Использование аддитивных технологий при литье по выжигаемым моделям

УДК 621.74.04

Г. Н. МИТРАКОВ С. Н. ЕВДОКИМОВ Е. Г. ЛАВРИК В. С. САЗОНОВ

Омский государственный технический университет

Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск

ОАО «Омское моторо-конструкторское бюро»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ЛИТЬЕ ПО ВЫЖИГАЕМЫМ МОДЕЛЯМ_

В статье рассмотрены характерные особенности разработки технологии изготовления литья по выжигаемым моделям (ЛВМ), изготавливаемым по аддитивным технологиям (З^печатью). Показано, что предварительно проводимый термический анализ при нагреве, в интервале температур технологии ЛВМ, образцов моделей «выращенных» по различным З^технологиям позволяет оценить возможность рационального использования этих моделей для ЛВМ, а также способствует выбору известных или разработке новых технологических приемов, рекомендаций для оптимизации технологии на всех стадиях изготовления отливок.

Ключевые слова: литье по выжигаемым моделям (ЛВМ), аддитивные технологии (АТ), «выращивание», З^печать объектов, термическое разложение.

Литье по выжигаемым моделям (ЛВМ) достаточно распространяемые в настоящее время способы получения точных, тонкостенных, сложных по конфигурации отливок из различных металлов и сплавов. Условно ЛВМ можно разделить на два направления в зависимости от этапа выжигания модели из литейной формы.

Началом широкого промышленного использования при массовом производстве ЛВМ можно считать 60-е годы прошлого века в связи с расширением исследований и разработкой технологий и оборудования для ЛВМ из пенополистирольных моделей. Отличительной особенностью данных технологических процессов было то, что модели из пенополистирола газифицировались под действием тепловой энергии металла, заливаемого в литейную форму, где располагались эти модели. В дальнейшем это направление оформилось как один из способов точного литья — литье по газифицированным моделям (ЛГМ) [1].

Изготовление моделей для ЛГМ осуществляется в основном из пенополистирола, обладающего достаточно хорошими для данного способа свойствами: температурой горения ^ ) — в пределах 560 оС, время горения — от 10 до 20 с, а масса негазифи-цируемого остатка доходит до 0,015 % от массы модели. Основные направления улучшения данной технологии это:

— улучшение под воздействием заливаемого металла процесса газификации полистирола, используя специальные добавки;

— снижение дефектов литья, связанных с остатками неполной газификации материала моделей.

Разработки новых материалов, например РММА («Doro Chemical» США) [1], позволили уменьшить остаток по массе в 20 раз, по сравнению с остатком при использовании литейного полистирола.

Для изготовления пенополистирольных моделей применяется оснастка, изготавливаемая как традиционными методами, так и с использованием аддитивных технологий, как при литье по выплавляемым моделям. Это позволяет значительно сократить время подготовки производства. Рациональная, минимальная толщина стенок пенополистирольных моделей, изготавливаемых в пресс-формах, составляет около 2 мм .

Для изготовления тонкостенных, габаритных, сложных по конфигурации отливок, особенно из сложнолегированных сплавов или из сплавов с ограничением в них содержания углерода, представляет интерес другое направление способа литья по выжигаемым моделям. Это способ, при котором заливка расплавом осуществляется в рабочую полость неразъемной литейной формы, полученную после предварительного выжигания модели в форме. Керамическая оболочка прокаливается для дожигания остатков моделей, как при литье по выплавляемым моделям, и перед заливкой расплавом подогревается. Для улучшения качества литья заливка оболочки может осуществляться и в вакууме.

Первоначально для изготовления оболочковых форм использовались традиционно изготовляемые в пресс-формах пенополистирольные модели (Rep-licast-CS [1]), а с появлением в настоящее время аддитивных технологий (АТ), появилась возмож-

f

Рис. 1. Образцы объектов, полученных с помощью АТ: а — лопасть крыльчатки (Z-Builder); б — лопасть крыльчатки (iPro 9000 в режиме Quick Cast); в — лопасти крыльчатки из сплава, изготовленные ЛВМ с использованием АТ (модель); г — «сотовая» структура объекта, полученного на 3d-принтере iPro 9000

ность использовать «выращенные» выжигаемые модели. Технологии «выращивания» 3d-объектов позволяют изготавливать практически любые сложные по форме, тонкостенные выжигаемые модели с необходимой макроструктурой, конструкционной прочностью для получения качественной оболочки и отливки. Модели, «выращенные» для использования в ЛВМ, могут быть значительно тоньше, чем пено-полистирольные, изготавливаемые в пресс-формах, например, модель «лопасти» крыльчатки для изготовления отливки с толщиной до 0,8 мм (рис. 1а, б). В ряде случаев полученные по таким моделям отливки по размерам, шероховатости поверхностей максимально приближаются к деталям и не нуждаются в дальнейшей мехобработке или применяются только финишные операции (рис. 1в). При этом время изготовления моделей на 3d-принтере, с возможностью многократного получения идентичных объектов без всякой оснастки, оценивается в часах.

Получение без оснастки выжигаемых моделей при АТ, по требуемым конструктивным параметрам дает огромный экономический эффект, а применение зарубежных 3d-принтеров различных фирм со своими материалами, неизвестными для использования в ЛВМ, затрудняет разрабатывать или корректировать традиционную технологию литья.

Поэтому была сделана попытка использования известных методик оценки характеристик полученных при разложении материалов в процессе их нагрева, применительно для «выращенных» на 3d-прин-терах образцах, в интервале температур полного технологического процесса изготовления ЛВМ.

Аналогично ранее предпринималась попытка [2] по решению технологических задач при ЛВМ с использованием результатов исследований процессов разложения в условиях по термо- и термоокисли-

тельной деструкциях (ТД и ТОД) на материалах, используемых в стереолитографии. Для исследований процессов разложения материалов использовалась модернизированная авторами установка.

В данной работе исследования термического разложения «выращенных» образцов проведены по достаточно широко используемым методикам на приборе DTG-60 SHIMADZU, с отражением динамики потери массы (TGA) при нагревании, изменения температуры в зоне реакции (DTA) и скорости разложения образца (DrTGA) в единицу времени, а также количества зольных остатков после сгорания образцов.

С учетом производственных задач и предварительно выбранных технологий Sd-печати и материалов, были рассмотрены возможности использования для ЛВМ в качестве выжигаемых моделей «выращенные» объекты на Sd-принтерах: Z-Builder с объектами из фотополимера SI500; iPro 9000 с ßd-объ-ектами «выращенными» в режиме Quick Cast из материала Accura Xtreme1; и на принтере EOSINT Р 395 с объектами из полиамида РА-2200.

Материал SI500, используемый при 3d-печати на принтере Z-Builder, представляет собой вязкую эпоксидную композицию желтого цвета. При построении модели на 3d-принтере, проектором создаётся изображение слоя, под воздействием света смола поли-меризуется, создаваемая модель погружается в смолу на толщину слоя, проектором создаётся изображение следующего слоя и т.д. После «выращивания» и промывания, объект готов к использованию. Объект имеет отличную чистоту поверхности без видимых следов послойного «выращивания» (рис. 1 а).

Желтый цвет материалу придает, вероятно, титано-содержащая светорассеивающая добавка, предотвращающая воздействие излучения на более глубо-

б

а

в

г

Рис. 2. График изменения ЭТА, ТвЛ, БгТСЛ при термическом воздействии на образцы, «выращенные» на принтере 7-ВшЫег из материала 81500

кие слои при «выращивании» модели. После выжигания полимера эта добавка остается в виде мелкодисперсного порошка в количестве, примерно, 0,25 % от исходной массы.

Графики зависимостей TGA, DTA, DrTGA и остатков при термическом разложении (при нагреве) образца из смолы SI500 представлены на рис. 2.

Разложение SI 500 начинается уже при 200 °C. В интервале температур от 200 °С до 450 °С, более 70 % массы исходного материала переходит в газ и удаляется из зоны реакции. Около 500 °С происходит воспламенение оставшейся массы и максимум теплоотдачи наблюдается в районе 550 °С, когда догорают тяжелые остатки вещества, составляющие около 20 % массы исходного материала.

Аналогичные графики при термическом разложении «выращенного» на iPro 9000 образца из материала Accura Xtreme показаны на рис. 3.

«Выращивание» З^модели на З^принтере iPro 9000 осуществляется в результате послойного нанесения жидкого фотополимера и его полимеризации в том месте, где прошел лазерный луч. При послойном нанесении смолы и обработки лазерным лучом происходит послойное «выращивание» З^модели.

Для литья по выжигаемым моделям за рубежом и на ряде отечественных предприятий применяется изготовление моделей в режиме Quick Cast. Модель имеет сотовую структуру (рис. 1 г), обеспечивая минимальное образование твердого остатка при выжигании модели из формы, предотвращая деформацию формы и растрескивания при нагреве и прокаливании. Структура позволяет экономично использовать полимер при изготовлении модели. Структура может иметь до 17 % отвержденного полимера и 83 % воздуха. Однако в тонких местах, а также по краям «выращенных» моделей затруднено получение сотовой структуры (рис. 1 б).

Разложение материала образцов, полученных на iPro9000, начинается при 100 °С (рис. 3). В интервале температур от 150 °С до 400 °С более 70 % массы исходного вещества переходит в газ и удаляется из зоны реакции. При 400 °С фиксируется максималь-

ная скорость разложения. Около 500 °С продукты распада воспламеняются, и при 550 °С отмечается максимум теплоотдачи процесса разложения и второй максимум скорости разложения.

В сравнении с разложением смолы SI500 все процессы происходят аналогично, за исключением температуры начала разложения (100 °С рис. 3) и тяжелые остатки выгорают в более узком диапазоне температур, создавая большой выброс тепла. После выжигания модели остается около 0,1 % от исходной массы мелкодисперсного порошка.

Полиамид РА 2200 используется при селективном лазерном спекании на З^принтере EOSINT Р 395. Материал РА 2200 представляет собой порошок со средним размером гранул 56 микрон. Данный способ и материал подходит для «выращивания» без поддержек на поверхностях высокоточных изделий сложной геометрической формы, объекты хорошо поддаются шлифовке и покраске. С помощью селективного спекания порошков лазером послойно «выращивается» модель.

При термическом разложении образцов «выращенных» из полиамида (рис. 4), начало разложения материала отмечается около 250 °С. В интервале температур от 300 °С до 400 °С примерно 50 % массы исходного вещества переходит в газ и удаляется из зоны реакции. При температуре вблизи 450 °С происходит воспламенение остатков разложения. При температуре выше 450 °С тяжелые остатки воспламеняются, и разложение идет с выделением тепла. После термического разложения образца из этого материала остается примерно 0,5 % мелкодисперсного белого порошка, содержащего кремний.

Полученные результаты показывают, что все исследованные материалы при нагреве до 350 — 400 °С разлагаются аналогично, переходя в газ, теряя более половины массы.

Остатки после разложения этих материалов, используемых для моделей ЛВМ, остаются в рабочей полости форм, в интервале температур, при котором примерно происходит прокаливание форм-оболочек для ЛВМ. Причем масса их значительно больше, чем

Рис. 3. График изменения DTA, TGA, DrTGA при термическом воздействии на образцы, «выращенные» в режиме Quick Cast из материала Accura Xtreme на принтере iPro 9000

Рис 4. График изменения БТЛ, ТОЛ, БгТОЛ при термическом воздействии на образцы, «выращенные» из полиамида РА2200 на принтере Б08ШТ Р 395

отмечено в исследованиях при ЛГМ с полистироль-ными моделями [1]. Для удаления из рабочей полости формы таких остатков предусматривается наличие «промывников» или специальных «карманов», обеспечивающих удаление твердых остатков разложения из зоны формирования тела отливки в процессе заполнения расплавленным металлом формы или при продувке формы воздухом. В связи с этим при разработке ЗЭ-СЛБ на выжигаемую модель необходимо стремиться облегчить модель (использовать тонкие стенки, а для повышения их жесткости — создавать

сложную архитектуру внутренней части моделей, формировать систему вспомогательных «поддержек»). При «выращивании» модели это не усложняет процесс изготовления объекта. Необходимо по возможности выбирать технологический процесс 3d-печати выжигаемой модели, обеспечивающий получение сотовой структуры объекта, как при печати в режиме Quick Cast на iPro 9000.

В связи с отсутствием для технологов практических рекомендаций по разработке технологий ЛВМ с использованием моделей АТ для изготовления

можно воспользоваться сведениями, полученными из предварительных экспериментов по температурному разложению образцов «выращенных» по предлагаемой технологии получения выжигаемых моделей. Возможно проведение экспериментов на образцах с учетом предполагаемых толщин стенок моделей и других особенностей моделей. Сведения по термическому разложению образцов получаются за короткий промежуток времени.

При разработке литейной технологии необходимо учесть, что оболочка — литейная форма, в которой располагается выжигаемая модель, препятствует доступу воздуха и выходу продуктов разложения при нагреве снаружи формы с моделью для её выжигания и прокаливания формы. Неконтролируемое повышение давления газов может привести к деформации и даже к разрушению формы. Аналогичен может быть эффект при нагреве модели внутри формы, если отсутствуют вентиляционные (продувочные) каналы.

Удаление продуктов разложения моделей может быть осуществлено, если предусмотреть в 3Б-СЛБ специальные продувочные каналы внутри модели и выходные каналы в литейной форме-оболочке. Последние могут быть добавлены на отпечатанную модель перед изготовлением оболочки и могут быть выполнены из воска, парафино-стеариновой смеси и т.п. смесей, имеющих более низкую температуру плавления, чем материал модели. Аналогично выполняются элементы литниковой системы (стояки, прибыли, шлакоуловители и т.п.) для уменьшения материала, используемого при 3d-печати. Технологический прием создания комбинированных моделей из различных по температуре плавления материалов, расширяет возможности использования моделей, изготовленных по АТ, а также снижает себестоимость выжигаемых моделей. При сушке формы, смеси вытапливаются, образуются технологические каналы, литниковая система и т.п. Продувая через эти каналы воздух при температуре 350 — 400 °С, можно удалить 50 — 70 % массы материала модели. Нагрев изнутри и малая теплопроводность полимера модели исключают образование зон скопления газа и, следовательно, деформацию и разрушение литейной формы. Повышение температуры, не прекращая подачу воздуха, будет способствовать выжиганию тяжелых остатков и предотвращению сажевых отложений на стенках рабочих поверхностей оболочки. Такой прием позволит удалить и мелкодисперсные остатки моделей. Результаты изменения БТЛ, ТСЛ, БгТСЛ, полученные в предварительных экспериментах при термическом разложении образцов, будут способствовать разработке рациональной технологии литья по ЛВМ.

Преимущества аддитивных технологий при литье по выжигаемым моделям достигаются за счет воз-

можности многократного изготовления высокоточных моделей за относительно короткий промежуток времени, исключив значительные затраты на оснастку, а также за счет использования опыта традиционных технологий изготовления форм-оболочек, пополняя опыт изготовления ЛВМ особыми технологическими приемами при использовании моделей, изготовленных на 3d-принтерах, АТ способствуют развитию ЛВМ для получения точных и сложных по конфигурации отливок из специальных сплавов, значительно улучшая экономические показатели точного литья.

Предварительное использование методики исследования термического разложения любых «выращенных» объектов, предполагаемых для применения в качестве выжигаемых моделей при ЛВМ, позволит решить вопрос о целесообразности применения данного способа и материала для изготовления выжигаемых моделей, а также позволит предусмотреть известные в литье технологические приемы и особенности построения рациональных технологий ЛВМ для отдельных видов отливок.

Примечания

1 Работа проводилась в НТК «МашТех», СПб ГПУ.

Библиографический список

1. Шуляк, В. С. Литье по газифицируемым моделям / В. С. Шуляк. - СПб. : НПО Профессионал, 2007. - 408 с.

2. Морозов, В. В. Исследование и разработка технологических режимов изготовления отливок по выжигаемым моделям, полученных методом лазерной стереолитографии : авто-реф. дис. ... канд. техн. наук / В. В. Морозов. — М., 2005. — 15 с.

МИТРАКОВ Геннадий Николаевич, кандидат технических наук, директор инженерного центра технологий, оборудования, материалов при Омском государственном техническом университете (ОмГТУ). ЕВДОКИМОВ Сергей Николаевич, инженер института проблем переработки углеводородов СО РАН.

ЛАВРИК Евгений Геннадьевич, кандидат технических наук, главный металлург ОАО «Омское моторо-конструкторское бюро».

САЗОНОВ Виктор Сергеевич, инженер инженерного центра технологий, оборудования, материалов при ОмГТУ, аспирант ОмГТУ. Адрес для переписки: iztom@mail.ru.

Статья поступила в редакцию 20.04.2015 г. © Г. Н. Митраков, С. Н. Евдокимов, Е. Г. Лаврик, В. С. Сазонов

Книжная полка

Величко, В. В. Модели и методы повышения живучести современных систем связи / В. В. Величко, Г. В. Попков, В. К. Попков. - М. : Горячая линия-Телеком, 2014. - 269 c. - ISBN 978-59912-0408-8.

Рассмотрены вопросы анализа живучести сетей связи в условиях разрушающих информационных воздействий. Дана классификация информационных атак в информационных сетях и методы их обнаружения. Уделено значительное внимание вопросам, связанным с живучестью и надёжностью мобильных систем связи, предложены модели структурной надежности.