Назад
179
Применение литья под низким давлением для модельных
модулей обеспечивает экономию жидкого металла до 60
70%
за счет отсутствия литниковой системы.
12.2. Точное литье по выплавляемым и выжигаемым
моделям
Литье по выплавляемым моделям является
высокотехнологическим промышленным видом производства
готовых деталей или заготовок, максимально приближенных
к окончательным размерам. Этот вид литья является
экологически целесообразным при отливке деталей очень
сложной конфигурации, которые требуют
многооперационной механической обработки, например,
лопатки газовых турбин, детали двигателей, автомобилей и
др. Этим способом можно получать отливки с толщиной
стенки до 0,3 мм и отверстия в любом направлении до 2 мм,
квалитета точности IT8-IT9.
Технологический процесс изготовления опытных партий
по выплавляемым моделям с использованием
стереолитографии следующий:
создание трехмерной математической модели (3D CAD
модели);
изготовление модели на установке стереолитографии
SLA;
изготовление эластичной силиконовой формы;
литье восковых моделей на установке литья в вакууме с
использованием подогреваемой чашки;
формирование «оболочки» с использованием гипса или
жидких керамических материалов на алюминиево-
циркониевой или кремнеземной основе;
термообработка оболочки с одновременным удалением
воска. Для удаления воска можно использовать автоклав,
на практике рекомендуется также удаление «открытым
огнем»;
заливка расплавленного металла;
180
разрушение оболочки механическим способом, водяной
струей;
удаление литниковой системы;
механическая доработка детали.
Модели обычно изготавливают из легкоплавких
материалов – стеарин, парафин, воск.
Фирма 3D Systems (США) запатентовала производство
выжигаемых моделей на стереолитографических установках,
получившее название Quick Cast
R
[70]. Использование
моделей по технологии Quick Cast снижает стоимость и
время изготовления путем исключения производства
оснастки, необходимой для отливки восковых моделей.
Выжигаемая стереолитографическая модель замкнутая
тонкая (толщиной 0,5
0,7 мм) оболочка строится на
установке SLA по специальному алгоритму. Такая
конструкция модели позволяет обеспечить низкий
коэффициент заполнения материалом модели (0,15
0,2).
На рис. 4 (см. прил.) представлены модели по
технологии Quick Cast, изготовленные в Харьковском центре.
Последующая схема технологического процесса [70]
состоит из нескольких этапов:
модель Quick Cast прикрепляется к центральному
литнику с затворами, чтобы образовать кластер;
оболочковая форма строится путем опускания кластера в
керамический жидкий раствор. Первый слой это
«лицевое покрытие» из мелкодисперсного жидкого
раствора, которое помогает воссоздать мельчайшие
подробности модели;
затем оболочка покрывается тонкими керамическими
огнеупорными зернами (песком). После сушки этот
процесс опускания и покрытия повторяется со
значительно более грубыми огнеупорными зернами,
чтобы получить желаемую оболочку или толщину
литейной формы;
как только оболочка литейной формы высушена, она
181
нагревается в автоклаве, чтобы дать возможность
восковому литнику и стержню литника стечь.
модель нагревается в печи для отжига с пламенем при
высокой температуре, чтобы подвергнуть спеканию
литейную форму и удалить модель Quick Cast.
расплавленный металл наливается в предварительно
нагретую литейную форму с помощью гравитации,
давления, вакуума или центробежной силы. Как только
металл охлаждается, детали, затворы и стержень литника
становятся цельной твердотельной отливкой.
когда металл охладел и отвердел, керамическая оболочка
удаляется с помощью механической вибрации,
химической очистки или разрушением с помощью воды.
Метод может зависеть от специфики литья металла.
детали срезают с центрального литника и выступов
затворов до основания. Теперь детали готовы для
закалки или дополнительных технологических
процессов.
Представленный алгоритм технологии Quick Cast
содержит целый ряд специфических моментов, знание и
реализация которых позволит успешно освоить процессы
точного литья.
Исследования, проведенные российскими учеными [3,
15], показали, что для уменьшения растрескивания
керамических литейных форм при выплавлении модели и
снижения количества коксового остатка целесообразно
применять пустотелые модели (имеющие меньшую
плотность) и обеспечить рациональный режим прокаливания:
скорость прокаливания, состав газовой фазы, давление,
который должен изменяться по определенному закону.
Соблюдение всех технологических требований
технологии Quick Cast позволяет реализовать процесс
точного литья по выжигаемым моделям и обеспечить
значительное снижение времени технологического цикла.
182
12.3. Литье в эластичные силиконовые формы
Одним из направлений использования стереолитографии
является литье в эластичные силиконовые формы в вакууме.
Литье в вакууме в эластичные формы это процесс
получения опытных образцов и небольших партий
пластмассовых и восковых деталей любой сложности и
габаритов без изготовления стандартной оснастки.
Благодаря использованию широкой гаммы материалов
отливаемые копии могут быть эластичными, жесткими,
термостойкими, ультрафиолетовостойкими, прозрачными или
иметь различные цвета.
Принцип изготовления деталей по технологии литья в
эластичные формы заключается в абсолютно точном
копировании стереолитографической модели. Модель
удаляется из силиконовой формы после надреза формы по
разделительным плоскостям. Литьевые смолы смешиваются в
вакуумной камере установки.
Технология литья в эластичные силиконовые формы в
вакууме позволяет:
получить точные копии мастер-модели со стабильными
размерами;
проверить собираемость и работоспособность
проектируемых новых изделий;
отработать дизайн изделия;
провести испытания до изготовления серийной оснастки;
изготовить партию опытных образцов в течение
нескольких часов после изготовления силиконовой
формы;
получить модели из воска для мелкосерийного литья
металлических деталей.
Основные преимущества предложенной технологии:
сложные поверхности, мельчайшая конфигурация детали
и любые текстуры полностью воспроизводятся
эластичной или силиконовой формой;
готовые опытные образцы деталей могут быть получены
183
уже через несколько дней, для получения копий можно
использовать самые различные материалы;
высокая точность изготовления образцов позволяет
реально оценить собираемость и работоспособность
сложных изделий и при необходимости быстро
осуществить соответствующие доработки.
На рис. 7, 8 (см. прил.) показаны силиконовые формы,
полученные по приведенной технологии в Харьковском центре.
12.4. Центробежное литье
Центробежным литьем в технологии Rapid Tooling
является процесс получения отливок путем заливки металла
или пластмасс во вращающуюся силиконовую форму
(изложницу).
При центробежном литье жидкий материал, заливаясь во
вращающуюся форму, распределяется по внутренней
поверхности формы под действием центробежных сил и
застывает, образуя заготовку. Этим способом можно
получать отливки из цинка, свинца, алюминия и
термореактивных пластмасс [15].
Мастер-модель обычно получают методом
стереолитографии. Для изготовления литейной формы
применяют силиконовые формовочные материалы [15],
вулканизирующиеся под действием тепла. Они обеспечивают
большой срок службы форм при литье высокопрочных
алюминиевых и цинковых сплавов. При литье
термореактивных пластмасс эти материалы обеспечивают
высокую устойчивость форм к нагреву и химическим
реакциям, возникающим при полимеризации
термореактивных пластмасс.
Материал для формы выбирают в зависимости от
условий ее применения: температуры литья, точности
получаемого изделия, сложности формы и срока ее службы.
Основные преимущества центробежного литья:
возможность получения металла с повышенными
184
механическими свойствами при полном отсутствии
усадочных раковин и неметаллических включений.
Объясняется это тем, что под действием центробежных
сил любая частица вращающегося материала,
перемещаясь вдоль радиуса, становится более тяжелой;
удаляясь от оси вращения, она застывает у стенки
формы. При этом частицы, имеющие меньший удельный
вес (шлаки и газы), вытесняются к центру отливки в зоне
припуска.
упрощается технологический процесс. При этом точность
металлических отливок соответствует 12
13 квалитету.
Литейную форму можно использовать до 50
60 раз в
течение одного часа [15].
Центробежное литье в технологии Rapid Tooling -
дорогой, но высокопроизводительный процесс получения
заготовки.
12.5. Гальванопластика
В настоящее время в Харьковском центре
отрабатывается экспериментальная технология получения
формообразующих вставок пресс-форм с использованием
методов гальванопластики и нанесением износостойкого
покрытия на основе электролитического железа высокой
поверхностной твердости.
Процесс включает несколько этапов:
создание стереолитографической модели оснастки на
установке SLA 5000 (например, матрицы и пуансона
пресс-формы);
используя метод гальванопластики, последовательно
наносятся электропроводные слои азотнокислого
серебра, меди и декоративный слой никель-кобальта,
имеющие достаточные прочностные характеристики и
одновременно обладающие хорошими декоративными
свойствами;
нанесение износостойкого покрытия на основе
185
электролитического железа высокой поверхностной
твердости при комнатной температуре, что позволяет
сохранить форму и размеры стереолитографической
модели, повысить ресурс работоспособности. Наносимая
толщина слоя металла до 2 мм, твердость HRC 58-70,
скорость осаждения 0,25 мм/час, шероховатость
поверхности соответствует исходной поверхности
модели.
полученную таким образом прочную оболочковую форму
заливают композитом на основе эпоксидной смолы и
металлического порошка, мелких стальных шариков с
полимерным связующим. Получается достаточно
жесткая работоспособная формообразующая оснастка.
Далее выполняется отделение стереолитографической
модели от полученной оснастки путем нагревания и при
необходимости осуществляется механическая дообработка.
Преимущество данной технологии получение отливок
сложной формы при сохранении точности и шероховатости
рабочих поверхностей.
На рис. 9 (см. прил.) представлена вставка пресс-формы,
полученная методом стереолитографии и гальванопластики.
Использование представленной интегрированной технологии
позволяет в 5
6 раз сократить сроки изготовления оснастки и
инструментов по сравнению с традиционными
технологическими способами (механическая обработка,
электроэрозионная обработка).
12.6. Процесс 3D Keltool
TM
3D Keltool-технология была разработана в семидесятые
годы (США), как 3M Tartan Tooling технология, а в 1996 г.,
вместе с появлением новых возможностей RP процесса
стереолитографии, была значительно усовершенствована
фирмой 3D Systems (США) [49].
3D Keltool базируется на снятии слепков с прототипов,
полученных при помощи стереолитографии, посредством
длительной низкотемпературной агломерации специальной,
186
обычно порошкообразной металлополимерной смеси.
Процесс объединяет в себе преимущества
стереолитографии – высокую точность и хорошее качество
поверхности, с хорошими формовочными характеристиками
мягкого силикона. По первичному прототипу создается
промежуточная форма для высокотемпературного литья
силикона. Она заливается специальной keltool-массой из
связанного полимером карбида вольфрама и
инструментальной стали, не реагирующими с жесткой
формой. После применения прототипа для создания
первичной или вторичной формы, необходим простой или
двойной процесс воспроизведения.
Процесс идентичен в этом отношении с Low Melting
Point Metal (литье легкоплавких металлов) (LMPM)
процессом, при котором получаемая форма состоит из
легкоплавкого металлического сплава.
Сырая порошковая смесь сохраняет прочность в
процессе отвердения. В технологиях сокращенной
длительности, с применением водорода (температура около
120
0
С) под давлением удаляется закрепитель и пористая
форма спекается. После этого поры заполняются медью.
Подробности технологии представляет «ноу-хау».
Лишь немногие пользователи имеют прямую лицензию
от изготовителя на использование keltool-технологии.
Keltool-инструменты чаще всего изготавливают на заказ
фирмой-разработчиком технологии. Первый лицензиат в
Германии была фирма Moeller AG. Как изготовитель
сравнительно мелких формируемых из пластмассы деталей и
собираемых из них электромеханических узлов, фирма
Moeller использовала keltool-технологию преимущественно
при изготовлении инструментов прямым литьем пластмассы
под давлением.
Относительная погрешность изготовления ± 0,2% для
мелких габаритных размеров позволяет достигнуть
приемлемой точности. Достигаемая твердость HRC 44
187
является приемлемой, но остается на уровне несколько
меньшем HRC 50. Полученная оснастка может
использоваться в соответствии с классическими методами.
Технология получения оснастки определяется
технологическим процессом от подготовки до запуска серии
в зависимости от объема партии деталей.
Длительность производства прототипа при помощи
стереолитографии с применением 3D Keltool-технологии
составляет около 10 дней, что соответствует
продолжительности изготовления оснастки с использованием
различных технологий агломерации металлов. Это позволяет
получать более гладкую поверхность и более точные детали.
В зависимости от сложности формы можно отметить
существенную экономию времени, в частности по
отношению к электроэрозионным технологиям, которая в
некоторых случаях может составить 30%. Производителем
указывается экономия времени 25
40%.
Один из вариантов рассматриваемого технологического
процесса позволяет при использовании карбидвольфрамовых
сплавов получать электроды для эрозионной обработки с
шероховатостью поверхности
a
R
= 0,4 мкм, что подтверждает
высокую эффективность 3D Keltool-технологии.
188
13. Прямые RT методы ускоренного производства
Косвенные (непрямые) методы для производства
инструмента, как описано ранее, нуждаются как минимум в
одном промежуточном процессе воспроизведения. Это может
привести к потерям точности и увеличить время на
производство оснастки. Чтобы преодолеть некоторые из
недостатков непрямых методов, создатели RP установок
предложили новые методы получения оснастки, которые
дают возможность строить их по 3D CAD моделям.
Прямые RT методы дают возможность производить
оснастку, увеличив ее работоспособность до десятков тысяч
циклов, и представляют собой хорошую альтернативу
традиционным методам производства литейных форм. Это
делает область применения прямых RT процессов очень
широкой, охватывая производство прототипа оснастки,
экспериментального и промышленного образцов оснастки и
деталей. Прямые процессы RT могут быть разделены на две
основные группы.
Первая группа включает в себя менее дорогостоящие
методы с коротким процессом производства, которые
соответствуют небольшому сроку службы оснастки. Такая
оснастка способна тиражировать малые серии деталей до
200 шт.
Вторая группа основана на RP методах, позволяющих
создавать оснастку для среднесерийного промышленного
производства. Создатели RP оборудования называют
создаваемые технологические методы производством
«твердой оснастки». В настоящее время технология
производства «твердой оснастки» в большинстве своем
основана на спекании порошков металла.
Рассмотрим наиболее распространенные прямые методы
RT технологии.