SLA 3D принтеры в литейном производстве. Как металлурги используют фотополимерную печать

 

Литьё – один из старейших способов производства. Технологический процесс предполагает подготовку пресс-форм и модельной оснастки, которые в дальнейшем используются для получения отливок из металла.

При мелко и среднесерийном  производстве получение литейной оснастки представляется нецелесообразным. Прежде всего, из за высокой стоимости и долгих сроках её изготовления. Технологии трёхмерной печати, напротив, позволяют вырастить модельную оснастку в считанные дни или часы, в зависимости от размеров и геометрической сложности изделия.

Современные 3D-принтеры работают с большим количеством материалов: пластики, фотополимерные смолы, металлы, песчаные смеси и т.д. Благодаря этому возможно найти 3D-решение для разных технологий литья: литьё по выжигаемым моделям, литьё в холодно-твердеющие смеси, литьё в силиконовые формы и другие.

Преимущества применения 3D принтеров в металлургии:

• Создание сложной геометрии – 3D печать превосходит традиционные способы производства тем, что с её помощью можно получить литейную оснастку сложнейшей геометрической формы
• Сотовая структура – с помощью 3D принтера внешние стенки изделия можно выполнить целиком, а внутреннюю площадь модели заполнить сотовой структурой. Благодаря такому подходу снижается количество материала, который необходимо удалить при выжигании, а, значит, сокращается время выжигания и остаточная зольность
• Сокращение этапов производственного цикла – для получения заготовки для литья по выплавляемым или выжигаемым моделям нет необходимости в предварительном производстве дорогостоящей пресс-формы, модельная оснастка печатается напрямую на 3D принтере
• Сокращение сроков и стоимости – меньшее количество этапов производства автоматически приводит к снижению издержек и времени выполнения работ, что обеспечивает конкурентные преимущества предприятию
• Гибкость – для цифрового производства характерна возможность оперативного внесения изменений в 3D-модель в случае выявления конструкционных недостатков
• Точность и качество поверхности – заготовки, изготовленные с применением высокоточных технологий 3D-печати, например фотополимерных 3D принтеров, отличаются минимальными отклонениями и гладкой поверхностью, что сокращает затраты на финишную доработку отливок

 

Препятствия на пути внедрения 3D технологий в литейное производство:

• Первоначальные инвестиции – стоимость промышленных 3D принтеров начинается от нескольких миллионов и достигает нескольких десятков миллионов рублей. Однако, при должной загрузке оборудования стартовые вложения окупаются достаточно быстро
• Подготовка помещения – одной из наиболее подходящих для задач литейного цеха технологий 3D печати является лазерное отверждение фотополимерной смолы (SLA). SLA 3D принтеры работают с токсичными смолами, поэтому должны быть установлены в специально оборудованном помещении
• Подготовка персонала – работа с промышленными 3D принтерами предполагает предварительное обучение оператора эксплуатации и обслуживанию машин. Вместе с тем, производители оборудования постоянно совершенствуют программное обеспечение и повышают уровень автоматизации систем 3D-печати, благодаря чему освоение технологий занимает все меньше времени

SLA 3D печать в металлургии

SLA – метод трёхмерной печати, заключающийся в послойном отверждении жидкого фотополимера под воздействием лазерного УФ-излучения. SLA 3D принтеры отличаются производительностью, возможностью изготовления сложных форм с высокой точностью и детализацией.

Для литейного производства технология представляет интерес благодаря тому, что устройства данного типа поддерживают печать выжигаемой фотополимерной смолой с низкой зольностью (менее 0.01% от объема детали).

Технологическая оснастка для литья по выжигаемым моделям

 

 

Литьё по выжигаемым моделям – разновидность точного литья. Данный метод схож с литьём по выплавляемым моделям, где в качестве материала для модельной оснастки  вместо фотополимера используется воск.

Выплавляемые восковки, как правило, применяются для производства небольших изделий с мелкими элементами геометрии, так как данный способ отличается более высокой точностью в сравнении с выжиганием фотополимера. Благодаря этому технология находит широкое применение в ювелирном деле.

Выжигание моделей, напротив, применяется, когда необходимо получить отливку средних или крупных размеров. Внедрение фотополимерной печати в технологический процесс – способ быстрого изготовления крупноформатной литейной оснастки. Размеры области построения промышленного SLA 3D принтера могут превышать 1,5 метра, что позволяет получать выжигаемые модели для нужд авиастроения, судостроения, оборонной промышленности, машиностроения.

Этапы производственного процесса

 

 

1. В программном обеспечении (слайсере) происходит подготовка 3D-модели, задаются параметры печати. Результат – ПО формирует программный код для 3D принтера

2. Сформированный код отправляется на SLA 3D принтер, осуществляется печать выжигаемой модели методом стереолитографии

 

Выжигаемая модель из фотополимера, напечатанная на SLA принтере

 

3. В случае формирования поддержек в процессе печати, они удаляются по завершении работы принтера

4. Стереолитографическая модель помещается в станцию дополимеризации для окончательного отверждения фотополимера

5. В полученной модели просверливаются несколько небольших вентиляционных отверстий, размером около 3 мм. Это необходимо, чтобы при последующем выжигании модель не разрушила оболочковую форму из-за возникновения внутренних напряжений

6. На отверстиях фиксируются защитные клапаны, выполненные из воска. Они предотвратят попадание огнеупорного материала в вентиляционные каналы при формировании оболочковой формы

7. Выжигаемая модель фиксируется на литниковой системе, выполненной из воска

 

Литниковая система (слева) и защитные клапаны (справа) на фотоплимерной оснастке

 

8. Конструкция опускается в огнеупорный раствор, как правило, раствор глины или керамики для создания оболочковой формы, в которую в последующем будет заливаться металл. При этом наносится несколько слоёв огнеупорного материала и суспензии, их количество зависит от веса и формы изделия

9. Осуществляется сушка оболочковой формы

 

Выжигаемая модель в оболочковой форме из огнеупорного материала (керамического раствора)

 

10. Выжигаемая модель в оболочковой форме помещается в печь, где при температуре 180°C выплавляются выполненные из воска защитные клапаны и литниковая система

11. После остывания, конструкция помещается в печь, где при температуре 800°C происходит выжигание фотополимерной модели

12. Из оболочковой формы удаляется зола, образованная в процессе выжигания фотополимера

13. В печи при температурах 800 – 1200°C осуществляется обжиг оболочковой формы

14. В оболочковую форму заливается металл

15. Оболочка и литниковая система удаляются, осуществляется финишная доработка отливки – полировка, шлифовка и т.д.

 

Готовая отливка

 

3D принтеры для печати литейной оснастки

SLA 3D принтеры SoonSer используются в технологических процессах литья силикона, литья в силиконовые формы, литья по выжигаемым моделям.

Для литья силикона и в силиконовые формы применяются офисные 3D принтеры серии Smart, которые отличаются компактными размерами  и средним объёмом области построения –  до 400*400*300 мм.

Выжигаемые модели изготавливаются на промышленных 3D принтерах серии Mars Pro. Модельный ряд данной линейки состоит из трёх машин, максимальный размер рабочей камеры – 1600*800*600 мм.

Портфолио производителя включает также фирменный фотополимер, специально разработанный для нужд металлургии. В программном обеспечении собственной разработки заданы настройки печати данным материалом, что значительно упрощает и ускоряет процесс внедрения SLA технологии в литейный цех.