3D моделирование: успехи будущего

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet».

Текст Карташева Дмитрия Игоревича

Для создания песчано-глинистой литейной формы требуется целый модельный комплект. Но в наше время появились технологии, позволяющие существенно упростить и ускорить этот процесс. Благодаря аддитивным технологиям в машиностроении, сегодня можно получать необходимую форму на основе песка и полимеров, посредством печати ее на 3D принтере. Данная технология носит название Binder Jetting (BJ) (Рисунок 1) и позволяет создавать песчано-полимерные литейные формы путём послойного синтеза, то есть нанесение песка и склеивание его связующим веществом, слой за слоем.

Рис.1. 3D-печать песчаных форм для литья по технологии BJ
          Процесс создания будущей песчано-полимерной формы начинается с построения ее цифровой модели с учетом литниковой системы. Затем, готовая 3D модель разбивается на слои и загружается в 3D принтер. После этого, на рабочую плоскость наносится слой песка, а из печатной головки подается отвердитель (Рисунок 2а). В основном, в качестве отвердителей, используются фурановые или фенольные смолы. На следующем шаге, с помощью ролика, на поверхность наносится и выравнивается новый слой песка (Рисунок 2б). После чего стол опускается на один слой ниже и процесс печати повторяется (Рисунок 2в). Та часть песка, на которую не наносится отверждающее вещество так же, остается на рабочей платформе и создает, так называемую, песчаную подушку. В результате слой за слоем, получается отвержденная литейная форма, точно повторяющая цифровую модель. Время создания такой формы напрямую зависит от ее сложности и размеров, а также от количества штук, которые печатаются за одну операцию. А количество форм, которое можно получить за одну операцию, ограничивается размерами стола 3D принтера. Точность печати высокая, она колеблется в зависимости от используемого оборудования и в среднем составляет 100мкм. На рисунке 2 представлена схема создания литейной формы по технологии Binder Jetting.

Рис.2. Схема создания литейной формы по технологии Binder Jetting. 1.Печатающая головка; 2. Направляющая; 3. Создаваемая литейная форма; 4. Ролик; 5. Песчаная подушка; 6. Рабочая платформа; 7. Новый слой песка.

В зависимости от требующихся свойств литейной формы используются различные виды песка. Наиболее распространенный материал для создания полимерных форм, это кварцевый песок. Модель, полученная из него с использованием фурановых смол, не требует запекания и может использоваться сразу после печати. Так же наряду с кварцевым, используется керамический песок. Он имеет высокую степень огнеупорности, а также минимальный коэффициент теплового расширения (4,5–6,5*10^-6К^-1), что позволяет минимизировать пористость на отливках и, следовательно, улучшить качество поверхности отливки. Керамический песок может использоваться со всеми связующими веществами и часто применяется при литье стали и сплавов. Для литья чугуна, а также сталей применяется хромированный песок. Он так же имеет низкий коэффициент теплового расширения и обладает хорошей теплопроводностью. Полученные из него формы обладают высокой степенью стабильности. Может использоваться в смеси с кварцевым песком, для получения лучшего качества поверхности отливки.

Использование технологии BJ позволяет сократить технологическую цепочку, исключив из нее такие операции как изготовление физической модели, изготовление литниковой системы, формовочные операции, а это, в свою очередь, значительно снижает затраты на производство. Вместе с тем изготовленные литейные формы имеют высокий квалитет точности для литья. Так же достоинством данного метода является возможность создавать большую номенклатуру изделий с различной сложностью форм. В таблице 1 представлены некоторые характеристики разного вида песка.

Таблица 1. Характеристики разного вида песка

	Кварцевый песок	Керамический песок	Хромированный песок
pH	6,5	7,2	8
Температура плавления, °C	1728	1825	1850
Газопроницаемость	>120	85	180

Исходя из расчетов, которые описаны в статье «Производство литейных форм методом послойной печати» в журнале «Аддитивные технологии», использование данной технологии позволяет существенно снизить затраты на производство литейных форм. Сравнения материальных и временных затрат необходимых для производства литейного стержня представлены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительный анализ технологий изготовления литейного стержня

Технология	SLA и SLS	На станке с ЧПУ	На песчанополимерном 3Dпринтере (BJ)
Стоимость, руб.	46560	21560	45
Время, дней	9	24	1

Необходимо отметить, что метод послойного синтеза особенно удобен для изготовления форм крупно и среднегабаритных изделий. Также, этот способ часто используется для получения не только песчано-полимерных форм, но и керамических, изготовления изделий из пластика и может применяться для спекания металла. Дополнительным плюсом является отсутствие необходимости печати дополнительной конструкции для поддержки изделия.

Один из представителей BJ-принтеров (Рисунок 3) для ознакомления:

Рис. 3. 3D-принтер Robotech R-2000

Robotech R-2000 — большой промышленный принтер для крупных предприятий, работающих в металлургической отрасли. Разработан российскими конструкторами компании «Роботех». Отличительная особенность аппарата — огромная область построения размером 2 000 × 1 000 × 1 000 мм, что открывает возможность печати цельных литейных форм для изготовления крупных объектов. Допускается создание трехмерных предметов любой степени сложности с точки зрения геометрии. Существует возможность кастомизации по желанию заказчика, включающей изменение области печати и перенастройку программного обеспечения.

Плюсы Binder Jetting

• Низкая стоимость, по сравнению с другими процессами 3D-печати металлами, такими как DMLS, SLM или Material Jetting.
• Возможность печати полноцветных прототипов.
• Богатые возможности печати внутренних структур.
• Отсутствие деформации при печати.
• Высокая производительность при производстве малых и средних партий.

Минусы Binder Jetting

• Высокая пористость моделей, по сравнению с изготовленными на DMLS или SLM, что приводит к меньшей механической прочности.
• Хрупкость детали в процессе, до термообработки.
• Необходимость закладывать разницу в размерах на усадку, при печати моделей под запекание.
• Ограниченное количество материалов — их еще не так много, по сравнению с другими процессами 3D-печати.

В целом технология BJ является современным взглядом на классические методы изготовления форм для литейного производства и имеет хороший потенциал для применения и дальнейшего развития.