Логотип сайта поддержки пользователей САПРО сайте поддержки пользователей САПР Translate to:

Технология быстрого прототипирования в литейной индустрии

Алексей Артемьев
менеджер по продажам
промышленного оборудования
ООО "БИБУС Украина"

Существует различные методы изготовления отливок: литьё в песчано-глинистые формы, литьё по выплавляемым и выжигаемым (газифицируемым) моделям, литьё в кокиль, литьё под давлением, литьё в силиконовые формы, центробежное литьё и др. Каждая литейка имеет свои секреты, свои наработки в процессе изготовления литых заготовок из металлов и сплавов.

Металлурги, инженеры и технологи вполне ясно осознают специфику используемого на их предприятии способа литья и необходимость оптимизации этого процесса. Задачей этой статьи является познакомить специалистов литейной отрасли с технологией быстрого прототипирования и дать необходимый минимум рекомендаций и подсказок как можно использовать возможности (читай модели-прототипы) получаемые с помощью 3-D принтеров на литейных предприятиях.

В двух словах дадим определение быстрого прототипирования (Rapid Prototyping - RP). Как следует из названия, это быстрое изготовление прототипов - технология, позволяющая по данным из 3D CAD приложений (SolidWorks, КОМПАС-3D, Autodesk Inventor и пр.) создавать трёхмерные физические модели-прототипы без инструментального их изготовления. Технология стала доступной благодаря появлению 3-D принтеров, принцип работы которых заключается в послойном формировании физической модели. Традиционный метод изготовления модели заключается в том, что модель создаётся отделением материала от заготовки, скреплением отдельных элементов модели. При традиционном методе, происходит инструментальное изготовления модели - процесс трудоёмкий, медлительный при котором невозможно изготовить сложные модели. 3-D принтеры позволяют, в течение нескольких часов, изготовить геометрически сложные прототипы с внутренними элементами и движущимися частями. Процесс построения автоматизирован и позволяет получать качественные, сравнительно недорогие функциональные модели в кратчайшие сроки.

Изначально модели-прототипы предназначались для визуального анализа, оценки дизайна. Любая производственная компания, перед серийным выпуском своей продукции, изготавливает прототип этого изделия (и даже несколько прототипов), и обязательно опытный рабочий образец. А потому уникальные возможности, предоставляемые технологией RP, были сразу востребованы и взяты на вооружение многими промышленными предприятиями.

Как известно для изготовления моделей многие предприятия используют макетные мастерские на базе деревообрабатывающих цехов. Эти мастерские занимают много места, пыль и стружка, невозможность изготовить несколько абсолютно идентичных изделий, наличие специально обученного персонала, трудоёмкость процесса - это неполный перечень основных недостатков традиционного изготовления мастер-моделей из дерева. Тут бы и пригодился 3-D принтер, который автоматизирует процесс изготовления моделей и позволяет вносить корректировки геометрии "на лету".

Конечно, для литейных цехов не столь важна возможность получения полнофункциональных вращающихся прототипов - это ближе к кинематическому анализу. Важны точностные характеристики моделей, возможность быстрого изменения математической виртуальной модели и повторного изготовления доработанного прототипа и, главное, эффективное использование в процессе литья изделий в металле.

В Украине на данный момент представлены 3-D принтеры двух разработчиков: Objet Geometries (Израиль) и Z Corporation (США). Вкратце рассмотрим отличие технологии построения моделей-прототипов, т.к. этим обусловлено их применение в литейной индустрии.

Компания Objet разработала комбинированную технологию PolyJet, суть которой заключается в послойном построении моделей из фотополимера. Фотополимер распыляется на плоскости построения 3-D принтера тонким слоем в 16 микрон блоком головок и полимеризуется под действием УФ ламп. В результате получаются довольно прочные и точные пластиковые модели с гладкими кривыми поверхностями.

3-D принтеры ZCorp изготавливают модели из порошка на гипсовой основе с различными добавками и присадками. На плоскости построения распределяется слой порошка толщиной 80 микрон и печатающая головка наносит связующее вещество (клей) согласно алгоритму данного слоя. В результате получаются модели на гипсовой основе. Чтобы придать им требуемую прочность необходимо обработать пропиткой, которая также поставляется производителем, компанией Z Corporation.

Литье по выплавляемым моделям (Lost-Wax) является одним из самых экономичных способов создания деталей сложной формы из металла, а в некоторых случаях - и единственным возможным методом литья, например, когда детали имеют поднутрения, тонкие стенки или сложную конфигурацию. Обычно для такого метода литья используются модели из восковой модельной массы, изготовленные аналогично литью пластмасс под давлением: модельная масса запресовывается в пресс-форму из алюминия. Этот процесс хорошо освоен и используется на практике тысячами литейных производств по всему миру. Однако среди недостатков использования данной технологии для небольших партий изделий следует назвать длительность процесса, начиная с разработки и заканчивая изготовлением, а также высокую стоимость оснастки для производства моделей. В качестве альтернативы моделей из восковой модельной массы могут выступать модели PolyJet, изготовленные на 3-D принтерах Eden компании Objet Geometries, что даёт значительную экономию времени и средств. Технологию, получившую название Lost-PolyJet, разработала венгерская компания Varinex, Inc - крупнейший поставщик программных решений компании Autodesk. Более того Varinex совместно с литейной компанией Magyrarment успешно внедрили и отработали технологию Lost-PolyJet.

Весь процесс во многом идентичен литью по выплавляемым моделям и наглядно показан в сравнительной таблице.

Выплавляемые модели "Lost-Wax" Выжигаемые модели "Lost-PolyJet"
1. Изготовление восковой модели 1. Изготовление модели PolyJet - НЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ!
2. Изготовление "дерева" 2. Изготовление "дерева"
3. Погружение в суспензию 3. Погружение в суспензию
4. Нанесение оболочки и сушка 4. Нанесение оболочки и сушка
5. Выплавление воска 5. Выплавление воска - только восковой литниковой системы!
6. Разогрев оболочки 6. Разогрев + выжигание модели PolyJet
7. Заливка 7. Заливка
8. Удаление оболочки 8. Удаление оболочки
9. Обрубка, очистка отливок 9. Обрубка, очистка отливок

Изначально метод "Lost-PolyJet" является более точным, т.к. нет необходимости учитывать усадку модели - учитываем только усадку металла, которая составляет 1,2-2,2% в зависимости от сплава. Для "Lost-Wax" помимо усадки металла необходимо учитывать усадку воска в 1,5-2,5% в зависимости от типа модельного состава.

Однако есть и определённые сложности. Так, после обжига в керамической оболочке остаётся некоторое количество остаточного шлака, которое можно вымыть водой после охлаждения керамической оболочки или поднять расплавленным металлом на поверхность при определённой конфигурации литниковой системы. Количество остаточных шлаков мало, но точно ещё не известно.

Чтобы не сталкиваться с этими сложностями вместо всей модели на 3-D принтере Objet изготавливают оболочку, которую склеивают, формируя модель "Lost-PolyJet" (Рис. 1).

Рис. 1: Формирование модели "Lost-PolyJet"

Затем модель покрывают тонким слоем воска, который необходим для того чтобы предать идентичные характеристики поверхности модели и восковых питателей, выпоров для равномерного нанесения керамического слоя.

К модели подпаивают восковую литниковую систему (Рис. 2).

Рис. 2 (а, б, в): Изготовление кластера

Наносят суспензию. Наилучший материал для суспензии тот, что очень похож для изготовления глазированной плитки (кафельной плитки). Различные компании могут использовать разные виды суспензии: на водной основе, на спиртовой - возможно применение любого вида. Важно провести ряд тестов и добиться оптимального результата, чтобы керамическая оболочка при последующем процессе нагрева-охлаждения-обжига не треснула.

Наносят первый слой "керамики" и затем высушивают. Керамическую оболочку наносят до тех пор пока не получат 12-16 слоёв (Рис. 3).

Рис. 3: Обсыпка (а) и сушка (б)

При температуре 100-120'С выплавляется восковая литниковая система. Затем выжигают саму модель при температуре 800-950'С. Керамическая оболочка должна быть разогрета до температуры выжигания как можно быстрее. Чтобы ускорить разогрев используют предварительно нагретую печь. На этой стадии модели "Lost-PolyJet" всё ещё в оболочке - модель "Lost-PolyJet" будет выжжена во время следующих этапов.

Керамическую оболочку оставляют на 2 часа при 950C° затем приоткрывают дверь печи на 20-30 мин, чтобы добавить достаточное количество воздуха. Затем выдерживают ещё 2 часа для полного выжигания модели. Этот этап рекомендуется повторить 3-4 раза.

После этого остужают оболочку и удаляют шлак, некоторое количество которого может присутствовать в оболочке. Затем оболочку прокаливают и заливают металл (Рис. 4).

Рис. 4: Температурный цикл (а) выжигание модели (б) и заливка металла (в)

После разрушения керамической оболочки, и очистки получаем УСПЕШНО отлитое готовое изделие (Рис. 5).

Рис. 5: Готовое изделие до (а) и после (б) механической обработки

Objet Geometries имеет в своём арсенале ряд материалов для построения моделей. Венгерская компания Varinex, Inc в сотрудничестве с MAGYARMET отработала технологию "Lost-PolyJet" на разных материалах и подобрали наилучший для этих целей FullCure720 Model (желтый полупрозрачный), который является и самым дешёвым среди всей линейки Full-Cure (Рис. 6).

Рис. 6: Тестирование разных материалов на технологии "Lost-PolyJet"

Конечно, при относительно высокой стоимости расходных материалов, такой метод не позволяет использовать его для серийного производства, однако когда стоит вопрос ВРЕМЕНИ и изготовление единичных партий, альтернативу данному методу найти трудно.

На серийном и крупносерийном производстве предпочтительным является использование моделей PolyJet в качестве мастер-моделей или пресс-форм. Данная технология, по сравнению с традиционной всё равно является более быстрой, поскольку есть возможность получить модель сразу после её разработки, не обращаясь к помощи сторонних организаций. Что ещё более интересно - изготовление мастер-моделей или пресс-форм по технологии RP очень легко ложится в техноло-гический процесс производства без дополнительных временных трудозатрат.

Выбор остаётся за Вами: распечатать на 3-D принтере мастер-модель для того, чтоб залить её силиконом и по силиконовой форме изготавливать восковки, либо распечатать пресс-форму для непосредственного литья восковой массы. Во втором случае несколько падает производительность, поскольку полимерная форма имеет меньшую теплопроводность, чем алюминиевая. Но полимерные материалы Objet не боятся влаги и для ускоренного охлаждения возможно окунание форм в холодную воду либо помещение в холодильную камеру.

В отличии от технологии Objet, использование моделей ZCorp для точного литья менее предпочтительно. Обусловлено это более низкой точностью (толщина слоя 80 микрон) и применяемым материалом построения (порошок на основе гипса).

Однако некоторые компании умудряются использовать технологию ZCorp для изготовления пресс-форм для запрессовки восковой массы. При этом они сталкиваются с закономерными проблемами и необходимостью их решать.

С помощью 3D принтеров Z Corporation, изготавливаются пресс-формы (Рис. 7, a).

Рис. 7 (a, б): Пример пресс-формы ZCorp

Непосредственно печать формы происходит в течении нескольких часов. После печати возникает необходимость в финишной обработке моделей, т.к. форма довольно хрупкая и её необходимо обработать пропиткой типа Z-Max. Шероховатость устраняется с помощью шлифовки. Для удобства, подсоединяют ручки, нижнюю и верхнюю алюминиевые пластины, толкатели и пр. (Рис. 7, б).

Технология впрыскивания восковой массы такая же, как и при традиционном методе с использованием алюминиевых пресс-форм. Однако, как и полимерные материалы Objet, порошки ZCorp имеют малую теплопроводность. Необходимо принудительное охлаждение пресс-форм. Использование ванны с холодной водой в данном случае не подходит, поскольку гипсовые пресс-формы боятся влаги.

Всего после десятка съёмов, пресс-форма утрачивает заданную форму и не годится более к использованию (Рис. 8).

Рис. 2 (а, б, в): Изготовление кластера

Благо, изготовить новую, абсолютно идентичную пресс-форму в течении нескольких часов для технологии RP не составляет труда.

Преимуществом и изюминкой технологии ZCorp является наличие специального порошка ZCast с добавками литейного песка. Порошок выдерживает температуры до 1100'С и предназначен для прямого литья легкосплавных металлов. Форма изготовленная из материала ZCast единоразовая. После заливки металла она разбивается и повторно использоваться не может.

Кроме того модели, изготовленные на 3D принтерах обоих производителей, можно использовать для литья в песчаные формы. В данном случае 3D модели используются в качестве мастер-моделей, которые формуются в опоку.

В качестве заключения хочется добавить, что многие литейные компании за рубежом, использующие технологию быстрого прототипирования для сокращения цикла производства, не расположены открывать свои идеи по использования 3D моделей. Поэтому наилучший метод отработать использование технологии быстрого прототипирования на отдельных предприятиях - это провести ряд своих экспериментов и выбрать наиболее подходящий для той или иной компании способ. Применение дополнительных материалов: жидкая резина, эпоксидка, платин-каст и пр. совместно с 3D моделями расширяет возможность использование последних в литейной индустрии.

И всё же, главная особенность, на которую стоит обратить особое внимание не только литейным компаниям, но и разработчикам, и производителям вообще - это сокращение временных и финансовых затрат на ранних стадиях разработки новых изделий. А как следствие конкурентное преимущество на современном рынке.

Официальным дистрибьютором 3-D принтеров ZCorp и Objet в Украине является компания "БИБУС Украина" - представительство компании BIBUS AG (Швейцария, Цюрих), с центральным офисом в Киеве. "БИБУС Украина" - член международной семьи компаний, специализирующихся на производстве и продаже компонентов и технологического оборудования, разработке систем и решений для промышленных предприятий.



Copyright © Сайт поддержки пользователей САПР by Victor Tkachenko