Почти все, кто занимается литьем по выжигаемым моделям, знаком с термином QuickCast. Это не только наиболее широко используемый метод изготовления прототипов для ЛВМ, но и общепризнанно самый точный способ прямого изготовления моделей для данного вида литья. Однако модели QuickCast, которые мы используем сегодня, являются результатом длительного и непрерывного процесса разработки.
QuickCast – товарный знак компании 3D Systems, в недрах которой была создана технология лазерной стереолитографии (SLA). Этот термин обозначает тип стереолитографической модели, который был разработан специально для литья по выжигаемым моделям. Модель QuickCast является преимущественно полой. Все внешние поверхности изделия воспроизводятся, но внутреннее пространство модели заполнено системой ребер, предназначенных для удержания стенок на месте. Модель QuickCast во много раз легче аналогичной сплошной модели.
Основные преимущества метода QuickCast:
- минимизация образования золы при выжигании модели из формы;
- предотвращение деформации в процессе термической обработки;
- низкое влагопоглощение;
- обеспечение гладкой поверхности;
- стабильность геометрических размеров и возможность изготавливать крупные модели.
Что дает QuickCast литейным предприятиям:
- возможность обойтись без дорогостоящей оснастки;
- экономию времени и затрат на материал и сборку;
- ускорение цикла разработки продукта.
Развитие технологий 3D-печати и внедрение быстрого прототипирования вызвало большой интерес в сфере литья по выжигаемым моделям. До этого использовать ЛВМ для прототипирования было очень сложно. Для создания прототипов требовалась либо форма для изготовления восковых моделей, либо механическая обработка восковых моделей. Оба варианта были трудоемкими и дорогостоящими.
Было высказано предположение, что методы быстрого прототипирования могут быть использованы для упрощения процесса изготовления прототипов, чтобы первоначальные отливки для тестирования можно было производить без материальных и временных затрат на оснастку. Другие производители систем быстрого прототипирования уже предлагали способы создания восковых моделей напрямую, но такие модели имели недостаточную точность и чистоту поверхности и отличались хрупкостью, что значительно ограничивало возможности их применения.
Технология QuickCast была предложена в 1992 году доктором Полом Джейкобсом, в то время директором по исследованиям и разработкам в компании 3D Systems, и запатентована 3D Systems. Д-р Джейкобс предположил, что если модель будет полой, она сможет сжиматься по мере расширения и не разрушит оболочку. Затем отдел исследований и разработок занялся разработкой технологии изготовления полых моделей. В ходе разработки 3D Systems запатентовала несколько других инноваций, связанных с изготовлением моделей QuickCast.
В итоге, специалисты 3D Systems предложили конструкцию модели, которая оправдала ожидания. Модель выполнялась в виде очень тонкой оболочки с внутренним ребрами для обеспечения жесткости и стабильности размеров. Внутренние ребра представляли собой пространственную решетку из равносторонних треугольников, спроектированных таким образом, чтобы обеспечить высокую прочность при минимальном количестве материала.
Решетка смещалась примерно каждые 0,100 дюйма по высоте. При каждом смещении решетка перемещается таким образом, чтобы вершины новых треугольников были расположены ровно над центрами треугольников предыдущих слоев. Смещение решетки обеспечивает возможность слива смолы из модели. Из-за особенностей процесса стереолитографии по мере изготовления модели внутри нее скапливается жидкая смола. Ее необходимо удалить из модели, иначе она затвердеет под воздействием ультрафиолетового света и модель будет иметь сплошное сечение. Чтобы удалить смолу, в модели специально делают маленькие отверстия, через которые смола вытекает.
Для изготовления модели QuickCast требуется минимальное количество материала, поэтому при выгорании в форме практически не остается золы. Процесс литья упрощается, а качество отливки повышается.
В первых пробных версиях QuickCast стороны равносторонних треугольников решетки были приняты равными 0,100 дюйма. Такой шаг решетки обеспечивал очень хорошую, но избыточную прочность. Модель не сжималась по мере расширения смолы при нагревании и была по-прежнему склонна разрушать оболочку, хотя значительно меньше, чем сплошные модели. Кроме того, отверстия в решетке были настолько малы, что поверхностное натяжение смолы затрудняло полный слив. Было испробовано несколько вариантов шага решетки до 0,25 дюйма. Оптимальный шаг составил около 0,17 дюйма. Это расстояние обеспечивало коэффициент пустотности (процентное содержание воздуха в объеме модели) около 66%.
В целом, проект был успешным. Модель QuickCast увеличила вероятность получения качественной отливки по стереолитографической модели с 10% до более чем 50%. Кроме того, нужно было выжигать значительно меньше материала, чем при сплошной модели. Первая версия ПО QuickCast была выпущена в июне 1993 года. Впервые удалось быстро создавать достаточно точные модели для прототипирования без затрат средств и времени на изготовление форм для восковых моделей.
Однако первые модели QuickCast были далеки от совершенства. Выполнить литье по модели QuickCast оказалось намного сложнее, чем по восковой модели. Первые пользователи столкнулись с двумя трудноразрешимыми проблемами: протекание и неполное выгорание модели. Как мы упоминали ранее, из готовой модели необходимо слить жидкую смолу. Для слива смолы в модели прорезают отверстия – в нижней части и в верхней части для доступа воздуха (более поздние версии позволяют выбирать места расположения вентиляционных и сливных отверстий, которые встраиваются непосредственно в модель). После слива смолы эти отверстия необходимо заделать. Если они не заделаны, керамический раствор может просачиваться внутрь модели и приводить к образованию включений в отливке. Учитывая высокую стоимость модели, а также время и силы, затраченные на изготовление оболочки, течь может обойтись в несколько тысяч долларов.
Также важно убедиться, чтобы в модели не было даже самых маленьких отверстий. Первоначально сливные и вентиляционные отверстия заделывали воском. Однако результаты были нестабильными. Воск иногда плавился, что приводило к течи. В настоящее время наилучшие результаты обычно получают с использованием для заделки отверстий смолы, отверждаемой после нанесения.
Проблемы, возникающие при выжигании, немного сложнее. Смола SLA представляет собой сшитый фотополимерный материал, который не плавится подобно воску. Следовательно, модель должна быть выжжена из оболочки. К счастью, при правильных условиях смола сгорает чисто, оставляя очень мало золы. Вероятность полного сгорания зависит от двух факторов: количества материала в модели и условий в печи. Условия горения относительно просты. Для сгорания температура модели должна быть выше минимальной температуры горения смолы, и в атмосфере печи должно быть достаточно кислорода для поддержания горения. Недостаток кислорода увеличивает количество смолы. В целом, увеличение содержания кислорода в печи увеличивает вероятность удовлетворительного выжигания. Литейные мастерские, располагающие специальными печами (например, печами Pacific Kiln, которые позволяют регулировать содержание кислорода в печи), традиционно более успешно применяли литье по моделям QuickCast. Однако некоторые предприятия добились хороших результатов и без таких печей.
Количество материала в модели может иметь критическое значение. Чем больше материала в модели, особенно в тонких сечениях, тем дольше должен быть цикл выжигания, тем вероятнее, что произойдет растрескивание оболочки, и тем меньше вероятность полного сгорания. Очевидно, что коэффициент пустотности модели QuickCast является основным определяющим фактором. Первые тесты в литейных мастерских, сотрудничавших с 3D Systems при разработке технологии QuickCast, показали, что выход (процент качественных отливок) значительно увеличивается по мере увеличения коэффициента пустотности. Так, увеличение коэффициента с 50% до 66% увеличивало выход с 40% до примерно 80%. Дальнейшее увеличение коэффициента до 83% увеличивало выход до более чем 90%.
Однако коэффициент пустотности предполагает, что вся жидкая смола удалена из модели. На практике этого бывает трудно добиться. К сожалению, вязкость и поверхностное натяжение смолы препятствуют сливу. Задача напоминает попытку достать последние несколько капель кетчупа из бутылки – как долго бы вы ни держали бутылку вверх ногами, внутри всегда остается немного кетчупа. Теперь представьте, что внутри бутылки сотни нитей, образующих пространственную решетку. Вы можете вообразить, как сложно будет достать весь кетчуп.
Смола, остающаяся в модели, уменьшает фактический коэффициент пустотности относительно теоретического значения, достижимого в полностью дренированной модели. Более того, остающаяся смола имеет тенденцию находиться в наименее желательных местах – в тонких сечениях, где дренаж наиболее критичен. Следовательно, полное удаление смолы из моделей QuickCast крайне важно для максимальной вероятности получения качественной отливки.
Тем временем 3D Systems продолжала совершенствовать технологию QuickCast. В 1995 году вышла версия 1.1 ПО QuickCast. В версии 1.1 были предусмотрены дополнительные наружные слои на поверхности модели, обращенные вниз и вверх, что значительно уменьшало склонность модели к разрушению наружного слоя при удалении поддержек. Кроме того, в версии 1.1 использовалась квадратная структура решетки вместо первоначальной равносторонней треугольной. Квадратная структура имела три преимущества перед треугольной. Во-первых, она была не такой прочной, как треугольная, и легче сжималась по мере расширения модели при нагреве. Во-вторых, угол соединения ребер стал менее острым, что уменьшило количество материала, скапливающегося в углах из-за поверхностного натяжения. Наконец, использование квадратной структуры позволило повысить коэффициент пустотности до 83%. Именно в это время модели QuickCast действительно были признаны отраслью. Несколько литейных предприятий разработали процессы выжигания и смогли с уверенностью применять модели QuickCast.
В 1998 году компания 3D представила версию 2.0 ПО QuickCast. Структура пространственной решетки была снова изменена, на этот раз на гексагональную. Существенно изменилась схема дренажа. В более ранних версиях решетка смещалась на половину базовой ячейки, чтобы смола могла стекать в соседние ячейки. В версии 2.0 в любом из слоев присутствуют только две из шести сторон гексагональной ячейки. Две противоположные стороны шестиугольника являются общими для нескольких слоев. Другая пара выполняется для нескольких следующих слоев, и последняя пара – еще для нескольких слоев. Таким образом, слив возможен в любом направлении, а прочность достаточна для сохранения формы модели. Гексагональная решетка также увеличила теоретический коэффициент пустотности выше 88%, что уменьшило количество материала в модели. Литейные производства, применяющие модели QuickCast версии 2.0, сообщают, что выход достигает 98%.
Разработка технологии QuickCast, безусловно, оказала влияние на сферу литья по выжигаемым моделям. Теперь доступны быстрые и относительно недорогие способы изготовления прототипов, на которых заказчики могут опробовать свои изделия, прежде чем заказывать дорогую оснастку. Эти новые возможности обеспечили рост спроса на услуги литья прототипов.
Хотя, вероятно, технология не окажется пригодной для массового производства, ожидается, что она будет все шире применяться в мелкосерийном производстве, позволяя получать серийные детали быстрее и без существенных затрат времени и средств на изготовление оснастки для литья по восковым моделям.
Статья опубликована 19.06.2018 , обновлена 13.04.2021
