Повышение эффективности производства фасонных отливок за счет интеграции средств аддитивного производства в технологический процесс литья по выплавляемым моделям

Язык труда и переводы:
УДК:
621.74.04
Дата публикации:
30 мая 2022, 12:40
Категория:
Литейное и сварочное производство
Авторы
Юдин Денис Михайлович
Самарский государственный технический университет
Баринов Антон Юрьевич
Самарский государственный технический университет
Никитин Константин Владимирович
Самарский государственный технический университет
Харченко Сергей Викторович
Самарский государственный технический университет
Аннотация:
Рассмотрена конкурентоспособность фасонного литья, как основной продукции литейного производства, определяется оптимальным сочетанием различных факторов. Фасонные отливки ответственного назначения находят широкое применение в основополагающих отраслях промышленности. Как правило, такие отливки получают специальными способами литья. Литье по выплавляемым моделям относится к высокоточным способам литья, обеспечивающим высокую размерную и геометрическую точность. Однако высокая трудоемкость, материалоемкость и длительность технологического процесса, реализуемого по традиционным технологиям, обуславливает всего 1,5 % отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям, в общей доли отливок в машиностроении. В настоящее время для получения литья по выплавляемым моделям находят применение аддитивные технологии по принципу прямого подвода энергии и материала (Fused Deposition Modeling), которые позволяют оптимизировать процесс и воспроизводить модели более сложной геометрии. Однако, удаление применяемых материалов из огнеупорной керамической оболочки происходит только посредством выжига, что влечет за собой использование дополнительных энергетических затрат, образования токсичных газов и канцерогенных веществ. Актуальными становятся задачи по повышению эффективности получения отливок за счет разработки технологии получения моделей фасонных отливок средствами аддитивного производства.
Ключевые слова:
3D-печать, экструзия, аддитивные технологии, воск, модель, литье по выплавляемым моделям, огнеупорная керамическая оболочка, оснастка, фасонное литье
Основной текст труда

Введение

Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в изготовлении отливок заливкой расплавленным металлом в тонкостенные, неразъемные, разовые литейные формы, изготовленные из специальной огнеупорной смеси по разовым моделям. Перед заливкой расплава в форму модель извлекается из нее выплавлением, выжиганием, растворением или испарением. Для удаления остатков модельного состава и упрочнения, форма нагревается и прокаливается. Для улучшения заполняемости формы расплавленным металлом проводят заливку в разогретые формы [1].

Для изготовления отливок в единичных и мелкосерийных экземплярах требуется провести весь спектр литейных работ, от проектирования и изготовления литейной оснастки до заливки и финишной обработки отливок. Часто эти работы имеют смысл делать для деталей, которые затруднительно получить механической обработкой.

Именно в этих случаях аддитивные технологии открывают широкие возможности в быстром решении поставленных задач с соблюдением всех технологических требований, предъявляемым к конечному изделию. Использование аддитивных технологий в литейном производстве позволяет «выращивать» литейные модели и формы, которые невозможно было изготовить традиционными способами, а также значительно сокращает сроки изготовления модельного комплекта [2].

Применение методов получения литейных синтез-форм и синтез-моделей за счет технологий послойного «выращивания» позволило радикально сократить время создания новой продукции.

Материал, который используется для восковой 3D-печати, с натуральным воском обычно не имеет ничего общего, кроме названия, низкой зольности и схожих температур каплепадения [3].

Интеграция аддитивных технологий в литейные процессы

Ввиду активного применения средств аддитивного производства в современных литейных предприятиях, актуальным становится разработка комплекса технико-технологических решений для изготовления моделей фасонных отливок средствами аддитивного производства с применением уже существующих восковых модельных составов, широко распространенных на литейных предприятиях РФ.

Для создания восковых выплавляемых моделей используется несколько технологий 3D-печати — MultiJet Modeling (MJM), Stereolithography Apparatus (SLA) и Fused Deposition Modeling (FDM).

Технология FDM подразумевает создание объемных  объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, после чего послойно формирует конечную заготовку (рисунок 1). В качестве рабочего вещества используется нить (филамент) из различных видов полимеров, в том числе тугоплавких восковых модельных составов. Печать воском по технологии FDM мало чем отличается от печати другими материалами по данной технологии. При печати пруток поступает в экструдер, где нагревается до температуры каплепадения и укладывается слоями на печатную платформу, образуя объемную модель [4].

Рисунок 1. Технология Fused Deposition Modeling

Аддитивное производство восковых моделей становится все более востребовано в литейной промышленности. Преимуществом данной технологии является возможность избежать трудоемкого и долгого процесса изготовления модельной оснастки. Это позволяет уменьшить затраты  промышленных предприятий при изготовлении литых изделий (рисунок 2).

Рисунок 2. Зависимость стоимости модели от количества произведенных экземпляров

Для получения выплавляемых моделей по FDM-процессу целесообразным является использование гранулированных восковых составов, минуя промежуточный этап создания филаментов на их основе.

Рисунок 3. Экструдер машин аддитивного производства Fused Deposition Modeling с возможностью применения гранулированных восковых материалов

При модернизации машин аддитивного производства по технологии FDM в качестве печатного блока устанавливается сборная конструкция с шестеренчатой подачей гранулированного материала и бункерным устройством и бункером (рисунок 3) состоящая из: 1 — шаговый двигатель; 2 — установочная площадка; 3 — сопло экструдера; 4 — шестеренчатая передача; 5 — крепеж; 6 — корпус шестеренчатой подачи модельного воскового состава; 7 — бункер; 8 — крышка бункера.

При установке экструдера на машину аддитивного производства используется установочная площадка. Она имеет разную конфигурацию в зависимости от вида машины аддитивного производства. В корпусе экструдера находятся два отверстия, в которые устанавливаются нагревательный элемент и термистор. Нагревательный элемент находится в механизме подачи, где обеспечивает температуру каплепадения воскового модельного состава. Гранулированный восковый модельный состав загружается в бункер с возможностью настройки температуры подогрева, где под тяжестью своего веса осаждается в механизм подачи.

В корпусе механизма подачи находятся две шестерни, ведущая и ведомая. Ведущая приводится в движение шаговым двигателем, и за счет вращения шестеренчатой передачи восковой модельный состав экструдируется через сопло. Шестеренчатая передача осуществляет дозированную подачу  расплавленного материала.

Заключение

Применение подобных узлов машин аддитивного производства позволит использовать восковые модельные составы, широко применяемые в литье по выплавляемым моделям, и показывает практическую значимость аддитивной технологии в литейном производстве в условиях единичного производства модельных комплектов из современных восковых составов.

Благодаря высокой производительности систем аддитивного производства, современные литейные предприятия могут сократить время изготовления опытных образцов и малых серий отливок в разы, а порой и в десятки раз. Напечатанные из восковых  составов модели отличаются высокой точностью, что позволяет получать модели сложной геометрии, которые невозможно изготовить по традиционным технологиям.

Литература
  1. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. Москва, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015, 220 с.
  2. Дьячков В.Н., Баринов А.Ю., Никитин К.В. Применение аддитивных технологий в производстве литых изделий. Литейное производство, 2016, № 5, с. 30–32.
  3. Дьячков В.Н., Парамонов А.М., Никитин К.В. Совершенствование технологии литья по выплавляемым моделям. Литейное производство, № 7, 2012, с. 33–34.
  4. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии Аддитивного Производства. Москва, ТЕХНОСФЕРА, 2016, 646 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.