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

Подписаться на 3Dtoday
iQB Technologies
Идет загрузка
Загрузка
13.12.18
2832
4
3D-печать
3
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 iQB Technologies. Разговор состоялся накануне 19-й международной выставки «Металлообработка-2018», где наша компания представила уникальные 3D-решения, предназначенные в том числе для литейного производства.

– 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.

Быстрый и точный способ создания эталонной модели – 3D-сканер и ПО для обратного проектирования

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.
1ccad1f97f88fac49bc616bb6b02bf0d.jpg
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.

Выгода 3D-печати очевидна - отпадает необходимость фрезерования для получения оснастки.

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.

– Это довольно-таки большой объем технологической работы. Привлекали ли Вы для реализации всех этих этапов сторонних специалистов?

– Не считая процесса литья, все работы, связанные с моделированием и печатью, были проведены с помощью оборудования и программного обеспечения, доступного в демозале iQB Technologies.

– 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.

Узнать больше о внедрении 3D-технологий, получить подробную консультацию или заказать тестовую 3D-печать вы можете по нашему телефону и email: +7 (495) 272-81-50, info@iqbtech.ru.

Больше о наших восковых решениях можно узнать здесь.
Подписаться на 3Dtoday
3
Комментарии к статье

Комментарии

13.12.18 в 19:03
0
Было бы интересно увидеть цифры. Сравнение стоимости затраченного материала, сравнение времени печати (технологии же разные), сравнение качества отливок, сравнение цен машин и цен обслуживания, сравнение с фрезерованием из куба воска по цене материала и времени. То что 3д печать быстрее лучше это понятно, но цифры в подтверждение не помешали бы
13.12.18 в 22:32
2
Мы занимаемся "ювелиркой", и только в крайних случаях заказываем весьма недешёвую (из-за цены расходников) "растишку" (печать на "восковом" принтере модельным и водорастворимым восками).
А в основном стараемся (для удешевления) делать всё сами на ЧПУ фрезере (модель режется всё из того же модельного воска). Даже фрезеровка изделия из двух, и более, частей с последующей спайкой деталей в воске или в уже отлитой в драгметалле модели оказывается дешевле.
14.12.18 в 15:35
0
Form 2 SLA принтер (+/- 300К), + их собственный выжигаемый фотополимер для ювелирки (+/- 20К за 1 литр, ~1000 грамм).
Судя по тому, что написано выше, вы прибегаете к специализированным решениям по печати восковых моделей - там и цена оборудования, и цена модели сильно выше.
Не пробовали протестировать такую комбинацию?
Мне интересно с той точки зрения, что фотополимер по идее выжигается при гораздо более высоких температурах, чем восковка, и пока не было возможности ни у кого узнать подробности процесса.
14.12.18 в 16:36
0
Я сам не занимаюсь литьём (моя часть - это моделирование изделий), но литейщик говорил, что как-то приносили на литьё "пластмассовую восковку" из выжигаемого полимера - что и как там было сказать не могу но, по его словам, ему не понравилось работать с этим.
P.S. В качестве формомассы используется Satin Cast.

Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте в блогах

Градус Флюкса в двух решениях

Арифмометр Curta. Часть 2

На фестивале 3Dtoday Fest покажут новейшие 3D-принтеры и расходные материалы

Почти спонтанный стрим с Артёмом Соломниковым #2

Технологии 3D-печати помогли итальянскому инвалиду стать пилотом

Безграничные возможности 3D-печати на Top 3D Expo