.

5. ریختن فلز مذاب

فلز ذوب‌شده (مثل فولادهای معمولی، آلیاژی، ضد زنگ، ابزار، آلیاژهای آلومینیوم، مس، برنز، برنج، تیتانیوم، نیکل و کبالت) که تا دمای مناسب گرم شده و اگر لازم باشد، گاززدایی هم روی آن انجام شده است، با دقت و سرعت بالا داخل قالب‌های از پیش گرم‌شده ریخته می‌شود. گرم بودن قالب‌ها به فلز ذوب‌شده کمک می‌کند تا راحت‌تر جریان یابد، از سفت شدن زودرس جلوگیری می‌کند و مانع از شوک حرارتی به قالب می‌شود که می‌تواند باعث ترک خوردن آن شود. این مرحله معمولاً در شرایط کنترل‌شده یا در محیط خلا انجام می‌شود تا از اکسید شدن جلوگیری شود.

6. خنک‌کاری و جداسازی قطعه

بعد از ریختن فلز، اجازه می‌دهند تا در داخل قالب به آرامی خنک شده و سفت شود. این خنک شدن کنترل‌شده به تشکیل ساختار دانه‌ای خوب در فلز کمک می‌کند. سپس، پوسته سرامیکی را با روش‌های مکانیکی مثل لرزش، ضربه، واترجت با فشار بالا، یا برش با حرارت/مکانیکی می‌شکنند و از بین می‌برند تا قطعات ریخته‌گری شده ظاهر شوند. این مرحله باید با دقت انجام شود تا به قطعات آسیبی نرسد.

7. عملیات پرداخت نهایی و بازرسی

در آخر، قطعات را از درخت ریخته‌گری جدا می‌کنند و عملیات پرداخت نهایی روی آن‌ها انجام می‌شود؛ (شامل برش، سنگ‌زنی، عملیات حرارتی (مثل سخت‌کاری و برگشت‌دهی برای بهتر شدن خواص مکانیکی)، سندبلاست برای تمیز کردن سطح، و بازرسی دقیق برای اطمینان از کیفیت و نبود هیچ نقصی). هر قطعه با دقت بالا از نظر ابعادی و ساختار داخلی فلز بررسی می‌شود تا از مطابقت کامل با استانداردها مطمئن شویم.

در ریخته گری دقیق از چه قالبی استفاده می‌شود؟ 

همانطور که توضیح دادیم، در ریخته گری دقیق، از یک نوع قالب خاص به اسم قالب سرامیکی یکبار مصرف یا پوسته سرامیکی استفاده می‌شود. این قالب برخلاف قالب‌های ماسه‌ای، یکپارچه و بدون هیچ درزی است که نتیجه آن تولید قطعاتی با دقت ابعادی خیلی بالا و سطح صاف است.

روند ساخت این قالب شامل چند مرحله اصلی است:

1. قالب‌سازی اولیه برای مدل: ابتدا یک قالب فلزی خیلی دقیق (Master Die) ساخته می‌شود. این قالب اصلی، برای ساخت مدل‌های مومی یا پلاستیکی که دقیقاً شبیه قطعه هستند، استفاده می‌شود.
2. پوسته سرامیکی: خود قالب اصلی که فلز ذوب‌شده در آن ریخته می‌شود، یک پوسته نازک و مقاوم از جنس سرامیک است. این پوسته با فرو بردن مدل مومی در دوغاب سرامیکی و پاشیدن دانه‌های ماسه نسوز به صورت لایه لایه ساخته می‌شود. بعد از خشک شدن و پخت در دمای بالا، این پوسته سرامیکی به قالب تبدیل می‌شود که می‌تواند دماهای بسیار بالای فلز ذوب‌شده را تحمل کند. نکته مهم این است که این قالب هم مثل مدل مومی، فداشونده است؛ یعنی بعد از سفت شدن فلز، شکسته و از بین می‌رود.

بنابراین، وقتی از قالب ریخته گری دقیق صحبت می‌کنیم، منظورمان همان پوسته سرامیکی یکبار مصرف است که دقیق‌ترین کپی از مدل مومی گُم‌شونده است.

مزایا و معایب ریخته گری دقیق

برای اینکه بهتر بفهمیم ریخته گری دقیق چه جایگاهی بین روش‌های دیگر ریخته‌گری دارد، می‌توانیم مزایا و معایب آن را در یک نگاه مقایسه‌ای مرور کنیم:

شرکت‌هایی که خدمات ریخته گری دقیق ارائه می‌دهند:

برخی از شرکت‌های فعال در زمینه خدمات ریخته گری دقیق عبارتند از:

• ریخته گری دقیق پارس: یکی از شرکت‌های معروف در این حوزه که توانایی‌های بالایی در ساخت قطعات دقیق دارد. این شرکت به عنوان یک نام معتبر در ارائه خدمات ریخته گری دقیق در ایران شناخته می‌شود.
• ریخته گری دقیق اصفهان: شهر اصفهان به خاطر قطب صنعتی بودنش، شرکت‌های زیادی در زمینه ریخته‌گری دارد و این شرکت هم یکی از فعالان ریخته گری دقیق در این منطقه است که طیف گسترده‌ای از خدمات ریخته گری دقیق را به مشتریان می‌دهد.
• ریخته گری دقیق در تهران: پایتخت نیز میزبان چندین شرکت و کارگاه فعال در زمینه خدمات ریخته گری دقیق است که به صنایع مختلف خدمات‌رسانی می‌کنند. این شرکت‌ها معمولاً دسترسی خوبی برای مشتریان در سراسر کشور فراهم می‌آورند.
• ریخته گری دقیق صنعت گستر: این مجموعه هم جزو شرکت‌های فعال و معتبر در زمینه ارائه خدمات ریخته گری دقیق در کشور است و روی تولید قطعات با کیفیت و دقت بالا تمرکز دارد.
• ریخته گری دقیق پولادیر: یکی دیگر از نام‌هایی که در صنعت ریخته گری دقیق در ایران شناخته شده است و به تولید قطعات با کیفیت بالا می‌پردازد و سهمی از بازار خدمات ریخته گری دقیق را به خود اختصاص داده است.

کاربردهای ریخته گری دقیق در صنایع مختلف

به نقل از سایت investmentcastingpci: “محصولات ریخته گری دقیق در تمام بخش‌های صنعتی، به‌خصوص الکترونیک، نفت، شیمی، انرژی، حمل و نقل، صنایع سبک، نساجی، داروسازی، تجهیزات پزشکی، پمپ‌ها و شیرآلات استفاده می‌شوند“.

• صنایع هوافضا: ساخت پره‌های توربین، قطعات موتور هواپیما، بخش‌های ساختاری پیچیده و سبک‌وزن، و قطعات سیستم‌های هیدرولیک که نیاز به استحکام بالا، مقاومت در برابر دماهای شدید، و وزن کم دارند.
• پزشکی و دندانپزشکی: ساخت ابزارهای جراحی دقیق، ایمپلنت‌های پزشکی (مثل مفاصل مصنوعی، پلاک‌ها و پیچ‌های ارتوپدی)، و قطعات دندانپزشکی با دقت و سازگاری بالا با بدن (زیست‌سازگاری).
• صنعت خودروسازی: قطعات موتور، بخش‌های سیستم‌های انتقال قدرت، قطعات توربوشارژر، قطعات سیستم ترمز و… .
• صنعت نفت و گاز: قطعات پمپ، شیرآلات، اتصالات، و سایر بخش‌های مقاوم در برابر خوردگی و فشار بالا که در محیط‌های سخت نفتی و گازی استفاده می‌شوند.
• صنعت تسلیحات و دفاعی: ساخت قطعات سلاح‌های گرم، بخش‌های موشک‌ها و تجهیزات نظامی.
• ساخت ابزار و ماشین‌سازی: قالب‌ها، ابزارهای برش، قطعات ماشین‌آلات صنعتی، و بخش‌های سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک.
• جواهرسازی و هنرهای تجسمی: به دلیل توانایی در بازسازی جزئیات دقیق و پیچیده، این روش در ساخت جواهرات سفارشی و مجسمه‌های هنری نیز کاربرد دارد.
• صنعت الکترونیک: ساخت برخی قطعات کوچک و پیچیده برای دستگاه‌های الکترونیکی.

در آخر، می‌توان گفت که با پیشرفت‌های روز به روز در مواد اولیه، فناوری‌های ساخت مدل (مثل پرینت سه‌بعدی مدل‌های مومی یا رزینی که سرعت و دقت طراحی را خیلی زیاد می‌کند) و خودکارسازی فرآیندها، ریخته گری دقیق بیش از پیش به سمت عملکرد بهتر، کم شدن هزینه‌ها و امکان ساخت قطعات پیچیده‌تر با سرعت بیشتر در حال حرکت است. 

سوالات متداول 

1. مهم‌ترین مزیت ریخته گری دقیق نسبت به سایر روش‌ها چیست؟
   مهم‌ترین مزیت، دقت ابعادی بسیار بالا و توانایی تولید اشکال هندسی بسیار پیچیده با جزئیات دقیق و دیواره‌های نازک است. این ویژگی باعث کاهش نیاز به ماشین‌کاری بعدی و بهبود کیفیت سطح می‌شود.
2. آیا ریخته گری دقیق برای تولید انبوه مناسب است؟
   معمولاً برای تولیدات با حجم متوسط تا کم (بین ۱۰۰ تا ۱۰,۰۰۰ قطعه در سال) مناسب‌تر است. هزینه‌های اولیه ساخت ابزار آن بالا است، اما این هزینه‌ها در تولید قطعات پیچیده که ماشین‌کاری‌شان دشوار است، توجیه می‌شود. برای حجم‌های خیلی بالا، ممکن است روش‌های دیگر مثل دایکاست یا ریخته‌گری ماسه اقتصادی‌تر باشند.
3. چه فلزاتی را می‌توان با روش ریخته گری دقیق ریخت؟
   طیف گسترده‌ای از فلزات و آلیاژها را می‌توان با این روش ریخت، از جمله فولادهای معمولی، آلیاژی، ضد زنگ، ابزار، آلیاژهای آلومینیوم، مس، برنز، نیکل، کبالت و حتی تیتانیوم و سوپرآلیاژها.
4. زمان تولید یک قطعه با ریخته گری دقیق چقدر طول می‌کشد؟
   زمان تولید بستگی به پیچیدگی قطعه، تعداد لایه‌های سرامیکی و زمان خشک شدن هر لایه دارد. به دلیل چند مرحله‌ای بودن فرآیند (ساخت موم، پوشش‌دهی، خشک شدن، پخت)، زمان کلی می‌تواند نسبتاً طولانی باشد و از چند روز تا چند هفته متغیر است.
5. تفاوت اصلی بین ریخته گری دقیق و ریخته‌گری ماسه چیست؟
   تفاوت اصلی در نوع قالب و مدل است. در ریخته گری دقیق از مدل مومی گُم‌شونده و قالب سرامیکی یکبار مصرف استفاده می‌شود، که دقت و پیچیدگی بالاتری را به ارمغان می‌آورد. اما در ریخته‌گری ماسه، از مدل‌های قابل استفاده مجدد و قالب‌های ماسه‌ای یکبار مصرف استفاده می‌شود که برای قطعات بزرگ‌تر و با تلرانس‌های گشادتر مناسب است.