В статье рассматриваются перспективы применения аддитивных технологий для изготовления выжигаемых моделей при создании литейных оболочковых керамических форм (ОКФ) при производстве деталей ракетно-космической техники (РКТ). Анализируются основные преимущества технологии, такие как сокращение сроков подготовки производства, возможность изготовления деталей сложной геометрии и экономическая эффективность при единичном и мелкосерийном производстве.  

Введение 

Одной из проблем в производстве ракетно-­кос-мической техники является высокая стоимость и длительность цикла изготовления литых деталей на этапе опытно-­конструкторских работ при единичном или мелкосерийном производствах [1].

Увеличение сроков изготовления отливок и значительные финансовые затраты традиционно связаны с необходимостью создания точной металлической оснастки для изготовления восковых моделей. Каждая конструктивная правка изделия влечет за собой дорогостоящее изменение в оснастке или ее полное перепроектирование. Решением данной проблемы является интеграция аддитивных технологий в литейное производство [2].

Цель работы заключается в отработке технологии литья по выжигаемым моделям, изготовленным методом экструзионной печати (FDM) из полимерного материала, и получении годных отливок из жаропрочной стали.

Основные этапы производства отливок по технологии литья по выжигаемым моделям

1. Проектирование литниково-питающей системы (ЛПС), создание цифровой модели отливки и ее адаптация под 3D-печать

Процесс начинается с разработки 3D-модели будущей отливки. На этом этапе технолог рассчитывает и проектирует ЛПС, которая обеспечит стабильный подвод расплава и скомпенсирует дефекты, возникающие в процессе усадки. 3D-модель отливки с ЛПС делят на части в случае превышения области печати принтера и загружают в специализированное программное обеспечение – слайсер. В рамках опытной работы из жаропрочной стали будут изготовлены отливки «Пуансон». Модель блоков представлена на рис. 1.

Рис. 1. 3D-модель блоков отливки «Пуансон»

2. Изготовление выжигаемых моделей методом FDM-печати и их сборка в единый блок

Для изготовления выжигаемых моделей чаще всего применяют две технологии: SLA/DLP и FDM. В стереолитографии (SLA/DLP) применяют специальные фотополимерные смолы, по свой­ствам аналогичные литьевым воскам (высокая точность, низкая зольность). Данный тип печати позволяет изготавливать модели с низкой шероховатостью, но имеет ряд технологических ограничений: небольшая область печати и трудоемкий процесс очистки моделей от остатков фотополимера.

Технология FDM-печати позволяет изготавливать модели из полилактида (PLA), имеющего низкую зольность и меньший коэффициент теплового линейного расширения по сравнению с другими термопластами, что позволяет избежать брака по растрескиванию керамической оболочковой формы [3]. Данная технология печати обеспечивает более грубую поверхность моделей, но подходит для более крупногабаритных моделей. Отливка с ЛПС разделяется на части, которые изготавливаются на 3D-принтере из полилактида. Затем полученные части склеивают в единый блок (рис. 2).

Рис. 2. Модельные блоки отливки «Пуансон», напечатанные из полимера по технологии FDM-печати

3. Изготовление оболочковых керамических форм (ОКФ)

Для изготовления керамических оболочковых форм применяют специализированный огнеупорный порошок различных фракций и связующее. Модельный блок погружают в жидкую суспензию и обсыпают огнеупорным материалом, после чего ставят в сушильный шкаф для формирования прочной керамической формы. Количество слоев зависит от габаритов отливки, ее массы и конфигурации. В нашем случае количество слоев не превышает десяти. Оболочковые формы представлены на рис. 3.

Рис. 3. Оболочковые формы отливки «Пуансон» 

4. Формование модельного блока и выжигание полимера

Данный этап изготовления отливки является самым важным и сложным. При выжигании полимера керамическая форма испытывает повышенные термические и механические нагрузки. Механические нагрузки возникают вследствие большой разницы (несколько порядков) между коэффициентами линейного расширения полимера и ОКФ. Поэтому важно соблюдать и полностью контролировать все параметры нанесения ОКФ на модельный блок.

Выжигание полимера проходит по ступенчатому графику нагрева. Полная деструкция полилактида происходит при температуре 600–620°C, затем форму прокаливают при температуре 900°C. При превышении скорости роста температуры возможен брак растрескивания формы. При недостаточной скорости возможно образование золы на дне ОКФ. На рис. 4 представлен модельный блок после прокалки.

Рис. 4. Модельный блок после выжигания полимера

5. Заливка металла и выбивка формы 

После прокалки керамическая форма заливается жидким расплавом. После остывания форма разрушается, отливка отделяется от литниковой системы и подвергается первичной очистке. Полученная отливка с ЛПС представлена на рис. 5.

Рис. 5. Отливка до удаления остатков керамики

Вывод

Проведенная работа подтвердила целесообразность применения технологии литья по выжигаемым моделям как альтернативы традиционным методам получения отливок из жаропрочных сталей. Использование данной технологии позволяет не только снизить себестоимость производства за счет отказа от металлической модельной оснастки, но и существенно сократить сроки изготовления новых изделий в сравнении с традиционным литьем по выплавляемым моделям. 

В ходе работы можно сделать следующие выводы:

• После выжигания полимера стабильно обеспечивается целостность полученных оболочковых форм и высокое качество их поверхности.

• При соблюдении технологии выжигания удается получить поверхность отливок без поверхностных дефектов и засоров.

• Технология обладает универсальностью и может быть внедрена в условиях как опытного, так и серийного производства, обеспечивая стабильное качество отливок.

Дальнейшие исследования, направленные на совершенствование материалов для 3D-печати моделей, разработку методов контроля и автоматизацию процесса печати, будут способствовать расширению области применения данного метода не только в ракетно-космической и авиационной отраслях, но и в общем машиностроении.  

Литература

1. Артемов А.Л., Дядченко В.Ю., Лукьяшко А.В., Новиков А.Н., Попович А.А., Рудской А.И., Свечкин В.П., Скоромнов В.И, Смоленцев А.А., Соколов Б.А., Солнцев В.Л., Суфияров В.Ш., Шачнев С.Ю. Отработка конструктивных и технологических решений для изготовления опытных образцов внутренней оболочки камеры сгорания многофункционального жидкостного ракетного двигателя с использованием аддитивных технологий // Космическая техника и технологии. 2017. №1 (16). С. 50–62.  
2. Андрианов П.А., Колмаков А.Е., Уткин М.М. Литье стали по выжигаемым аддитивным моделям // Известия ТулГУ. Технические науки. 2019. С. 436–444. 
3. Баринов А.Ю. Повышение эффективности литья в керамические формы за счет аддитивного производства воскополимерных моделей. Дис. канд. тех. наук. Самара, 2022. 158 с.

Авторы:

Г.В. Калугин, главный металлург – начальник отдела ПАО «РКК «Энергия»; grigoriy.kalugin1@rsce.ru

А.М. Зайцев, заместитель технического директора завода по подготовке производства ПАО «РКК «Энергия», к.т.н.; alexey.zaitsev@rsce.ru

А.В. Дранков, заместитель главного металлурга – начальник бюро ПАО «РКК «Энергия» 

А.Н. Гудков, инженер-технолог II категории ПАО «РКК «Энергия» 

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 4-2025