Главная
Статьи
Песчаные формы для литья, напечатанные на 3D-принтере

Песчаные формы для литья, напечатанные на 3D-принтере

Содержание

Введение

В настоящий момент подавляющее большинство габаритных высокотехнологичных отливок на российских предприятиях машиностроительной промышленности производятся по традиционной технологии, то есть методом литья в разовые формы, созданные по мастер-моделям. Примером может служить блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Такой метод подразумевает собой длинный технологический процесс изготовления мастер-моделей: подготовка смеси, формовка элементов формы, их дальнейшая сушка и специальные условия хранения.

Еще одним традиционным методом является литье в металлическую форму (кокиль), не менее трудоемкий и дорогостоящий процесс. Плюс ко всему при изготовлении кокиля очень велика вероятность брака. С помощью традиционных технологий очень сложно, а иногда невозможно изготавливать каналы охлаждения, оптимизировать конструкции и уменьшать припуск на постобработку. Таким образом они сильно ограничивают разработку новой продукции.

Чтобы преодолеть ограничения, связанные с применением традиционных методов, передовые производители в области машиностроения постепенно переходят на аддитивные технологии. Производство песчаных форм для литья с помощью 3D-печати позволяет расширить возможности производства новой продукции и сократить технологическую цепочку в целом, и вот почему. Исчезает необходимость в металлических или композитных мастер-моделях, в изготовлении и установке литниковой системы в опоку и т.д. Это в свою очередь значительно сокращает время производства и снижает стоимость литейных форм.

Процесс выглядит следующим образом: специализированное ПО разрезает компьютерную модель на слои, и они загружаются в 3D-принтер в виде кода. В рабочей зоне происходит сама печать: на предварительно подготовленный слой песчанной смеси наносится отвердитель Таким образом в зоне построения из песчаной смеси слой за слоем “вырастает” готовое изделие, точно повторяющее цифровую модель.

Технология послойного синтеза Binder Jetting

Для создания литейных форм на 3D-принтере применяют технологию струйной 3D-печати. Технология струйной печати носит название Binder Jetting и представляет собой технологию послойного синтеза, в котором печатающая головка осаждает жидкий связующий агент и отвердитель на заданные цифровой моделью участки слоя для склеивания частиц песка. После отверждения слоя рабочая камера опускается и поверх готового слоя наносится еще один с последующим добавлением связующего. Процесс повторяется до полного построения формы.

Как правило, в качестве сырья для Binder Jetting используется силикатный песок и фурановая смола как связующее. Силикатный песок производится из кристаллов кварца и является одним из самых распространенных сортов песка в мире. Применение фуранового связующего также очень распространено. Оно является основой в традиционных технологиях для производства отливок и не требует обжига. Это означает, что напечатанные формы можно сразу использовать для литья, не подвергая предварительному обжигу.

Сравнение двух технологий изготовления литейных форм

Преимущество Binder Jetting в том, что она позволяет создавать формы практически любой геометрии и габаритных размеров, с гораздо большей рентабельностью, чем другие технологии. Сокращается цикл производства и себестоимость самой формы, а значит и себестоимость литья. На 3D-принтерах с большой рабочей зоной можно производить крупные серии. Если говорить о технологии лазерного спекания плакированного песка, то здесь печать осуществляется засчет спекания частиц песка, покрытых тонким слоем смолы. Как и в случае с Binder Jetting песок наносится слоями, но отличие в том, что каждый слой обрабатывается лучом лазера.

Сравним эти две технологии по двум главным критериям: скорость построения форм и их себестоимость.

При одинаковых размерах рабочей камеры и толщине слоя 200 мкм скорость печати лазером в 10 раз ниже, чем скорость послойного синтеза. Чем меньше толщина слоя, тем больше увеличивается скорость печати. Что касается себестоимости формы, стоимость песка для Binder Jetting немного дороже, так как к нему предъявляются высокие требования по однородности. Это требование критично для равномерного нанесения тонких слоев. В целом по сравнению с песком для традиционной технологии производства его стоимость не превышает 5 000 рублей за 1 тонну. Если говорить о технологии лазерного спекания, то стоимость плакированного песка в 30-60 раз больше, чем силикатного песка для 3D-печати.

Отечественные 3D-принтеры для печати литейных форм

В странах запада аддитивные технологии в литейном производстве развиваются уже несколько десятилетий. Основными компаниями на этом рынке стали ExeOne и VoxelJet. Несмотря на явные преимущества и высокотехнологичность производимых ими установок, их проникновение на российский рынок затруднено несколькими факторами:

Наблюдается высокий уровень газовыделения при заливке жаропрочных сплавов и сталей в песчаные формы.
Каждая установка стоит более 2 млн долларов в зависимости от размера камеры построения.
Могут работать только на импортных расходных материалах, которые не только в десятки раз дороже, но и не всегда доступны в России.
В силу того, что все комплектующие импортные, регулярное сервисное обслуживание обойдётся очень дорого.

В связи с этим российские производители задумались о создании отечественного оборудования, которое по своим характеристикам не будет уступать и даже превзойдет западные аналоги. В 2019 году компания Robotech, специализирующаяся на производстве промышленных роботизированных комплексов на основе современных технологий, разработала и создала собственный промышленный 3D-принтер для печати литейных форм.

3D-установки для печати литьевых форм Robotech

В процессе создания 3D-установок Robotech внедрила новые технологии, такие как:

Автоматическая подготовка смеси песка с системой аэрации без предварительной сушки;
Возможность многократного использования не связанного песка;
Использование песка фракцией от 0,1 до 0,5 мм;
Собственная разработка системы управления, простой понятный интерфейс;
Удаленный запуск и мониторинг процесса печати;
Возможность внесения изменений в ПО по требованию Заказчика;
Возможность замены отдельной печатной головки, не заменяя весь печатный модуль.

Благодаря тому, что 90% комплектующих оборудования изготавливается в РФ, его стоимость гораздо ниже зарубежных аналогов, а применение расходных материалов Российского производства позволяет добиться оптимальной себестоимости формы. Большой плюс установок Robotech - это оперативная русскоязычная сервисная поддержка, доступное сервисное обслуживание и наличие комплектующих на складе РФ.

В настоящее время компанией Robotech разработан модельный ряд отечественных принтеров для производства песчаных литейных форм: R600, R1200 и R2000. Каждой модели соответствуют свои размеры рабочей камеры.

Область построения R600 составляют 600х600х500 мм, R1200 - 1200х1000х600 мм и R2000 - 2000х1000х1000 мм.

Все модели имеют скорость построения до 165 тысяч кубических сантиметров в час, печатают с разрешением 400 пикселей, минимальной скоростью 18 секунд на один слой и минимальной толщиной стенки - 2 мм. Для печати принимаются файлы формата prt, stp, step, x_t.,igs, iges, x_b, stl.

Примеры изделий, напечатанных на 3D-принтере

С 2019 года на пермском заводе “Новомет-Пермь" серийно выпускаются формы для отливки рабочих органов 5-18 габарита. В 2021 году запущен второй промышленный принтер.

Пример эксплуатации промышленной установки Robotech 2021 года в АО "Новомет-Пермь"

Важной особенностью установок является инновационная система построения на платформе, которая открывает возможность печати лишь на части области построения, не задействуя все пространство. Это позволяет экономить материалы, электроэнергию, сократить время печати и исключает риск повреждения формы при выемке. Если возникает потребность в увеличении области построения, конструкцию установки можно оперативно масштабировать до 4 метров с сохранением основных конструктивных элементов.

Пример изделий, изготовленных по технологии литья в 3D-формы. Рабочие органы центробежного насоса.

На фото слева представлена песчаная форма, напечатанная на установке Robotech. По центру - отливки, изготовленные с помощью этой формы. Класс точности отливок 7...9, шероховатость от 16 Ra. На фото справа готовые детали после финальной механической обработки.

Песчаная форма для литья, изготовленная на 3D-принтере Robotech

3D-принтеры Robotech оснащены уникальной системой смены платформ построения. После завершения печати платформа выкатывается на рельсовых основаниях и устанавливается новая платформа. Оперативная смена платформ позволяет не прерывать цикл производства. При сбоях электроэнергии и остановки печати все настройки и выбранные параметры сохраняются для успешного возобновления цикла печати.

Склеенная песчаная форма для литья, изготовленная на 3D-принтере Robotech

Заключение

Высокотехнологичные установки печати песчаных форм расширяют возможности традиционного производства отливок и оптимизируют затраты металлургических предприятий. Созданные на основе отечественных разработок, они представляют собой более выгодную альтернативу импортным принтерам. Возможность применения расходных материалов российского производства (фурановых смол, активатора и песка). Технология Binder Jetting позволяет успешно внедрять 3D-печать в производство литьевых форм. Благодаря принтерам, работающим по этой технологии, предприятия могут расширить номенклатурную базу производимых отливок, печатать формы сложной геометрии и сократить сроки производства форм до 1 дня. При этом не придется тратить огромные деньги на дорогостоящее зарубежное оборудование.

Если вы задумались о внедрении аддитивных технологии, но испытываете сомнения, мы ответим на все вопросы, сделаем тестовое изделие или сканирование, чтобы вы смогли принять окончательное решение.

Записаться можно удобным для вас способом:

по электронной почте: [email protected],
через чат на сайте,
по телефону: 8 (800) 500-33-91,
или через форму подачи заявки на любой странице.

Заказать принтеры или другие промышленные решения можно по этой ссылке.