Разработка комплекса технико-технологических решений для аддитивного производства моделей с целью повышения качества фасонных отливок ответственного назначения при литье по выплавляемым моделям

Язык труда и переводы:
УДК:
621.74.04
Дата публикации:
16 мая 2022, 18:51
Категория:
Литейное и сварочное производство
Авторы
Денисов Константин Андреевич
Самарский государственный технический университет
Баринов Антон Юрьевич
Самарский государственный технический университет
Никитин Владимир Иванович
Самарский государственный технический университет
Никитин Константин Владимирович
Самарский государственный технический университет
Аннотация:
Рассмотрена интеграция аддитивных технологий в стандартный технологический процесс литья по выплавляемым моделям. Рассмотрены технологические свойства полимерных материалов и определены наиболее перспективные композиции для изготовления разовых моделей. Приведены технологические режимы для подготовки управляющих программ для машин аддитивного производства, работа которых основана на способе наплавления нитей.
Ключевые слова:
3D печать, аддитивные материалы, аддитивные технологии, аддитивное производство, воск, полимер, модель, литье по выжигаемым аддитивным моделям, литье по выплавляемым моделям, огнеупорная керамическая оболочка
Основной текст труда

Введение

Фасонные отливки ответственного назначения из черных и цветных сплавов находят широкое применение в таких основополагающих отраслях промышленности, как машиностроение, авиа- и ракетостроение. При этом, с развитием техники к отливкам предъявляются все более ужесточающиеся требования по геометрической точности, прочности и надежности в эксплуатации. Наряду с повышающейся конкуренцией в производстве фасонного литья, важное значение приобретает себестоимость литой продукции и сроки ее изготовления [1].

В связи с этим, актуальными становятся задачи по разработке комплекса технологических решений, направленных на обеспечение требуемого качества с одновременным снижением себестоимости и сроков производства отливок ответственного назначения за счет использования аддитивных технологий в качестве инструмента для создания разовых моделей и модельной оснастки на этапе подготовки производства [2].

Определение требований

В современном аддитивном производстве по технологии FDM для создания моделей с различными технологическими свойствами используется широкая номенклатура полимерных материалов [3]. Для применения в технологическом процессе литья по выплавляемым моделям материалы должны обладать следующими основными свойствами:

  • наиболее низкая температура плавления/каплепадения (для возможности использования моделей в стандартном технологическом процессе литья по выплавляемым моделям совместно с восковыми элементами литниково-питающей системы) [4];  

  • низкой остаточной зольностью после режимов прокалки керамических блоков [5]; 

  • малым коэффициентом линейного расширения при режимах вытопки модельных блоков для обеспечения целостности керамической оболочки [6].

Экспериментальная часть

К наиболее перспективным материалам для получения удаляемых моделей можно отнести следующие полимерные композиции: PLA, HIPS, SBS, ABS и PMMA. Данные материалы широко распространены в современном аддитивном производстве по технологии FDM и могут выступать в качестве модельных материалов в условиях прямого выжига из керамической огнеупорной формы.  Графическая зависимость остаточной зольности полимерных материалов от плотности опорных структур приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Графическая зависимость зольного остатка от плотности опорных структур

Выводы по экспериментальной части

На графической зависимости отчетливо прослеживается малые значения зольности у материалов на основе полилактида (PLA) и полиметилметакрилата (PMMA), тогда как у полимерных материалов на основе ударопрочного полистирола (HIPS) и акрилонитрилбутадиенстирола (ABS) наблюдаются повышенные значения зольного остатка в керамической огнеупорной форме. Таким образом, перспективными материалами для аддитивного производства моделей в технологическом процессе ЛВМ можно считать материалы на основе полилактида и полиметилметакрилата с соблюдением следующих условий:

  • плотность опорных структур в диапазоне 5–15%;
  • отсутствие пластификаторов и красителей при непосредственном производстве филамента;
  • использование специально разработанных ступенчатых режимов выжига полимерных моделей, совмещенных с прокалкой керамической оболочки.

Интеграция аддитивного производства в действующие технологические процессы

Однако, в современном литейном производстве зачастую используются комбинированные модельные блоки, состоящие из полимерных моделей и стандартизированных элементов литниково-питающих систем, выполненных из модельных восков, применяемых для серийного производства отливок в условиях стандартного технологического процесса предприятия. Таким образом, при производстве керамических огнеупорных форм в условиях действующих технологических процессов предприятия, выполнить операцию выжига полимерной модели (совмещенную с режимом прокалки керамической оболочки) не представляется возможным без предварительной операции вытопки модельного состава.

Для получения крупногабаритных фасонных моделей наиболее целесообразным является использование комбинации материалов, где в качестве материала опорных структур и внутренней оболочки применяется воско-полимерная композиция из наполненного воска с добавлением полимерных материалов на основе полилактида и полиметилметакрилата, а для создания внешней оболочки используются наполненные воска близкие по составу к литейным и имеющие температуры начала каплепадения от 80 ºС.

 

На рисунках 2 и 3 представлена структура получаемой модели в автоматизированной системе подготовки управляющих программ “PolygonX”.

Рисунок 2. внешний вид комбинированной воско-полимерной модели с поддерживающими структурами в программной среде PolygonX (фрагмент)
Рисунок 3. внутренняя структура воско-полимерной модели в программной среде PolygonX (фрагмент)

На рисунках 2 и 3 показано расположение внутреннего каркаса вместе с опорной структурой модели из тугоплавкой воско-полимерной композиции и внешней оболочки, выполненной из наполненного модельного воска.

Выводы

Использование воско-полимерных моделей, полученных средствами аддитивных технологий, в стандартном технологическом процессе предприятия позволяет:

  • снизить тепловую нагрузку на рабочие механизмы машин аддитивного производства-
  • упростить ручное удаление поддерживающих структур
  • сохранить взаимодействие в системе «модель-огнеупорная керамическая оболочка» подобно классическому процессу на этапе вытопки модельных блоков [7]; 
  • проводить регенерацию воско-полимерных композиций для последующего повторного использования благодаря однородности поддерживающих структур.
Литература
  1. Аникеев В.В. Литейные сплавы в машиностроении: лабораторный практикум. Самара, Самар. гос. техн. ун-т, 2015, 52 с.
  2. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. Москва, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015, 219 с.
  3. Коротченко А.Ю., Хилков Д.Э., Тверской М.В., Хилкова А.А. Об использовании в литейном производстве аддитивных и гибридных технологий. Литейное производство, 2019, № 6, с. 26–28.
  4. Дьячков В.Н., Баринов А.Ю., Никитин К.В. Применение аддитивных технологий в производстве литых изделий. Литейное производство, 2016, № 5, с. 30–32.
  5. Репях С.И. Технологические основы литья по выплавляемым моделям. Днепропетровск, Лира, 2006, 1056 с.
  6. Дьячков В.Н., Соколов А.В., Никитин К.В., Баринов А.Ю., Шабалова Е.А. Исследование технологических свойств модельных составов для литья по выплавляемым моделям. Литейщик России, 2015, № 10, с. 25–27.
  7. Дьячков В.Н., Соколов А.В., Никитин К.В., Баринов А.Ю. Влияние состава керамических оболочек на их свойства при литье по выплавляемым моделям. Труды 12 съезда литейщиков России. Н. Новгород, 7–11 сентября 2015 г., Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2015, с. 420–426.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.