Технология трехмерной формовки из сыпучих материалов

Одной из современных технологий, хорошо зарекомендовавшей себя в зарубежном и отечественном производстве, является технология быстрого прототипирования (Rapid Prototyping), которая произвела переворот в изготовлении и проектировании изделий. Она запатентована в 1993 г. Массачусетским технологическим институтом, основана на принципе струйной печати и, используя материал в виде порошкообразной смеси различных типов, позволяет по данным CAD файлов изготавливать литейные модели и формы (огнеупорностью до 1100^оС).

На сайте www.stonespray.com в 2012 г. показано видео с роботом на солнечных батареях, который на песчаном пляже из подножного песка путем добавления в него жидкого вяжущего по команде из ноутбука строит напылением различные каркасные легковесные строительные конструкции.

В России технология быстрого прототипирования хорошо себя зарекомендовала при мелкосерийном и серийном производстве отливок для авиационной промышленности [1], однако составы материалов для изготовления моделей и форм по этой технологии являются коммерческой тайной. Остаются неизвестными теплофизические и технологические (газопроницаемость, газотворность, гигроскопичность, и др.) свойства материалов, что затрудняет использование САПР для моделирования изделий и процессов.

Также известно использование для литейного производства станков с ЧПУ в виде 3D-фрезеров для изготовления литейных моделей и песчаных форм с высокой точностью и системами мониторинга размеров моделей [2]. Однако фрезерованию сопутствует много отходов в виде стружки, ряд материалов на основе песка плохо обрабатывается из-за высокой твердости зерен песка и хрупкости тонких изделий.

В связи с этим институт ФТИМС НАН Украины патентует технологию (способ по заявке UA №u201207872 от 26.06.2012) изготовления изделий из сыпучего наполнителя, которая предназначена для производства как песчаных литейных форм, стержней и моделей, так и строительных, керамических изделий. Наиболее близким к этой технологии является способ изготовления изделий из сыпучего наполнителя, включающий изготовление заготовки с покрытием ее эластичной синтетической пленкой, вакуумирование этого наполнителя, и последующее деформирование этой заготовки по заданной форме [3]. В качестве примера указан опыт немецкого исследователя Гаазе, который, вакуумировав наполовину заполненную песком камеру футбольного мяча, «вылепил» из нее вазу. Камера с вакуумируемым песком представляла собой пластическое тело, хорошо сохраняющее форму после деформации. Подобного вида изготавливают стержни вакуумно-пленочной формовкой (ВПФ) в стержневых ящиках, используя вакуумпровод с фильтром для вакуумирования песка стержня, однако в известных способах ВПФ операции деформирования стержня не предусмотрены.

В основу разработанного способа положен ряд физических явлений и технических достижений в области технологии песчаной литейной формы. Согласно теории механики грунтов, песок, составляющий основу формовочных смесей, является сыпучим материалом, не имеющим сил сцепления между частицами, но обладающим силами внутреннего трения. При прессовании происходит деформация сдвига, в результате которой часть песка перетекает из одного объема в другой. При виброуплотнении (как быстром повторно-переменном нагружении) деформирование протекает путем тонкого скольжения по отдельным поверхностям в зерновой среде песка, что требует меньших силовых воздействий и заданное деформирование достигается многократными подвижками слоев песка. Заготовка из сыпучего наполнителя при деформировании со стороны деформирующего элемента (ДЭ) поглощает поступающую от него энергию, расходуя ее частично на уплотнение, частично на трение, возникающее в сыпучем наполнителе между его частицами. Применение вибрации со стороны ДЭ позволяет снизить трение в наполнителе за счет колебания его частиц.

Известны зависимости влияния величины вакуума на прочность и твердость сыпучего песка в вакуумируемой песчаной форме при ВПФ, в нашем случае эти характеристики можно менять в процессе деформирования исходной песчаной заготовки в зависимости от применяемых режимов и инструмента. Новым решением в этой технологии является использование вакуума одновременно с упрочнением заготовки и регулированием ее прочности также и для пропитки сухого сыпучего наполнителя реагентом (метод фильтрационной формовки) и его связывания с последующим прекращением энергоемкого вакуумирования и открепления изделия от трубопровода. Другими словами, невысокий вакуум с остаточным давлением в пористой сыпучей (песчаной) среде величиной 20…90 кПа используют двояко: для упрочнения песка (метод ВПФ) и для фильтрационной формовки – принудительной пропитки песка жидким связующим или отвердителем связующего, ранее добавленного в сыпучий песок, в результате чего песок цементируется в виде изделия заданной конструкции.

От величины вакуума также зависит скорость пропитки реагентом наполнителя, на указанные характеристики можно влиять газопроницаемостью сыпучего наполнителя и/или величиной расстояния (благодаря сопротивлению фильтрации в порах наполнителя) от места определения этих характеристик до вакуумпровода, контактирующего с сыпучим наполнителем. Применение в этой технологии компьютерного мониторинга в текущем времени размеров (в трех измерениях) и состояния поверхности обрабатываемой заготовки позволяет говорить о создании способа изготовления изделий 3D-деформированием заготовок из вакуумируемого герметизированного эластичной синтетической пленкой сыпучего наполнителя.
Для деформирования применяют изначально изготовленную заготовку (с полостью или без, например, куполообразную) из сыпучего наполнителя известными способами ВПФ. В качестве примера реализации способа 3D-деформирования изготовили из песчано–гипсовой смеси модель подставки под колону, что схематически иллюстрируется на рис. 1. В разрезе показана заготовка из сыпучего материала 1. Ее стенки с двух сторон покрыты эластичной синтетической пленкой (для упрощения изображения не показана), а основание закреплено к столу 2. Над столом расположен подвижный П-образный портал 3, на котором имеется подвижный привод 5 с инструментом 4. Показан вариант реализации способа, в котором заготовка выполнена в виде колокола и имеет полость 6, куда могут заводить привод 7 с инструментом, аналогичным 4. Заготовка из сыпучего наполнителя изготовлена на основании - вакуумпроводе в виде коробчатого обода 9 с газопроницаемой перфорированной стенкой 8, не пропускающей песок. Полость обода 9 через штуцер 10 подключают трубопроводом к вакуумному насосу. Такие заготовки с полостью или без изготавливают из сыпучего наполнителя способами ВПФ подобно песчаным стержням. Для облицовки обычно используют эластичную синтетическую пленку толщиной 0,05…0,10 мм марок EVA или сэвилен ТУ2245-561-00203521–2002 и другие с возможностью не менее чем шестикратного относительного удлинения пленки.

При изготовлении из сухой сыпучей песчано–гипсовой смеси модель подставки под колону применяли сухой песок с добавкой 10…20% полуводного гипса (желательно еще давать 0,5…1% цемента, ускоряющего твердение гипса). Ведро-подобную песчаную заготовку (рис. 1) формовали способом ВПФ в оснастке, подобной стержневому ящику со стенками, предварительно покрытыми эластичной синтетической пленкой. В соприкосновение с песком вводили вакуумпровод, герметизировали стыки концами этой пленки, выступающей за пределы песка и лежащей на стенках вакуумпровода. Затем вакуумпровод подключали к вакуум-насосу через штуцер 10 трубопроводом, на котором имеется вакуумметр и кран. Заготовка из сыпучего наполнителя под вакуумом приобретала прочность, ее устанавливали и крепили к столу 2.

В простейшем варианте заготовку из сухой песчаной смеси 1 деформировали ручным инструментом снаружи и со стороны полости в соответствии с чертежом модели отливки. При этом прочность и твердость сыпучего наполнителя в стенке заготовки во время деформирования регулировали путем изменения величины вакуума краном одновременно с контролем по вакуумметру. Требуемые размеры заготовки (согласно чертежа) контролировали заранее вырезанными из плотного картона шаблонами.
Затем выполняли операцию закрепления (связывания) сыпучего материала вакуумируемой заготовки методом фильтрационного формования. Начиная с дальнего места от вакуумпровода 9, шприцом вводили реагент - жидкую композицию в песчаную смесь, прокалывая иглой эластичную синтетическую пленку произвольно с шагом 50…120 мм, а затем заклеивая скотчем образовавшееся отверстие. Эта композиция состояла из водного раствора жидкого стекла плотностью 1,08 кг/м3, поскольку жидкое стекло служит ускорителем твердения гипса и цемента. При введении шприцом такой композиции видно было сквозь пленку потемнение материала, а при добавления в нее красителя – чернила, было видно закрашивание материала распространением под вакуумом жидкости в песчаной смеси.

Изменением величины вакуума можно регулировать также скорость пропитки (фильтрации). При этой операции использовали максимальную величину вакуума. Дальние слои от вакуумпровода медленнее пропитывались, чем ближние за счет ослабления разрежения по мере удаления от вакуумпровода, тем не менее, пропитка была завершена в течение нескольких минут. Водная композиция, смачивая гипс, создавала с ним связующую композицию, которая твердела за 8…15 мин. При получении начальной прочности смеси, достаточной для сохранения размеров заготовки, вакуум отключали, дальнейшее твердение происходило на воздухе, после чего полученную модель отправляли на окраску. Связывание песка с привлечением пропитки освобождает песчаное изделие от привязки к трубопроводу и прекращает затраты энергии на вакуумирование, его можно хранить на складе и использовать через длительное время, что дает гибкость производству. Аналогичные сыпучие наполнители применяются для производства строительных изделий (песок, крошка или щебень с вяжущими – цемент, гипс и др.), керамических материалов и декоративно-художественных изделий (ваз, скульптур и др.). При этом пропитка водой или другим веществом пористой среды дисперсного материала обеспечит перевод его из сыпучего в камневидное состояние.

В процессе подбора составляющих компонентов связующей композиции из пары твердеющих реагентов опробованы: пропитка водой гидратационных вяжущих (гипс, цемент) в смеси с сухим песком, пропитка водным раствором жидкого стекла в качестве связующего песка с добавлением соединений кальция, использование углекислого газа или сложных эфиров в качестве отвердителя песка с раствором жидкого стекла, технических лигносульфонатов как связующего и хромового ангидрида как отвердителя. Возможно применение синтетических смол в качестве связующего с их отвердителями. Такие пары твердеющих реагентов вводили: порошковый – в состав сыпучего наполнителя, а жидкий – в состав пропитки. После пропитки связующим (жидким стеклом) возможна дополнительная продувка газом-отвердителем связующего (углекислым газом) через наколы в эластичной синтетической пленке.

Выполнение заготовки с полостью позволяет утонить ее деформируемые стенки и уменьшить усилие деформации, а применение устройств с ЧПУ-автоматизировать процесс. Кроме того, расчетом на компьютере или опытным выбором режима движения инструмента с ДЭ можно использовать его в станке 3D-фрезере, заменив фрезу на инструмент с роликом или шариком. При необходимости термопластичная синтетическая пленка для облегчения ее растяжения-усаживания при деформировании заготовки может нагреваться контактом с инструментом, в который встроен нагреватель. Также предусматривается изготовление изделий, в которых в качестве сыпучего наполнителя используют легкоплавкий пенополимер в виде крошки, гранул или порошка. К таким изделиям относятся пенопластовые модели.

Разработанная технология деформирования упрочненной вакуумом заготовки из сыпучего наполнителя по аналогии с процессом действия на заготовку инструмента на фрезерных станках с ЧПУ будет способствовать увеличению гибкости производства, отсутствию стружки и автоматизации процесса подобно способу быстрого прототипирования.

Литература:

1. Дрокина В.В., Белов В.Д. Некоторые аспекты изготовления отливок методом быстрого прототипирования // Труды девятого съезда литейщиков России. Уфа: 2009. - С. 298 - 299.
2. Дорошенко В.С., Шинский И.О. 3D-технологии при литье по газифицируемым моделям // Металл и литье Украины. – 2009.- № 4-5. – С. 30 – 33.
3. Минаев А.А. и др. Вакуумная формовка. – М.: Машиностроение, 1984. - 216 с.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №04 (152) 2013 г.