Способ аддитивного производства удаляемых литейных моделей из порошковых материалов
METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURE OF REMOVABLE CASTING PATTERNS FROM POWDERED MATERIALS

Изобретение относится к технологическим процессам в области промышленной металлургии, а именно к литью металлов и может быть использовано при изготовлении разовых удаляемых литейных моделей методом аддитивного производства (послойного синтеза) для последующей формовки и литья различных металлов. В частности, к технологии послойного синтеза сложных разовых удаляемых литейных моделей порошковых материалов, где в качестве порошка используется порошок из по меньшей мере одного термопластичного полимера и по меньшей мере одного связующего, и может найти применение в разных отраслях машиностроения, например, для изготовления литейных форм и стержней особо сложной конфигурации для авиационной, автомобилестроительной, кораблестроительной и др. отраслей с высокой точностью и качеством поверхности.
Из уровня техники известен источник информации RU 2571238 C2, 20.12.2015, в котором раскрыт способ, включающий в себя изготовление из пенополистирола газифицируемой модели с литниково-питающей системой, содержащей прибыль при этом 15-75% прибыли литниково-питающей системы выполняют полой и перед формовкой заполняют полую часть прибыли экзотермической смесью, при следующем соотношении компонентов, вес.%: окисляемый компонент - 5-65; окислитель - 5-65; катализатор - 0-10; вермикулит вспученный - остальное.
К недостаткам известного из уровня техники технического решения можно отнести невозможность получения особо сложной геометрии модели, либо необходимость дополнительного изготовления дорогостоящей оснастки для получения пенополистирольной модели сложной конфигурации.
Из уровня техники известен источник информации RU 2729270 C1, 05.08.2020 (является прототипом), из которого известен способ изготовления отливок по газифицируемым (выжигаемым) моделям, включающий изготовление газифицируемой модели трехмерной печатью, с использованием порошка и связующей жидкости. В качестве порошка используют порошок следующего состава (мас.%): декстрин (10-50), волокно целлюлозы (5-30), картофельный крахмал (5-25), сахарная пудра (5-30), водный коагулянт (0-1), при этом связующая жидкость имеет следующий состав (мас.%): глицерин (0-20), увлажнитель (0-20), алкоголь (менее 1), поверхностно-активное вещество (далее ПАВ) (0-1), кислая соль (0-1), краситель (0-1), вода (75-98).
Кроме того, внесение связующего материала осуществляют с шагом 1-2 толщины слоя и 3-4 толщины слоя.
К существенному недостатку известного технического решения следует отнести низкую точность, высокую трудоемкость в получении порошка и связующего, а также низкую производительность за счет малого шага обработки, при этом использование указанного порошка, связующего вещества и ПАВ показывают значительный зольный остаток при выжигании модели из формы и таким образом имеют высокий риск растрескивания формы при выжигании.
Учитывая указанные недостатки известного технического решения (прототипа), можно сделать вывод о том, что оно не позволяет обеспечить высокие технологические и экономические характеристики процесса изготовления отливок, что является основным сдерживающим фактором широкого внедрения технологии аддитивного производства в технологических процессах области металлургической промышленности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение недостатков известного уровня техники, а также увеличение сложности отливок, получаемых по удаляемым моделям, повышение качества изделия и, следовательно, снижение брака при заливке, повышение производительности процесса в высокоточном литье.
Технический результат
, достигаемый при использовании заявленного изобретения, заключается в повышении сложности отливок за счет применения технологии аддитивного производства и послойного синтеза, позволяющей повысить точность изделия за счет применения многосопловых пьезоэлектрических печатающих головок с крайне малым диаметром капли, что в свою очередь позволяет наносить слои толщиной не более 150 мкм, с одновременным исключением брака, вызванного растрескиванием форм  за счет нулевого или отрицательного коэффициента теплового расширения удаляемой модели, полученной из порошка, выбранного из группы ПММА (полиметилметакрилат), полиамида, полистирола, воска, поликарбоната, полиуретана, поливинилхлорид и их смеси при удалении модели из формы.
Под сложностью отливок в рамках заявленного изобретения подразумевается форма, имеющая в своей основе, несколько геометрических фигур.
Сущность технического решения заявляемого изобретения заключается в том, что в способе аддитивного производства удаляемых литейных моделей из порошковых материалов, включающем:
a. нанесение слоя порошкового материала на рабочую поверхность толщиной от 1 до 10 диаметра частиц порошкового материала, предпочтительно толщиной от 1 до 5 диаметра частиц порошкового материала и особенно предпочтительно толщиной от 1 до 3 диаметра частиц порошкового материала;
b. внесение связующего материала в программно-определенные участки нанесенного слоя порошка для скрепления частиц порошка в выбранных участках,
c. опускание рабочей поверхности на величину слоя;
d. многократно повторение стадий «a», «b» и «c» до получения литейной модели и/или ее элементов из отвержденного порошкового материала и связующего компонента,
новым является то, что  порошковый материал выбирают  из группы, содержащей полиметилметакрилат (ПММА), полиамид, полистирол, воск, поликарбонат, полиуретан, поливинилхлорид и их смеси, при этом связующий материал подают через многосопловые пьезоэлектрические печатающие головки с толщиной нанесения слоя не более 150 мкм; в процессе нанесения каждого слоя осуществляют вибрационное воздействие на порошок только наносимого слоя на глубину наносимого слоя в месте разравнивания порошка разравнивающим устройством; подачу порошка для нанесения нового слоя осуществляют из устройства подачи в зону рабочей поверхности перед устройством разравнивания.
Заявляемая совокупность операций аддитивного производства позволяет повысить производительность и качество нанесения слоя за счет снижения силы внутреннего трения, которое достигается вибрационным воздействием в наносимом материале, что в свою очередь также повышает точность изделия, его прочность и однородность укладки порошкового материала.  Причем за счет снижения внутреннего трения повышается также скорость нанесения порошковых материалов, что ведет к повышению производительности технологического процесса в целом.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и приложенной схемой реализации способа аддитивного производства удаляемых литейных моделей из порошковых материалов, где:
1 - порошковый материал,
2 - разравнивающее устройство,
3 - рабочая платформа,
4 - стержень/элемент формы,
5 - новый слой,
6 - рабочая камера,
7 - неотвержденный порошок,
8 - печатающая головка,
9 - связующий материал,
10 – процесс внесения связующего материала,
11 - устройство подачи.
Со ссылкой на фиг.1 стрелками показаны а, b, c общие признаки для данной технологии: нанесение слоя порошкового материала на рабочую поверхность, внесение связующего материала в программно-определенные участки нанесенного слоя порошка для скрепления частиц порошка в выбранных участках, опускание рабочей поверхности на величину слоя. Данные этапы многократно повторяют до получения  литейной модели и/или ее элементов из отвержденного порошкового материала и связующего компонента.
Для аддитивного производства удаляемых литейных моделей из порошковых материалов, выбирают порошковый материал из группы, содержащей полиметилметакрилат (ПММА), полиамид, полистирол, воск, поликарбонат, полиуретан, поливинилхлорид и их смеси. Средний диаметр частиц порошкового материала, определенный при помощи ситового анализа, составляет от 5 до 300 мкм, предпочтительно от 40 до 90 мкм.  Применение порошковых материалов с нулевым или отрицательным коэффициентом теплового расширения, к которым относятся указанные порошковые материалы и их смеси, позволяет избежать растрескивание форм при удалении модели из неё.
Слой порошкового материала  наносят на рабочую платформу  3 толщиной от 1 до 10 диаметра частиц порошкового материала, предпочтительно толщиной от 1 до 5 диаметра частиц порошкового материала и особенно предпочтительно толщиной от 1 до 3 диаметра частиц порошкового материала.
В отношении указанных числовых значений интервалов, характеризующих толщину слоя порошкового материала, нанесенного на рабочую поверхность порошкового материала, можно отметить, что поскольку техническое решение направлено на изготовление удаляемых литейных моделей с достижением сложных форм, то для их изготовления необходимо применение высокого разрешения по аналогии с обычной печатью.
Применяя в данном случае понятие «разрешение» к аддитивному производству следует иметь ввиду толщину наносимого слоя, который при этом должен быть минимален для повышения разрешения, поскольку только высокое разрешение будет обеспечивать точность литья при изготовлении удаляемых литейных моделей.
Таким образом, для достижения точности передачи сложной формы и геометрии при литье, для специалиста должно быть очевидно, что формы должны обладать высокой степенью точности изготовления, что обеспечивается только стадиями производства с минимальными значениями толщин наносимых слоев за счет слоев порошкового материала и связующего материала, который подается через многосопловые пьезоэлектрические печатающие головки с толщиной нанесения слоя не более 150 мкм. В заявляемом изобретении они обусловлены возможностями производственного оборудования.
На следующем этапе вносят связующий материал в программно-определенные участки нанесенного слоя порошка для скрепления частиц порошка в выбранных участках. Связующее выбрано из группы, содержащей органические связующие, такие как эфиры, двухосновные эфиры (DBE, dibasic ester), спирты, кислоты, смолы и их смеси, неорганические связующие.  Содержание связующего материала составляет 0,5% до 30% от массы порошка. Связующий материал подается через многосопловые пьезоэлектрические печатающие головки 8. Размер (объем) капли связующего компонента подаваемого через многосопловые пьезоэлектрические печатающие головки составляет от 5 до 200 пл, при этом плотность распределения капель (разрешение печати) находится в диапазоне 100 - 900 точек на дюйм (dpi).  Важно, чтобы устройство для нанесения связующего - печатающая головка 8 была расположена на расстоянии не более 3 мм от обрабатываемого слоя.
Процессе нанесения каждого слоя 5 сопровождают вибрационным воздействием на порошок только наносимого слоя на глубину наносимого слоя в месте разравнивания порошка разравнивающим устройством 2, при этом подача порошка для нанесения нового слоя осуществляется из устройства подачи 11 в зону рабочей поверхности 3 перед устройством разравнивания 2.   Вибрационное воздействие осуществляется от вибрации механизма подачи устройств и разравнивания порошка или ультразвуковым вибратором, расположенным на устройстве разравнивания 2.
Подача порошка для нанесения нового слоя из устройства подачи 11 осуществляется равномерно, дискретно, порционно с количеством порошка необходимым и достаточным для формирования слоя.
Процесс нанесения слоев повторяют многократно до получения литейной модели и/или ее элементов из отвержденного порошкового материала и связующего компонента.
Далее показан конкретный пример реализации предлагаемого способа.
Эксперимент заключался в создании сложной удаляемой модели рабочего колеса насоса. В качестве порошкового материала использовали полиметилметакрилат.  Средний диаметр частиц порошкового материала – 50 мкм. Порошковый материал наносили на рабочую платформу 3Д принтера тонким слоем толщиной 2 диаметров частиц порошкового материала. Затем, вносили 0,5 % связующего от массы порошка. В качестве связующего использовали двухосновный эфир (DIBASIC ESTER, DBE). Связующее подавали через многосопловые пьезоэлектрические печатающие головки объемом каждой капли 30 пл, а плотность распределения капли 400 точек на дюйм, при этом печатающую головку располагали на расстоянии 2 мм от обрабатываемого слоя. Затем последовательно наносили так 500 слоев, причем при каждом новом слое осуществляли вибрационное воздействие на глубину 2 диаметра частиц порошкового материала. Подачу порошкового материала осуществляли в место перед устройством разравнивания, а вибрационное воздействие осуществляли электромеханическим вибратором, расположенным на устройстве разравнивания. По результату эксперимента получили сложное изделие, соответствующее высокому качеству.  На его производство потребовалось 4 часа.
Как было показано выше, предложенный способ позволяет повысить сложность отливок за счет применения технологии аддитивного производства и послойного синтеза. Сложность форм обеспечивается благодаря повышению точности изделия за счет применения многосопловых пьезоэлектрических печатающих головок с крайне малым диаметром капли, что позволяет наносить толщины слоя связующего материала не более 150 мкм. Кроме того, практически исключается брак, вызванный растрескиванием форм за счет отрицательного коэффициента теплового расширения удаляемой модели, полученной из порошка, выбранного из группы ПММА (полиметилметакрилат), полиамида, полистирола, воска, поликарбоната, полиуретана, поливинилхлорид и их смеси, при удалении модели из формы.
В целом применение данного способа аддитивного производства позволяет изготавливать литейный формы и стержни любой конфигурации в кратчайшие сроки, что значительно ускоряет вывод продукта на рынок, повышает индивидуализацию производства и скорость реагирования на новые потребности рынки и машиностроения.