Создание формы для литья металла
Обновлено: 14.05.2024
3D-технологии, интегрированные в технологическую цепочку литейного производства, обеспечивают предприятию реальную выгоду. Как показать все преимущества 3D-сканирования и 3D-печати? Нагляднее всего – продемонстрировать процесс создания детали с нуля аддитивными методами и провести сравнение с традиционными технологиями. С этой целью мы обратились к Павлу Чадушкину, ведущему специалисту производственного направления RP-центра компании iQB Technologies.
– Итак, наша задача – создать эталонную деталь на основе цифровой модели для последующей отливки реального изделия. С чего начинается этот процесс, если мы применяем 3D-технологии?
– Прежде всего, нам необходимо исходное изделие, которое нужно отсканировать, а затем выполнить обратное проектирование (реверс-инжиниринг). Конечно, оно должно быть новое, не бывшее в употреблении, чтобы не было износа детали. Мы оцениваем, насколько сложна ее геометрия и после этого задаем только один вопрос: какой должен быть допуск по точности? Уже по внешнему виду можно понять, каким образом эта деталь производится. Чаще всего это литье (высокоточное или в землю), фрезерование или изготовление на токарном станке. У каждой из этих методик производства есть свои допуски.
После того, как мы имеем представление о технологии производства и допуске, мы выбираем оборудование, а именно – 3D-сканер с нужными нам параметрами точности, и производим оцифровку изделия. Например, ручной сканер Creafrom HandyScan 700 или стационарный Solutionix C500. Такие устройства метрологического класса уже хорошо зарекомендовали себя на производственных предприятиях. Получив 3D-модель, мы переносим ее в программное обеспечение Geomagic Design X, позволяющее быстро и легко обработать данные 3D-сканирования с целью выполнения контроля геометрии и реверс-инжиниринга. Затем к работе подключается инженер, который по результатам сканирования обрисовывает эту деталь и создает твердотельную модель.
В процессе обрисовки инженер исключает из твердотельной модели различные недостатки изделия. Здесь нужно подчеркнуть, что абсолютно любое изделие имеет производственные деформации. Они могут быть обусловлены разными факторами – например, неверно подобранным материалом, сложной формой, деформацией во время транспортировки, изношенным инструментом, с помощью которого производилось изделие.
В любом случае, какой бы объект мы ни взяли для 3D-сканирования, он будет содержать дефекты и отклонения от эталона, а наша задача – создать этот самый эталон. Если деталь круглая, то совершенно точно можно сказать, что отверстие в ней будет не круглым, а эллипсовидным. Соответственно, инженер с помощью ПО этот эллипс исключает и создает окружность правильной формы. Таким путем, обрисовывая каждый элемент геометрии, мы исправляем все недостатки. Когда деталь полностью обрисована, у нас получается твердое тело, которое можно запускать в производство.
Отливка перепускного клапана стравливания избыточного давления газа (в разрезе)
– Мы получили CAD-модель. Теперь нужно определить, каким способом производить изделие.
– Традиционный способ – подготовка оснастки для литья восковых моделей на станке с ЧПУ. В этом случае модель должна адаптироваться под станок, со своими допусками, уклонами, скруглениями – все зависит от оборудования и инструментов, с помощью которых деталь будет производиться.
Но теперь есть и второй путь – 3D-печать, которая является идеальным решением для прототипирования и изготовления малых серий.
Ключевое преимущество аддитивных технологий – возможность создавать изделия максимально сложной формы (в том числе с мельчайшими деталями), которые нельзя произвести традиционными методами. Кроме того, при запуске печати необязательно учитывать сложность геометрии. Это особенно актуально для производства изделий путем металлического и пластикового литья.
Если изделие имеет простую форму, то зачастую целесообразнее его производить на станке с ЧПУ. Если же геометрия сложная, то 3D-печать – оптимальный вариант.
Когда нам нужен не один рабочий прототип, а малая серия – от 10 до 1000 изделий, используется литье в силикон, или двухкомпонентное литье. Для этого нужно получить мастер-модель – эталон, по которому будет создаваться силиконовая форма, в которую затем заливается пластик или воск.
– Мы выяснили, что 3D-печать – незаменимое решение при производстве продукции с использованием металлического и пластикового литья. Можете привести пример создания конкретной детали?
– Возьмем корпус обыкновенного телефона из пластика. Во-первых, он делится на две половины, нижнюю и верхнюю. Чтобы произвести одну из половин, надо сделать матрицу и пуансон – это оснастка для литья пластика под давлением. Металлическая форма, состоящая из двух половин, смыкается, затем в нее под давлением подается пластик, который принимает форму внутренней геометрии изделия.
При традиционном производстве на станке с ЧПУ вытачивают внешнюю и внутреннюю форму каждой половины. Но если у нас есть 3D-принтер, мы печатаем сразу готовое изделие целиком, металлическую оснастку делать не нужно. Мало того что ее долго изготавливать, она будет баснословно дорогая для тиража в десять штук. Таким образом, выгода 3D-печати очевидна – отпадает необходимость фрезерования для получения оснастки.
– При создании выплавляемых и выжигаемых мастер-моделей для литья с помощью 3D-принтера используется, соответственно, воск и фотополимер (технология печати MJP, технология литья QuickCast). Как выглядит производственная цепочка с использованием этих материалов и в чем их различия?
– Использование напечатанных на 3D-принтере выплавляемых восковых и выжигаемых фотополимерных моделей имеет одну и ту же механику, немного различаются алгоритмы действия.
У нас есть напечатанная восковая модель. Мы создаем для нее корку (то есть форму, в которую заливается металл), обмазывая мелкодисперсным порошком толщиной не менее 6-8 мм. Вид материала и толщина корки зависит не только от сложности геометрии и габаритов изделия, но и от металла, который будет литься в будущую форму. Затем деталь помещается в печь. В печи воск выплавляется, а сама корка отвердевает, и у нас получается твердая форма для литья металла.
Восковая и фотополимерная модели перепускного клапана, напечатанные на 3D-принтерах
Что касается выжигаемого фотополимера, то мы так же кладем изделие в печь, но если воск вытапливается при температуре +200⁰С градусов, то фотополимер – при +950⁰С. Корка так же затвердевает, а материал, из которого была создана модель, выгорает.
Далее в получившуюся форму заливается раскаленный металл – это может быть и алюминий, и титан, и даже магний. Форма остывает, после чего корка разбивается молотком или вибромашиной, и мы получаем отливку.
Следующий этап – мехобработка. Она заключается в том, чтобы сделать поверхность детали более гладкой – обрезать литники, по которым заливался металл, зашлифовать их, снять излишнюю шероховатость изделия. На этой стадии нам также может потребоваться сверление отверстия или подгонка крепежных элементов – для этого применяются станки с ЧПУ для финальной обработки изделия до его конечного варианта (шлифовальные, пескоструйные, сверлильные и т.д.).
– От чего зависит выбор воска или фотополимера?
– Восковые машины относительно дешевы, при этом расходный материал – дорогой. С фотополимерными 3D-принтерами ситуация обратная. В сравнении с фотополимером воск достаточно хрупкий материал, это его недостаток. Но на сегодня восковая 3D-печать обеспечивает самую точную и самую гладкую поверхность. К тому же, восковое литье является традиционным для всех литейных производств в России. Соответственно, фотополимер подойдет там, где нужны модели большего размера, а прочность и детализация менее критичны. Пользователь должен сделать выбор, исходя из того, какие объемы он будет печатать, насколько часто он будет обращаться к прототипированию.
Так, на литейных предприятиях по всему миру, в России в том числе, активно используются профессиональные 3D-принтеры от 3D Systems, ведущего мирового производителя аддитивных установок. При этом ряд компаний имеют свой парк 3D-оборудования, другие заказывают услуги 3D-печати у подрядчиков.
– Мы подробно рассмотрели, как и в каких случаях выгодно использовать 3D-принтеры и 3D-сканеры. Если резюмировать: почему литейному предприятию необходимо внедрять аддитивные технологии?
– Для сокращения сроков производства при изготовлении опытных образцов и деталей малого тиража. Мы экономим и время, и деньги.
Вернемся к сравнению традиционного процесса с аддитивным. В первом случае это выглядит следующим образом:
1. Конструктор разрабатывает деталь, затем передает свою разработку инженеру.
2. Инженер адаптирует ее под методику производства вместе с технологом.
3. Дальнейшая адаптация заключается в том, что создается чертеж будущей формы матрицы и пуансона или чертеж, по которому деталь будет вытачиваться на фрезеровочном станке.
4. Затем на станке изготавливают матрицу и пуансон и отдают их на производство.
Так вот, с момента выдачи конструктором готового проекта инженеру и до получения формы, по которой будет отливаться изделие, проходит от полугода до года. И прошло, допустим, полгода, сделали десять опытных образцов, отдали их конструктору, он примерил эти металлические болванки, а они не совпадают с посадочными местами. Он понимает, почему они не совпадают, дорабатывает эту модель, и дальше цикл повторяется. Проходит еще минимум полгода до следующей примерки.
С помощью 3D-принтера конструктор фактически нажатием одной кнопки отправляет на печать свое изделие и отдает его сразу на производство в отливку. Срок сокращается с года или полугода до недели максимум. Это самое главное преимущество. Плюс, мы экономим значительные средства на изготовление формы. И, наконец, мы имеем возможность создавать изделия с геометрией любой сложности и, при необходимости, быстро оптимизировать конструкцию в программном обеспечении.
Литье под давлением: как это работает
Машина для литья под давлением (иллюстрация компании Rutland Plastics)
При разработке серийного продукта для рынка электроники вам понадобится корпус. И, скорее всего, он будет сделан из пластика. Для макетирования пластиковых деталей и создания прототипа корпуса используется 3D-печать, а для серийного производства — литье под давлением.
Технология литья под давлением — один из важнейших пунктов на пути продукта на рынок электроники. Поэтому независимо от наличия технического образования, вам стоит разобраться в сути этого процесса хотя бы на базовом уровне.
Все знают, что при разработке нового устройства самая затратная задача — это проектирование электроники, но не все понимают, что при постановке на производство большую часть бюджета на себя перетянет пластиковый корпус.
Это связано прежде всего с высокой стоимостью оснастки или так называемых пресс-форм. На практике стоимость форм для отливки корпуса становится одной из главных статей затрат при выводе нового продукта на рынок.
Основы литья под давлением
Литье под давлением — это относительно старая технология, она используется с конца 1800-х годов. В инжекторно-литьевых машинах установлен огромный винт (шнек), который направляет расплавленный пластик в пресс-форму под высоким давлением. Этот метод винтовой передачи был изобретен в 1946 году, и используется до сих пор.
Машины для литья под давлением — это, конечно, не то же самое, что современные высокотехнологичные аппараты для 3D-печати. В них нет ничего инновационного, но использование литья под давлением — это обязательное условие для создания большинства новых «железячных» продуктов.
Литьевая пресс-форма состоит из двух половинок (матрицы и пуансона), которые при смыкании образуют полость в форме нужной детали. В нее под высоким давлением заливают горячий жидкий пластик.
Высокое давление необходимо для того, чтобы пластик в вязкотекучем состоянии заполнил каждый уголок в полости пресс-формы.
Когда пластик остывает, две половинки пресс-формы раздвигаются, и из них извлекают готовую деталь корпуса.
Разработка дизайна и конструкции корпуса для серийного производства — это довольно сложная задача, а стоимость самих пресс-форм исчисляется десятками тысяч долларов. При этом литье под давлением остается одной из самых востребованных технологий, потому что только оно позволяет производить миллионы идентичных деталей по невероятно низкой цене за штуку.
Стоимость пресс-форм
Оснастка стоит дорого. А для производства большинства устройств требуется несколько пресс-форм, поэтому общая стоимость может оказаться весьма значительной. И чем больше деталей требуется произвести с помощью конкретной формы, тем дороже она будет стоить.
Это связано с тем, что «долгоживущая» пресс-форма должна работать в невероятно жестких условиях. Раз за разом она подвергается воздействию высоких температур и давления.
Эти две разрушительные силы работают на износ пресс-формы, пока в какой-то момент не появляются первые дефекты отливки.
Для создания стойких литьевых форм используются твердые металлы. Твердость металла зависит от того, сколько отливок нужно изготовить с использованием данной конкретной формы. Оснастку для изготовления 10 тыс. деталей, можно произвести из более мягкого металла, по сравнению с той, что рассчитана на 1 млн деталей.
Например, для производства малых серий (до 10 тыс. шт.) широко используется алюминий. Для более крупных объемов производства переключаются на более твердый металл, например, сталь.
Однако чем тверже металл, тем сложнее сделать саму пресс-форму, и тем выше ее стоимость. Кроме того, для получения стальной оснастки потребуется намного больше времени. Это связано с тем, что литьевые формы создаются путем фрезерования, т.е. для твердой пресс-формы потребуется еще более твердый фрезерный инструмент.
Если компания или стартап без внешнего финансирования реализует проект с небольшим бюджетом, ей стоит попробовать найти производителя, который согласится амортизировать затраты на изготовление пресс-форм.
Например, если пресс-формы стоят 25.000 долларов, можно предложить заводу-изготовителю рассчитаться по следующей схеме: вы платите по доллару за каждую произведенную единицу из первых 25.000 изделий.
Конечно, такая схема сокращает прибыль на единицу продукции, но все же это весьма разумный метод финансирования, особенно по сравнению с банковским кредитом.
Дизайн для производства (Design for manufcturing, DFM)
Высокая стоимость пресс-форм — это лишь один из недостатков литья под давлением. Второй недостаток — это сложности и ограничения на этапе разработки дизайна и конструкции пластиковых деталей.
Получив идеальный рабочий прототип, изготовленный на 3D-принтере, приходится уделить значительно больше времени и средств, чтобы адаптировать его для литья под давлением.
Ограничения серийного производства стоит учитывать уже на первых этапах разработки. Одни требования к форме отливок, такие как литейные уклоны, можно отложить по крайней мере до создания второго прототипа.
Другие требования, такие как равномерная толщина стенок и поднутрения, нужно реализовать с самого начала.
Литьевой уклон
Главная задача в работе с деталями, изготовленными за счет литья под давлением — правильно изъять их из формы. Как только пластик остынет, две половинки формы открываются, и мы получаем новую отлитую пластиковую деталь.
Любой 3D-дизайн для литья под давлением должен включать литьевой или технологический уклон для заполнения пресс-формы и беспрепятственного извлечения готового изделия. Литьевой уклон — это по сути небольшой угол наклона, который добавляется к любым вертикальным поверхностям, совпадающих с направлением извлечения изделия из пресс-формы. В большинстве случаев достаточно 1–2 градусов.
Примеры верной реализации поднутрения. Изображение предоставлено ICO Mold.
Некоторые эксперты считают, что поднутрения нужно реализовать в 3D-модели с самого начала.
И хотя учет поднутрений на раннем этапе разработки важен, он создает ненужные осложнения при создании первых прототипов. Поэтому лучше добавлять их в проект, когда вы будете полностью уверены в своем прототипе. Т.е. в большинстве случаев поднутрения стоит добавлять после первой или второй версии прототипа.
Выталкивающие штифты
Выталкивающие штифты или толкатели используются для удаления пластиковых деталей из пресс-формы. Как следует из названия, это небольшие цилиндрические штифты, которые выталкивают деталь из формы.
У толкателей нет стандартного положения, поэтому придется продумать, где они будут располагаться. В идеале они должны располагаться в самой прочной части отливки, чтобы предотвратить ее деформацию при извлечении из пресс-формы.
Стоит учитывать, что выталкивающие штифты, как правило, оставляют небольшие отметки на изделии. Если вы внимательно посмотрите на большинство пластиковых деталей, то сможете увидеть эти крошечные круглые метки, которые появляются в процессе выталкивания отлитой формы.
Это стоит учитывать при разработке продукта. Постарайтесь сделать так, чтобы толкатели соприкасались с отливкой в местах, которые не критичны для внешнего вида продукта. Можно даже попытаться скрыть метки толкателя под этикеткой или логотипом.
Двойной ход толкания
Некоторые пластиковые детали невозможно извлечь из простой двухкомпонентной формы в один прием, в таких случаях используют наклонные толкатели и механизм двойного выталкивания.
Наклонный толкатель — это составная часть пресс-формы, которая вставляется до начала отливки, а затем извлекается до раскрытия основных частей формы. Наклонный толкатель двигается перпендикулярно к направлению движения двух полуформ.
Стоит приложить все усилия, чтобы не использовать механизм двойного выталкивания, поскольку он значительно увеличивает сложность и стоимость пресс-формы.
Один из основных приемов, который позволяет отказаться от двойного выталкивания — отказ от использования поднутрений. Поднутрение — это выступ или углубление на поверхности отливки, препятствует выталкиванию изделия из пресс-формы за один ход толкания.
В конструкции 1 из-за поднутрения потребуется двойной ход толкания. Паз в конструкции 2 позволяет отказаться от двойного выталкивания и снять деталь с пресс-формы за один ход. Изображение предоставлено Proto Labs.
Равномерная толщина стенки
Одна из важных особенностей литья под давлением, которая оказывает огромное влияние на дизайн устройства — это требование к равномерной толщине стенок отливки. Оно связано с тем, что залитый в форму пластик должен остывать с одинаковой скоростью по всей поверхности детали. При неравномерном охлаждении деталь может деформироваться.
Поэтому при разработке корпуса для литья под давлением вместо более толстых секций используются ребра. Корректное проектирование детали с равномерной толщиной стенок определенно требует опыта.
Использование двойного хода толкания и неравномерной толщины стенок отливки — это две самые распространенные ошибки 3D-дизайнеров, которые не знакомы с техническими ограничениями литья под давлением.
Стоит удостовериться в том, что 3D-моделирование вашего устройства выполняет специалист, который знаком с этой технологией.
Примеры конструкций с одинаковой толщиной стенки. Изображение предоставлено ICO Mold.
Радиус / закругление углов
Идеальные углы и края деталей непрактичны для литья под давлением. Расплавленный полимер не сможет равномерно и полностью заполнить всю форму с острыми краями даже в условиях высокого давления. По крайней мере, не стоит на это надеяться при больших объемах производства.
Пример правильной конструкции угла. Изображение предоставлено ICO Mold.
Все края и углы должны быть закруглены или скошены, чтобы полимер заполнил их равномерно и полностью.
Холодные каналы против горячих каналов
Холодноканальная / горячеканальная подача пластика — это варианты литниковой системы, которая направляет расплавленный полимер в полости пресс-формы.
Широкий литниковый канал позволяет полимеру свободно течь при более низких давлениях. Однако широкие каналы требуют больше времени на охлаждение пластика и создают больше отходов производства, оба эти параметра влияют на себестоимость детали.
С другой стороны, узкий литниковый канал сокращает время охлаждения и уменьшает перерасход материала, и, в конечном счете, минимизируют стоимость отливки. Однако у него есть недостаток: для узкого канала требуется более высокое давление, чтобы протолкнуть расплавленный полимер в форму.
Существует решение, которое позволяет использовать узкие каналы при невысоком давлении — горячеканальная литниковая система.
Прямо в пресс-форму вдоль каналов устанавливают нагревательные элементы, которые поддерживают полимер в более жидком состоянии, благодаря им пластик заполняет пресс-форму при более низком давлении.
К сожалению, за все приходится платить, и у горячих каналов тоже есть свои недостатки: дополнительная сложность при изготовлении оснастки, которая всегда выливается в дополнительные затраты.
В большинстве случаев, по крайней мере, изначально, лучше использовать каналы без нагревательных элементов, т.е. холодноканальную литниковую систему. Всегда стоит начинать с самого простого и недорогого решения.
Линия разъема формы
Если вы внимательно рассмотрите любую пластиковую деталь, то увидите так называемую линию разъема. Она будет расположена в месте соединения двух частей пресс-формы.
Это место сопряжения двух полуформ никогда не бывает идеальным, по контуру всегда вытекает немного полимера. По мере старения и износа пресс-формы эта утечка становится все более заметной.
Очень важно выбрать оптимальное место для линии разъема. В идеале она должна размещаться на невидимой части устройства.
Одноместная и многоместная пресс-формы
На определенном этапе производства появляется возможность сокращения времени отливки за счет многоместных пресс-форм (их еще называют многогнездными). Они используются для увеличения скорости производства и снижения себестоимости заготовок.
Многоместные пресс-формы, как понятно из названия, позволяют создавать несколько копий одной детали за счет одной заливки полимера. Только не стоит использовать эти формы на старте, пока процесс не отлажен и еще не созданы идеальные отливки из одноместных форм. Целесообразно выпустить как минимум несколько тысяч единиц изделий до перехода на многоместные формы.
Как правило, предприниматели с ограниченным бюджетом по-максимуму используют свои одноместные формы, если только сам производитель не финансирует изготовление их пресс-форм.
Семейные пресс-формы
В большинстве случаев для каждой отдельной пластиковой детали в составе устройства используется отдельная форма. Для корпуса понадобится как минимум две части: верхняя и нижняя.
Но для большинства продуктов потребуется больше двух деталей из пластика. Пресс-формы очень дороги, а покупка нескольких пресс-форм сразу — это серьезное финансовое препятствие, поэтому нужно стремиться к минимальному количеству пластиковых деталей.
Альтернативный вариант минимизации необходимых пресс-форм — использование специального типа многоместных пресс-форм, так называемых семейных. Семейная пресс-форма позволяет объединить несколько различных деталей в одной отливке.
В то время как типичная многоместная (многознездовая) форма создает несколько копий одной и той же детали, семейная форма создает разные детали.
Звучит хорошо, правда? К сожалению, не всё так просто, за всё приходится платить. Основная проблема с семейными формами заключается в том, что каждая деталь в них должна быть примерно одинакового размера.
В противном случае одна из полостей пресс-формы заполнится расплавленным полимером раньше других. Семейные формы должны проектироваться таким образом, чтобы все полости заполнялись полимером с примерно одинаковой скоростью. Это явно ограничивает возможности их применения. Маловероятно, что все детали корпуса будут сходного размера.
Выбор материалов
Сегодня в нашем распоряжении оказалось невероятное разнообразие полимеров в различными характеристиками. Два самых распространенных полимера в производстве электроники — поликарбонат (ПК / PC) и АБС-пластик (ABS /акрилонитрилбутадиенстирол).
Поликарбонат обладает гораздо более высокой устойчивостью к ударам и на вид кажется более качественным по сравнению с АБС. Однако ПК, конечно, дороже АБС.
Поликарбонат — самый популярный пластик в изделиях более высокого класса, его любят за прочность и эстетичный внешний вид.
Если качество поверхности имеет решающее значение для нового продукта, то лучше остановить свой выбор на ПК. Если же продукт рассчитан на низкую ценовую категорию, то лучше выбрать АБС.
Где работать с пресс-формами?
Где лучше производить пластиковые детали для своего устройства: на родине или в Китае? В большинстве случаев лучше начать работу с местным производителем в своей стране (если только вы не живете в стране, где промышленность развита очень слабо).
Затем, когда объемы превысят 10 тыс. штук, для снижения затрат можно переходить к китайскому производителю.
Китай — это просто идеальный выбор для крупносерийного производства. Только не стоит там затевать первичную разработку и отладку процесса. С местными производителями любые вопросы можно будет решить гораздо проще и быстрее.
Первый запуск и первые ошибки делать на местном уровне, а затем перемещать производство в Китай.
Примечание переводчика: важно учитывать, что перевозка пресс-формы из одной страны в другую (а тем более в Китай из Европы) — это сложная и дорогая затея. Поэтому мы выбираем для своих клиентов местных производителей прототипов, а серию — если она в сумме будет крупная — сразу размещаем в Китае с расчетом на амортизацию формы за несколько итераций производства. Ведь если запустить серийное производство у местных производителей, то и пресс-форма будет местная, а ее перевозка в Китай или создание второй формы в Китае себя не оправдает.
Заключение
Эта статья рассчитана на первое знакомство с особенностями литья под давлением. Но даже эти базовые знания помогут вам осознанно выбрать 3D-дизайнера для своего нового продукта.
Для неспециалиста не так уж важно понимать все нюансы этой технологии, достаточно получить общее представление о возможностях и сложностях серийного производства корпуса для электроники.
Теперь вы сможете задавать правильные вопросы при встрече со специалистами, которые займутся разработкой и производством корпуса вашего нового продукта.
Обзор: технологии 3D-печати для литья металлов
В этой статье мы расскажем про традиционные технологии литья и о том, как они меняются с применением 3D-принтеров. А главное — какие существующие на рынке 3D-принтеры подойдут для внедрения в подобное производство уже сегодня.
Оглавление
О литье
Конечный продукт литейного производства это отливки — будущие детали или заготовки. Их масса может составлять как несколько граммов, так и несколько сотен тонн.
Вот так это делается на станкостроительном заводе.
Можно выделить следующие особенности использования литья в производстве:
- возможность получать изделия с массой от нескольких грамм до сотен тонн, со сложной геометрией и разнообразными механическими и эксплуатационными свойствами;
- возможность получения изделий, материалы или габариты которых делают невозможным или невыгодным создание их другими методами;
- отливки максимально приближены, по размерам и форме, к готовым изделиям, в отличие от заготовок полученных объемной горячей штамповкой или ковкой.
Сравнение с традиционной технологией
В традиционном процессе литья мастер-модель можно изготовить вручную или с помощью механической обработки. Вручную некоторые формы реализовать невозможно. Для изготовления мастер-моделей используют пятиосевые обрабатывающие центры с ЧПУ, что значительно увеличивает возможное разнообразие форм, но и стоимость такой восковки или мастер-модели заметно увеличивается. Такой путь получения отливки актуален для массового производства, в малой и средней серии он, чаще всего, экономически нецелесообразен — тут применение 3D-печати более рационально.
График зависимости стоимости модели от кол-ва произведенных экземпляров показывает эффективность применения аддитивных технологий.
Алгоритм процесса литья с применением аддитивных технологий
Одна из задач, стоящих перед технологами любого литейного производства: минимизация трудоемких операций по механической обработке заготовок. Решается она тем, что отливки должны быть максимально приближены к параметрам необходимой детали, что также экономит средства и время. Здесь на помощь приходят инновации, в лице аддитивных технологий, которые позволяют ускорить техпроцесс, миновав традиционные первые шаги в технологии изготовления отливки. Производитель может за одну операцию получить необходимую литейную модель или форму.
В красной области — традиционный процесс литья, в зеленой и синей — литье с применением аддитивных технологий — сроки изготовления уменьшаются в 2-6 раз.
Прямая печать изделия, которая уже внедрена на многих современных производствах, с экономической точки зрения дороже, чем традиционное литье. Поэтому 3D-печать моделей для выплавления и выжигания, а также синтез уже готовых для литья форм и стержней, вызывает особый интерес.
Литье с применением аддитивных технологий экономически выгоднее, чем прямая печать.
Области применения
Мастер-модели и литьевые формы напечатанные на 3D-принтере используются на ювелирных предприятиях, в производстве стоматологических и ортопедических изделий, в конструкторских бюро, для проведения НИОКР, в учебных центрах и центрах прототипирования.
Геометрически сложные отливки, полученные в результате применения аддитивных технологий, находят применение в кино и на телевидении, когда требуется быстро изготовить необычный реквизит сложной формы.
Модель Aston Martin 1960 DB 5 агента 007, к фильму “Координаты: Скайфолл”, была создана с помощью аддитивных технологий, ради сохранения оригинального автомобиля в трюковых сценах.
Декорации отлитые с использованием песчаных литейных форм напечатанных на 3D-принтере.
3D-принтеры и технологии 3D-печати литейных моделей
Для получения литьевых моделей используют 3D-печать по технологиям FDM (FFF), SLS, SLA, DLP. Эти технологии позволяют напечатать необходимую модель для последующего выплавления или выжигания из образованной вокруг нее литьевой формы. Для выплавляемых моделей используется воск, для выжигаемых — ПММА, CAST-пластик и специальные фотополимеры.
Основной плюс использования такого решения — отсутствие необходимости подготовки специальной оснастки, например — пресс-формы, и низкая зольность материалов при выгорании. Подготовленная 3D-модель сразу отправляется на печать и, после небольшой постобработки, готова к использованию.
FDM (FFF): послойное наплавление
Широко известный профессионалам и любителям аддитивных технологий способ 3D-печати, не требующий дополнительного описания.
Материалом нити для FDM-печати выжигаемых моделей служит специальный пластик, либо композит с высоким содержанием воска.
Принципиальное устройство FDM (FFF) — принтера.
Процесс 3D-печати по FDM-технологии.
PICASO 3D Designer X
PICASO 3D Designer X — FDM-принтер с областью построения 200х200х210 мм, который может печатать такими материалами, как ABS, PLA, HIPS, PVA, ULTRAN 630, ULTRAN 6130, ASA, ABS/PC, PET, PC, FRICTION, CAST, RELAX,ETERNAL, FLEX, RUBBER, SEALANT, PETG, AEROTEX, CERAMO, WAX, SBS, SBS PRO, PROTOTYPERSOFT, PRO-FLEX, TOTAL PRO, NYLON и PEEK со скоростью до 100 см³/ч и с толщиной слоя от 10 мкм.
SLS – Selective Laser Sintering – селективное лазерное спекание
Применяется для изготовления мастер-моделей сложных форм, умеренной точности и относительно больших габаритов.
Как это работает: в рабочей камере, заполненной инертным газом, например азотом, ролик накатывает полистирольный порошок с размером частиц 50-150 мкм на платформу. Новый слой спекается CO2 — лазером (с температурой 100-120 °C) по сечению “тела” CAD-модели. Дальше рабочая платформа опускается на 0.1-0.3 мм, после чего печатается следующий слой.
Принципиальное устройство SLS-принтера.
Печатающаяся модель не требует поддержки, т.к опорной служит сам материал — окружающий порошок. Неизрасходованный материал используется повторно.
Получаемая на таком принтере модель заливается материалом формы, из которой затем выжигается в прокалочной печи. При выжигании выделяются горючие газы, которые необходимо нейтрализовать. Существует опасность засорения формы золой выгоревшей модели, потому материалы для ее изготовления берут с малой зольностью, в сотые доли процента.
Слева — полистирольная 3D-печатная модель, справа — отливка из алюминия
Sentrol SS600G
Sentrol SS600G — SLS 3D-принтер с областью построения 600х400х400 мм, печатающий со скоростью 26 см³/ч, точностью 300 мкм по XY и от 250 по Z.
SLA — Stereolithography Laser Apparatus — лазерная стереолитография
Процесс печати схож с SLS, только вместо порошкового материала — жидкий. УФ-лазер воздействует на материал, который избирательно и послойно отверждается.
В качестве материала используются светочувствительные смолы и фотополимеры. Рабочая платформа опускается или поднимается (зависит от расположения источника света) и жидкость полимеризуется лазером в заданных точках. Неизрасходованный жидкий материал, как и в случае с порошками, может быть повторно использован для печати последующих моделей.
Процесс 3D-печати по технологии SLA.
Полученные модели имеют высокое качество поверхности, что позволяет обойтись без дальнейшей механической обработки.
Пластиковые стереолитографические модели рабочих колес для водомётных движителей (вверху слева), изготовленные по ним восковые модели (внизу слева) и готовая металлическая отливка (справа).
Слева — SLA-модель, справа — отливка из серебра.
Zrapid iSLA1100
Лазерный 3D-принтер Zrapid iSLA1100 печатает со скоростью 100~230 грамм/час объекты размером до 600х1000х1000 мм.
DLP — Digital Light Processing
Для отверждения фотополимера используется DLP-проектор на чипах DMD. Это и является основным отличием от технологии SLA, где используется УФ-лазер. Еще одно отличие — слой проецируется целиком, все пиксели одновременно, а не рисуется лучом лазера, что ускоряет процесс.
DMD-чип с двумя микрозеркалами.
Модели, напечатанные на таком принтере, требуют удаления поддержек и обработки ультрафиолетом. То есть, постобработка для полученных по такой технологии моделей не отличается от тех, которые печатают по технологии SLA.
Процесс печати по технологии DLP.
Световое “пятно” DLP-проектора, в зависимости от печати конкретного слоя.
DLP-печать позволяет получить модель быстрее, но с менее гладкой поверхностью, чем на SLA-принтере.
SLA (слева) и DLP (справа).
Различие детализации при печати по SLA-технологии и DLP-технологии.
FlashForge Hunter DLP
FlashForge Hunter DLP — DLP-принтер с толщиной слоя в 25-50 мкм и областью печати 120х67,5х150 мм.
Напечатанная модель и готовое изделие, изготовлены с помощью принтера FlashForge Hunter DLP.
Voxeljet
Voxeljet — метод послойного склеивания пластикового порошка или песка, разработанный одноименной немецкой компанией. Его аналог — Binder Jet, работает только с песком.
Подобные 3D-принтеры появились в результате сочетания MJ- и SLS- технологий. Используя в качестве материала ПММА, можно получать выжигаемые модели. ПММА — полиметилметакрилат, если проще — измельченное оргстекло с фракцией 85 μm. Печатающая головка укладывает на рабочую платформу слой порошка толщиной от 100 до 150 микрон. Далее наносится связующее вещество, поверх которого снова укладывается слой порошка. Так процесс повторяется до полного изготовления необходимой модели. В случае с песком, мы получаем литьевую форму.
Как и в случае с SLA-технологией, Voxeljet-модель подойдёт для прецизионного литья.
Отливки по ПММА-моделям, без постобработки.
Voxeljet VX 1000
Voxeljet VX 1000 обеспечивает область печати 1060 х 600 х 500 мм, толщину слоя 100 мкм, точность в 0,3% и скорость до 36 мм/ч по вертикали.
3D-принтеры для изготовления форм
Быстро получить качественную литейную форму можно с помощью технологий Binder Jet и SLS. 3D-принтеры, работающие по данным технологиям, печатают формы из специального литейного песка.
Технология Binder Jet — нанесение связующего вещества
Данная технология позволяет напечатать сложную по геометрии песчаную форму без какой-либо дополнительной обработки. После печати можно сразу приступать к отливке. Основным преимуществом технологии Binder Jet является то, что нет необходимости в каких-то особых условия для работы подобного принтера: печать возможна при комнатной температуре.
Процесс печати по технологии Binder Jet.
Материал, в данном случае — песок, распределяется по рабочей платформе с помощью ролика. Далее, печатающая головка наносит связующий клей поверх порошка. Платформа опускается по толщине слоя модели и объект формируется там, где песок связан с жидкостью (т.е. с клеем). Не использованный материал, по аналогии с SLS-технологией, является поддержкой для будущей модели.
Принципиальное устройство принтера с технологией Binder Jet.
Формы для отливки, напечатанные по технологии Binder Jet.
Sentrol SB1000
3D-принтер Sentrol SB1000 печатает по технологии Binder Jet с толщиной слоя от 100 мкм, точностью по XY от 0,0625 мм и размером модели до 120х67,5х150 мм.
SLS-печать литейных форм
Основное отличие от указанной ранее SLS-технологии — использование в качестве материала для печати литейного песка, предварительно плакированного полимером. Материал спекается лазером, после чего очищается. Полученная форма помещается в прокалочную печь для отверждения, которое происходит при температуре 300-350 °С. Главное отличие от Binder Jet — более высокая детализация готовой литейной формы. Правда, для получения готовой формы требуется больше времени, из-за необходимости дополнительной обработки.
Солнечная 3D-печать
Кстати, есть ещё одна интересная технология печати песком — Solar Sinter. Разработал её немецкий инженер, дизайнер и художник Маркус Кайзер. Солнечная 3D-печать отлично подойдет для создания песчаных литейных форм, хоть и очень невысокой точности.
Если вы собираетесь печатать в пустыне, с собой необходимо взять офис. Маркус Кайзер предлагает пирамидальную палатку со светоотражающим покрытием — отличное укрытие от жаркого солнца.
Если ваше предприятие находится в пустыне, то это оптимальный вариант — кругом песок и солнечный свет, которые доступны в стандартную девятичасовую смену. Необходимо только привезти с собой сам принтер с компьютером. Принтер оборудован линзой Френеля, которая концентрирует солнечный свет в пучок, что дает возможность плавить песок с температурой 1400-1600°C; солнечным трекером, что отслеживает положение солнца и поворачивает линзу к нему; и фотоэлементами, для питания электроприводов установки. Главный плюс — экономия на электроэнергии, материалах и аренде помещения. Но еще важнее, пожалуй, концептуальность.
Процесс печати на солнечном 3D — принтере.
Такой принтер, и в силу специфики применения, и из-за невысокой точности получаемых моделей, вряд ли можно использовать для промышленных нужд. Но для художников и ремесленников он станет настоящей находкой. Печатать на нем литьевые формы, пожалуй, занятие сомнительное, а вот арт-объекты — самое оно.
Извлечение модели из рабочей зоны солнечного 3D-принтера производится с помощью столовой ложки. Можно использовать вилку, но скорость будет ниже.
А если серьезно — кто знает, куда зайдут технологии дальше? Порой безумные проекты открывают новые возможности.
Внедрение 3D-печати делает процесс литья дешевле и быстрее, позволяет изготавливать модели и формы для литья со сложной геометрией и разнообразными габаритами, не теряя в точности получаемой отливки.
Для получения выплавляемых и выжигаемых моделей рекомендуется использовать принтеры, работающие по технологиям FDM(FFF), SLS, SLA/DLP, Voxeljet. Используемые материалы обладают низким процентом зольности, а печатать модели быстрее, чем изготавливать вручную или с помощью станка с ЧПУ.
Пример технологической цепочки для получения отливки с применением выплавляемой модели.
Для получения литейных форм подойдут технологии печати Binder Jet и SLS с подходящим для форм материалом.
Аддитивные технологии в литье применимы в тех случаях, когда необходимо максимально дешево и быстро получить мастер-модель или форму для будущей отливки, например — в конструкторских бюро и на опытных производствах. Применимы они и в серийном производстве — если микронная точность не требуется, разница в скорости и стоимости работ делает их куда привлекательнее механообработки на фрезере с ЧПУ.
Уже сейчас можно заказать отливку из металла или пластмассы и посмотреть на результат применения 3D-печати в литье.
Подобрать 3D-принтер для интеграции в литейное производство или оборудование для литейного цеха можно в Top 3D Shop.
Литье в форму
Технология литья в форму, или матрицу, основана на физическом свойстве жидкости затекать в твердые емкости, заполняя все их уголки. После этого жидкость застывает и образует твердую отливку, повторяющую все детали поверхности матрицы.
Разновидности литья в форму
Методом литья получают самые разнообразные изделия из металлов, для этого их предварительно нагревают, доводя до температуры плавления и перехода в жидкое состояние. Этот способ обработки металлов был освоен человечеством в IV-III тысячелетии до н.э. Температура плавления самых применяемых человеком металлов — от 213 °C у олова до 1538 °C у железа.
Кроме металлов, путем литья получают изделия из различных пластмасс. Их температура плавления намного ниже — в диапазоне 200-300 °C.
Также литьем получают изделия из смесей неметаллических веществ, химически отвердевающих при комнатной температуре — это смолы и пластмассы, гипс и цемент.
Основные виды литья в формы
Виды литья делятся по различным признакам.
По возможности повторного использования различают однократные (песчаные, оболочковые, выплавляемые модели, газифицируемые модели) и многократные формы — кокили, цементные, графитовые и асбестовые. Однократная разбивается, чтобы извлечь изделие. Многократные бывают разборные и неразборные, и обеспечивают повторное литье в форму от десятков до тысяч раз.
Однократные формы Многократные формы
Традиционные методы литья, освоенные человечеством еще в древности — в песчаные формы и в кокиль.
Прогрессивные виды технологии, разработанные в прошлом веке и завоевавшие популярность сегодня:
- в оболочковые формы;
- по выплавляемым моделям;
- центробежное;
- под давлением;
- по газифицируемым моделям;
Литьё в оболочковые формы
Для литья металлов данным способом готовят состав из песка и порошкообразного связующего, чаще всего фенолформальдегидных смол.
Модель, или макет нагревают до 300 °C и обсыпают подготовленной смесью. За короткое время (около минуты) на поверхности макета запекается упрочненный слой. Излишки смеси убирают.
Иногда плакированную смесь задувают в промежуток между разогретой моделью и фигурной опокой. Следующий этап — обжиг при температуре 650 °C для окончательного набора прочности. После извлечения макета половинки матрицы соединяют вместе – и она готова к отливке. Для того чтобы матрица не деформировалась весом поступающего в нее расплава, ее окружают металлическим ящиком, который заполняют дробью. Дробь улучшает также и график остывания изделия.
Литьё в оболочковые формы
Основные преимущества метода:
- существенное снижение трудоемкости и времени подготовки формы по сравнению с литьем в землю
- контроль режима остывания изделия
- процесс поддается механизации
Данный вид заливки пригоден для изделий весом до 30 кг.
Литьё по выплавляемым моделям
Выплавляемые модели – пожалуй, самый дорогостоящий и трудоемкий вид литья металлов.
Его используют для особо ответственных видов изделий высокой точности — таких, например, как турбинные лопатки. Точный макет будущей детали выполняется из вещества с низкой температурой плавления, такого, как воск. В производстве используется смесь парафин-стеарин в равных частях. Для более крупных видов изделий в состав добавляют соли, препятствующие короблению макета. Потом путем погружения макет покрывают 5-12 слоями специальной жаростойкой суспензии. В качестве основы берут гидролизованные силикаты, жаростойкой обсыпкой являются зерна электрокорунда или кварца.
Отливки по выплавляемым моделям
Для сушки применяют шкафы, наполненные аммиачным газом. Далее форму нагревают, чтобы из нее вытек парафин. Остатки состава удаляют паром, подаваемым под высоким напором. Следующая фаза подготовки — прокаливание при температуре около 100 °C. Эту операцию проводят для избавления от остатков, способных к газификации. Заливка осуществляется в подогретые до 1000 °C матрицы. После охлаждения изделия по заданному графику в термостате, матрицу разбирают и достают деталь.
Основное преимущество этого вида заливки — высокая точность соблюдения размеров и качество поверхности.
- возможно изготовление продукции из сплавов, плохо поддающихся механической обработке
- Можно отливать детали, которые другими видами литья пришлось бы лить по частям и впоследствии соединять в единый узел
Недостатки – низкий коэффициент использования металла и чрезвычайно высокая трудоемкость.
Литье по газифицируемым моделям
Представляет собой развитие вида заливки в песчаные формы с применением ручной или машинной формовки. Суть данного вида в том, что макет делают не из дерева, а из легкоплавкого пластика, чаще всего вспененного полистирола.
Литье по газифицируемым моделям
Модель размещают в опоке, после чего проводят послойную формовку песчано-глиняной смесью с уплотнением. В верхней части формы создают литниковую систему. Расплав заливают прямо поверх модели, полистирол плавится и газифицируется, выходя через формовочные массы вместе с другими литьевыми газами.
Преимущества этого вида заливки:
- трудоемкость подготовки форм снижается многократно
- можно моделировать и отливать за один раз детали любой, даже самой сложной формы
- не нужны составные макеты и сложные составные формы.
- Доступны большие серии изделий — в этом случае макеты также отливаются.
ЛГМ-это современный вид литья, приобретающий все большую популярность среди металлургов.
Литье под давлением
Отличается от традиционного вида заливки тем, что расплав поступает в форму не под действием гравитации, а под влиянием избыточного давления, создаваемого в отливочной камере напором газа или поршнем. Тигель с расплавом, система его нагрева, формы и металлопровод помещены в герметичную камеру и представляют собой единый механизированный и автоматизированный комплекс.
Литье под давлением
По достижении требуемой температуры расплава в тигель опускается металлопровод, выполненный из тугоплавкого титанового сплава, и в камеру подается напор воздуха. Под его воздействием расплав поднимается в матрицу и заполняет ее. Автоматика поддерживает постоянное давление в камере, поскольку объем ее увеличивается по мере расходования металла. Далее вентиляционные насосы откачивают литьевые газы в систему очистки воздуха. При этом виде заливка проводится как в одноразовые песчаные формы, включая газифицируемые модели, так и в многократные: кокили, цементные, графитовые и асбестовые. По окончании заполнения формы остаток металла стекает из металлопровода обратно в тигель.
- Высокая степень автоматизации литейных операций
- Исключение ручного труда во вредных условиях
- Экологичность
- Высокий коэффициент использования металла.
- Сложность оборудования
- Размер отливки ограничен размером герметичной камеры.
Данный вид популярен в цветной металлургии для крупных партий небольших и средних деталей.
Центробежное литье
Используется при производстве изделий, имеющих форму вращения — втулок, шестерен и т.п. Литье проводится в металлическую матрицу, вращающуюся с большой скоростью.
Центробежная сила прижимает жидкий металл к внешней стенке, где он и кристаллизуется. Метод позволяет получить исключительно однородные отливки. Возможно создание и многослойных деталей. Слои заливаются один за другим.
Достоинства и недостатки литья в форму
Отливка в форму, как и любая технология, имеет свои плюсы и минусы.
- Точное повторение геометрии макета
- Производство изделий самой замысловатой геометрии
- Возможность изготовления большого количества идентичных деталей
- Низкая себестоимость продукции
- Высокая трудоемкость
- Тяжелые условия труда и вред для экологии
- Сложность автоматизации процессов, особенно подготовки сложных форм
- Неоднородность состава и плотности материала отливок.
Современные виды литья во многом снимают эти недостатки. Так, использование ЛГМ многократно снижает трудоемкость подготовки, литье под давлением повышает однородность изделий и автоматизирует процессы во вредных условиях труда, центробежное и интрузионное литье позволяет получить абсолютно однородные отливки. Металлурги постоянно разрабатывают новые разновидности известных методов литья и изобретают принципиально новые его виды.
Литье металлов
Человечество используем металлы и их сплавы несколько тысячелетий. Сначала металлы находили в виде самородков и россыпей, позже доисторические племена научились перерабатывать металлосодержащие руды. Проверенным способом получения изделий из металлов было литье в земляные формы.
Литье в песчаные формы
Отливали наконечники для стрел и мечи, сельскохозяйственные орудия и инструменты, утварь и украшения. За прошедшие с тех пор тысячелетия человек изобрел множество новых приемов обработки материалов и методов литья, включая литье под давлением, газифицируемые формы и порошковую металлургию. Старинный способ также сохранился, но используется в основном в скульптурных мастерских и художественных промыслах.
Особенности литья металлов
По сравнению с другими материалами, такими, например, как воск или гипс, литье металлов отличается некоторыми особенностями. Первая из них — высокая температура перехода из твердое в жидкое состояние. Воск, гипс и цемент затвердевают при комнатной температуре. Температура плавления металлов гораздо выше — от 231 °C у олова до 1531 °C у железа. Перед тем, как приступить к литью металла, его необходимо расплавить. И если олово можно расплавить в глиняной плошке на простом костре из подобранных рядом сучьев, то для плавления меди, не говоря уже о железе, понадобится специально оборудованная печь и подготовленное топливо.
Олово Свинец
Олово и свинец — самые мягкие и легкоплавкие металлы — можно отливать даже в деревянные матрицы.
Для литья более тугоплавких металлов потребуются формы из смеси песка и глины. Некоторые металлы, как, например, титан, требуют для литья металлические формы.
После заливки изделию требуется остыть. Многоразовые матрицы разбирают, одноразовые формы разрушают, и отливка готова к дальнейшей механической обработке или к использованию.
Металлы для заливки
Черные металлы
В металлургической промышленности различают цветные и черные металлы. К черным относятся железо, марганец, хром и сплавы на их основе. Сюда входят все стали, чугуны и ферросплавы. Черные металлы дают более 90% мирового потребления металлических сплавов. Из стали производят корпуса и детали транспортных средств от самоката до супертанкера, строительные конструкции, бытовую технику, станки и другое промышленной оборудование.
Чугун — отличный металл для литья крупных прочных и долговечных конструкций, не подверженных напряжениям изгиба или скручивания.
Цветные металлы, в свою очередь, в зависимости от физических свойств, и прежде всего, удельного веса, делятся на две большие группы
Легкие цветные металлы
В эту группу входят алюминий, титан, магний. Эти металлы встречаются реже, чем железо, и стоят дороже. Их применяют в тех отраслях, где нужно снизить вес изделия — аэрокосмическая промышленность, производство высокотехнологичных вооружений, производство вычислительной и телекоммуникационной техники, смартфонов и малых бытовых приборов.
Титан благодаря своему отличному взаимодействию с тканями человеческого организма широко применяется для протезирования костей суставов и зубов.
Тяжелые цветные металлы
Сюда относятся медь, олово, свинец, цинк и никель. Их применяют в химической промышленности, производстве электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионно-стойкие сплавы.
Медь Цинк Никель и его сплавы
Благородные металлы
В эту группу входят золото, серебро, платина, а также более редкие рутений, родий, палладий, осмий, иридий.
Первые три известны человеку с доисторических времен. Они редко (относительно меди и железа) встречались в природе и поэтому служили платежным средством, материалом для ценных украшений и ритуальных предметов.
Золото и платина
С развитием цивилизации золото и платина сохранили свою роль средства накопления богатств, однако стали весьма широко использоваться в промышленности и медицине из-за своих уникальных физико-химических свойств.
Методы литья металлов
Основные методы литья металлов следующие:
Традиционный метод
Металл поступает в форму под действием силы тяжести. Применяются песчано-глиняные или металлические матрицы. Недостаток метода — высокая трудоемкость изготовления форм и других операций, тяжелые условия труда и низкая экологичность
Литье под низким давлением
Суть метода заключается в том, что тигель с металлом и матрицы для отливок располагаются в герметичной камере. Металлопровод, сделанный из титанового сплава, опускается из формы в расплавленный металл. В это время в камеру подают низкое избыточное давление воздуха или инертного газа. Металл попадает в матрицу под давлением, скорость потока весьма высока и при этом регулируется. Форма заполняется полностью и равномерно.
Метод позволяет получать высококачественные отливки, в том числе особо тонкостенные. Качество поверхности также превосходит отливки, получаемые традиционным методом. Литейные газы удаляются через отводящий трубопровод в систему очистки, откуда попадают в атмосферу. Метод отличается высокой автоматизацией операций, улучшенными условиями труда персонала и высокой экологичностью. К тому же при таком литье и материалы, и расход энергии существенно экономятся.
Литье под высоким давлением
Метод применяется как в черной, так и в цветной металлургии и позволяет получать наиболее точные и однородные отливки. Металл под высоким напором поступает в матрицу со скоростью до 120 м/с и мгновенно заполняет ее.
Деталям, полученным таким методом, практически не требуется финишная механическая обработка. Таким методом можно отливать детали практически любой конфигурации, с тонкими стенками, с готовыми отверстиями и даже с готовой резьбой.
Инжекционное литье
Инжекционный метод от обычного литья под давлением тем, что металл попадает в матрицу в виде порошка, смешанного со связующим веществом. Формы делают из высокопрочных сталей.
Высокая текучесть смеси позволяет заполнить мельчайшие детали рельефа форм самой сложной конфигурации, включающих внутренние полости. Достоинством этого метода является высокая точность поверхности, делающая ненужной дополнительную механическую обработку или сводящую ее к минимуму. Другим преимуществом является высочайшая физико-химическая однородность отливки.
Существуют и другие методы литья деталей, имеющие нишевое применение.
Основные способы литья металлов
Литье в землю
Традиционный способ. Изготавливается простая или составная модель из дерева или других модельных материалов, потом по модели делается матрица из песчано-глиняной смеси. Подробнее об этом способе читайте в соответствующей статье.
Технология литья в землю
Модель извлекают из формы, части ее собирают вместе, создают литниковую систему. Форму накалывают тонкими острыми иглами, чтобы обеспечить газоотведение. Производят отливку, ждут ее остывания,
Литье в металлические формы
Разъемную форму, называемую кокилем, изготавливают из металлических деталей. Части матрицы получают путем отливки или, если требуется обеспечить высокое качество поверхности и точность размеров, путем фрезерования. Формы смазывают антипригарными составами и производят заливку.
Литье в металлические формы
После остывания кокили разбирают, извлекают отливки, очищают. Металлическая матрица выдерживает до 300 рабочих циклов.
Литье по газифицируемым моделям
Модель выполняется не из дерева или воска, а из легкоплавкого и газифицируемого материала, преимущественно полистирола. Модель остается в форме и испаряется при заливке металла.
Преимущества способа:
- модель не требуется извлекать из матрицы;
- можно изготовлять модели сколь угодно сложных отливок, не нужны сложные и составные формы;
- существенно снижена трудоемкость моделирования и формования.
Литье по газифицируемым моделям приобретает большую популярность на современных металлургических производствах.
Формы для литья
Самый древний вид форм — это формы из песчано-глиняной формовочной смеси, или «земли». Исторически центры металлургии возникали рядом с местами залегания уже готовых по своему составу для литья песков, например, рядом с всемирно известным Каслинским чугунным заводом. Смеси делятся на обмазочные и наполнительные.
формы из песчано-глиняной формовочной смеси
Для построения любой матрицы требуется модель — макет будущего изделия в натуральную величину, но несколько больших размеров — на величину литейной усадки.
Модель помешают по центру опалубки, или опоки, и наносят на нее слой обмазочной смеси — термостойкой и пластичной. Потом начинают послойно, тщательно трамбуя каждый слой, заполнять опоку наполнительной смесью. Требования к наполнительным смесям намного ниже, чем к обмазочным — они должны выдерживать давление залитого металла, сохраняя конфигурацию отливки, и обеспечивать выход плавильных газов. После модель извлекают из формы и на ее место заливают расплав.
Для отливок сложной конфигурации, имеющих замысловатые детали и внутренние полости, применяют составные модели и формы из нескольких частей.
Литье также осуществляется и в металлические формы. Их применяют при больших тиражах отливаемых деталей, в тех случаях, когда требуется высокая точность размеров и низкая шероховатость поверхности отливки, а также для некоторых металлов, активных в нагретом состоянии. Температура плавления материала формы должна быть существенно выше, чем температура отливаемого расплава.
Область применения
Различные способы литья имеют свои преимущественные сферы применения.
Так, литье в песчаные формы применяется при единичных отливках или малых сериях. Проверенный тысячелетиями способ понемногу уходит с промышленных предприятий, но продолжает использоваться на художественных промыслах и в скульптурных мастерских.
Литье в металлические формы применяется в случаях, когда требуется
- большие тиражи отливок;
- высокая точность размеров;
- высокое качество поверхности.
Также литье в металл популярно в ювелирной промышленности и в производстве металлических украшений.
Литье под давлением все шире используется предприятиями, сфокусированными на качестве своих изделий, следящими за экологией, охраной труда и эффективным расходованием материальных и энергетических ресурсов.
Литье по газифицируемым моделям применяется в тех случаях, когда планируются большие тиражи отливок, требуется высокая точность и экономия трудоемкости.
Читайте также: