CC BY
0
Машиностроение и машиноведение
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ МЕТОДОМ
ПОСЛОЙНОГО СИНТЕЗА 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) Липецкий государственный технический университет, г.Липецк, Россия
В данной статье раскрываются особенности технологии 3D-печати песчано-полимерных форм для литейных производств, показаны основные этапы и преимущества данного процесса.
Ключевые слова: 3D-печать, моделирование, литейная форма, машиностроение.
В последнее время для преодоления технологических ограничений в машиностроении активно внедряют аддитивные технологии. При проектировании и изготовлении новых изделий во всех сферах жизнедеятельности требуется множество разнообразных литых деталей со сложной наружной и внутренней поверхностью. Примеры таких изделий: детали для летательных аппаратов, улиты и рабочие колеса для всех типов насосов, головки цилиндров автомобильных двигателей, корпуса паровых турбин, все виды клапанов, детали для оружия, изделия из жаропрочных сплавов для техники специального назначения, комплектующие ракет.
Производство объемных песчано-полимерных форм без модельной оснастки (Patternless Casting Manufacturing, сокращенно PCM) - это одна из современных технологий литья, которая объединяет традиционную технологию литья в песчано-полимерную форму и изготовление детали путем послойного синтеза материала на основу (ЭБ-печать). Создание литейных форм методами послойного синтеза 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). Это приводит к сокращению времени производства и снижению на порядок стоимости формы.
Первоначально технология PCM была разработана в 1997 г. в Университете Цинхуа (Китай). А в 2002 г. на базе данной технологии было организовано серийное производство промышленных аддитивных установок, способных печатать литейные формы и стержни из песчано- полимерной смеси. Сейчас данная технология применяется для аддитивного производства (ЭБ-печати) в традиционной литейной промышленности, чтобы упро-
стить классический процесс литья, особенно в малообъемном производстве и экспериментальном производстве нового изделия.
Литье Финишная обработка
Рисунок 1 - Процесс прототипирования и изготовления рабочего колеса
насоса
Производство объемных песчано-полимерных форм без модельной оснастки - технология быстрого прототипирования для изготовления традиционных песчано-смоляных литейных форм. Сначала на основе модели детали в системе автоматизированного проектирования (CAD) создают модель формы (рис. 1), затем из структуры модели формы в CAD получают послойное распределение материала и информацию для управления, генерируемую по информации о координатах и уровне слоя.
Мсдель детали Модель формы Разделение на слов
BCAD eCAD и генерация траекторий
сканирования
Повтор ¡пока не будут выполнены все слои)
11
ЕЙ
W_
п
Верхний покрывающий Распыление связующего слой вещества
Моделирование Удаление сухого
завершено песка и нанесение
лакокрасочного
ПОКРЫТИЯ
Разливка
Форта
Рисунок 2 - Этапы производства ЗБ-печати песчано-полимерных форм без модельной оснастки
По ходу моделирования катализатор равномерно смешивают с исходным песком (рис.2), производится точное распыление связующего вещества соплом в соответствии с графикой в разрезе, при этом связующее вещество и катализатор вступают в адгезионную реакцию, в результате чего образуются слои затвердевшего песка и происходит накопительное создание формы. 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 последующих сцеплений 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 очищается. 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.
ТРАДИЦИОННАЯ « ХНОГИГИИ ПнТьЯ от та сгты до i ш дим.
Рисунок Э - Сравнение технологий традиционного литья и PCM
В сравнении с традиционным подходом PCM дает ряд преимуществ (рис. Э):
1. Более быстрый процесс от создания модели до готовой отливки.
2. Оптимальные припуски при литье и отсутствие углов конусности, что дает экономию материала детали.
3. Возможность изготовления отливок сложной геометрической формы.
4. Более точное литьё (размерную точность отливки легко контролировать), в ряде случаев пропадает необходимость механической обработки.
5. Изготовление формы с заданными механическими характеристиками.
6. Снижение отходов производства - формовочные материалы, после переработки, можно использовать еще два-три цикла (более длительное использование возможно, но приводит к снижению прочности формы).
Последнее два пункта рассмотрим более подробно. Средняя прочность формы, изготовленной по классической технологии - 0,5 МПа, а по технологии 3Б-печати - 0,8 МПа. Но в технологии 3Б-печати используется самая мелкая фракция песка, из-за этого плотность укладки его гораздо больше и соответственно газопроницаемость хуже. При увеличении диаметра каналов и пористости она улучшается в диапазоне 20-90% (рис. 4). Дополнительный эффект можно получить добавкой кислотного катализатора, который выполнит роль дополнительного связующего.
Предварительно видно, что уже 20% пористость увеличивает газопроницаемость формы в 2 раза. Причём газопроницаемость улучшается как вдоль пор, так и вдоль стенок формы (для 20% заполнения примерно в 1,5 раза). Но рост пористости приводит к снижению прочности. При 30% пористости прочность в продольном сечении снижается 40%, а в поперечном сечении потеря прочности может достигать 50%. Важен баланс характеристик, который определяется материалом отливки и требуемой точностью. Например, для отливок с повышенным газовыделением (медь и ее сплавы) - оптимальное сочетание будет наличие газоотводящих каналов диаметром 1-3 мм и пористость 20-30%.
80%
75%
1 70%
го *
о.
ш
о
и
0 0,2 0,4 0,6 0,8
Прочность напечанного образца, МПа
0,7мм ■ 0,5мм ■ 0,3мм
Рисунок 4 - Зависимость прочности образцов от толщины слоя печати при разном содержании связующего (смолы)
Прочность форм, напечатанных только на новом песке, примерно на 40% больше, чем напечатанных смесью 1/3. Но при увеличении толщины слоя печати (рис.4) прочность формы снижается (до 75%). Диаметр канала
- это следующая характеристика, влияющая на прочность. Таким образом чистый песок мелкой фракции имеет смысл использовать для геометрически сложных отливок с высокой детализацией. В этом случае возможно полностью или частично отказаться от последующей механической обработки.
Заключение.
Аддитивные технологии не эффективны при больших тиражах одинаковых деталей или продукции. В серийном производстве применение фрезеровального станка с ЧПУ вместо ЭБ-печати может дать больший экономический эффект. Если необходимо производить однотипные детали из материалов сходных свойств небольшими тиражами (например, до 100 штук), то внедрение узкоспециализированного устройства аддитивного производства будет экономически выгодно - рис.5). Промышленные установки по изготовлению песчаных форм для литья являются ярким примером таких устройств, а использованные напечатанные формы потом достаточно просто перемолоть в пластиковые гранулы и использовать повторно. Отливки, произведенные с использованием форм, полученных по технологии послойного синтеза, благодаря своей точности размеров, допускам на обработку и качеству поверхности, сравнимы с традиционным процессом литья или превосходят его и могут значительно снизить производственные затраты.
Список литературы
1. С.В. Чемодуров, А.М. Ембулаев. Аддитивная технология PCM - ЭБ-печать пес-чано-полимерных литейных форм и стержней без модельной оснастки. / Литейное производство и металлургия. Беларусь 2021, с.48-54.
Voropaev Sergey Sergeevich, student (e-mail: sergej.voropaev.92@mail.ru) Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia
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.
