CC BY
31
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ
УДК 621.74
Моделирование процесса удаления выжигаемой литьевой SLA-модели
Л. Д. Сиротенко, А. А. Шумков, Н. В. Трапезников, П. Н. Килина
Представлены результаты моделирования процесса термического удаления полимерной модели, полученной с помощью SLA-технологии. Выявлены напряжения, возникающие при термическом нагружении модели с различным объемным содержанием материала. Показана возможность снижения напряжений между керамической огнеупорной оболочкой и моделью из фотополимерного материала, представляющей собой тонкостенную монолитную цилиндрическую оболочку, заполненную материалом с регулируемой пористой ячеистой структурой. Установлено, что модели, изготовленные из монолитного материала, полностью заполняющего внутреннюю полость керамической оболочки, не позволяют исключить растрескивание керамических оболочковых форм на этапе выжигания материала моделей.
Ключевые слова: стереолитография, полимерная модель, выжигание, метод конечных элементов, трещина.
Введение
В настоящее время широкое применение получили технологии быстрого прототипи-рования (RP — Rapid Prototyping), позволяющие значительно повысить эффективность литейного производства. Использование RP-технологий позволяет изготавливать функциональные твердотельные пластиковые модели и опытные образцы изделий без дополнительной оснастки.
Технологии послойного синтеза находят все большее применение при создании моделей для литья металлов в керамические оболочковые формы. Это обусловлено повышением геометрической точности и сокращением цикла подготовки модельного блока перед нанесением огнеупорного покрытия.
При традиционном методе производства металлических отливок литьевые модели изготавливают путем прессования модельного воскового материала в металлические пресс-формы. Процесс характеризуется существенными временными и материальными затратами на проектирование и изготовление металлической оснастки, подбор состава воска и режимов прессования для получения бездефектных
литьевых моделей. Изготовленную восковку крепят к литниковой системе, тем самым образуется модельный блок. Впоследствии на него наносят огнеупорную оболочку, состоящую из тугоплавких порошков и связующего. Керамическую оболочку изготавливают послойным нанесением огнеупорного материала и связующего до получения необходимой толщины. Сформированные таким образов огнеупорные формы вытапливают в печах или автоклавах при температуре 100-120 °С для удаления литьевых моделей, оформляющих конфигурацию отливки. При изготовлении опытных и геометрически сложных отливок целесообразнее использовать модели, полученные послойным синтезом полимерного материала.
В качестве технологии быстрого прототипи-рования для создания литьевых моделей используют стереолитографию (SLA), основанную на послойном синтезировании фоточувствительного материала. Модели, изготовленные на SLA-установках, требуют адаптации к технологическим процессам литья. В отличие от традиционного метода изготовления керамической оболочковой формы, где материал модели выплавляется, SLA-модели удаляются
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
путем выжигания при проведении прокалки форм перед заливкой.
При использовании для литьевых моделей материала на основе акриловых и эпоксидных смол в процессе выжигания при достижении определенной температуры происходит термическое расширение модельного материала, которое впоследствии приводит к разрушению керамической оболочки и браку отливок.
Для решения этой проблемы различными авторами проведены исследования, которые показали высокую эффективность применения литьевых моделей из полимерных материалов с ячеистой структурой и регулируемой пористостью [1].
В работе [2] показано применение метода конечных элементов для описания поведения литьевых моделей в процессе воздействия температурных нагрузок.
Значительные успехи в исследовании литьевых моделей с регулируемой пористой структурой были достигнуты в результате усложнения геометрии элементарных единичных ячеек от простых квадратных и треугольных форм в более сложные, такие как ячейки типа Вигнера—Зейтца в виде тетра-гексогонального тела [3]. Структура, состоящая из ячеек Вигнера—Зейтца, обеспечивает меньшее значение напряжений, возникающих при термическом нагружении, по сравнению со структурой с квадратной и треугольной формами ячеек [4, 5]. Простые формы с пористыми моделями доказали свою жизнеспособность по сравнению с монолитным исполнением с точки зрения размерной точности, качества поверхности и устойчивости к обра-
зованию трещин во всем интервале рабочих температур [6]. В работе [7] авторами предлагается депарафинизация — растапливание в горячей водяной бане воска, нанесенного на полимерные модели для предотвращения растрескивания керамической оболочки. В работе [8] авторами представлены новые численные исследования нелинейных свойств материала, доказывающие эффективность горячей водяной бани для депарафинизации, а также подтверждающие, что полые модели из полимерного материала создают меньшие напряжения в керамической оболочковой форме (КОФ), чем монолитные модели. В исследовании проанализированы температурные напряжения в керамической оболочке при нагреве вследствие термического расширения при различной пористости ячеистой структуры литьевых моделей.
Цели работы: расчет и анализ напряжений в КОФ при использовании литьевой модели со структурой на основе элементарных единичных ячеек Вигнера—Зейтца с различной пористостью.
Материалы и методы исследования
Для проведения численных расчетов использован универсальный программный комплекс конечно-элементного анализа ANSYS Workbench 16. Для моделирования внутренней ячеистой структуры использовались элементарные ячейки Вигнера—Зейтца с различной толщиной перемычки, представляющей пористость полимерной модели (рис. 1).
Рис. 1. Образцы для расчета напряженно-деформированного состояния керамической оболочки методом конечных элементов: а — толщина перемычки ячейки 0,2 мм; б — толщина перемычки ячейки 0,4 мм; в — толщина перемычки ячейки 0,6 мм;
1 — КОФ; 2 — оболочка полимерной модели; 3 — внутренняя ячеистая структура модели
Таблица
Геометрические параметры исследуемых полимерных моделей
Образец Диаметр образца, мм Высота образца, мм Толщина оболочки полимерной модели, мм Габаритные размеры элементарной ячейки, мм Толщина перемычки элементарной ячейки, мм Пористость ячеистой структуры
1* - -
2 0,2 0,93
3 30 30 0,5 5 х 5 х 5 0,4 0,91
4 0,6 0,88
5 - 0
В образце 1 модель представлена тонкостенной монолитной цилиндрической оболочкой с толщиной стенки 0,5 мм (общее объемное содержание полимерного материала во внутреннем объеме КОФ составляет 0,95). В образце 2 модель сформирована из монолитного материала, полностью заполняющего внутренний объем КОФ.
Исследуемый образец для конечно-элементного анализа представляет собой тонкостенную цилиндрическую оболочку из фотополимерного материала с внутренним массивом из единичных ячеек Вигнера—Зейтца, покрытую керамической оболочкой. Параметры элементарной ячейки подобраны таким образом, чтобы обеспечить различную пористость полимерного образца (табл.).
Для проведения расчетов создана конечно-элементная сетка из элементов тетрагексого-нального типа, при этом число элементов на толщину стенки модели составляло не менее 3.
При моделировании процесса удаления фотополимерной модели особое внимание уделяется напряженному состоянию керамической оболочки, так как именно в ней возникают максимальные напряжения, ведущие к образованию трещин. На рис. 1 представлены образцы для конечно-элементного расчета.
Материалом полимерной модели является сшитый акриловый фотополимер 81500. В исходном состоянии он представляет собой жидкость желтого цвета на основе акрила. Физико-механические свойства этого фотополимера после отверждения: модуль упругости на растяжение Её = 2,68 МПа, предел прочности на разрыв [а]р = 78,1 МПа, относительная деформация при разрыве [е]р = 4,39 %, предел прочности на изгиб [а]& = 65 МПа, модуль сдвига Оё = 2,5 МПа, температура стеклования Т^ = 61 °С, плотность ртв = 1,2 г/см3. Для обеспечения более точного расчета была введена нелинейность изменения модуля Юнга от температуры [4]. Для моделирования керамической оболочки использованы физико-механические свойства кристалличе-
ского кварца: плотность 2200 кг/м3, коэффициент линейного температурного расширения а = 5 • 10-5 °С-1, коэффициент Пуассона 0,3, модуль Юнга 350 ГПа [9]. Моделирование напряженного состояния осуществлялось на основе осесимметричной схемы постановки задачи, при этом в качестве граничных условий предполагалась фиксация образца, имитирующая отсутствие перемещений нижнего торца цилиндра. Каждый образец подвергался термическому нагружению от 22 до 150 °С, также для более точной имитации процесса удаления полимерной модели к образцу была приложена сила, имитирующая стандартную земную гравитацию.
Результаты исследования и обсуждения
Анализ полученных результатов (рис. 2) показал, что максимальные напряжения, возникающие в керамической оболочке при термическом нагружении, существенно зависят от пористости полимерной модели. Из рис. 2 видно, что температура релаксационного перехода приблизительно 41 °С при скорости нагрева фотополимерного материала 2 °С/мин. При этой температуре полимер из упругого переходит в вязкопластичное состояние, вследствие чего снижаются напряжения. В тех случаях, когда максимальные напряжения возникают в полимерной модели, а не в керамической оболочке, при достижении напряжением уровня, превышающего предел прочности полимерного материала, происходят пластическая деформация и схлопывание пористой структуры внутрь модели.
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
ЛЕГАШ
Температура70
Рис. 2. Зависимости максимальных напряжений в КОФ от пористости полимерной модели:
А — коэффициент пористости 0,93; —х— — коэффициент пористости 0,91; ♦ — коэффициент пористости 0,88
На рис. 3-7 представлены результаты расчетов напряжений в КОФ. Максимальные напряжения, ведущие к образованию трещин, возникают не на внешней поверхности керамической формы, а на внутреннем ребре. Также из рисунков видно, что максимальное напряжение возникает при использовании монолитной полимерной модели (рис. 3) и составляет 216 МПа, что превышает прочность материала керамической формы, следовательно, ведет к образованию трещин. Минимальное напряжение возникает при использовании полой полимерной модели (см. рис. 6), которое не превышает предела прочности материала формы.
Из рис. 3 следует, что максимальные напряжения, возникающие в КОФ с полой полимерной моделью, сконцентрированы на внутренних ребрах керамической формы и
составляют 3,23 МПа. Однако использование моделей с полой внутренней структурой снижает геометрическую и размерную точность отливки и приводит к дефектам формы на этапе изготовления КОФ из-за недостаточной жесткости полимерной модели.
Наиболее рационально использовать полимерные модели с пористостью от 0,88 до 0,93 (см. рис. 5-7). При использовании внутренней структуры типа Вигнера—Зейтца сохраняется геометрическая и размерная точность полмер-ной модели. Напряжения, возникающие в таких формах, не превышают предела прочности материала керамических форм 8 МПа, что способствует сохранению целостности формы и геометрической точности отпечатка модели.
При использовании полимерной модели с пористостью, 0,93 в процессе термического
А: топЫК
Мах1тит Рппара! 21ге55 Туре: Мзятит Рлпсфэ! 11пй:: Ра "Пте: 5 30.03.2016 3:38
2.1576е8 Мах
19077е8 1,б578е8 1,40?9е8 1.158е8 9,0808е7 6.5818е7 4,0829е7 15839е7 -9.1501е6 М1п
0.020 (т)
0.020 (т)
Рис. 3. Распределение напряжений при использовании монолитной полимерной модели
Рис. 4. Распределение напряжений в КОФ при использовании полой полимерной модели с пористостью 0,95
A: Static Structural
Maximum Principal Stress Type: Maximum Principal Stress
Time: 5 Max: 5,8215e6 Min: -J.5378e6
5.8215e6 4,7815e6 3,7416e6 2.7817e6 1.6618e6 6.2186e5 -4. L806e5 -1.458e6 -2.4979e6 -3.5378e6
Л
Рис. 5. Распределение напряжений в КОФ при использовании полимерной модели с пористостью 0,93
8.018 0.018 0.010 Рис. 6. Распределение напряжений в КОФ при использовании полимерной модели с пористостью 0,91
ЕТАЛЛООБРАБОТКЛ
Рис. 7. Распределение напряжений в КОФ при использовании полимерной модели с пористостью 0,88
нагружения максимальные напряжения в керамической оболочке на внутреннем ребре составляют 5,82 МПа (см. рис. 5). При пористости полимерной модели 0,91 максимальные напряжения на внутреннем ребре керамической формы составляют около 5,80 МПа (см. рис. 6). При пористости полимерной модели 0,88 максимальные напряжения в керамической форме составляют 6,23 МПа (см. рис. 7).
Выводы
1. Установлено, что для снижения цикла изготовления сложных металлических отливок и дефектов растрескивания КОФ на этапе выжигания материала модели целесообразно использовать литьевые модели с внутренней регулируемой структурой.
2. Для снижения внутренних контактных напряжений, возникающих в КОФ, необходимо использовать полимерные модели с пористостью от 0,9 до 0,93.
3. Установлено, что напряжения, возникающие при термическом нагружении, возрастают с уменьшением пористости полимерной модели.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0134 от 01.12.2015 г. в составе мероприятия по реализации Постановления Правительства РФ № 218).
Литература
1. Hague R., Dickens P. M. Stresses Created in Ceramic Shells Using QuickCast. University of Nottingham, Nottingham, UK, 1995. 243 p.
2. Yao W. L., Leu M. C. Analysis of shell cracking in investment casting with laser stereolithography patterns // Rapid Prototyping Journ. 1999. N 5 (1). P. 12-20.
3. Yang S., Mohebi M. M., Evans J. R. G. A novel lattice structure for SL investment casting patterns // Rapid Prototyping Journ. 2009. Vol. 15 (4). P. 255-263.
4. Самусев И. В., Сметанников О. Ю. Исследование ячеистых структур в литье по выплавляемым стериоли-тографическим синтез-моделям // Изв. Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. № 4 (2), T.15. С. 408-411.
5 Gouldsen C., Blake P. Investment Casting Using FDM/ABS Rapid Prototype Patterns. Rapid ToolworX and Stratasys Inc.: USA, 1998. Р. 19.
6. Harun W. S. W., Safian S., Idris M. H. Evaluation of ABS Patterns Produced from FDM for Investment Casting Process. University of Nottingham: Nottingham, UK, 2009.
7. Wang S. H., Shih C. W., He X. Y. Study on investment casting directly with rapid prototype ABS patterns. Paper presented at the International Conference on Advanced Manufacture, Taiwan, 2010. Р. 010.
8. Wang S. H., Canales Б. G. M., Shih C. W. Numerical analysis for quick-casting with plastic RP patterns. Proceedings of International Conference on Manufacturing and Management Systems, 2009. P. 527-532.
9. Галдин Н. М., Чернега Д. Ф., Иванчук Д. Ф. [и др.]. Цветное литье: справ. / Под общ. ред. Н. М. Галдина. М.: Машиностроение, 1989. 528 с.
