Обзор: технологии 3D-печати для литья металлов

3D-технологии для литейного производства: как создать форму для отливки за неделю

Современное литейное производство — сложный технологический метод, при нем заготовки металлических деталей получают с помощью заливания расплавленного металлического сплава в специально подготовленную литейную форму; внутри нее находится полость необходимой конфигурации. После затвердения полученную заготовку извлекают и обрабатывают до нужного состояния. Современная литейная промышленность ставит перед специалистами задачу, при которой получаются максимально соответствующие форме заготовки, требующие минимальных затрат для их доработки.

Далее приведено описание самых известных видов литья в современной промышленности.

Сущность и основы

На литейных предприятиях продукция получается в результате плавления исходного материала, последующей его заливки в форму, а затем затвердевания. Литейные цеха производят изделия широкого ассортимента: от компонентов двигателей до разнообразной тары пищевой промышленности. Литьём получают всю продукцию из чугуна, до половины алюминиевых деталей, до 20 % стальных изделий и т.д.

В основе всех литейных технологий лежит понятие жидкотекучести, когда материал, нагретый до температуры, превышающей температуру его плавления, превращается в высоковязкую жидкость. При этом должен соблюдаться эффект неразрывности её течения в необходимом направлении. Это даёт возможность формовать, в процессе затвердевания расплава, нужные заготовки.

Все литейные металлы обладают сложной структурой, поэтому на жидкотекучесть, оказывают влияние:

Читайте также: Как покрасить молотковой краской в домашних условиях: выбор растворителя

1. Вязкость.
2. Поверхностное натяжение.
3. Характер поверхностной оксидной пленки.
4. Наличие, содержание и состав включений.
5. Способ затвердевания.
6. Химический состав основного материала.
7. Физико-механические характеристики, прежде всего, удельный вес и температура плавления.

Жидкотекучесть устанавливается по результатам химических анализов и технологических проб применительно к конкретному материалу отливки.

Если ранее процесс течения жидкого металла был плохо управляемым, что приводило к различным дефектам литья – неравномерности структуры конечной продукции и пористости, то теперь ситуация изменилась. Чтобы производить отливки с оптимальным качеством и минимизировать издержки производства, освоены процессы компьютерного моделирования, в результате которых можно прогнозировать скорость потока и наличие различных охлаждающих эффектов. Именно они становятся причиной пористости литого продукта.

3-D моделирование позволяет регулировать:

• Вязкость расплава;
• Интенсивность охлаждения;
• Степень пористости.

Разрабатываемая технологом с учётом перечисленных факторов пространственная модель отливки позволяет ещё на стадии проектирования технологии оптимизировать дизайн детали (обеспечивая её оптимальную конфигурацию), конструировать литейную оснастку, а также создавать наилучшую последовательность выполняемых операций.

Технология производства литейных форм методом послойной 3D-печати

24 Октября 2019

Денис Бычковский, к. ф.-м. н., генеральный директор ООО «Аддитивные технологии» Александр Неткачев, технический директор ООО «Аддитивные технологии»

Отечественное литейное производство является основной базой машиностроительного комплекса. Перспективы литейной отрасли определяются темпами развития машиностроения, потребностью в литых заготовках, динамикой их выпуска, уровнем развития литейных технологий и конкурентоспособностью отечественных предприятий

По данным последних лет, в России действует около 1250 предприятий, изготавливающих отливки, оборудование и сопутствующие материалы.

Однако уровень автоматизации литейного производства в нашей стране крайне низок — 78% отливок выпускаются на механизированных линиях и машинах, а также вручную.

В связи с этим разработка автоматизированных методов создания литейных форм становится одним из приоритетных направлений развития отрасли.

Проблема и решение

В транспортном машиностроении сегодня широко используются высокотехнологичные двигатели внутреннего сгорания. В их конструкцию входят сложные по форме и зачастую крупногабаритные блоки цилиндров и головки блоков цилиндров, которые изготавливаются российскими предприятиями по традиционным технологиям литья.

Первая из них — литье в одноразовые формы, сделанные вручную с помощью физических мастер-моделей. Для этого требуется длинная технологическая цепочка изготовления мастер-модели, подготовки смеси, формовка и сушка частей формы, места для хранения моделей и так далее.

Другая технология — литье в кокиль (металлическую форму) — очень затратна по времени (от 6 месяцев до 1–2 лет), трудоемка и экономически невыгодна, а кроме того, данный способ сопряжен с высоким риском брака при изготовлении кокиля. Оба подхода имеют технологические ограничения на сложность внутренней конфигурации отливки.

Применяя перечисленные технологии, невозможно или крайне затруднительно выполнить сложные каналы охлаждения, оптимизировать конструкцию и снизить припуск на последующую обработку.

Все это значительно ограничивает потенциал разработки новой продукции и осложняет выпуск новых моделей, увеличивает сроки выхода новинок на рынок и стоимость запуска в производство, что, в свою очередь, негативно сказывается на конкурентоспособности конечной продукции. Проблемы с невозможностью реализации наилучших расчетных конфигураций конструкции традиционными методами ведут к снижению эксплуатационных характеристик продукции.

В последнее время для преодоления технологических ограничений и ускорения сроков проектирования и производства мировые лидеры машиностроения активно внедряют аддитивные технологии.

Читайте также: Правила применения кислоты для снятия ржавчины с металла, как разводить

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.

Для примера рассмотрим изготовление литейного стержня для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя различными методами (рис. 1). Как видно из приведенного примера, стоимость изготовления формы с использованием разрабатываемой технологии на три порядка меньше, чем по любой другой технологии.

Подобный экономический эффект достигается за счет того, что 3D-принтер создает литейную форму сразу по цифровой модели. Такая модель разбивается на слои и передается в 3D-принтер, в котором отвердитель наносится согласно цифровой модели литейной формы на предварительно подготовленный слой песчаной смеси.

В результате в зоне построения создается отвержденная часть песчаной смеси, точно повторяющая цифровую модель.

Изделие Объем стержня Материал Линейные размеры стержня

Литейный стержень для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя

300 см3

удаляемый из отливки песок (гипс)

300×216×85 мм

Рис. 1. Сравнение методов изготовления литейного стержня

Технология SLA и SLS 3D-печать Станок с ЧПУ Песчано-полимерная 3D-печать

Стоимость, руб.	46560	21560	45
Время, дней	9	24	1

Рис. 2. Напечатанная форма для отливки блока головки цилиндров в сборе с литейными стержнями

Технологии печати, применяемые для производства литейных форм

Для производства литейных форм методом послойной печати предназначены технологии струйной печати и спекания плакированного песка.

Технология литейного производства чёрных и цветных металлов

Литейные свойства материалов учитывают не только жидкотекучесть, но и уменьшение объёма, которое происходит в процессе охлаждения отливки. Такое явление называют усадкой; она составляет 1…3 % от первоначальных размеров. Поскольку все металлы анизотропны, то различают линейную и объёмную усадку, которые определяют итоговый баланс металла. Первый параметр важен для отливок с увеличенным соотношением длины к ширине, а второй – для отливок сложной формы.

В процессе охлаждения металла в его структуре наблюдается ликвация – неоднородность зёрен, что обуславливается различными свойствами составляющих. Формируются также примеси и неметаллические включения. Ликвация негативно влияет на свойства конечной продукции, поэтому неоднородность структуры стараются уменьшать всеми приемлемыми способами. В частности, действующий ГОСТ 26645-85 «Отливки из металлов и сплавов» ограничивает содержание фосфора, серы (а также их соединений – сульфидов и фосфидов), ряд газов – водород, кислород, а также количество шлаков, не выведенных из металла.

В зависимости от литейных свойств металлов принимается решение о выборе целесообразной технологии получения отливок. Различают свободное литьё в формы (песчаные или металлические), литьё под давлением, литьё выжиманием, центробежное литьё, а также комбинированные способы, например, жидкую штамповку.

Центробежное литье

Центробежное литье — это процесс, позволяющий получать высокопрочные отливки. Такую технологию выбирают для таких изделий, как корпуса компрессоров реактивных двигателей, гидравлических компенсационных колец, многих изделий оборонного назначения.

Читайте также: Автоматическая установка для сварки и наплавки кольцевых и продольных швов HWR LEADER, HST Creative (Чехия)

Этапы процесса центробежного литья начинаются с заливки расплавленного металла в предварительно нагретую головку. Пресс-форма может быть ориентирована либо по вертикальной, либо по горизонтальной оси в зависимости от конфигурации детали.

При вращении формы во время заливки расплавленного металла центробежная сила распределяет расплавленный металл в форме под давлением, в 100 раз превышающим силу тяжести. Комбинация этого давления, контролируемого затвердевания и вторичного рафинирования позволяет получать изделия высочайшего качества.

Когда пресс-форма начинает заполняться, более плотный расплавленный металл прижимается к стенке. Направленное отверждение прочного металла происходит от периферии пресс-формы к каналу, в то время как менее плотный материал, включая примеси, перемещается к внутреннему диаметру.

После затвердевания отливки деталь удаляют из пресс-формы, а остаточные загрязнения, сохранившиеся на поверхности отливки, подвергаются механической обработке – зачистке.

Вариантом технологии является центробежное литье в вакууме. Оно используется, когда точность детали и контроль воздействия атмосферы имеют решающее значение, поскольку некоторые сплавы, в том числе никель-кобальтовые сплавы, реактивны по отношению к кислороду.

Важно: центробежное литьё в вакууме обеспечивает очень высокую надежность изделий, часто используемых в аэрокосмической и военной промышленности.

Литьё под давлением

Литье под давлением используется для производства отливок ответственного назначения. Процесс требует использования специального оборудования, где металл плавится, а затем поступает в форму, где охлаждается и затвердевает.

Литье под давлением используется для изготовления тонкостенных деталей с большим количеством рёбер и поднутрений. Такие отливки применяют в бытовой технике, электроинструментах, деталях автомобилей и пр. Формы для литья под давлением не ограничиваются по сечению.

1. Возможность получения деталей со сложными формами и небольших размеров.
2. Высокое качество поверхности.
3. Повышенная (в сравнении с обычными литейными технологиями) точность.
4. Стабильность характеристик металла отливки.
5. Высокая производительность.

1. Высокая стоимость оборудования и оснастки.
2. Сравнительно небольшая стойкость инструмента.
3. Повышенный уровень первоначальных финансовых затрат.

Литьё под давлением оправдывает себя при значительных программах выпуска продукции, либо при повышенных требованиях к качеству готовых отливок (в частности, для исключения последующей механической доработки).

Технологический цикл для литья под давлением очень короткий, обычно от 2 секунд до 2 минут, он состоит из следующих четырех этапов:

• Зажима частей пресс-формы, при этом одна половина закрепляется на оборудовании, а вторая получает возможность скольжения по направляющим;
• Подачи расплава в закрытый объём пресс-формы. Объём впрыска определяется объёмом металла (с учётом его усадки), давлением и мощностью подачи;
• Охлаждения расплава в процессе контакта металла со стенками пресс-формы. В некоторых случаях усадку учитывают поджатием подвижной половины пресс-формы к поверхности затвердевающей детали;
• Удаление сформированной отливки из оснастки, время которого рассчитывается, исходя из термодинамических свойств материала и максимальной толщины стенки детали.

После цикла литья под давлением обычно требуется некоторая пост-обработка. Так, при охлаждении часть материала, находящегося в каналах формы, затвердевает. Этот избыточный металл должен быть обрезан с помощью резаков. При необходимости его можно добавлять в расплав, используя для литья следующей партии продукции.

Непрерывное литье

Процесс, который позволяет позволяет металлам и сплавам растягиваться, формироваться и затвердевать без необходимости прерывания заливки. При этом сокращаются отходы, повышается выход готовой продукции, улучшается экономическая эффективность производства.

Методом непрерывного литья под давлением изготавливаются аккумуляторные решётки. Использование системы роликов и форм с водяным охлаждением снижает вероятность попадания примесей и обеспечивает лучшее соотношение толщины.

Литьё выжиманием

Технология используется в случае, когда требуется постоянная компенсация усадки материала, и применяется для литья крупных отливок с тонкими стенками. Для этого подвижная полуформа получает принудительное перемещение по направлению к поверхности расплава – вращением, винтовым или плоско-параллельным движением. Последовательность переходов такова. Металл заливают в нижнюю часть формы, далее перемещают подвижную её часть до контакта с расплавом, при этом излишек сливается в приёмный ковш установки. Поскольку между ним и основным металлом поддерживается постоянный тепловой контакт, то потери тепла минимальны, и физико-механические параметры материала равномерны во всех сечениях. Возрастает и коэффициент заполнения формы. После затвердевания подвижная полуформа перемещается в исходное положение, а готовая отливка выталкивается из полости.

1. Повышенная структурная однородность отливки.
2. Высокая равномерность физико-механических характеристик материала.
3. Высокая производительность процесса.

В основном литьё выжиманием используется для получения продукции из алюминиевых литейных сплавов.

Оборудование и формы

В качестве плавильного оборудования в литейных производствах предусматриваются дуговые или индукционные электропечи. Вид оборудования определяется металлами, с которыми работает литейный цех/участок: электродуговые печи идеально подходят для работы со сталью или чугуном, в то время как литейный цех, специализирующийся на меди, с большей вероятностью использует индукционную печь. Печи могут варьироваться в размерах: от небольшого настольного оборудования до тех, что весят несколько тонн.

Современные литейные производства механизированы. Механизации подвергаются практически все операции цикла: от производства стержней до собственно литья. Формовочные машины применяют при серийном производстве отливок. Ручная формовка распространена лишь в малых ремонтных производствах.

В состав основного оборудования включают:

• Плавильные печи;
• Заливочные ковши;
• Загрузочно-транспортное оборудование — погрузчики, краны, конвейеры и пр.
• Средства управления и автоматики.

Электродуговая печь работает по принципу периодического плавления. Металл расплавляется путем подачи электрической энергии внутрь печи через графитовые электроды. Дополнительная химическая энергия подается кислородно-топливными горелками. Кислород вводят для удаления примесей и другого растворённого газа. Когда металл расплавляется, шлак образуется и плавает к верхней части расплава; шлак, который часто содержит нежелательные примеси, удаляется перед выводом.

Индукционная печь передает электрическую энергию методом индукции, когда высоковольтный электрический источник индуцирует низкое напряжение при большом токе во вторичной катушке. Индукционные печи способны работать при минимальной потере сырья, однако больше используются при производстве отливок из цветных металлов и сплавов.

Все литейное оборудование специально разрабатывается для надежной работы при повышенных температурах. Доминирующими тенденциями при производстве данной техники являются масштабность, автоматизация, оперативная отделка отливок, повышенные безопасность и эффективность.

Читайте также: Сферы применения и характеристики сплава алюминия и меди

Какие смазочные материалы применяются? Выбор зависит от марки материала и метода литья. Исходный концентрат в жидком виде должен быть водорастворимым, а в твёрдом виде используются термостойкие пасты.

Современные литейные технологии

Современное литейное производство — сложный технологический метод, при нем заготовки металлических деталей получают с помощью заливания расплавленного металлического сплава в специально подготовленную литейную форму; внутри нее находится полость необходимой конфигурации. После затвердения полученную заготовку извлекают и обрабатывают до нужного состояния. Современная литейная промышленность ставит перед специалистами задачу, при которой получаются максимально соответствующие форме заготовки, требующие минимальных затрат для их доработки.
Далее приведено описание самых известных видов литья в современной промышленности.

Литьё в песчаные формы

Это самый малозатратный, при этом весьма грубый метод литья. Благодаря своей дешевизне, способ является наиболее массовым.

Сначала изготавливается литейная модель. Ранее использовали для этих целей дерево, но сегодня гораздо проще выполнить модель с помощью современного 3D-принтера из недорогих полимерных материалов.

Изготовление песчаных форм

Подготовленная модель устанавливается на своеобразной подмодельной плите, сверху на модель надевается ящик без дна (опока). Промежуток между моделью и ближайшими стенками опоки забивается песком или заранее заготовленной смесью песка со специальным связующего.

Для сложных вещей используют две полуформы (2 опоки), плоскость их соприкосновения — это место разъема. Модель извлекают, полученные полуформы соединяют и затем производят отливку. Для заливки металла непосредственно в песко-формовочной смеси делают литники — специальные отверстия.

По окончании застывания заготовку извлекают, удаляют облой, литники и обрабатывают поверхность до стандартного качества.

В настоящее время литьё в разовые песчаные формы позволило применять вакуумируемые формы, приготовленные из сухого специального песка без применения связующего.

Технология непрерывного литья

При изготовлении отливок непрерывным литьем расплавленное сырье из металлоприемника через графитовый пустотелый полустержень поступает в кристаллизатор с обязательным водным охлаждением, при затвердевании вытягивается специальным устройством. Такие заготовки позднее обрезают по необходимым размерам.

Используют непрерывное литье с целью получения полуфабрикатовиз чугуна, цветных, драг. металлов. Заготовки не могут иметь посторонних включений, пористости, раковин благодаря созданию узконаправленного потока затвердевания металла. Эта особенность делает данный способ непревзойдённым для изготовления качественной проволоки.

Литье по газифицируемым выжигаемым моделям

При методе литья по газифицируемым моделям стала существовать возможность не удалять одноразовую модель из отливочной созданной формы перед заливкой. Либо такие исходники удаляются при помощи выжигания, растворения и др.

Благодаря дешевизне пенополистирола этот способ часто применяется для изготовления отливок разного художественного назначения.

Его хорошо использовать для единичных экземпляров элементарных отливок, например накладок с несложным орнаментом, фирменных досок и др.

При изготовлении модели гранулы пенополистирола обязательно подвспенивают для активного роста. Далее укладывают сырье в пеноформы и вторично нагревают.

При этом начинается реактивный процесс расширения и спекания помещенных гранул, в результате возникшего давления пенополистирол заполняет все пустоты внутри формы.

Соединение различных элементов производят простейшим склеиванием, применяя составы, не влияющие агрессивно на химические особенности исходника и полностью выгорающие при нагревании.

Формование газифицируемых моделей необходимо производить в песчано-глинистые, самотвердеющие, жидкостекольные смеси. Большим преимуществом этого прогрессивного метода становится возможность простого формования в песок при отсутствии связующего. При этом песок в формовке не может смешаться с заменяющим модель металлом.

Способ литья в оболочковые формы

Оболочковый способ литья — это технология получения металлических отливок в формах, выполненных по модельной горячей оснастке из специально смешанных песчано-смоляных составов. Такие формы обладают прочностью, податливостью, газопроницаемостью, негигроскопичностью.

Оболочковые формы обладают следующими свойствами: достаточной прочностью, газопроницаемостью, податливостью, негигроскопичностью.

Процесс оболочкового литья начинается с покрытия термореактивной смолой заранее подогретой площадки, на которой установлена обезжиренная металлическая модель. При нагревании первоначальный состав плавится, образуется полутвердая оболочка.

С целью удаления избыточной массы смолы форму с модельной плитой переворачивают, позже дополнительно нагревают. После отвердевания оболочку — полуформу удаляют с матрицы, соединяют методом склеивания или же скрепления с другой половиной.

Затем помещают готовую оболочковую форму в ранее изготовленную опоку и далее заполняют её плотно формовочной смесью. После заливки такая форма разрушается.

Литье под давлением

При изготовлении полуфабриката литьем под давлением пользуются только металлическими формами, но при этом заливку горячего расплава в подготовленную пресс-форму производят под давлением.

Этот способ является довольно высокопроизводительным, обеспечивая при том высокое качество структуры поверхности. Данным методом обычно льют цветные металлы. Диапазон размеров отливок очень разный — от одного г. до нескольких, а порой и десятков кг. Применяют этот вид литья в основном для различного массового производства пустотелых изделий чаще всего простой конфигурации.

Центробежное литье

Центробежный способ предполагает формирование отливок под резким воздействием возникших сил внутри раскручивающейся формы, свободным методом залитой расплавом. Так производят полуфабрикат из черных и сплавов многих цветных металлов. Сейчас разработаны специализированные установки для бережного центробежного литья драгоценных металлов.

Главным и основным преимуществом представленного способа является непревзойденно высокая, при анализировании с другими видами, плотность получаемой кристаллической структуры используемого металла. Эта особенность придает прекрасные механические свойства требуемым заготовкам.

Данный вид литья возможно производить на машинах с различными осями вращения — вертикальной или же горизонтальной. Для него применяются песчаные, металлические, также оболочковые или формы (опоки) по восковым моделям.

Кокильное литье

Литьем в кокиль принято считать получение заготовки путем заливки расплава в многоразовый металлический кокиль. При этом происходит довольно скорый отвод тепла через высокотеплопроводный материал формы, поэтому поверхность отливки, ее механические особенности получаются значительно более высокого уровня, чем у абсолютного большинства других способов.

Интереснейшей особенностью представленного метода является уникальная возможность множественного использования изготовленной однократно металлической формы.

Ее значительная прочность может позволить очень точно копировать конфигурацию поверхности, получая одновременно высочайшее качество металла.

Благодаря большой теплопроводности кокиля изделие быстро затвердевает, соответственно увеличивается скорость изготовления полуфабриката.

Метод литья по выплавляемым моделям

Сегодня в художественной промышленности популярнейшим методом становится литьё по выплавляемым моделям.

Современная технология представляет собой предварительное изготовление высокоточного образца из любого легкоплавкого материала, зачастую воска. Такую модель заливают специальной смесью — формомассой.

После затвердевания из неё вытапливают восковые заготовки, получая литейную форму. В полученные полости необходимо залить расплав. Застывая, он образует заготовки будущих изделий.

Подробное описание литья по выплавляемым моделям наши читатели могут найти в разделе «Технологические процессы на ВЮЗ «Русское серебро». Мы применяем именно этот вид.

Сейчас техника литья смогла не только не потерять главенствующей роли в ювелирной промышленности, а напротив, открылись её новые удивительные возможности.

Эта тенденция стала необходимейшим связующим звеном между уникальным искусством художника-ювелира и современным ювелирным производством.

Основной инструмент в литейном производстве

Литейная оснастка – это модели (шаблоны), опоки и формы. Что такое опока? Это полость, куда заливается расплавленный металл. Шаблон представляет собой реплику объекта, подлежащего литью, и используется для формирования отливки. Модели могут быть изготовлены из древесины, металла или пластмассы. Основными этапами получения оснастки являются:

• Получение полости;
• Размерная обработка элементов;
• Разработка и установка механизмов зажима.

Формы разрабатывают с учётом усадки металла, для чего предусматривают компенсаторы. Стенки форм имеют конические участки для облегчения выталкивания из них готового изделия. Полые отливки создаются с использованием стержня — дополнительного объёма песка или металла, который образует внутренние отверстия и проходы в отливке. Каждый стержень помещают в форму до заливки. Для облегчения выемки застывшей отливки из формы используют противопригарные покрытия.

Существует два различных типа литейных форм: одно- и многоразовые.

Читайте также: Свойства и применение термостойкой краски по металлу

Изготовление модельной оснастки многоразового применения обычно производится из металла, одноразового – из песка. Для облегчения складирования и применения всегда выполняется маркировка кокилей.

После того, как подготовка формовочных песков завершена, песок размещается вокруг модели. Затем образец удаляют, стержни устанавливают на место, после чего производят заливку расплава. Конструктивные особенности инструментов для литья оптимизируются для различных металлов и уровней сложности полости.

Стоимость некоторых видов литейного оборудования и оснастки представлена в таблице:

Наименование	Назначение	Ориентировочная цена, тыс. руб.
Кокили	Для литья чугунных отливок массой до 15000 кг	2
Линия непрерывного литья	Для получения отливок из цветных металлов и сплавов	7200
Индукционная печь	Универсального применения	800
Машина для литья под давлением	То же	4500
Индукционный плавильный комплекс	То же	1500
Вихревые смесители непрерывного действия	Для приготовления песчаных смесей	13
Машина для центробежного литья	Универсального применения	25
Изложница	Для литья чугуна	1,5
Выбивная решётка	Для удаления остатков песчаных форм	16

Кокильное литье

Все виды литья в кокиль — это группа методов, особенно подходящих для получения отливок из цветных сплавов — алюминия, магния и латуни. Перед отливкой функциональные поверхности форм обрабатываются специальным каолином или аналогичным покрытием, которое позволит эффективно разделить поверхности. Формы, которые не могут быть извлечены из изложницы, часто изготавливаются с применением, песчаных стержней. После литья стержни уничтожаются.

По сравнению с литьём в песчаные формы, затвердевание кристаллизатора происходит быстрее за счет лучшей теплопроводности. Образуется отливка с относительно мелкой и плотной структурой материала, которая, в то же время, имеет лучшие механические свойства по сравнению с отливкой из того же материала, но отлитой в песчаную форму.

Преимущества кокильного литья:

• вследствие более быстрого затвердевания кокильное литье обладает лучшими механическими свойствами и относительно мелкой и плотной структурой материала;
• небольшая пористость поверхности;
• высокая точность размеров и уменьшенные показатели шероховатости поверхности;
• уменьшение коэффициента потерь металла.

Литье в кокиль представляет собой хороший выбор для производства отливок среднего размера для серий от 1000 до 10000 штук при минимальной производственной партии в 100 штук.

Процесс применяется для изготовления отливок средних по размерам корпусов приборов, крышек приводов, стоек, вставок латунных или стальных уплотнителей (гайки, корпуса подшипников, штифты и т. д.).

Дефекты литейных сплавов

Перед тем, как производственный цикл выпуска отливок заканчивается, физические свойства и структурная целостность конечного продукта подлежат проверке. Методы испытаний могут быть разрушающими и неразрушающими. Выбор метода обнаружения дефектов зависит от технологического назначения детали. Для некоторых чисто эстетических продуктов требуется только краткий визуальный осмотр для определения точности размеров, наличия трещин и оценки качества отделки. Для литья, имеющего индустриальное применение, в ходе испытаний устанавливаются все физико-механические свойства металла (пластичность, прочность на растяжение, относительное удлинение, ударная вязкость, твердость и т.д.).

Наиболее распространёнными дефектами литья являются:

1. Усадочные дефекты. Когда металл затвердевает после заливки в формы или отливки, он должен сжиматься. Когда металла недостаточно, усадка из чугуна приведет к образованию отверстий или пустот в отливке. В зависимости от его причины существует много типов усадки. При осевой усадке материал по центру получает больше времени для затвердевания по сравнению с металлом по периферии, что приводит к образованию полости. Это может быть вызвано температурой, при которой заливается расплавленный металл, скоростью заливки, качеством исходного сырья.
2. Дисперсная усадка. Размерное изменение элементов сплава может привести к такому типу усадки, где полости образуются перпендикулярно литейной поверхности. К этому типу дефектов может привести высокое содержание азота или низкое содержание углерода.
3. Иногда все литейные изделия могут иметь одинаковый тип дефектов по размерам. Причина – разная скорость отвердевания различных частей отливки.
4. Швы или шрамы. Это металлургический дефект, который характеризуется наличием углублений на поверхности отливки. Дефект вероятен, когда в процессе плавки графит перемещается в усадочные полости.
5. Шлаковые включения. Они представляют собой мелкие пятна, обнаруженные на поверхности литейных изделий. Такие включения вызываются загрязнениями исходного металла карбидами, кальцитами, оксидами и сульфидами.
6. Незаполнение отдельных участков. Вызывается наличием газа в отдельных частях пресс-формы, пониженной текучестью материала. Потребуется увеличить температуру его нагрева и/или вести плавку в вакууме.

Отливка по выплавляемым моделям

Литьё по выплавляемым моделям позволяет производить точные компоненты, сводя к минимуму отходы материалов, уменьшая энергоёмкость производства и снижая затраты на последующую обработку готовых отливок, причём любой степени сложности.

В технологии литья по выплавляемым моделям используется оболочка из керамики, гипса или пластика, которая формируется вокруг восковой формы. Затем эта форма плавится и удаляется в печи, а металл заливается в оболочку для создания отливки.

Процесс литья по выплавляемым моделям происходит в несколько этапов:

• Создание исходного образца, в котором отражается конфигурация готовой детали, с поправкой на тепловую усадку заготовки;
• Изготовление восковых образцов и создание деревянной модели. Она собирается таким образом, чтобы обеспечить доставку расплава ко всем труднодоступным частям отливки;
• Создание оболочки пресс-формы, когда вся восковая модель окунается в керамическую суспензию, покрывается песчаной оболочкой и отправляется на сушку. Эти циклы повторяются до тех пор, пока не будет создана оболочка желаемой толщины, которая устанавливается по размерам и конфигурации готовой отливки. После высыхания керамической оболочки она становится достаточно прочной, чтобы удерживать расплавленный металл во время литья.
• Удаление воска, для чего вся сборка помещается в паровой автоклав, чтобы растопить практически весь воск (остатки, пропитанные керамическим составом, сжигаются в печи). Тогда же удаляются и литники;
• Расплавление и литьё. Форму предварительно нагревают до определенной температуры и заполняют расплавленным металлом, создавая металлическую отливку. С помощью процесса литья по выплавляемым моделям можно получить готовый продукт из любого сплава. В зависимости от его химического состава можно применить плавку на воздухе или в вакууме. Вакуумная плавка используется тогда, когда в сплаве присутствуют реактивные элементы.
• Заключительные операции. После того, как отливка окончательно остынет, оболочка кристаллизатора отделяется от отливки путем вытеснения. При этом отрезаются остатки каналов, литников, а, при необходимости, выполняется пескоструйная обработка, шлифовка и механическая доводка отливки до размерам, обусловленным чертежом изделия.

Технология включает стадию неразрушающего контроля, для чего используется флуоресцентный, магнитопорошковый, рентгенографический или другие методы проверки качества.

• Широкий диапазон массы получаемых отливок – от мелких до 300…350 кг.
• Универсальность и сложность формы, включая и такие, которые нельзя получить металлорежущей обработкой на станках.
• Минимизация последующей механической доводки.
• Высокая точность и низкая шероховатость готовой поверхности.

Литьё по выплавляемым моделям — хорошая альтернатива сварке, поскольку многие компоненты можно объединить в одну отливку сложной формы.

Поскольку инструмент довольно сложен в изготовлении, то данная технология полностью окупает себя в условиях серийного и массового производства.

Подбор специалистов

Эта профессия предполагает производство чугунных, стальных или цветных металлических деталей различными процессами литья, а также периодическое проведение испытаний материалов с целью обеспечения качества. Специалист современного литейного цеха – обрубщик, плавильщик, формовщик — должен знать различные типы пресс-форм и материалов, обработку литейных инструментов, химические процессы, происходящие во время литья.

Профессиональная подготовка включает в себя:

• Теоретическое профессиональное обучение;
• Практику в компании непосредственно на рабочих местах;
• Стажировку или прохождение курсов переподготовки.

Последний этап предназначается для специалистов литейного производства, желающих повысить свою квалификацию. Среди них могут быть операторы производства, инженеры, менеджеры, металлурги, персонал подразделений, обеспечивающих качество, специалисты по охране труда.

В обязательную программу подготовки или переподготовки входят:

1. Основы металлургических процессов (материалы, термодинамика).
2. Виды оборудования.
3. Вторичные металлургические процессы (заливка, перемешивание металла, охлаждение).
4. Пресс-формы, их проектирование и обслуживание.
5. Дефекты литья.
6. Моделирование литейных процессов.

Откуда идут поставки сырья и оборудования

В качестве основных химических компонентов применяются ферросплавы, соли щелочных металлов, борная кислота, бентонит и др. Основные поставщики и условия поставки представлены в таблице:

Поставщик	Наименование сырья	Ориентировочная цена
МПИ (Челябинск)	Ферросплавы	45…80 руб/кг
DOMINIK GEORG LUH TECHNOGRAFIT GMBH (Германия), Екатеринбург	Графитовые электроды	400…600 руб/т
BW KUNSTSTOFFE E.K. (Германия), Бийск, белгород	Литейные электропечи	По запросу
SMO Crl (Италия)	Пресс-формы	20000…30000
SBM InfiSPA (Италия)	Механическое и загрузочное оборудование	80000…120000

Используется отечественное сырьё, а также поставляемое из Китая, Швеции, Украины.

Обзор: технологии 3D-печати для литья металлов

В этой статье мы расскажем про традиционные технологии литья и о том, как они меняются с применением 3D-принтеров. А главное — какие существующие на рынке 3D-принтеры подойдут для внедрения в подобное производство уже сегодня.

Оглавление

О литье

Конечный продукт литейного производства это отливки — будущие детали или заготовки. Их масса может составлять как несколько граммов, так и несколько сотен тонн.

Вот так это делается на станкостроительном заводе.

Можно выделить следующие особенности использования литья в производстве:

1. возможность получать изделия с массой от нескольких грамм до сотен тонн, со сложной геометрией и разнообразными механическими и эксплуатационными свойствами;
2. возможность получения изделий, материалы или габариты которых делают невозможным или невыгодным создание их другими методами;
3. отливки максимально приближены, по размерам и форме, к готовым изделиям, в отличие от заготовок полученных объемной горячей штамповкой или ковкой.

Сравнение с традиционной технологией

В традиционном процессе литья мастер-модель можно изготовить вручную или с помощью механической обработки. Вручную некоторые формы реализовать невозможно. Для изготовления мастер-моделей используют пятиосевые обрабатывающие центры с ЧПУ, что значительно увеличивает возможное разнообразие форм, но и стоимость такой восковки или мастер-модели заметно увеличивается. Такой путь получения отливки актуален для массового производства, в малой и средней серии он, чаще всего, экономически нецелесообразен — тут применение 3D-печати более рационально.

График зависимости стоимости модели от кол-ва произведенных экземпляров показывает эффективность применения аддитивных технологий.

Алгоритм процесса литья с применением аддитивных технологий

Одна из задач, стоящих перед технологами любого литейного производства: минимизация трудоемких операций по механической обработке заготовок. Решается она тем, что отливки должны быть максимально приближены к параметрам необходимой детали, что также экономит средства и время. Здесь на помощь приходят инновации, в лице аддитивных технологий, которые позволяют ускорить техпроцесс, миновав традиционные первые шаги в технологии изготовления отливки. Производитель может за одну операцию получить необходимую литейную модель или форму.

В красной области — традиционный процесс литья, в зеленой и синей — литье с применением аддитивных технологий — сроки изготовления уменьшаются в 2-6 раз.

Прямая печать изделия, которая уже внедрена на многих современных производствах, с экономической точки зрения дороже, чем традиционное литье. Поэтому 3D-печать моделей для выплавления и выжигания, а также синтез уже готовых для литья форм и стержней, вызывает особый интерес.

Литье с применением аддитивных технологий экономически выгоднее, чем прямая печать.

Области применения

Мастер-модели и литьевые формы напечатанные на 3D-принтере используются на ювелирных предприятиях, в производстве стоматологических и ортопедических изделий, в конструкторских бюро, для проведения НИОКР, в учебных центрах и центрах прототипирования.
Геометрически сложные отливки, полученные в результате применения аддитивных технологий, находят применение в кино и на телевидении, когда требуется быстро изготовить необычный реквизит сложной формы.

Модель Aston Martin 1960 DB 5 агента 007, к фильму “Координаты: Скайфолл”, была создана с помощью аддитивных технологий, ради сохранения оригинального автомобиля в трюковых сценах.

Декорации отлитые с использованием песчаных литейных форм напечатанных на 3D-принтере.

3D-принтеры и технологии 3D-печати литейных моделей

Для получения литьевых моделей используют 3D-печать по технологиям FDM (FFF), SLS, SLA, DLP. Эти технологии позволяют напечатать необходимую модель для последующего выплавления или выжигания из образованной вокруг нее литьевой формы. Для выплавляемых моделей используется воск, для выжигаемых — ПММА, CAST-пластик и специальные фотополимеры.

Основной плюс использования такого решения — отсутствие необходимости подготовки специальной оснастки, например — пресс-формы, и низкая зольность материалов при выгорании. Подготовленная 3D-модель сразу отправляется на печать и, после небольшой постобработки, готова к использованию.

FDM (FFF): послойное наплавление

Широко известный профессионалам и любителям аддитивных технологий способ 3D-печати, не требующий дополнительного описания.

Материалом нити для FDM-печати выжигаемых моделей служит специальный пластик, либо композит с высоким содержанием воска.

Принципиальное устройство FDM (FFF) — принтера.

Процесс 3D-печати по FDM-технологии.

PICASO 3D Designer X

PICASO 3D Designer X — FDM-принтер с областью построения 200х200х210 мм, который может печатать такими материалами, как ABS, PLA, HIPS, PVA, ULTRAN 630, ULTRAN 6130, ASA, ABS/PC, PET, PC, FRICTION, CAST, RELAX,ETERNAL, FLEX, RUBBER, SEALANT, PETG, AEROTEX, CERAMO, WAX, SBS, SBS PRO, PROTOTYPERSOFT, PRO-FLEX, TOTAL PRO, NYLON и PEEK со скоростью до 100 см³/ч и с толщиной слоя от 10 мкм.

SLS – Selective Laser Sintering – селективное лазерное спекание

Применяется для изготовления мастер-моделей сложных форм, умеренной точности и относительно больших габаритов.
Как это работает: в рабочей камере, заполненной инертным газом, например азотом, ролик накатывает полистирольный порошок с размером частиц 50-150 мкм на платформу. Новый слой спекается CO2 — лазером (с температурой 100-120 °C) по сечению “тела” CAD-модели. Дальше рабочая платформа опускается на 0.1-0.3 мм, после чего печатается следующий слой.

Принципиальное устройство SLS-принтера.

Печатающаяся модель не требует поддержки, т.к опорной служит сам материал — окружающий порошок. Неизрасходованный материал используется повторно.

Получаемая на таком принтере модель заливается материалом формы, из которой затем выжигается в прокалочной печи. При выжигании выделяются горючие газы, которые необходимо нейтрализовать. Существует опасность засорения формы золой выгоревшей модели, потому материалы для ее изготовления берут с малой зольностью, в сотые доли процента.

Слева — полистирольная 3D-печатная модель, справа — отливка из алюминия

Sentrol SS600G

Sentrol SS600G — SLS 3D-принтер с областью построения 600х400х400 мм, печатающий со скоростью 26 см³/ч, точностью 300 мкм по XY и от 250 по Z.

SLA — Stereolithography Laser Apparatus — лазерная стереолитография

Процесс печати схож с SLS, только вместо порошкового материала — жидкий. УФ-лазер воздействует на материал, который избирательно и послойно отверждается.

В качестве материала используются светочувствительные смолы и фотополимеры. Рабочая платформа опускается или поднимается (зависит от расположения источника света) и жидкость полимеризуется лазером в заданных точках. Неизрасходованный жидкий материал, как и в случае с порошками, может быть повторно использован для печати последующих моделей.

Процесс 3D-печати по технологии SLA.

Полученные модели имеют высокое качество поверхности, что позволяет обойтись без дальнейшей механической обработки.

Пластиковые стереолитографические модели рабочих колес для водомётных движителей (вверху слева), изготовленные по ним восковые модели (внизу слева) и готовая металлическая отливка (справа).

Слева — SLA-модель, справа — отливка из серебра.

Zrapid iSLA1100

Лазерный 3D-принтер Zrapid iSLA1100 печатает со скоростью 100~230 грамм/час объекты размером до 600х1000х1000 мм.

DLP — Digital Light Processing

Для отверждения фотополимера используется DLP-проектор на чипах DMD. Это и является основным отличием от технологии SLA, где используется УФ-лазер. Еще одно отличие — слой проецируется целиком, все пиксели одновременно, а не рисуется лучом лазера, что ускоряет процесс.

DMD-чип с двумя микрозеркалами.

Модели, напечатанные на таком принтере, требуют удаления поддержек и обработки ультрафиолетом. То есть, постобработка для полученных по такой технологии моделей не отличается от тех, которые печатают по технологии SLA.

Процесс печати по технологии DLP.

Световое “пятно” DLP-проектора, в зависимости от печати конкретного слоя.

DLP-печать позволяет получить модель быстрее, но с менее гладкой поверхностью, чем на SLA-принтере.

SLA (слева) и DLP (справа).

Различие детализации при печати по SLA-технологии и DLP-технологии.

FlashForge Hunter DLP

FlashForge Hunter DLP — DLP-принтер с толщиной слоя в 25-50 мкм и областью печати 120х67,5х150 мм.

Напечатанная модель и готовое изделие, изготовлены с помощью принтера FlashForge Hunter DLP.

Voxeljet

Voxeljet — метод послойного склеивания пластикового порошка или песка, разработанный одноименной немецкой компанией. Его аналог — Binder Jet, работает только с песком.
Подобные 3D-принтеры появились в результате сочетания MJ- и SLS- технологий. Используя в качестве материала ПММА, можно получать выжигаемые модели. ПММА — полиметилметакрилат, если проще — измельченное оргстекло с фракцией 85 μm. Печатающая головка укладывает на рабочую платформу слой порошка толщиной от 100 до 150 микрон. Далее наносится связующее вещество, поверх которого снова укладывается слой порошка. Так процесс повторяется до полного изготовления необходимой модели. В случае с песком, мы получаем литьевую форму.

Как и в случае с SLA-технологией, Voxeljet-модель подойдёт для прецизионного литья.

Отливки по ПММА-моделям, без постобработки.

Voxeljet VX 1000

Voxeljet VX 1000 обеспечивает область печати 1060 х 600 х 500 мм, толщину слоя 100 мкм, точность в 0,3% и скорость до 36 мм/ч по вертикали.

3D-принтеры для изготовления форм

Быстро получить качественную литейную форму можно с помощью технологий Binder Jet и SLS. 3D-принтеры, работающие по данным технологиям, печатают формы из специального литейного песка.

Технология Binder Jet — нанесение связующего вещества

Данная технология позволяет напечатать сложную по геометрии песчаную форму без какой-либо дополнительной обработки. После печати можно сразу приступать к отливке. Основным преимуществом технологии Binder Jet является то, что нет необходимости в каких-то особых условия для работы подобного принтера: печать возможна при комнатной температуре.

Процесс печати по технологии Binder Jet.

Материал, в данном случае — песок, распределяется по рабочей платформе с помощью ролика. Далее, печатающая головка наносит связующий клей поверх порошка. Платформа опускается по толщине слоя модели и объект формируется там, где песок связан с жидкостью (т.е. с клеем). Не использованный материал, по аналогии с SLS-технологией, является поддержкой для будущей модели.

Принципиальное устройство принтера с технологией Binder Jet.

Формы для отливки, напечатанные по технологии Binder Jet.

Sentrol SB1000

3D-принтер Sentrol SB1000 печатает по технологии Binder Jet с толщиной слоя от 100 мкм, точностью по XY от 0,0625 мм и размером модели до 120х67,5х150 мм.

SLS-печать литейных форм

Основное отличие от указанной ранее SLS-технологии — использование в качестве материала для печати литейного песка, предварительно плакированного полимером. Материал спекается лазером, после чего очищается. Полученная форма помещается в прокалочную печь для отверждения, которое происходит при температуре 300-350 °С. Главное отличие от Binder Jet — более высокая детализация готовой литейной формы. Правда, для получения готовой формы требуется больше времени, из-за необходимости дополнительной обработки.

Солнечная 3D-печать

Кстати, есть ещё одна интересная технология печати песком — Solar Sinter. Разработал её немецкий инженер, дизайнер и художник Маркус Кайзер. Солнечная 3D-печать отлично подойдет для создания песчаных литейных форм, хоть и очень невысокой точности.

Если вы собираетесь печатать в пустыне, с собой необходимо взять офис. Маркус Кайзер предлагает пирамидальную палатку со светоотражающим покрытием — отличное укрытие от жаркого солнца.

Если ваше предприятие находится в пустыне, то это оптимальный вариант — кругом песок и солнечный свет, которые доступны в стандартную девятичасовую смену. Необходимо только привезти с собой сам принтер с компьютером. Принтер оборудован линзой Френеля, которая концентрирует солнечный свет в пучок, что дает возможность плавить песок с температурой 1400-1600°C; солнечным трекером, что отслеживает положение солнца и поворачивает линзу к нему; и фотоэлементами, для питания электроприводов установки. Главный плюс — экономия на электроэнергии, материалах и аренде помещения. Но еще важнее, пожалуй, концептуальность.

Процесс печати на солнечном 3D — принтере.

Такой принтер, и в силу специфики применения, и из-за невысокой точности получаемых моделей, вряд ли можно использовать для промышленных нужд. Но для художников и ремесленников он станет настоящей находкой. Печатать на нем литьевые формы, пожалуй, занятие сомнительное, а вот арт-объекты — самое оно.

Извлечение модели из рабочей зоны солнечного 3D-принтера производится с помощью столовой ложки. Можно использовать вилку, но скорость будет ниже.

А если серьезно — кто знает, куда зайдут технологии дальше? Порой безумные проекты открывают новые возможности.

Итог

Внедрение 3D-печати делает процесс литья дешевле и быстрее, позволяет изготавливать модели и формы для литья со сложной геометрией и разнообразными габаритами, не теряя в точности получаемой отливки.

Для получения выплавляемых и выжигаемых моделей рекомендуется использовать принтеры, работающие по технологиям FDM(FFF), SLS, SLA/DLP, Voxeljet. Используемые материалы обладают низким процентом зольности, а печатать модели быстрее, чем изготавливать вручную или с помощью станка с ЧПУ.

Пример технологической цепочки для получения отливки с применением выплавляемой модели.

Для получения литейных форм подойдут технологии печати Binder Jet и SLS с подходящим для форм материалом.

Аддитивные технологии в литье применимы в тех случаях, когда необходимо максимально дешево и быстро получить мастер-модель или форму для будущей отливки, например — в конструкторских бюро и на опытных производствах. Применимы они и в серийном производстве — если микронная точность не требуется, разница в скорости и стоимости работ делает их куда привлекательнее механообработки на фрезере с ЧПУ.

Уже сейчас можно заказать отливку из металла или пластмассы и посмотреть на результат применения 3D-печати в литье.

Подобрать 3D-принтер для интеграции в литейное производство или оборудование для литейного цеха можно в Top 3D Shop.

Хотите больше интересных новостей из мира 3D-технологий?

Подписывайтесь на нас в соц. сетях:

• Блог компании Top 3D Shop
• 3D-принтеры

Источник https://miminonino.ru/metally-i-splavy/sovremennye-litejnye-tehnologii.html

Источник https://habr.com/ru/companies/top3dshop/articles/427709/

Источник