CC BY
1
Kozlov Andrey Alexandrovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
(e-mail: soy4astnik@mail.ru)
Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia
TECHNOLOGY FOR THE PRODUCTION OF MOLDS BY LAYER-BY-LAYER SYNTHESIS
Abstract: This article reveals the features of 3D printing technology of sand-polymer molds for foundries, shows the main stages and advantages of this process. Keywords: 3D printing, modeling, casting mold, mechanical engineering.
ПРЕИМУЩЕСТВА АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ПРИМЕРЕ 3Б-ПЕЧАТИ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ Воропаев Сергей Сергеевич, студент (e-mail: sergej.voropaev.92@mail.ru) Научный руководитель Козлов Андрей Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: soy4astnik@mail.ru) Кирющенко Евгений Владимирович, к.т.н. (e-mail: ironfalcon@mail.ru) Липецкий государственный технический университет, г.Липецк, Россия
В данной статье раскрываются особенности технологии SD-печати песчано-полимерных форм для литейных производств, показана методика настройки режимов процесса и результаты исследований взаимосвязи между ними. В данной статье кратко показаны преимущества от внедрения аддитивных технологий в литейное производство на примере изготовления литейной формы методом SD-печати. Рассмотрены основные характеристики и преимущества напечатанной на SD-принтере формы относительно одноразовая песчаная формы. Основное внимание уделено подбору наилучших характеристик процесса SD-печати песочной смесью с последующими выводами по качеству полученных литых деталей.
Ключевые слова: SD-печать, аддитивные технологии, литейная форма, модельная оснастка.
Литейная промышленность является основой производства для широкого круга отраслей, обеспечивая выпуск отливок из черных и цветных металлов самых разных габаритов и конфигураций. В основе процесса лежит процедура уплотнения песка вокруг предварительно изготовленного шаблона (модели), который затем удаляется для отливки металла. Для серийного производства это эффективно, но на этапах разработки и изготовления прототипов новых видов продукции является техническим ограничением в получении оптимальной конструкции модели. Поэтому разработка нового продукта является узким местом современного отечественного производства. Технологии ЭБ-печати песчаных форм, относящиеся к аддитивному производству, позволяют решить данную проблему.
Далее сравним характеристики произведенного литья (точность размеров, прочность на растяжение и сжатие, плотность, ударная вязкость, температурная стойкость) изготовленного в формах с применением технологии ЭБ-песочной печати и традиционным литейным технологиям на примере рабочего колеса шламового насоса.
При традиционных технологиях литья всегда изготавливается одноразовая керамическая или кремнеземная форма, способная выдерживать высокие температуры. После изготовления формы заливка, осаждение и затвердевание выполняются за считанные минуты, с тщательно контролируемыми технологиями изготовления форм, литья и охлаждения, а затем точными, надежными и могут быть достигнуты предсказуемое качество компонентов и точность размеров.
Аддитивное производство [2] предоставляет возможность производить детали и инструменты для литейных форм без шаблонов (моделей), обеспечивающих новую технологическую гибкость (и снимающее различные ограничения дизайна) с преимуществом сокращения времени на производство оснастки. Это может позволить инженеру-конструктору проектировать изделия, недостижимые при использовании традиционных методов литья. Например, появляется возможность исключить линии разделения, подрезы и углы уклона, уйти от требования по извлечению шаблонов и стержней во время изготовления формы.
Рисунок 1 - Сравнение традиционного и аддитивного процесса изготовления литейных форм
Литье в песчаные формы является наиболее распространенным (80%) методом производства металлических отливок [6] и широко используется в промышленности для производства структурно прочных деталей сетчатой формы, требующих минимальной механической обработки после литья. Традиционно для этого процесса требуется дорогостоящее узкоспециализированное по номенклатуре оборудование. Применение ЭБ-принтеров (аддитивных технологий) в освоении производства новых видов продукции позволяет существенно сократить затраты на подготовку производства в сравнении с классической технологией формовки (рис. 1).
При применении аддитивных технологий качество отливки будет зависеть от качества ЭБ-печатной литейной формы, которое определяется параметрами оборудования, режимами процесса и следующими характеристиками материала печати.
1. Способность песка сохранять свою форму после фоормообразования.
2. Газопроницаемость: способность газа проходить через песчаную смесь (материал литейной формы). Пористость отливок снижается за счет наличия более высокой газопроницаемости формы, а за счет низкой газопроницаемости улучшается шероховатость поверхности.
3. Термостойкость: способность сопротивляться повреждениям от нагрева, таким как растрескивание и деформация.
4. Прочность: способность материала формы разрушаться или сжиматься во время затвердевания отливки. Заливка металла в литейную форму, которая не может свободно сжиматься, может привести к горячему разрыву, трещинам или деформации отливки [7].
5. Возможность повторного использования: способность смеси (песка) перерабатываться для будущего использования по экологическим и экономическим причинам.
Создание литейных форм методами ЭБ-печати позволяет обойти технологические ограничения традиционных способов и сократить производственную цепочку, отказавшись от таких операций, как изготовление мастер-модели из металла или композитных материалов, изготовление литниковой системы и прибылей, формовка частей формы (установка мастер-модели и литниковой системы в опоку и засыпка смесью). Процесс 3Б-печати песком использует выборочное распыление капель смолы связующего в тонкий слой проницаемого формовочного песка, предварительно смешанного с активатором. Песок затвердевает локально в том месте, в котором вступают в реакцию связующее вещество и катализатор, остальной же песок все еще пребывает в виде частиц. По мере затвердевания слоя и сцепления следующих слоев, после того, как все слои будут склеены, получают пространственное тело. При этом песок в месте, в которое не было распылено связующее вещество, рассыпается и относительно легко счищается. После удаления из средней части неуплотненного рассыпчатого песка можно получить форму определенной толщины, которую после нанесения покрытия или пропитки внутренней части песка можно использовать для
разливки металла. Это приводит к сокращению времени производства и снижению на порядок стоимости формы (рис. 1).
На 3Б-принтере модели РСМ2200А1 было проведено исследование по оптимизации параметров процесса печати литейной формы рабочих колес шламовых насосов. У принтеров данной модели расход смеси составляет 85 л/ч, рекомендуемая толщина слоя 280-500 мкм, разрешение печати Х/У/2 100,0 мкм. При моделировании отливок в САПР был применен общий допуск на усадку в размере 2%.
На первом этапе было исследовано влияние ключевых параметров процесса (разрешение печати, шаг по оси 02 и содержание связующего вещества) на характеристики деталей, полученных в напечатанной литейной форме. Каждый эксперимент включал печать трех образцов для одной комбинации связующего и настроек исполнительного механизма 3Б-принтера.
Во время эксперимента анализировались:
1. Точность геометрических элементов;
2. Свойства материала формы;
3. Сопротивление при растяжении и при сжатии образцов;
4. Шероховатость;
5. Прочность;
6. Газопроницаемость.
аблица 1 - Настройки оборудования для исследования
Номер Разрешение Шаг печати Отклонение содержания свя-
опыта печати, мм (02), мм зующего, %
1 0,09 0,3 +10
2 0,14 0,3 +40
Э 0,08 0,28 +20
4 0,12 0,3 -20
5 0,08 0,3 +20
6 0,10 0,3 0
7 0,13 0,3 -30
8 0,11 0,3 -10
9 0,09 0,28 +10
10 0,11 0,28 -10
11 0,14 0,28 -40
12 0,12 0,28 -20
Первоначальные параметры производительности были определены по рекомендациям производителя по составу смеси. Было составлено 12 таких комбинаций. После анализа напечатанных образцов под каждый эксперимент была выполнена ЭБ-печать литейной формы. Доля связующего в сме-
си, разрешение печати и шаг печати для всех экспериментов сведены в таблицу 1 (при доле активатора 0,32% для всех испытаний).
На втором этапе выполнялась заливка литейных форм, а полученные отливки проанализированы на геометрическую точность и наличие дефектов литья. Соответственно всего для экспериментов было изготовлено 12 деталей. Этапы процесса показаны на рис. 2.
Рисунок 2 - Моделирование рабочего колеса шламового насоса
По результатам анализа каждого образца составлен пятибалльный рейтинг характеристик (таблица 2) для упрощения оценки качества полученных отливок и поиска наилучших настроек, где с 1 - наименее важные, а с 5 - наиболее важные параметры. Так прочность на сжатие и точность размеров являются наиболее важными параметрами, за которыми следует жесткость, прочность и газопроницаемость для дегазации форм. Результаты исследований были сведены в таблицу 3, которая показывает в каких экспериментах были наилучшие настройки (соответственно, какие отливки выше по качеству), где 5 — лучший результат, а 1 — самый низкий.
Таблица 2 - Рейтинг характеристик литейной формы
Прочность на сжатие 5
Прочность на растяжение 2
Жесткость 3
Ударная прочность 3
Газопроницаемость 3
Масса 1
Точность размеров 4
Шероховатость поверхностей 2
После того, как рейтинги были разработаны для каждого эксперимента значения из таблицы 2 были умножены на ранжирование по таблице 3, чтобы сформировать общую матрицу оценок (таблица 4). Из таблицы 4 видно, что оценка эксперимента 3 имеет наибольшую общую сумму, значит в нем применены оптимальные настройки для печати формы. Настройки эксперимента 3: разрешение 0,08, количество связующего на 20% больше стандартного, шаг 0,30 мм и доля активатора 0,32%.
Таблица 3 - Результаты экспе
риментов
№ эксперимента 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Прочность на сжатие 1 5 3 4
Прочность на растяжение (Ох) 5 4 3 2
Прочность на растяжение (Оу) 3 5 2 1 4
Жесткость (Ох) 4 1 5 3
Жесткость (Оу) 5 1 3 4
Ударная прочность 4 5 1 2 3
Газопроницаемость 4 3 5 2
Масса 5 3 2
Точность размеров (Ох) 4 1 3
Точность размеров (Оу) 5 2 3 1
Точность размеров (О2) 5 4 1 2
Шероховатость поверхностей 5 2 1 4
Ячейка с наименьшей суммой — это ячейка 6, которая была стандартной настройкой принтера с разрешением 0,10, количество связующего стандартное, шагом 0,30 мм и 0,32% активатора. Затем эти баллы использовались для выбора рабочих критериев для отливок колеса насоса. Для проведения визуально-измерительного контроля были отобраны отливки, полученные в экспериментах 1, 3, 6 и 11.
Таблица 4 - Матрица оценок данных экспериментов
№ эксперимента 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Прочность на сжатие 5 25 15 20
Прочность на растяжение (Ох) 10 8 6 4
Прочность на растяжение (Оу) 6 10 4 2 8
Жесткость (Ох) 12 3 15 9
Жесткость (Оу) 15 3 9 12
Ударная прочность 12 15 3 6 9
Газопроницаемость 12 9 15 6
Масса 5 3 2
Точность размеров (Ох) 16 4 12
Точность размеров (Оу) 20 8 12 4
Точность размеров (О2) 20 16 4 8
Шероховатость поверхностей 10 4 2 8
Итого: 53 27 112 9 55 5 6 22 44 20 60 33
Первоначальный визуальный осмотр каждой детали был направлен на анализ качества литья. Параметры эксперимента 6 использовались в качестве эталона для оценки результатов других экспериментов. Матрица выбора (таблица 4) использовалась для определения того, настройки какого эксперимента наиболее подходят для производства литья. Проверка учитывает все аспекты литья в том числе; целостность поверхности, дефекты и отходы материала. Деталь эксперимента 1 показала удовлетворительное
качество, несмотря на наличие небольшой раковины. В целом состояние поверхности отливки было приемлемым. Деталь эксперимента 3 показала самое низкое качество из рассматриваемых четырех отливок. Дефекты по целостности отливки, предположительно выявлены тем, что форма не была дегазирована или литейный материал был слишком прочным. Это свидетельствует о том, что использование более высокого процента связующего в материале формы при 3Б-печати приводит к качеству отливки. Деталь эксперимента 6 показала хорошее качество. В указанном эксперименте настройки полностью соответствовали рекомендациям завода-производителя оборудования. По целостности не выявлено замечаний и чистота поверхности соответствует конструкторской документации. Из замечаний только наличие небольшого поверхностного дефекта, аналогичного детали эксперимента 1, но меньших размеров. Деталь эксперимента 11 - изделие самого высокого качества. Можно заключить, что использование меньшего количества связующего в материале 3Б-печатной формы позволяет получить литье более высокого качества (рис. 3). Обратной стороной является более низкая прочность формы и стержней, что увеличивает риск их повреждений. Настройки в данном эксперименте позволили получить чистоту поверхности, лучше указанной в конструкторской документации. Структурная целостность литья также была наилучшей из четырех образцов, не было выявлено каких-либо поверхностных дефектов.
Рисунок 3 - Напечатанная литейная оснастка (слева) и изготовленная с её помощью деталь (справа)
Относительно эталонного значения (эксперимент 6) сделаны заключения:
1. Результат эксперимента 1 на 17,1 % ниже, чем параметр эталона, следовательно, его настройки не подходят.
2. Результат эксперимента 3 уступает на 12,2% по сравнению с эталоном. Для улучшения результата необходимо перепроектировать процесс формования, чтобы обеспечить более высокую газопроницаемость, что может улучшить качество отливок.
3. Результат эксперимента 11 на 2,4% лучше эталонного, поэтому его настройки лучше всего подходят для производства литейных форм. Несмотря на то, что эти настройки выдают самую непрочную форму из-за низкого содержания связующего вещества, полученные отливки очень точны.
Системы 3Б-печати песком и песчаными смесями в первую очередь подходят для изготовления прототипов, разовых и мелкосерийных партий деталей. Использование аддитивных технологий вместо традиционных методов литья в песчаные формы, можно рассматривать как выгодное улучшение производственных процессов, обеспечивающие гибкость конструкторского дизайна детали и изготовления без дополнительных затрат времени и средств.
Список литературы
1. Krouth, T.J. Foundry tooling and metal castings in days. Proceedings from International Conference: Worldwide, Advances in Rapid and High-performance Tooling, EuroMold, Frankfurt/M, Germany. Philip Hackney and Richard Wooldridge / Procedia Manufacturing 11-2017, pp. 457-465.
2. Bak, D. Rapid Prototyping or Rapid Production? 3D printing processes move industry towards the latter. Assembly Automation, Vol. 23 No. 4, 2003, pp. 340-345.
3. Shi, Y & Wang, L. Sand casting precision technology based on non-occupying Coating Technology, Int Conf on Computer design and Applications, 2010, pp 7-15.
4. Wang, X.H., Fuh, J.Y.H., Wong, Y.S. & Tang, Y.X. Laser Sintering of Silica Sand -Mechanism and Application to Sand Casting Mould. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 21, no. 12, 2018, pp. 1015-1020.
Voropaev Sergey Sergeevich, student
Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia
(e-mail: sergej.voropaev.92@mail.ru)
Kozlov Andrey Alexandrovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
(e-mail: soy4astnik@mail.ru)
Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia
Kiryushchenko Evgeny Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences
(e-mail: soy4astnik@mail.ru)
Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia
ADVANTAGES OF ADDITIVE TECHNOLOGIES ON THE EXAMPLE OF 3D PRINTING OF MOLDS
Abstract: This article reveals the features of 3D printing technology of sand-polymer molds for foundries, shows the method of setting process modes and the results of studies of the relationship between them. This article briefly shows the advantages of the introduction of additive technologies in foundry production by the example of manufacturing a mold by 3D printing. The main characteristics and advantages of a 3D-printed mold relative to a disposable sand mold are considered. The main attention is paid to the selection of the best characteristics of the 3D printing process with sand mixture, followed by conclusions on the quality of the cast parts obtained.
Keywords: 3D printing, additive technologies, casting mold, model tooling.
