CC BY
50
В заключение необходимо отметить, что аддитивные технологии непрерывно и бурно развиваются. Например, в настоящее время предпринимаются попытки отработать и продвинуть на рынок технологию печати литейных моделей из воскоподобных полимеров, ориентированную на машиностроительные нужды. За счет некоторого уменьшения точности по сравнению с ювелирной технологией и применения более дешевого материала предполагается существенно снизить затраты, что может создать новые благоприятные возможности.
Андрианов Павел Алексеевич, канд. техн. наук, начальник отдела, khkedr a tnla.net, Россия, Тула, АО «КБП»,
Колмаков Андрей Егорович, зам. директора департамента, khkedr@,tula.net, Россия, Воронеж, ОАО «ИКФ «Солвер»
ECONOMIC EFFICIENCY OF MOULDING ON ADDITIVE MODELS IN THE CONDITIONS OF DEVELOPMENT ACTIVITY
P.A. Andrianov, A.E. Kolmakov
The question on economic efficiency of use of various additive technologies is considered at reception in the conditions of development activity, the optimum variant is chosen.
Key words: cost efficiency, additive technologies, metal casting, development effort.
Andrianov Pavel Alexeevich, candidate of technical sciences, the chief of department, khkedr@tula.net, Russia, Tula, JSC «KBP»
Kolmakov Andrey Egorovich, the deputy director of department, khkedra tula. net, Russia, Voronezh, Open Society «ICF» Solvee»
УДК 621.74.045
ЛИТЬЕ СТАЛИ ПО ВЫЖИГАЕМЫМ АДДИТИВНЫМ
МОДЕЛЯМ
П.А. Андрианов, А.Е. Колмаков, М.М. Уткин
Описывается технология получения стальных отливок по выжигаемым аддитивным FDM-моделям, эффективная в условиях ОКР, показаны основные этапы и технологические особенности.
Ключевые слова: литье металла, выжигаемые модели, FDM-технология.
Применение литья по выжигаемым аддитивным моделям в условиях ОКР дает существенный эффект. Основное преимущество по сравнению с традиционной технологией, подразумевающей изготовление выплавляемых моделей в пресс-форме, - сокращение времени получения первой
436
отливки на величину до 90 %, снижение затрат и различных рисков. Однако реализация этого, в общем-то известного, процесса в условиях отечественных предприятий сопряжена с рядом проблем, решение которых в литературе не описано. Рассмотрим опыт внедрения литья по выжигаемым ББМ-моделям. Надеемся, что информация будет полезной специалистам других предприятий, дав общее представление о процессе и ответы на конкретные вопросы.
При использовании выжигаемых ББМ-моделей работы выполняются в следующей последовательности:
- построение трехмерной графической модели литейной модели и конвертация ее в формат поверхностной модели «бИ», необходимый для работы ЭБ-принтера;
- выращивание модели отливки;
- постобработка поверхности модели;
- изготовление традиционной модели стояка и сборка модельного
блока;
- формирование литейной оболочки;
- удаление из литейной оболочки модельного состава;
- выжигание модели отливки и удаление несгоревших остатков;
- формовка литейной формы в опоку и ее прокалка;
- заливка расплава в литейную форму.
Формирование литейной оболочки, заливка расплава и все последующие операции идентичны традиционной технологии литья по выплавляемым моделям. Ниже приведено описание работ, имеющих существенные особенности из-за использования пластиковых моделей.
Послойное выращивание деталей имеет специфические особенности, которые необходимо учитывать для получения необходимого качества поверхности. Причем у ББМ-технологии это выражено особенно ярко.
Сущность этого процесса состоит в укладке разогретой полимерной нити. В плоскости своего стола ЭБ-принтер может воспроизводить контур детали с высокой точностью, определяемой точностью приводов. В результате криволинейные поверхности в горизонтальных сечениях получаются гладкими (рис. 1, а). В вертикальных сечениях наклонных поверхностей достичь такого же качества невозможно, так как кривизна поверхностей тут формируется посредством сдвига слоев относительно друг друга. Если наклон поверхностей относительно горизонтали невелик, нити вышележащих слоев смещаются на значительную величину и поверхность становится ступенчатой (рис. 1, б).
Видим, что из одного и того же файла с трехмерной графической моделью можно получить изделия разного качества.
Поэтому перед выращиванием модели необходимо анализировать геометрию будущей отливки, наличие припусков на поверхностях и сориентировать модель на столе принтера оптимальным образом. Уменьшению
погрешностей также способствует использование минимального диаметра нити (толщины слоя). Для распространенных моделей принтеров минимальное значение составляет 0,178 мм. Стоит отметить, что уменьшение толщины слоя приводит к увеличению времени выращивания изделия и соответственно увеличению его стоимости.
а б
Рис. 1. Зависимость погрешностей контура детали от ее ориентации на столе ЗБ-принтера
При использовании ББМ-технологии даже оптимально сориентированная на столе принтера деталь будет иметь микрорельеф поверхности, обусловленный схемой укладки нитей. Поскольку литейная оболочка очень точно копирует поверхность модели, эта текстура будет воспроизведена на поверхности отливки, что нежелательно.
Для сглаживания поверхности ББМ-моделей в основном используются три способа постобработки:
- шпаклевка и/или зачистка поверхности;
- химическое оплавление поверхности в парах растворителя;
- химическое оплавление поверхности путем погружения в растворитель.
Первый способ для решаемой задачи нерационален в силу большой трудоемкости, затруднения последующего выжигания модели, изменения ее размеров.
Химическое оплавление поверхности требует минимальных трудозатрат, обеспечивает хорошее сглаживание. Обработка в парах растворителя к тому же является наиболее «мягкой» с точки зрения сохранения формы и размеров тонкостенных моделей. Реализовать ее просто. Достаточно залить в ультразвуковую ванну с подогревом растворитель и создать над ванной замкнутый объем, в котором поместить деталь. Однако такая установка будет взрывопожароопасной, что в условиях промышленного пред-
приятия создаст дополнительные проблемы, потребует соответствующего исполнения оборудования и наличия автоматической системы пожаротушения в помещении.
Способ погружения в растворитель удачно сочетает в себе простоту реализации, относительную безопасность, достаточную эффективность и мягкость воздействия на деталь. Поскольку в рассматриваемом случае модели изготавливаются из АБС-пластика, теоретически возможно использование любых растворяющих его жидкостей. На практике наибольшее распространение получил, в силу своей доступности, ацетон. Однако проведенные эксперименты показали, что он обладает очень узким «окном» времени обработки. Между моментом, когда микрорельеф не успел сгладиться, и началом искажения формы детали проходит несколько секунд. Помимо четкого выдерживания времени обработки возникает проблема определения этого времени для конкретной детали с соответствующими последствиями в виде порчи первых образцов и т.п.
В результате поиска лучшего решения был сделан выбор в пользу смеси метиленхлорида и трихлорэтилена, эффективность которой отмечалась в зарубежных научно-технических отчетах. Этот состав оказывает мягкое воздействие на модель, длительность обработки в нем составляет десятки секунд, что обеспечивает стабильность качества и удобство работы. Для работы с этими веществами достаточно обычного вытяжного шкафа, имеющегося в цехе. Погружать модель следует таким образом, чтобы растворитель не проникал в ее внутренние полости. После погружения в раствор модель подвергается сушке естественным способом в течение нескольких часов.
Кратковременная обработка сохраняет микрорельеф, но придает блеск поверхности. По мере увеличения времени обработки микрорельеф сглаживается или исчезает полностью, поры между растрами и контурами за-плавляются, поверхность становится глянцевой (рис. 2). На качество результата оказывает значительное влияние человеческий Рис. 2.Поверхность РВМ~модели фактор, однако для условий опыт-до и после обработки ного производства это допустимо.
Интересно отметить, что зарубежом в подобном растворе используется в небольшом количестве третий компонент - мономер, обеспечивающий создание на поверхности модели тонкого блестящего слоя и являющийся прекурсором. Он был исключен из раствора, поскольку необходимый результат удалось получить и без него.
Для рассматриваемых условий применение аддитивной технологии целесообразно только для модели отливки и примыкающих непосредственно к ней элементов литниковой системы, в частности питателей. Стояк литниковой системы имеет относительно отливки большие габариты. Поэтому его целесообразно оставить восковым (рис. 3). В действующем литейном производстве всегда имеется набор пресс-форм для унифицированных стояков нескольких типоразмеров, что наряду с многократным использованием воска обеспечивает минимальность затрат.
Сборка модельного блока осуществляется вручную, с помощью паяльника. Аддитивные модели отливок монтируются путем вплавления в модель стояка концов питателей. Для надежной фиксации на конце питателей предусматриваются небольшие лапки.
Следует подчеркнуть, что приведенные рекомендации соответствуют рассматривавшейся номенклатуре деталей. Для других типов изделий могут оказаться более выгодными другие решения.
Изготовленную по традиционной технологии восковую модель стояка целесообразно удалить из литейной оболочки вытапливанием. Это уменьшит вредные выбросы, упростит процедуру последующего выжигания модели отливки, обеспечит повторное использования воска.
Необходимо отметить, что восковые модельные составы различаются по свойствам. Используемый в действующем производстве «белый» модельный состав имеет температуру плавления меньше 100 °С, что позволяет его вытапливать простейшим способом - погружением в ванну с горячей водой (рис. 4, а).
Однако проведенные эксперименты показали, что использовать это решение невозможно. АБС-пластик, из которого изготовлена модель отливки, имеет коэффициент температурного расширения значительно больший, чем материал литейной оболочки. При погружении в воду модельный блок прогревается полностью, модели отливок расширяются больше оболочки и разрушают ее, образуя трещины (рис. 4, в). Отливки в такой оболочке получаются дефектными, с гребнями металла на месте трещин.
С целью проверки влияния реологических процессов в пластмассовой модели на сохранность литейной оболочки был применен режим медленного постепенного нагрева бака с водой и погруженного в него модельного блока в оболочке. Оболочка также разрушилась.
440
Рис. 3. Модельный блок с оболочкой
Не имели успеха опробованные в ходе экспериментов мероприятия:
- применение для нагрева пара по схеме, приведенной на рис. 4, б; -уменьшение толщины стенок ББМ-модели до предельного минимума (около 1 мм);
- попытки армирования литейной оболочки нарезанной кевларовой нитью, заимствованной из отходов намоточного производства;
- увеличение вдвое количества слоев литейной оболочки.
Вода 100 °С Вытопленный
модельный Нагреву состав пар 130 С
а б в
Рис. 4. Вытапливание модельного состава стояка
Интересно отметить, что в специализированных изданиях периодически публикуются статьи об использовании литья по аддитивным выжигаемым моделям на отечественных предприятиях. Однако при обращении на эти предприятия выяснилось, что у них эта проблема также существует. Использовать зарубежный опыт тоже не удалось, поскольку в научно-технических отчетах предметных данных на этот счет не содержалось.
В результате для сохранения целостности литейных оболочек было применено решение, обеспечивающее сохранность литейной оболочки. Работы по такому методу могут выполняться вручную, так же может быть создана небольшая автоматизированная установка.
Выжигание пластиковой модели отливки сопряжено с опасностью разрушения керамической литейной оболочки. Однако процесс несколько отличается от нагревания при выплавлении модельного состава стояка. Оболочка снаружи укрыта наполнительной смесью, канал стояка пуст и нагретый воздух печи соприкоснется, в первую очередь, непосредственно с внутренней полостью пластиковой модели. Теоретически возможно подобрать режим нагрева, при котором пластик потеряет прочность раньше, чем разрушит оболочку. В зарубежных отчетах указывается, что при выжигании ББМ-моделей фирмы используют различные режимы нагрева, отработанные в своем производстве. Однако такой подход подразумевает
441
изменение температуры в зависимости от времени по определенному закону, что предъявляет определенные требования к выполнению операции и оборудованию.
Для упрощения процесса выжигания модели и гарантированной сохранности оболочки было применено простое решение. По ряду соображений модель выполняется пустотелой, тонкостенной. Перед формовкой в литейную оболочку на короткое время заливают растворитель (ацетон), который ослабляет пластиковую модель. Затем растворитель сливают, а оболочку наполняют негорючим газом. В данных условиях использовался аргон. После такой операции потерявшая прочность модель не может повредить литейную оболочку.
Особое значение для получения качественных отливок имеет чистота литейной формы, характеризующаяся полнотой удаления материала модели. При наличии высокой температуры и воздушной атмосферы ЛВ8-пластик выгорает с образованием углекислого газа и в меньших количествах других соединений. При отсутствии кислорода он также подвергается термическому разрушению, имеющему несколько другой механизм.
Следует принимать во внимание, что ЛВ8-пластик по своей природе не является лучшим материалом для выжигания. В определенных условиях он может давать соединения, устойчивые к действию высоких температур, хотя по данным зарубежных исследований сжигание ЛВ8-пластика при температуре 575 °С в кислороде дает зольность 0 %, а в бескислородной атмосфере - 2 %.
В соответствии с изначальной постановкой задачи было необходимо минимизировать отличия новой технологии от действующей. Поэтому выжигание осуществлялось в обычной печи, что исключало подачу кислорода в рабочую зону. Температура составляла 920...950 °С. В результате экспериментов установлено, что при относительно большой массе выжигаемого материала после многочасового процесса в форме осталось большое количество золы. Так как точный состав применяемого в ББМ-технологии ЛВ8-пластика неизвестен, зольный остаток подвергли рентгеноструктур-ному качественному фазовому анализу в специализированной организации. В результате был обнаружен только углерод, характеристических линий других элементов в рентгеновском спектре образца не оказалось (рис. 5).
Уменьшение массы выжигаемого материала и продувка формы после прокалки сжатым воздухом повышают чистоту литейной формы. Однако наилучшие результаты дало охлаждение формы после выжигания и ее промывка водой. В этом случае пред заливкой прокалка проводилась по стандартному циклу. Полученные отливки имели хорошее качество поверхности (рис. 6).
Большое значение при внедрении выжигаемых моделей имеют вопросы экологии. Вредные выделения при сжигании аддитивного ЛВ8-пластика детально исследовались за рубежом: при разложении возникают
два материала, которые классифицируются как опасные - акрилонитрил и цианид водорода. Температура сгорания, требуемая для 99,99 % эффективности разрушения, составляет 729 °С в течение одной секунды и 720 °С - для пяти секунд соответственно. Используемая при выжигании температура 920...950 °С значительно превышает эти значения и обеспечивает безопасность.
Рис. 5. Зольный остаток (а) и результатырентгеноструктурного качественного фазового анализа (б)
Рис. 6. Отливки, полученные с использованием выжигаемых FDM-моделей
Описанная технология позволяет сократить срок получения первой отливки с 3.. .4 месяцев до недели и менее, снизить риски затрат на изготовление и доработку пресс-форм, связанных с изменением конструкции детали или отказом от изделия.
Андрианов Павел Алексеевич, канд. техн. наук, начальник отдела, khkedratula.net, Россия, Тула, АО «КБП»,
Колмаков Андрей Егорович, зам. директора департамента, khkedr@,tula.net, Россия, Воронеж, ОАО «ИКФ «Солвер»
Уткин Михаил Михайлович, инженер-технолог 2 категории, khkedratula. net, Россия, Тула, АО «КБП»
STEEL MOULDING ON BURNT OUT ADDITIVE FDM-models P.A. Andrianov, A.E. Kolmakov, M.M. Utkin
The technology of reception steel отливок on burnt out additive FDM-models, effective in the conditions of development activity is described, the basic stages and technological features are shown.
Key words: metal casting, the burned-out models, FDM technology.
Andrianov Pavel Alexeevich, candidate of technical sciences, the chief of department, khkedr atula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»,
Kolmakov Andrey Egorovich, the deputy director of department, kbkedra tula. net, Russia, Voronezh, Open Society «ICF» Solvee»»
Utkin Mihail Mihailovich, the process engineer of 2 categories, kbkedra tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»
УДК 621.74.045; 336
ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА РЕНТАБЕЛЬНОСТИ ЛИТЬЯ ПО ВЫЖИГАЕМЫМ АДДИТИВНЫМ МОДЕЛЯМ
П.А. Андрианов
Предложен новый способ быстрой оценки рентабельности литья по выжигаемым аддитивным моделям, не требующий каких-либо расчетов и специальной подготовки от исполнителя.
Ключевые слова: литье металла, выжигаемые модели, экспресс-оценка, рентабельность.
Литье по выжигаемым аддитивным моделям позволяет сократить цикл получения первой отливки с трех-четырех месяцев до одной недели. Такое сокращение, более чем на 90 %, зачастую способно оправдать внедрение этой технологии. Однако экономический аспект даже в этом случае остается важным. В случаях же когда сроки не являются критичными, он становится определяющим.
Классическое сравнение экономической эффективности литья по выжигаемым аддитивным моделям и традиционного литья по выплавляемым моделям требует построения кривых изменения себестоимости в зависимости от объема производства. На рис. 1 в качестве примера показано построение для конкретной детали «кронштейн».
444
