Аддитивные технологии в литье по выжигаемым моделям

Фотополимер vs воск | Технология QuickCast | Этапы технологического процесса | Примеры внедрения

Литье по выжигаемым моделям – одна из разновидностей точного литья. Технология применяется при изготовлении ответственных деталей в наукоемких отраслях промышленности (авиакосмической, судостроительной, оборонной, автомобильной и др.). Внедрение аддитивных технологий на литейном предприятии позволяет в значительной мере оптимизировать производственный процесс.

3D-печать дает возможность выращивать уникальные объекты сложной геометрии для получения высококачественных отливок. 3D-принтер воспроизводит практически любые формы и конфигурации, что невыполнимо при традиционном литье. Модели, которые созданы для литья по выжигаемым моделям аддитивными методами, могут быть гораздо тоньше, чем стандартно производимые в пресс-формах из пенополистирола.

Аддитивные технологии способны дать предприятию большой экономический эффект за счет снижения затрат на изготовление продукции и рабочую силу, а также существенной экономии времени производства. Благодаря 3D-печати получить первую отливку стало возможным не за полгода (срок изготовления традиционными методами), а всего за две недели.

Технологический процесс литья по выжигаемым моделям схож с другой технологией точного литья, основанной на выплавлении воска. Основное отличие – в материале для 3D-печати, используемом для изготовления форм: при выжигании применяется пластик (фотополимерная смола). Литье по выплавляемым моделям – процесс более точный, идеальный для создания небольших объектов с мелкими деталями (например, ювелирных изделий, стоматологических имплантатов). Если требуется получить модели бòльших размеров и повышенной прочности, применяется выжигание. Также надо отметить, что фотополимеры экономичнее воска.

Выращивание выжигаемых моделей на 3D-принтере производится методом лазерной стереолитографии (Stereolithography Apparatus, SLA) – когда жидкий фотополимер затвердевает под действием лазера или УФ-лампы, – или многоструйного моделирования (MultiJet Printing, MJP) с помощью фотополимерного материала.

Литейные модели, изготовленные по технологии QuickCast

Технология QuickCast

Этот метод позволяет выращивать модели на стереолитографических 3D-принтерах, минуя изготовление литейной оснастки, чрезвычайно затратное и по стоимости, и по времени. Как и сама технология лазерной стереолитографии, QuickCast – разработка компании 3D Systems.

Пластиковые модели выдерживают достаточно большие нагрузки, но существует риск их деформации или разрушения. При выжигании, независимо от материала, в модели остается зола – сухой остаток от выгорания пластика. Производители легко решают эту проблему, используя материал с низким зольным остатком (не более 0,01% от первоначального объема модели). Еще одну опасность представляет сам материал модели. Когда он запечатан в керамическую оболочку, при нагреве пластик выгорает не так быстро, как воск, и процесс прокалки может достигать 10-12 часов. Пластиковая модель внутри керамической оболочки нагревается и создает избыточное давление на саму форму. Песчаная керамическая форма имеет нулевую пластичность, и как только порог превышен, модель сильно давит на литейную оболочку.

Чтобы избежать термических напряжений при прокалке, и была разработана технология QuickCast. Наружные стенки модели печатаются целиком (примерно 1 мм толщиной, в зависимости от габаритов), а пустота, образующаяся внутри, заполняется сотовой структурой, которая генерируется программным обеспечением в автоматическом режиме еще до печати. При нагреве модель и оболочка давят друг на друга, и за счет тонкостенной структуры модель начинает складываться внутрь, предотвращая разрушение формы.

Печать QuickCast-моделей

Преимущества QuickCast:

• высокая точность печати;
• значительная экономия времени и средств;
• отсутствие оснастки;
• экономичное использование материала и снижение массы модели;
• минимизация образования золы при выжигании модели из формы;
• предотвращение деформации в процессе термической обработки;
• минимальная постобработка;
• возможность малосерийного производства.

Пожалуй, единственный недостаток этой технологии – необходимость больших первоначальных вложений. Стереолитографические установки достаточно дороги и требуют регулярного технического обслуживания. Тем не менее, в процессе успешной эксплуатации затраты на оборудование быстро окупаются.

Этапы технологического процесса

1. Построение выжигаемых моделей в стереолитографическом 3D-принтере

2. Крепление моделей к вертикальному литниковому каналу

3. Создание оболочковой формы методом погружения блока моделей в огнеупорный керамический раствор

4. Покрытие оболочки мелким керамическим огнеупорным песком. Таких операций может быть несколько, в зависимости от того, сколько слоев твердой керамической оболочки нужно получить

5. Выжигание моделей в прокалочной печи. Под воздействием температуры модель выгорает

6. Заливка жидкого металла в форму

7. Зачистка литников и проверка точности

Постобработка моделей: удаление поддержек, промывка, удаление материала из внутренней структуры, закрытие дренажа. Поскольку модель пустотелая, внутри остается материал. При печати создается отверстие, через которое материал будет вытекать. Когда модель опустошается, дренажные отверстия закрывают специальными средствами (например, паяльником и пластиковым присадком или литейным воском).

Примеры внедрения

Производство турбины гидроагрегата на Тушинском машиностроительном заводе. Модель собрана из сегментов, напечатанных на 3D-принтере

Технология QuickCast находит активное применение в различных отраслях. В России ее используют, среди прочих, крупные предприятия авиационной промышленности («Салют», «Сухой», УМПО), энергетического машиностроения (Тушинский машиностроительный завод), научные центры (НИАТ, НАМИ).

Литейная технология подразумевает переход металла из одного агрегатного состояния в другое – из твердого в жидкое и опять в твердое. Такому же принципу отвечает и метод литья пластиков. Приведем пример, очень хорошо иллюстрирующий, как аддитивные технологии помогают решать проблемы в этой области.

ОАО «Концерн «Океанприбор» (Санкт-Петербург) производит системы связи для Военно-Морского Флота РФ, в том числе оборудование с большим количеством мелких элементов, например, разветвитель – один из основных компонентов новой гидроакустической антенны. Для быстрого прототипирования при изготовлении литьевых деталей концерн использует 3D-принтер.

На 3D-принтере выращивается литьевая форма, которая затем заливается силиконом. В силиконовую форму можно заливать любой другой материал, в данном случае это полиуретан. В результате предприятие получает своего рода форму для форм – не просто прототип, а опытный образец, готовый к использованию.

Благодаря 3D-принтеру срок создания антенны удалось сократить до трех недель. Реализация проекта с применением стандартных методов потребовала бы нескольких месяцев.

Вот как выглядит весь процесс изготовления литьевой формы разветвителя:

3D-модель разветвителя

3D-модель литьевой формы из двух частей

Мастер-форма, напечатанная на 3D-плоттере

Процесс заливки силиконом

Извлечение формы. Силиконовая форма в точности повторяет геометрию изделия.

Сборка заливочной формы. Поскольку изделие имеет внутренние полости, они оформляются стержневой оснасткой. В форму вкладывается стержень, состоящий из трех частей. Конструкция собирается и ставится вертикально. Через трубку и штуцер (внизу) в полость заливается полиуретан.

Процесс заливки полиуретаном

Извлечение готовой детали. Остается форма, которую можно использовать еще несколько сотен раз.

Статья опубликована 11.08.2017 , обновлена 18.10.2023