Этот обзор посвящен уже известным и признанным методам аддитивных технологий, используемым в литейном производстве крупных и тяжелых объектов. Автор не ставил целью рассмотреть весь набор способов применения аддитивного производства и все виды литья. Например, намеренно упускается такая важная и обширная отрасль, как ювелирное дело, в котором 3d-печать моделей сложных деталей уже стала отраслевым стандартом. Речь пойдет о производстве изделий в металлургии (рис. 1), машиностроении, станкостроении, где часто встают задачи опытного и/или экстренного изготовления методом литья достаточно крупных металлических объектов малыми или сверхмалыми тиражами. Задача этой статьи — систематизировать и сопоставить существующие инновационные аддитивные методы для литья как между собой, так и с традиционными методами, а также наглядно продемонстрировать все преимущества и недостатки такого сочетания технологий, рассказать о способах устранения их недостатков.

 

 

Рис. 1. Литейный цех крупного промышленного предприятия

 

 

Для начала дадим определения основным понятиям, которые будут активно применяться в статье.

 

Литье (или литейное производство) — метод производства, которым изготавливают фасонные заготовки деталей путем заливки расплавленного металла в заранее приготовленную литейную форму. Полость формы имеет конфигурацию заготовки детали. После затвердевания и охлаждения металла в форме получают отливку-заготовку детали. Основная задача литейного производства — изготовление литейных отливок, имеющих разнообразную конфигурацию, с максимальным приближением их формы и размеров к форме и размерам детали. При литье невозможно получить отливку, форма и размеры которой соответствуют форме и размерам детали. Очень важно и то, что нет ни одного способа литья, не требующего постобработки отливки перед ее дальнейшим использованием. В нашем обзоре мы будем классифицировать литье по технологии (видам, способам, методам) получения отливок: в землю, в кокиль, по выплавляемым моделям, под давлением, электрошлаковое, по газифицируемым моделям, в формы из холоднотвердеющих смесей, выжиманием, по замораживаемым моделям, центробежное, непрерывное, вакуумное и др.

 

Литейная форма — специальная емкость, непосредственно заполняемая в процессе литья расплавленным материалом и формирующая поверхность или часть поверхности изготавливаемого изделия.

 

Литейная оснастка — это комплект приспособлений для изготовления отливок, в который входят модель отливки, модели элементов литниковой системы, модельные плиты, стержневые ящики, опоки и др. Часть оснастки, включающая все приспособления, необходимые для образования рабочей полости литейной формы при ее формовке, называется модельным комплектом. Полный комплект оснастки, необходимый для получения разовой формы, называется формовочный комплект.

 

Литейная модель (ЛМ) — это приспособление, предназначенное для получения в литейной форме рабочей полости будущей отливки. Литейная модель является, как правило, частью модельного комплекта. ЛМ могут быть неразъемными (для простых по конфигурации отливок) или же состоять из двух и более частей. В индивидуальном производстве их изготавливают из дерева или пластмасс, в массовом и крупносерийном — из металла и пластмасс. При получении отливок методом литья по выплавляемым или газифицируемым моделям применяют разовые (разрушаемые) ЛМ из легкоплавкого состава или пенопласта.

 

Отметим, что чаще и шире всего 3d-печать применяется для изготовления литейных моделей как части литейной оснастки.

 

 

Основные технологии литья, допускающие применение 3d-печати

 

Рассмотрим современные технологии литья, которые будут участвовать в сравнительном анализе в рамках нашего обзора.

 

Литье в песчаные формы (Sand Casting)

 

Литье в песчаные формы — дешевый, самый грубый (в плане размерной точности и шероховатости поверхности отливок), но самый массовый вид литья. До 75—80% по массе получаемых в мире отливок приходится на литье в песчаные формы. Вначале изготавливается литейная модель, копирующая будущую деталь. Раньше делали деревянные, а сейчас часто используются металлические или пластиковые модели, полученные методами быстрого прототипирования. Модель, закрепленная на подмодельной плите, засыпается песком или формовочной смесью (обычно песок и связующее), заполняющей пространство между ней и двумя открытыми коробами без дна и крышки (опоками) — рис. 2. Отверстия и полости в детали образуются с помощью размещенных в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает в термическом шкафу (сушильной печи). Образовавшиеся полости заливаются расплавом металла через специальные отверстия — литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяют литниковую систему (обычно это обрубка), удаляют облой и проводят термообработку.

 

Для получения отливки этим методом могут применяться различные формовочные материалы, например, песчано-глинистая смесь или песок, смешанный со смолой, и т. д.

 

 

Рис. 2. Форма в опоке

 

Литье по выплавляемым моделям

 

Еще один способ литья — по выплавляемой модели — известен с глубокой древности (рис. 3). Он применяется для изготовления деталей высокой точности и сложной конфигурации, которые невозможно изготовить другими методами литья (например, лопатки турбин и т. п.).

 

 

Рис. 3. Литье по выплавляемой модели 

 

Из легкоплавкого материала, такого как парафин, стеарин, в простейшем случае — воск и др., путем его запрессовки в пресс-форму изготавливается точная модель изделия и литниковая система. Затем модель окунается в жидкую суспензию пылевидного огнеупорного наполнителя в связующем. На модельный блок (модель и ЛПС) наносят суспензию и производят обсыпку, так наносят от 6 до 10 слоев, с сушкой каждого слоя. С каждым последующим слоем фракция зерна обсыпки меняется для формирования плотной поверхности оболочковой формы. Из сформировавшейся оболочки выплавляют модельный состав. После сушки и вытопки блок прокаливают при температуре примерно 1000°C для удаления из оболочковой формы веществ, способных к газообразованию. Затем оболочки поступают на заливку. Перед заливкой блоки нагревают в печах до 1000°C. Нагретый блок устанавливают в печь, и разогретый металл заливают в оболочку. Залитый блок охлаждают в термостате или на воздухе. Когда блок полностью охладится, его отправляют на выбивку. Ударами молота по литниковой чаше производится отбивка керамики, далее отрезка ЛПС. Таким образом получается отливка.

 

Преимущества этого способа:

1. Возможность изготовления деталей из сплавов, не поддающихся механической обработке.

2. Получение отливок с точностью размеров до 11—13 квалитета и шероховатостью поверхности Ra 2,5—1,25 мкм, что в ряде случаев исключает необходимость обработки резанием.

3. Возможность получения узлов машин, которые при обычных способах литья пришлось бы собирать из отдельных деталей.

 

Литье по выплавляемым моделям используют в условиях единичного (опытного), серийного и массового производства. 

В силу большого расхода металла и дороговизны процесса литье по выплавляемым моделям применяют только для ответственных деталей.

 

 

Литье по выжигаемым моделям

 

Изготовление отливок свободной заливкой расплавленного металла в разовую форму (Investment Casting). Рабочая полость формы получется после выжигания модели, изготовляемой из канифоли, блочного полистирола, пенополистирола и других пластмасс в пресс-формах. Применяют в случае необходимости получения прочных и термоустойчивых моделей.

 

Литье по выжигаемым моделям используют для изготовления отливок из любых литейных сплавов массой от десятка граммов до сотен килограммов с толщиной стенки до 1 мм, а также компактных цельнолитых узлов со сложными лабиринтными полостями, которые невозможно изготовить другими методами.

 

Отливки могут иметь и простую, и очень сложную конфигурацию, толщину стенок 0,5—5 мм, массу от нескольких граммов до 30 кг, размеры от нескольких миллиметров до 1,5 м. Литьем под давлением можно получать детали с готовой внутренней или внешней резьбой, с разнообразной арматурой, с полостями и каналами сложной конфигурации, образованными армирующими элементами.

 

 

Литье в силикон

 

Литье пластмассы (или модельного воска) в форму из силикона — одна из технологий получения готовых пластмассовых изделий (рис. 4). Она отличается от промышленного производства малым количеством получаемого готового продукта. Мелкосерийное литье пластмасс является более дешевым (в сравнении с другими способами производства) и позволяет получать готовые изделия, максимально схожие с оригиналом.

Готовая мастер-модель помещается в формовочный короб и заливается силиконом (для лучшего качества применяется его платиновая разновидность), а затем аккуратно вынимается из формы. Затем в полученную матрицу заливается специально подготовленная двухкомпонентная смесь (пластик и катализатор). Все это отправляется в специальный термошкаф, где происходит окончательное затвердевание изделия при температуре 70°C.

 

Рис. 4. Литье в силикон

 

Одна силиконовая форма обычно служит для изготовления партии от 20 до 80 конечных изделий.

 

 

Виды аддитивного построения (3d-печати) и их применение в литейном производстве крупных отливок

 

Под крупной отливкой мы будем понимать заготовку, хотя бы один линейный размер которой превышает 50 см, а сумма размеров по трем осям составляет не менее 100 см.

Следует отметить, что в аддитивном объемном построении при увеличении линейных размеров модели в 2 раза ее объем, а значит, время построения и расход материала, может увеличиться до 8 раз.

 

Важными факторами метода 3d-печати моделей таких размеров являются:

1. Скорость построения: модель не должна строиться месяцами, аддитивное построение должно быть высокопроизводительным.

2. Себестоимость модельного материала: большой расход материала и/или его высокая стоимость приведет к нерентабельности аддитивного построения модели.

3. Качество поверхности: либо 3d-печать должна обеспечить гладкую поверхность модели, либо допустимая постобработка должна быть несложной и не увеличивать существенно себестоимость оснастки.

4. Технологическая совместимость хотя бы с одной из вышеперечисленных технологий литья: в противном случае метод находится за пределами нашего обзора.

 

 

Стереолитография (англ. SLA — Stereolithography)

 

Преимущества стереофотографии для применения в литье (для изготовления литейных моделей):

1. Высокая производительность по сравнению с другими методами — в среднем 4—7 мм/час по высоте модели.

2. Высокая гладкость поверхности — не требуется механическая постобработка.

3. Нет нагрева и, как следствие, термоусадки модели (деформации при остывании).

4. Есть ряд фотополимеров с низкой зольностью и газоотделением, специально разработанных для изготовления выжигаемых моделей.

5. Благодаря разработанной технологии QuickCast возможно изготовление полых моделей со сложной внутренней сетчатой структурой и очень тонкими стенками (рис. 5). Это позволяет существенно экономить расход фотополимера и еще больше снизить зольность и газоотделение.

 

Рис. 5. Литейная модель, изготовленная по технологии QuickCast (видна внутренняя сетчатая структура), и полученная отливка

 

 

Недостатки:

1. Высокая стоимость фотополимера и самого оборудования.

2. Нет фотополимеров с низкой температурой плавления — неприменимо для литья по выплавляемым моделям.

3. Недолговечность и низкая прочность полученных моделей — неприменимо для литья в ПГС.

4. Возможно изготовление оснастки, но не литейных форм.

 

Применение:

1. Литье в песчаные формы — нет;

2. Литье по выжигаемым моделям — да.

3. Литье по выплавляемым моделям — нет (напрямую), только через промежуточное литье в силикон модельного воска.

4. Литье в силикон — да, оптимальный метод 3d-печати для данной технологии вследствие идеальной гладкости поверхности.

 

Основные производители промышленного SLA-оборудования:

1. 3D Systems (США) — компания изобрела и запатентовала технологию еще в 1984 году.

2. Materialise (Европа) — крупнейший европейский производитель и разработчик программного обеспечения.

3. UnionTech (Китай) — крупнейший производитель в Китае и другие.

 

 

Селективное лазерное спекание (англ. SLS — Selective Laser Sintering)

 

Преимущества для применения в литье (для изготовления литейных моделей):

1. Низкая стоимость расходных материалов.

2. Основной материал — полиамид и/или полистирол (прочные инженерные материалы) для моделей в ПГС с большим количеством съемов.

3. Высокая детальность, прочность и точность моделей, отсутствие слоистости поверхности.

 

Недостатки:

1. Зернистая структура поверхности из-за порошковых расходных материалов. Требуется механическая постобработка (рис. 6).

2. Нет и принципиально не может быть порошков с низкой температурой плавления — неприменимо для литья по выплавляемым моделям.

3. Возможно изготовление литейной оснастки, но не готовых форм.

 

Рис. 6. Модель по технологии SLS

 

Применение:

1. Литье в песчаные формы — да (после механической постобработки).

2. Литье по выжигаемым моделям — условно (после механической постобработки).

3. Литье по выплавляемым моделям — нет.

4. Литье в силикон — ограничено из-за негладкой поверхности.

 

Основные производители промышленного SLS-оборудования:

1. 3D Systems (США) — ведущий производитель в США SLS-принтеров с большой камерой построения.

2. 3D MicroPrint (Европа) — 3D MicroPrint разработала и запатентовала технологию Microlaser Sintering (MLS), которая позволяет работать с толщиной слоя менее 5 мкм.

3. ZRapid (Китай) — ведущий производитель SLS-принтеров в Китае и другие.

 

Моделирование методом послойного наплавления (англ. FDM — Fused deposition modeling, FFF — Fused Filament Fabrication)

 

Преимущества для применения в литье (для изготовления литейных моделей):

1. Низкая стоимость (ниже примерно в 10 раз по сравнению с SLA) и широкий выбор расходных материалов.

2. Простой принцип построения оборудования, простота обслуживания и сравнительно низкая стоимость оборудования.

3. Есть очень прочные инженерные материалы для моделей ПГС с большим количеством съемов, например, полиамид PA 6/66, PA-CF, автосмазывающиеся материалы — не требующие смазки моделей литейным маслом.

4. Есть воскоподобные филаметы (нити) с низкой точкой плавления, например, WAX3D производства российской компании Filamentarno (рис. 7).

Есть ряд филаметов (нитей), в том числе российского производства, с низкой зольностью и газоотделением, специально разработанных для изготовления выжигаемых моделей.

5. Даже 3d-принтеры начального уровня позволяют создавать полые модели с внутренней сетчатой структурой для снижения расхода материала, зольности и газоотделения.

 

Рис 7. Восковая модель, напечатанная на принтере BigRep STUDIO по технологии FFF, и полученная отливка

 

 

Недостатки:

1. Относительно низкая скорость построения.

2. Низкое качество поверхности (слоистая структура) — требуется механическая постобработка или уменьшение толщины слоя (снижение производительности) — рис. 8.

3. Термоусадка моделей (в зависимости от материала) — искажение модели при остывании.

4. Возможно изготовление модельной оснастки, но не литейных форм.

 

Рис. 8. Сравнение поверхности модели до и после механической постобработки на фрезерном станке с ЧПУ

 

 

Применение:

1. Литье в песчаные формы/ПГС — да (после механической постобработки); аддитивное построение резко сокращает рабочий процесс до четырех этапов (рис. 9).

2. Литье по выжигаемым моделям — да (после механической постобработки) — рис. 10.

3. Литье по выплавляемым моделям — да (без постобработки).

4. Литье в силикон — ограничено из-за негладкой поверхности (рис. 11).

 

Рис 9. 4 этапа рабочего процесса: 1. Разработка оснастки в CAD. 2. FDM-печать модели. 3. Формование. 4. Литье в ПГС.

 

Рис. 10. Шнек тестомешальной машины — отливка и FDM-модель с литниками

 

Рис. 11. FDM-модель для литья в силикон (упаковка  для перепелиных яиц)

 

Основные производители промышленного FDM(FFF)-оборудования:

1. Stratasys (США) — компания изобрела и запатентовала технологию FDM.

2. BigRep (Европа) — крупнейший европейский производитель FFF-принтеров с большой камерой построения (рис. 12).

3. Total Z (Россия) — ведущий отечественный производитель FFF-принтеров с большой камерой построения и другие.

 

Рис. 12. Новейший промышленный  FFF 3d-принтер BigRep PRO

 

 

Построение расплавлением гранул (англ. FDF — Fused Granular Fabrication)

 

Преимущества для применения в литье (для изготовления литейных моделей):

1. Производительность до 35 кг материала/час — самая высокая производительность аддитивного производства на пластике.

2. Разумный баланс точность/скорость: сменные сопла и варьируемая высота слоя.

3. Доступность и низкая стоимость материалов — стандартный пластик в некалиброванных гранулах: ABS, PLA, PCL, Nylon, легкое добавление дополнительных компонентов, например, гранул углеволокна или стекловолокна.

4. Непрерывная подача материала (гранулята). Возможность повторной переработки материала — вторичное перемалывание в гранулы.

 

Недостатки:

1. Высокая стоимость оборудования.

2. Грубая поверхность (крупнослоистая структура) — требуется механическая постобработка или снижение производительности при уменьшении толщины слоев (рис. 13).

3. Термоусадка моделей (в зависимости от материала) — искажение модели при остывании.

4. Возможно изготовление оснастки, но не литейных форм.

 

Рис. 13. Ярко выраженная крупнослоистая структура при FGF-печати

 

 

Применение:

1. Литье в песчаные формы — да (после механической постобработки).

2. Литье по выжигаемым моделям — да (после механической постобработки).

3. Литье по выплавляемым моделям — да (после механической постобработки).

4. Литье в силикон — нет, нецелесообразно: грубая поверхность, не требуется такая высокая производительность.

 

Основные производители промышленного FGF-оборудования:

1. BLB Industries (Швеция) — компания изобрела и запатентовала технологию FGF (рис. 14).

2. Colossus NV (Европа) — новый европейский производитель FGF-принтеров и другие.

 

Рис. 14. Промышленная FGF-установка BLB The BOX

Производство песчаных форм (англ. PCM — Patternless Casting Manufacturing)

 

Производство 3D-песчаных форм — литейное производство без оснастки — одна из самых передовых технологий литья в настоящее время, которая объединяет традиционную технологию литья в песчаную форму и 3D-печать. Эта технология позволяет быстро создавать песчаные формы и стержни, которые эффективны для быстрого литья сложных деталей. PCM не нуждается в шаблоне и может уменьшить производственный цикл и стоимость. Кроме того, PCM также объединяет различные технологии, такие как проектирование модели CAD, 3D-печать, интеллектуальный ЧПУ, быстрое литье, новые материалы, механические и электрические технологии и т. д.

 

Первым шагом является создание модели пресс-формы из моделей деталей и преобразование модели пресс-формы в формат STL. Затем с помощью программного обеспечения TOP 3DP нарезают модель пресс-формы STL и получают геометрическую информацию для формирования слоев поперечного сечения. Эти слои сечения используются для формирования информации управления процессом. Терминальное устройство считывает эту информацию управления процессом и создает форму с помощью 3D-печати.

 

Во время печати катализатор и песок равномерно перемешиваются, затем тонким слоем укладываются на платформу. Массив сопел точно распыляет связующее на слой, следуя геометрической информации поперечного сечения. Реакция отверждения происходит между катализатором и связующим. Это повторяется слой за слоем, пока объект не будет построен. Не отвержденный песок еще в виде порошка легко удаляется. После того как лишний песок удален, форма готова и может быть использована для литья металла без какой-либо дополнительной обработки (рис. 15).

 

Рис. 15. Две половинки сложной формы и полученная отливка.  Форма изготовлена на установке FHZL PCM1200.

 

 

Преимущества для применения в литье (для изготовления литейных форм):

1. Прямое аддитивное построение формы для литья без оснастки.

2. Возможность изготовления деталей для литья любой формы, особенно деталей со сложными и изогнутыми поверхностями.

3. Высокоточная пресс-форма и стержень могут быть изготовлены одновременно; отливка может быть построена за один цикл, что уменьшает конструкторские ограничения и обработку.

4. Значительно снижает затраты на разработку пресс-формы и производственный цикл. Совместимо с гибкой производственной линией.

5. Подходит для изготовления различных цветных металлов (сплав Al и сплав Cu и др.) И черных металлов (HT, QT и RuT и др.).

 

Недостатки:

1. Высокая стоимость оборудования.

2. Исключительно для технологии литья в ПГС.

3. Форма одноразовая — разрушается в процессе извлечения отливки.

 

Применение:

1. Литье в песчаные формы — да, без какой-либо оснастки.

2. Литье по выжигаемым моделям — нет, не предназначено.

3. Литье по выплавляемым моделям — нет, не предназначено.

4. Литье в силикон — нет, не предназначено.

 

Основные производители промышленных песчаных принтеров:

1. ExOne (Европа) — компания изобрела и запатентовала технологию;

2. VoxelJet (США) — производитель песчаных принтеров в США;

3. FHZL (Китай) — самые производительные песчаные принтеры PCM в мире — рис. 16;

4. «Аддитивные технологии» (Россия) — песчаные принтеры российской разработки.

 

Рис. 16. Промышленная установка FHZL PCM 2200 с двумя бункерами

 

DLP (цифровой светодиодный проектор) — керамические формы для высокоточного литья — еще одна аддитивная технология построения форм без модельной оснастки

 

Обычный процесс литья по выплавляемым моделям является очень трудоемким: создание оболочки, которая готова к заливке , занимает от двух до десяти дней. Оболочка создается путем погружения слепка в жидкую взвесь и последующей сушки каждого слоя перед добавлением следующего из 8 слоев для завершения оболочки. Первый слой является наиболее критичным из-за того, что именно он определяет прорисовку мелких деталей и гладкость поверхности, которые вы получите на конечном продукте. Образец со сложными сердцевинами или каналами является наиболее сложным для погружения из-за невозможности проверить целостность покрытия и сложности определения высыхания для нанесения следующего слоя.

 

С технологией DLP можно непосредственно печатать оболочку, что устраняет необходимость в дорогостоящей литьевой форме или дорогостоящем трехмерном печатном шаблоне. Это означает, что Aristo-Cast способен удалить пять этапов традиционного процесса, включая создание выплавляемой модели, кластеризацию выплавляемых моделей, формирование покрытия и депарафинизацию формы оболочки (рис. 17а и 17б).

 

Рис 17а. Традиционный процесс создания формы по выплавляемой модели.

 

Рис 17б. Процесс аддитивного построения формы без модели для высокоточного литья.

 

 

Преимущества для применения в литье (для изготовления литейных форм):

1. Прямое аддитивное построение формы для литья без модельной оснастки;

2. Просто ювелирная точность;

3. Специальные материалы для литейных форм;

4. Высокая точность и гладкость поверхности;

5. Перспектива быстрого дальнейшего развития технологии.

 

Недостатки:

1. Пока дорогое оборудование;

2. Пока медленный процесс и малая камера построения;

3. Требуются две стадии термической постобработки в специализированной печи.

 

Применение:

1. Высокоточное литье в керамические формы — да, без какой-либо оснастки (рис. 18);

2. Литье по выжигаемым моделям — нет, не предназначено;

3. Литье по выплавляемым моделям — нет, не предназначено;

4. Литье в силикон — нет, не предназначено.

 

Рис. 18. Керамическая форма для высокоточного литья и полученная отливка

 

 

Основные производители промышленного оборудования для печати керамических форм — 3DCeram (Франция) и Admatec (Нидерланды).

 

 

Подведем итоги: таблица совместимости технологий

 

Главная цель настоящего обзора — показать читателю, какие аддитивные технологии уже применяются и в каких видах литья, и в особенности какие из них наиболее эффективны. Приведенная ниже таблица позволит вам получить экспресс-оценку всего изложенного ранее.

 

Технология литья / 3D-печати	SLA	SLS	FFF/ FDM	FGF	PCM	DLP
Металлы в песчано-глиняную смесь	0	4*	3*	4*	5	0
Металлы по выплавляемым моделям	0	0	4**	0	0	0
Металлы по выжигаемым моделям	5	3*	3*	3*	0	0
Высокоточное литье в керамику	0	0	0	0	0	5
Пластик или воск в силикон	5	3*	4*	0	0	0
*требуется механическая постобработка модели **специальный материал с низкой точкой плавления, 3d-принтер должен иметь возможность печатать при рабочей температуре 110–120°С

Подведем итоги: 0 — не применимо, 1—5 оценка эффективности применения данного вида 3d-печати. ■

 

 

Автор: Михаил Рихирев, НПО «3Д Интеграция», i3D.ru

 

 

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 3-2020