Оптимізація конструкцій 3D-друкованих моделей, що газифікуються при литті металу з нейтралізацією газів за межами піщаної форми

Досліджено процес лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ), з застосуванням 3D-друкованих моделей. Порожнисті оболонкові друковані полімерні моделі прагнуть наблизити по масі до моделей з пінополістиролу (ППС) таким чином, що їх серцевину друкують як тонкі розпірки, які запобігають деформації стінок моделі та забезпечують моделі газопроникність для виводу газів крізь трубку випора за межі форми для спалювання. Особливістю є те, що підпірки для друку оболонок бажано друкувати так, щоб їх застосувати як розпірки між оболонковими стінками моделі, або розпірки робити з ППС.   

Процес ЛГМ (Lost Foam Casting Process) у вакуумованих формах з сухого піску, дозволяє отримувати недорогі металеві виливки, другі за низьким рівнем собівартості від отримуваних в сирих піщано-глинистих формах. Але ЛГМ має значно ширшу сферу застосування в діапазоні по масі виливків 0,2-5000 кг і вище та вигідніше для разового-дрібносерійного лиття (що домінує в Україні), точності виливків і охоплює зону лиття за моделями, що витоплюються, і у форми з холоднотверних сумішей.

Проблема у загальному вигляді полягає у слабкому застосування досить універсального ЛГМ, недостатньому розкритті потенціалу цього процесу, особливо сприятливого до цифровізації як основи формування нового вигляду ливарного виробництва.

Аналізуючи історію застосування в ливарних цехах ЛГМ-процесу, практично можна сказати наступне: «що йому допомагає, те йому і вадить». Мова йде про модель з ППС. Якщо разова модель з ППС досконало визначає геометрію і високу точність розмірів виливка, спрощує формовку в сухому піску з його вібрацією протягом 1-2 хв без масивних енергоємних формувальних машин, за рахунок тиску газів від газифікації моделі дозволяє зміцнювати вакуумовану піщану форму під час заливки металу і його тверднення, то до її недоліків можна віднести небажаний вплив продуктів газифікації (газових і твердих вуглецевих залишків) на якість виливка (при некоректному техпроцесі) та виділення газів в повітря цеху, що псує умови праці і шкодить довкіллю (при порушенні умов вентиляції).

В якості прикладу 3D-друку полімерних моделей на рис. 1 зображено моделі лопатей крильчаток турбіни [1], що були виготовлені як з порожниною, що утворюється при склейці моделі з двох половинок (а), так і цільними (в), цільні моделі знизу мають тонкі технологічні опори, необхідні для друку. Показано серцевину моделі (б) у вигляді комірчастих розпірок (каркасу) для утримання зовнішніх оболонок склеєної моделі (а), що важливо при наступних операціях виготовленні форми без деформації порожнистої моделі. Також показано приклад крильчатки (г) з металевими лопатями, вилитими в оболонкові піщані форми за друкованими моделями, що випалюються.

3D-друкування полімерних моделей є одним із кроків переходу ливарного виробництва до епохи Індустрії 4.0, яка характеризується ознаками кіберфізичного перетворення від цифрового (зображення чи креслення на комп’ютері) до фізичного (об’єкту чи твердотілого виробу), який ще називають цифро-фізичним перетворенням (digital-to-physical conversion) [2]. Простими словами, вже зараз і чим далі все більше ливарник не стоїть біля печі с лопатою чи біля форми з трамбівкою, а працює за комп’ютером.

Водночас лиття металу за моделями (рис. 1), що випалюються (по типу Replicast), досить дорогий за вартістю процес, практично аналогічний литтю за моделями, що витоплюються, з багаторазовим нанесенням вогнетривких шарів на модель, їх тривалою сушкою при створенні керамічної оболонкової форми та витратами на випалення моделі з форми прожарюванням у печах і з нейтралізацією газів з цих печей.

Рис. 1. 3D-друковані полімерні моделі: модель лопаті з двох половин-оболонок і порожниною, що утворюється після їх склейки (а); варіант каркасної структури внутрішніх розпірок для оболонок моделі (б); модель лопаті цільна (в); крильчатка з металевими лопатями, вилитими за моделями, що випалюються (г) [1].

На рис. 2, а [3] показано приклад заливання металом прожареної оболонкової форми, виконаної по надрукованій на 3D-принтері разовій моделі, що витоплюється. Поруч (зліва біля форми) тримають факел для запалювання газів, що будуть виходити з прямокутних отворів у верхній частині форми, яка обрамляє надливи. Рис. 2, б демонструє високі якість і чистоту поверхні технічних деталей, вилитих з нержавіючої сталі аналогічним способом в компанії Aleph Objectsу у формах за друкованими моделями [3].

                            а                                                               б

Рис. 2. Заливання металом прожареної оболонкової форми, за моделлю, надрукованою на 3D-принтері (а) та крупний план литих деталей за 3D-друкованими моделями (б) [3].

Значно нижча була б собівартість виливків по технології лиття за друкованими моделями, що газифікуються (ЛГМ) в вакуумованій ливарній формі з сипкого піску, з якістю отриманих виливків, як на рис. 1, г чи 2, б. Але маса сучасних друкованих моделей на одиницю об’єму вища від моделей з ППС, відповідно, і твердий вуглецевий залишок, а також газотвірність з ростом пікових тисків від можливої їх газифікації у формі, що впливає на якість виливків.

Також для порожнистих моделей при затіканні у форму першого металу можливе різке збільшення тиску газу від термодеструкції моделі із-за дії теплового випромінювання на внутрішню поверхню зсередини полімерної оболонкової моделі, це випромінювання охоплює значну площу. При цьому модель швидко руйнується без поступового виділення газу, порівняно рівномірним тиском для суцільних моделей з ППС, що загрожує появою браку литва. Тому моделі адитивного виробництва зараз випалюють з форм перед їх заливанням.

Метою цієї статті є опис науково-технологічної розробки процесу ЛГМ з використанням 3D-друкованих моделей, що виготовлені у вигляді таких технологічних конструкцій, які наближають лиття до відпрацьованого процесу ЛГМ (з ППС-моделями), водночас при цьому бажано нейтралізувати можливі викиди газу за межі ливарної форми.

Під керівництвом проф. О. Й. Шинського нині проводиться цикл науково-технологічних досліджень у ФТІМС НАНУ для розробки методів ЛГМ за друкованими моделями. Такі конструкції порожнинних моделей з гладкими зовнішніми оболонками і внутрішніми розпірками чи каркасом доопрацьовують для мінімізації: 1) витрат на 3D-друк, 2) пікових газових виділень від полімеру високої газотвірності і 3) об’єму виходу газів в повітря цеху від газифікації моделі. При цьому в процес ЛГМ включено деяку особливість, що властива вакуум-плівковій формовці, - поєднання порожнини моделі (форми) з повітрям цеху крізь канали в моделі та їх продовження трубчастими випорами. Тоді надлишкові газовиділення (у т. ч. бурхливі чи пікові) від газифікації моделі виводяться на верхню поверхню форми, де гази підпалюють для знешкодження їх згорянням [4].

Застосування вакуумування піщаної форми, що притаманне ЛГМ, забезпечує   відкачування частини газів від термодеструкції (газифікації) моделі крізь пісок форми вакумним насосом, який підключають до цієї контейнерної форми. Кількість відкачаних газів залежить від газопроникності протипригарної фарби, що наносять на модель, а також величини розрідження, що забезпечує вакуумний насос. Опрацювання технології надійного спалення газів на поверхні форми дозволить мінімальну кількість продуктів газифікації пропускати крізь пісок, щоб його не забруднювати конденсатом, що утворюється на поверхні піщинок від проходження цих газів. При цьому відпрацьований охолоджений пісок потребує мінімального очищення і придатний для багатократного повторного використання при виготовленні ливарних форм.  

При друкуванні моделей на 3D-принтері особливістю є те, що підпірки для друку оболонок (які необхідні як підкладки для друкування у просторі, як на рис. 1, в) бажано виконувати так, щоб вони при складанні двох оболонок ставали розпірками між оболонковими стінками моделі. А стінки моделі, які виготовляють без порожнини, слід друкувати з газовідвідними каналами або виконувати в них направлену пористість моделі знизу вгору (при розташуванні моделі в ливарній формі) з результуючим виводом газів крізь випор з запальником на його виході.

Також пропонується застосування прямокутних вставок з ППС (з густиною не вище ~20 кг/м³) замість розпірок, або відоме [5] виготовлення вставок з такого ППС по формі друкованих оболонок, на які вони опираються. Тоді разова модель виглядає як модель (болванка-опора) з ППС, облицьована тонкими 3D-друкованими оболонками. Приклад такої фігурної декоративної моделі показано на рис. 3, де модель з серцевиною із ППС має наклеєну оболонку з полімеру PLA (а), ця ж оболонка на ППС-основі покрита фарбою (б), виготовлення форми за цією моделлю і заливання її металом при ЛГМ (в). Таким способом виливок (д) отримано як з чорних, так і з кольорових сплавів [5]. Характерно, що такий декоративний виливок складної геометрії з гладкою поверхнею вигідно отримати з друкованою оболонкою та без механічної обробки застосувати, наприклад, для прикрашення сходів з фігурними литими балясинами.  

Рис. 3. ЛГМ-процес з моделлю, що має 3D-друковану оболонку і серцевину з ППС.

3D-друк часто дозволяє створювати такі конструкції моделей, які з ППС можливо виготовити лише з кількох частин, що дає економію на збиранні моделей і зростанні точності моделі. Також комп’ютерне програмне забезпечення 3D-друку значно прискорює технологічну підготовку виробництва. Якщо традиційне виробництво може тривати тижнями до випуску першої моделі виливка з виготовленням відповідної оснастки, то програмна підготовка для 3D-друку займає дні до виготовлення моделі без паперової документації і оснастки для моделі виливка, а також часто з оптимізацією на комп’ютері конструкції майбутнього виливка з оптимальним розміщенням його у ливарній формі і найбільш сприятливим режимом заливання розплавом металу цієї форми. На рис. 4 [6] зображено прпроцес оптимізації на комп’ютері конструкції кластера з двох видрукуваних моделей (такий кластер поміщають у піщану форму) для виливків, аналогічних показаним на рис. 2.

Рис. 4. Процес оптимізації конструкції модельного кластера, внизу під монітором лежать друковані моделі.

Таким чином, удосконалення ЛГМ-процесу виконано шляхом розробки конструкції 3D-друкованої моделі з мінімально можливою об’ємною вагою і, відповідно, газотвірністю, гладкою поверхнею, переважно оболонкової конструкції з внутрішніми розпірками (або вставками з ППС простої геометричної форми), які бажано поєднати з технологічними опорами для друку. Модель важливо виконати повністю вентильованою з порожнинами чи каналами вздовж всієї конструкції з виводом газів крізь трубки-випори на поверхню форми для нейтралізації методом спалювання надлишкових викидів газу.

                                               ЛІТЕРАТУРА

1. Использование аддитивных технологий при литье по выжигаемым моделям / Г.Н. Митраков, С.Н. Евдокимов, и др. // Омский научный вестник. - 2015. - № 2. - С. 80-84.
2. Industry 4.0: How to navigate digitization of the manufacturing sector. McKinsey Digital (2015). URL: https://www.mckinsey.de/files/mck_industry_40_report.pdf.
3. Benefits of 3D Printing for Investment Casting. Mar 01, 2019. URL: https://www.engineering.com/story/benefits-of-3d-printing-for-investment-casting
4. Патент 147217 Україна, МПК: B22C 7/02, B22C 9/04. Спосіб лиття металу за моделями, що газифікуються, з окисленням продуктів газифікації / О.Й. Шинський, В.С. Дорошенко. Опубл. 24.04.2021, Бюл. № 16.
5. Sarah Jordan, Mark DeBruin. Additive Manufacturing Evaporative Casting // Materials Science and Technology. - 2017. - October 8-12. - Р. 281-288.
6. 3D Print Patterns For Investment Casting. 20.02.2019. URL: https://www.lulzbot.com/learn/tutorials/3d-print-patterns-investment-casting.

Союз-Литье, №2, 2022. с. 15-18