3D-технологии для литейного производства: как создать форму для отливки за неделю



    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.

    Телефон – продукт массового производства, и речь идет не о десяти, а о тысячах изделий. Как раз в этом случае нужны матрица и пуансон, и постоянная штамповка большого тиража. Кроме того, если понадобится внести какое-то небольшое изменение в конструкцию, мы можем оперативно исправить CAD-модель, сразу напечатать прототип и проверить его на собираемость, посмотреть, правильно ли мы разработали геометрию.

    – 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.
    iQB Technologies
    142,00
    Компания
    Поделиться публикацией

    Комментарии 30

      0
      Восковые машины относительно дешевы, при этом расходный материал – дорогой. С фотополимерными 3D-принтерами ситуация обратная.
      А как получается что фотополимер дешевле воска? Пчёлы мрут от ГМО и задирают цены?
        0
        По мне так логично: фотополимер — это продукт химической промышленности, и исходный материал — условно нефть/газ/прочие промышленно-добываемые ископаемые.
        Производство идет 24 часа в неделю, 365 дней в году, в любую погоду и при любой температуре окружающей среды.

        Из чего производят воск — не ясно. Пчелы имхо не промышленный вариант.
        Производство натурального пчелиного воска заведомо зависит от кучи условий, причем в ограниченное время — время весеннего цветения.
          0

          Ювелирный "воск" это вовсе не воск в химическом смысле. Тем более, что воска спокойно можно синтезировать.
          Есть ювелирные "воски" на основе полиэтиленгликоля — водорастворимые, есть на основе парафинов + разные добавки.


          Фотополимеры по своей природе более сложные в производстве материалы и чистая себестоимость у них выше. Цена на модельные воски определяется просто — их много не нужно, партии небольшие, отсюда и цены высокие.

            0
            Спасибо за информацию!

            Те мои сомнения подтвердились — ювелирный воск гораздо сложнее/дороже в производстве чем пластики для 3D-печати.
          0
          Спасибо, Вы подняли нам настроение :))
          Напрашивается ответ, что технология изготовления пластика дешевле, чем воска.
          Но можно поразмышлять… На воске «сидят» все ювелиры в мире, при том что объемы печати небольшие и они реально могут заплатить больше. А на пластике «сидят» машиностроители, и они печатают модели большего объема. Если пластик будет очень дорогим, то такая технология не будет востребована на рынке.
            0
            То есть, вопрос не в сложности изготовления воска, а в объёмах производства? Странно.
              +1
              Скажем так, это одно из возможных объяснений.
                0

                А чего странного? Так работает ценообразование на любой товар.

                  0
                  Вам виднее. По моим представлениям, если товар не совсем уж штучный, не скоропортящийся, не запрещенный, с прогнозируемым спросом, — то его цена в современном мире стремится к себестоимости.
              +2
              Литьевой/модельный воск к пчелам отношения не имеет, он только так называется. Это достаточно сложная композиция из пачки полимеров, добавок и прочего, состав которого производитель сплошь и рядом не раскрывает. По механическим свойствам он похож на пластик, в руках не тает, плюс от него требуется заданные характеристики по зольности и прочим специфичным параметрам.
                0
                По зольности? В статье он выплавляется а не выгорает, в отличии от фотополимера. Ну ладно, я понял, просто взять смесь углеводородов с нужной Т плавления не выйдет.
                  0
                  Ну да, вы же не хотите ослабить отливаемую деталь.
                    +1
                    Из сложных моделей он выплавляется только частично, остатки приходится именно выжигать.

                    И кстати, вот еще одно обьяснение дороговизны восковки — фотополимерную модель можно напечатать пустотелой и ажурной, а вот восковую модель придется делать куда более массивной, тупо больше расход материала — потому что вытопленный из моделей воск по-хорошему повторно не используется.
                0
                Делаю примерно то же самое (скриншот):
                отсканировал коллектор с точностью 0.1 мм, 2000р
                в CATIA переделываю 3D модель под свои размеры 2 дня, сам
                потом напечатаю из PMMA на 3D принтере, 500р пластик
                отдам литейщикам для литья в ХТС (холоднотвердеющие формы) оценили 3000р
                размеры 200х200х150, сплав АК8л или аналогичный, масса 0.5 кг, единичное изделие

                Вопрос: кто-нибудь может подсказать где сделать это литье в Мск или рядом?
                А то придется в Краснодар форму отправлять, может не один раз(
                  0
                  А нельзя ли печатать не выплавляемую или выжигаемую модель, а сразу «корку»?
                  Из гипса печатают, возможно и из соответствующей смеси можно…
                    0
                    Скорее всего, для печати «потолка» и «нависающих» частей потребуются поддержки, которые внутри «корки» потом не уберешь. Кроме того, чем печатать-то? Материал должен быть тугоплавкий, чтоб потом металл жидкий выдержать.
                      0
                      Любые, наверняка, не получится, но какие-то, наверное можно. К примеру, те, что позволяют делать разъемные формы наверняка можно напечатать без поддержек. Опять же, поддержки могут быть вымываемыми…
                      Материал — тот же (или подобный) тому, чем обмазывают модели. Гипсом и глиной принтеры печатают. Материалы должны быть схожи по свойствам…
                        0
                        Модели при точном литье не обмазывают, их обливают, и связующее с наполнителем при этом пребывают в жидком виде, для печати никак не подходящем. Ну а потом слои в корке не просто высыхают, там в силикатных смесях идут еще и химические реакции которые на послойную печать не масштабируются менее чем никак.
                      0
                      Печатать можно, но это не на домашнем принтере, и стоимость не 3 т.р. за 1кг пластика
                        0

                        Для литья металла — нет, нельзя (загвоздка даже не в охлаждении, а в том, что форма должна быть еще и пористой для отвода газов). Для других видов литья, например гипса — можно.

                        0
                        Спасибо за статью! Очень вовремя (мы буквально вчера с коллегами обсуждали возможность печати на 3d принтере деталей, спроектированных студентами — в образовательных целях, — а тут ваша статья). Что нужно для реализации подобной технологии в учебных целях (когда 3d принтер уже есть, какое оборудование минимально необходимо для литья металла в формы)?
                          0
                          Плавильное печь, тигель, разливной ковш, примитивная опока, весы, изложницы для остатков металла…
                            0
                            Чтобы ответить на Ваш вопрос, нам нужно понимать: 1. Какой у Вас принтер? 2. Какой процесс литья? Какие массогабаритные характеристики?
                              0
                              Принтер FDM; процесс литья — мы этим до сих пор не занимались, потому и интересно; массогабаритные характеристики — скажем так, ограничимся запечатываемым объёмом (200*200*200 мм), но скорее всего — гораздо меньше.
                              0
                              1. Для литья алюминия-цинка-латуни-бронзы массой до полукило чисто в учебных целях минимально будет достаточно жестяной банки литра на 4, куска каолиновой(муллитовой) ваты (добывается в магазинах торгующих всем для бани), газовой горелки на резьбовой баллончик из леруи и тигля, сваренного из куска трубы D 50мм с заглушкой.

                              2. Хотите печатать что-то на принтере и потом это отливать? Поскольку принтер печатает скорее всего не воском а пластиком — то вам надо литье в землю. Когда модель засыпается формовочной смесью, смесь утрамбовывается и модель вынимается. В качестве земли — цемент с нефтью или литолом, где-то 30-50гр на кило, хорошенько перемешать.
                              +1
                              Очень позабавила статья. Отливка на картинках «Отливка перепускного клапана стравливания избыточного давления газа» это на самом деле «корпус главной части» тормозных приборов ЖД. Эта отливка из серого чугуна и производится методом литья в песчано-глинистую форму. Внутренняя поверхность оформляется разовым песчаным стержнем, который производится методом Cold-Box. Это «обычная» технология. Никто в здравом уме не будет даже в качестве примера рассматривать эту отливку по методу выплавляемых моделей или по выжигаемым моделям. И именно оснастку для этой отливки мы несколько раз готовили для массового производства. Сроки вполне не годы, а недели. Для грамотных технологов попытки отлить по экзотическим технологиям почти ничего не дают. Сложность именно в особенностях технологии серийного производства. Например, для этой отливки указанные автором технологии дадут 100% брак в канале.
                              К сожалению, автор не является профессионалом ни в литейных технологиях, ни в технологиях механической обработки. И-за этого перлы типа «К тому же, восковое литье является традиционным для всех литейных производств в России.» Литье по выплавляемым моделям далеко на традиционное, является специальным видом литья. Используется, как правило, для литья сложных, очень дорогих стальных или жаростойких отливок (типа турбинных лопаток) или ювелирных изделий. Способ дорогой и сложный.
                              Использование 3d сканирования совершенно не нужно для подготовки производства большинства машиностроительных отливок, т.к. прямое построение модели гораздо проще, дешевле и точнее, чем попытки очистить результаты сканирования. Для тестовой детали это очевидно. Построение такой модели занимает примерно день без всякого сложного оборудования. Как автор сканировал внутренние полости?
                              И детали не «вытачиваются на фрезеровочном станке». Точение -это токарная операция, а не фрезерная. А станок бывает фрезерный, а не фрезеровочный. Какая-то странная лексика для инженера.
                              Для традиционных машиностроительных отливок (типа этого корпуса) существуют гораздо более подходящие и дешевые технологии прямой печати песчаных форм методами как селективного спекания, так и послойного нанесения связующего. Также иногда эффективны технологии фрезерования сухих форм (непосредственное фрезерование блока песчаной смеси). Но для внутренних полостей остаются проблемы.
                                0
                                Спасибо за Ваш подробный разбор. Цель статьи — в первую очередь показать возможности 3D-технологий, это не чисто производственный пример. В нашем блоге blog.iqb-tech.ru, кстати, есть множество реальных кейсов на эту тему.
                                Не очень понятно, как можно оснастку сделать за недели? Как минимум месяц — разработка КД и 3-4 месяца само изготовление, если мы говорим о массовом производстве.
                                Далее, без 3D-сканирования вы не обойдетесь, если нужен реверс-инжиниринг изделия со сложной геометрией.
                                Что касается вопроса о сканировании внутренних полостей — изделие вскрывалось.
                                +1
                                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.

                                Честно признаться, для меня это прям «ноу-хау». Мы оболочковые формы совсем другим способом получаем.
                                Можно поподробней, что это за порошок? Или это вязкое вещество с порошковым наполнителем? Раз слой 6-8 мм держится на модели, значит оно должно быть достаточно густое или клейкое, чтобы не стекать? А как вы при этом «обмазываете» труднодоступные поднутрения?
                                  0
                                  Если говорить об оболочковых формах, то чаще всего применяется «корунд» или керамика, у которой целый ряд огнеупорных материалов для оболочковых форм и способов их нанесения.
                                    0
                                    Я знаю только один способ: погрузить модель в суспензию (или облить), обсыпать керамическим наполнителем (или погрузить в псевдокипящий слой), высушить, повторить несколько раз, вытопить/выжечь модель. Процесс долгий и трудоёмкий.
                                    Поэтому я и поинтересовался. Для меня описанное в статье — новое.

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое