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.
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.
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.
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.
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.
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.
Новые материалы: Измерение зубчатых шестерней и червячных колес с помощью 3D-сканирования
Со всеми нашими материалами вы можете ознакомиться в блоге TopStanok
Записаться на консультацию можно по электронной почте Stanok@topstanok.ru, через чат на сайте или по телефону: 8 (800) 500-33-91.
Было полезно? 👍
Подписывайтесь на наш канал, чтобы быть в курсе последних новостей аддитивных технологий!
⚙Ваш TopStanok
