Журнал "Металлургия машиностроения" № 5 - 2013

В статье дан анализ применяемых в заготовительном, в частности литейном производстве компьютерных технологий, позволяющих резко сократить сроки запуска новой продукции. Особое значение эти технологии имеют при изготовлении литейных моделей, форм и оснастки.

При разработке и создании новой промышленной продукции особое значение имеет скорость прохождения этапов НИОКР, которая, в свою очередь, существенно зависит от технологических возможностей опытного производства.

В частности, это касается изготовления литейных деталей, которые часто являются самой трудоемкой и дорогостоящей частью общего проекта. При создании новой продукции, особенно на этапе ОКР в опытном производстве, для которого характерны вариантные исследования, необходимость частых изменений конструкции и, как следствие, постоянной коррекции технологической оснастки для изготовления опытных образцов, проблема быстрого изготовления литейных деталей становится ключевой.

В опытном производстве преимущественными остаются традиционные методы изготовления литейной оснастки вручную или с использованием механообработки. Это связано с тем, что на этапе ОКР, когда конструкция изделия еще не отработана, для изготовления образцов нецелесообразно создавать оснастку под серийное производство. В этих условиях литейная оснастка – весьма дорогостоящая продукция, оказывается, по сути, разовой, которая в дальнейшей работенад изделием не используется в связи с изменениями конструкции изделия в ходе ОКР. Поэтому каждое приближение конструкции детали к окончательной версии требует зачастую и новой оснастки, в связи с чем традиционные методы оказываются не только дороги, но и затратны по времени.

Переход на цифровое описание изделий – CAD, и появившиеся затем аддитивные технологии произвели настоящую революцию в литейном производстве, что особенно проявилось в высокотехнологичных отраслях – авиационной, аэрокосмической, атомной, медицине и приборостроении – тех отраслях, где характерно малосерийное, зачастую, штучное производство. Именно здесь уход от традиционных технологий, применение новых методов получения литейных синтез-форм и синтез-моделей технологиями послойного синтеза радикально сократило время создания новой продукции. Для изготовления первого опытного образца блока цилиндров

(рис. 1) традиционными методами требуется ≥ 6 мес., причем, основное время уходит на создание оснастки.

Использование для этой цели технологии Quick-Cast (выращивание литейной модели из фотополимера на SLA-машине с последующим литьем по газифицируемой модели) сокращает срок получения первой отливки с полугода до двух недель!

Рис.1 Quickcast модель (а) и отливка блок цилиндров (б)

Эта же деталь может быть получена менее точной, но вполне пригодной технологией – литьем в выращенные песчаные формы, когда в изготовлении литейной модели вообще нет необходимости: выращивается «негатив» детали – форма. Форма для литья такой крупной детали, как блок цилиндров, выращивается фрагментами, затем собирается в опоке и производится заливка. Весь процесс занимает несколько дней. Значительная часть «обычных» литейных изделий, к которым не предъявляют специальные требования к точности или внутренней структуре, может быть получена в виде готовой продукции в течение нескольких дней:

• прямое выращивание восковой модели;
• формовка + сушка формы;
• прокалка формы;
• и, собственно, получение отливки.

Итого: 3…4 дня (каждый этап – по одному дню), с учетом подготовительно-заключительного времени. Практически все автомобильные и авиастроительные компании промышленно развитых стран имеют в арсенале своего опытного производства десятки AF-машин, обслуживающих НИОКР. Более того, эти машины начинают использовать, как «обычное» технологическое

оборудование в единой технологической цепи и для серийного производства.

Аддитивные технологии (АТ) и быстрое прототипирование Additive Fabrication (AF) или Additive Manufacturing (AM) – принятые в англоязычной технической лексике термины, обозначающие аддитивный, то есть «добавлением», метод получения изделия, в противоположность традиционным методам механообработки путем «вычитания» (subtractive) материала из массива заготовки. Они употребляются, наряду со словосочетанием Rapid Prototyping (или RP-технологии) – быстрое прототипирование, но имеют более общее значение, точнее отражающее современное положение. Можно сказать, что RP-технология, в современном понимании, это часть AF-технологий, «отвечающей» за собственно прототипирование методами послойного синтеза. AF- или AM-технологии охватывают все области синтезирования изделий, будь то прототип, опытный образец или серийное изделие.

Суть AF-технологий, как и RP-технологий, в послойном построении изделий – моделей, форм, мастер-моделей и т.д. путем фиксации слоев модельного материала и их последовательного соединения между собой разными способами: спеканием, сплавлением, склеиванием, полимеризацией – в зависимости от нюансов конкретной технологии.

Идеология аддитивных процессов базируется на технологиях, в основе которых – цифровое описание изделия, его компьютерная модель или т. н. CAD-модель. При использовании AF-технологий все стадии реализации проекта – от идеи до материализации (в любом виде – промежуточном или в виде готовой продукции) находятся в «дружественной» технологической среде, в единой технологической цепи, где каждая технологическая операция также выполняется в цифровой CAD\CAM\CAE-системе. Практически это означает реальный переход к «безбумажным» технологиям, когда для изготовления детали традиционной бумажной чертежной документации, в принципе, не требуется.

Хотя на рынке существуют различные AF-системы для производства моделей по разным технологиям и из разных материалов, общее для них – послойный принцип построения модели. Особую роль АТ играют в модернизации литейного производства, позволяя решать ранее не решаемые задачи, «выращивать» литейные модели и формы, которые невозможно изготовить традиционными способами. Радикально сократились сроки изготовления модельной оснастки. Развитие вакуум-пленочных технологий по формам и моделям, полученным АТ, дало возможность снизить в разы и десятки раз сроки изготовления опытных образцов, а, в ряде случаев, и серийной продукции. Последние достижения в области порошковой металлургии позволили существенно расширить возможности АТ по непосредственному «выращиванию» функциональных деталей из металлов и получению новых конструкционных материалов с уникальными свойствами (технологии spray forming и др.).

Современные Центры АТ часто в своем полном названии содержат слова конструкторско-технологический, тем самым подчеркивается единство, а не борьба противоречий, между конструктором и технологом. Учитывая специфику российской промышленности, где часто в рамках одного предприятия сосредоточено производство изделий огромной номенклатуры из разных материалов, где многие предприятия вынуждены содержать свое «натуральное хозяйство», это – рациональный подход. Опытные литейные производства в технологиях получения и металлических, и пластмассовых изделий имеют много общего, а с применением АТ еще сближаются по применяемому оборудованию, и по технологическим приемам, и по обучению и подготовке профессиональных кадров.

АТ и литейное производство

Как уже отмечалось, особое значение АТ имеют для ускоренного производства литейных деталей, в частности, для получения:

• литейных моделей;
• мастер-моделей;
• литейных форм и литейной оснастки.

Изготовление литейных синтез-моделей

Литейные модели могут быть получены (выращены) из следующих материалов:

• порошкового полистирола (для последующего ЛГМ);
• фотополимерных композиций, в частности, по технологии Quick-cast для последующего ЛГМ или по технологии MJ (Multi Jet) для литья по выплавляемым моделям.

Рис. 2. SLS-машина SinterStation Pro и модель колеса турбины

Синтез-модели из порошкового полистирола. Полистирол широко используют в качестве модельного материала для традиционного ЛГМ. Однако, в связи с бурным развитием технологий послойного синтеза, он приобрел особую популярность и для прототипирования, а также для промышленного изготовления штучной и малосерийной продукции. Полистирольные модели изготовляют на AF-машинах, работающих по технологии SLS – Selective Laser Sintering – послойное спекание порошковых материалов (рис.2). Эту технологию часто применяют, когда необходимо быстро сделать одну или несколько отливок сложной формы относительно больших размеров с умеренными требованиями по точности.

Модельный материал – полистирольный порошок с размером частиц 50…150 мкм накатывается специальным роликом на рабочую платформу, установленную в герметичной камере с атмосферой инертного газа (азота). Лазерный луч «пробегает» там, где компьютер «видит» в данном сечении CAD-модели «тело», как бы заштриховывая сечение детали, как это делает конструктор карандашом на чертеже. Под воздействием тепла лазерного луча частички полистирола спекаются (~ 120°C). Затем платформа опускается на 0,1…0,2 мм, и новая порция порошка накатывается на отвержденный слой, формируется новый, который также спекается с предыдущим.

Процесс повторяется до полного построения модели, которая в конце процесса оказывается заключенной в массив неспеченного порошка. Модель извлекают из машины и очищают от порошка. Преимущество технологии – в отсутствии поддержек, поскольку модель и все ее строящиеся слои все время удерживаются массивом порошка.

Имеющиеся на рынке машины фирм 3D Systems и EOS позволяют строить достаточно крупные модели – до 550×550×750 мм (что важно, так как можно строить крупные модели зацело, без склейки отдельных фрагментов, что повышает точность и плотность отливки). Весьма высокая детализация построения моделей: могут быть построены поверхностные элементы (номера деталей, условные надписи и пр.) с толщиной фрагментов до 0,6 мм, гарантированная толщина стенки модели до 1,5 мм.

Рис. 3. Полистирольная модель после выращивания (а) и инфильтрации (б) и чугунная отливка (в)

Рис. 4. Полистирольные модели (а) и отливки из
Al-сплава (б)

Принципиально технологии литья по восковым и полистирольным моделям не различаются (рисунки 3 и 4). Используются те же формовочные материалы, то же литейное и вспомогательное оборудование. Разве что восковая модель – «выплавляемая», а полистирольная – «выжигаемая».

Но работа с полистирольными моделями требует внимания при выжигании: выделяется много газов, которые требуют нейтрализации, материал частично выгорает в самой форме, есть опасность образования золы и засорения формы, нужно предусмотреть возможность стекания материала из застойных зон, должны использоваться прокалочные печи с программаторами, причем, программы выжигания полистирола и вытапливания воска существенно различны. Но в целом, при определенном на выке и опыте, ЛГМ дает очень хороший результат.

Недостатки технологии

Процесс спекания порошка – это тепловой процесс со всеми присущими ему недостатками: неравномерностью распределения тепла по рабочей камере, по массиву материала, короблением вследствие температурных деформаций.

Порошок полистирола не сплавляется, как например, порошки полиамида или металла, а спекается – пористая структура модели похожа на структуру пенопласта. Это делается специально для облегчения в дальнейшем удаления материала модели из формы с минимальными внутренними напряжениями при нагревании.

Построенная модель, в отличие от, например, восковой, требует аккуратного обращения и при очистке, и при дальнейшей подготовке к формованию.

Для придания прочности и удобства работы с ней (сочленения с литниковой системой, формовки) модель при ~ 80°C пропитывают специальным восковым составом – процесс называется инфильтрацией. (на рис. 3 показаны инфильтрированные модели красного цвета, из машины же извлекаются полистирольные модели белого цвета). Это также несет в себе опасность деформирования модели и требует определенных навыков персонала.

В последнее время появились полистирольные порошки, не требующие инфильтрации. Это ослабляет, но не устраняет проблему. Кроме того, инфильтрат в виде воска не всегда вредная необходимость. Он расплавляется в опоке при выжигании раньше полистирола, и когда последний приобретает текучесть, способствует его выносу из формы, уменьшая тем самым массу «выжигаемой» части полистирола и снижая вероятность образования золы.

Рис. 5. SLS-модель распределительного вала и формовочный ящик для получения песчаной формы

Таким образом, когда мы говорим об умеренных требованиях к точности при использовании SLS-технологии, то имеем в виду отмеченные причины, по которым точность изделий, полученных SLS-технологий, не может быть выше, чем при использовании других технологий, не связанных с температурными деформациями, как, например, технологии фотополимеризации (рис. 5).

Говоря об SLS-технологии, отметим еще одно, не связанное с полистиролом, но «родственное» направление, иногда используемое в литейном производстве. Это выращивание оснастки из порошкового полиамида. Полиамид широко используют для функционального прототипирования, прочные полиамидные модели во многих случаях позволяют воспроизвести прототип, максимально близко к готовому изделию.

В ряде случаев целесообразно применять полиамидные модели в качестве альтернативы деревянным. Модель выращивают, так же как и полистирольную. При этом, по возможности делают ее полой с минимально возможной толщиной стенок. Затем модель, для придания ей прочности и жесткости, заполняют эпоксидной смолой, после чего закрепляют в опоке, красят и далее используют традиционную технологию формовки. Пример такой «быстрой» технологической оснастки для формовки распределительного вала ДВС показан на рис. 5. Ввиду большой длины модель выращена из двух частей, части склеены, заполнены эпоксидной смолой и закреплены в опоке; продолжительность операций – два дня.

Синтез-модели из фотополимеров. Суть технологии – в использовании специальных светочувствительных смол, которые отверждаются избирательно и послойно в точках или местах, куда по заданной программе подводится луч света. Способы засветки слоя различны (лазер, ультрафиолетовая лампа, видимый свет). Существуют две основные технологии создания моделей из фотополимерных композиций: лазерная стереолитография или SLA-технология (Steriolithography Laser Apparatus), или стереолитография – отверждение слоя лазером, и «моментальная» засветка слоя – отверждение слоя фотополимера вспышкой ультрафиолетовой лампы или прожектора.

Первый способ предполагает последовательное «пробегание» лазерного луча по всей поверхности формируемого слоя там, где в сечении «тело» модели. По 2-му способу отверждение всего слоя происходит сразу же после или в процессе его формирования за счет излучения от управляемого источника света – видимого или ультрафиолетового.

Различие в способах формирования слоев обусловливает и различие в скоростях построения модели. Очевидно, что скорость выращивания 2-м способом выше. Однако стереолитография была и остается самой точной технологией и применяется там, где требования к чистоте поверхности и точности построения модели – основные и определяющие.

Тем не менее, технологии «засветки» с заданной экспозицией, используемые, например, фирмами Objet Geometry и Envisiontec, во многих случаях успешно конкурируют со стереолитографией, оставляя за собой явное преимущество в скорости построения и стоимости моделей. Ряд производственных задач могут быть одинаково успешно решены с помощью AF-машин разного уровня.

Таким образом, оптимальный выбор технологии получения моделей и, следовательно, прототипирующего оборудования зачастую не является очевидным и должен проводиться с учетом конкретных производственных условий и реальных требований к моделям. В тех случаях, когда очевидно разнообразие решаемых задач, целесообразно иметь две машины: для изготовления изделий с повышенными требованиями и для выполнения «рутинных» задач и тиражирования моделей.

Лазерная стереолитография. Фирма 3D Systems – пионер в области практического освоения технологий быстрого прототипирования. В 1986 г. ею впервые была представлена для коммерческого освоения стереолитографическая машина SLA-250 с размерами зоны построения 250×250×250 мм. Основа в SLA-процессе – ультрафиолетовый лазер (твердотельный или CO2), где лазерный луч – источник не тепла, как в SLS-технологии, а света. Луч «штрихует» текущее сечение CAD-модели и отверждает тонкий слой жидкого полимера. Затем платформу, на которой производится построение, погружают в ванну с фотополимером на величину шага построения, где наносится новый жидкий слой на затвердевший слой: новый контур «обрабатывается» лазером.

При выращивании модели, имеющей нависающие элементы, одновременно с основным телом модели (и из того же материала) строятся поддержки в виде тонких столбиков, на которые укладывается первый слой нависающего элемента, когда приходит черед его построения. Процесс повторяется до завершения построения модели.

Рис. 6. SLA-модель (а) и отливка шарик, серебро (б)

Затем модель извлекают, остатки смолы смывают ацетоном или спиртом, поддержки удаляют. Качество поверхности стереолитографических моделей весьма высокое, и часто модель не требует пост-обработки. При необходимости, чистоту поверхности можно улучшить, поскольку «зафиксированный» фотополимер хорошо обрабатывается, и поверхность модели может быть доведена до зеркальной. В некоторых случаях, если угол между строящейся поверхностью модели и вертикалью < 30 град., модель можно построить и без поддержек. И таким образом может быть построена модель, для которой не возникает проблемы удаления поддержек из внутренних полостей, что, в свою очередь, позволяет получать модели, которые в принципе нельзя изготовить никаким из традиционных методов (например, ювелирное изделие на рис. 6). Стереолитография широко применяется для: выращивания литейных моделей; изготовления мастер-моделей (для последующего получения силиконовых форм, восковых моделей и отливок из полиуретановых смол); создания дизайн-моделей, макетов и функциональных прототипов; изготовления полноразмерных и масштабных моделей для гидродинамических, аэродинамических, прочностных и других видов исследований. Но мы отметим лишь два направления.

Рис. 7. Quick-cast-модель (а), она же с литниковой системой (б) и отливка Al-головки цилиндров (в)

Для целей литейного производства применяют т. н. Quick-Cast-модели (рис. 7), то есть модели для «быстрого литья». Так называют модели, по которым, по аналогии с восковыми моделями, можно быстро получить металлические отливки. Но модели Quick-Cast имеют сотовую структуру массива стенок:

• внешние и внутренние поверхности стенок выполняют сплошными, а саму стенку формируют в виде набора сот, что имеет большие преимущества: существенно, на 70% снижается общая масса модели, а, следовательно, меньше материала нужно будет выжигать;
• в процессе выжигания любой модельный материал расширяется и давит на стенки формы, при этом, форма с тонкостенными элементами может быть разрушена;
• сотовая же структура позволяет модели при расширении «складываться» внутрь, не напрягая и не деформируя стенки формы.

В отдельных случаях SLA-модели, так же, как и SLS-модели, могут быть использованы не как литейные модели, а в качестве оснастки для получения модели при литье в песчаную форму(ПФ) – рис. 8. В этом случае, в конструкции модели должны быть предусмотрены литейные уклоны.

Рис. 8. CAD-модель (а), SLS-модель (б) и отливка передняя крышка ДВО, полученная в ПФ (в)

Однако этот способ используют редко из-за недостаточной прочности SLA-модели. Второе, не по значимости, а в порядке упоминания, преимущество – это точность построения модели, в обычных условиях, при комнатной температуре, когда отсутствуют термонапряжение и деформации. Очень малое пятно лазерного луча∅ 0,1…0,05 мм позволяет четко «прорабатывать» тонкие, филигранные фрагменты модели, что сделало стереолитографию популярной в ювелирной промышленности. В России имеется достаточно большой опыт применения технологии Quck-Cast в авиационной промышленности (предприятия «Салют»,«Сухой», УМПО, «Рыбинские моторы»), в энергетическом машиностроении («ТМЗ» – Тушинский машиностроительный завод) – рис.9, некоторый опыт имеется и в автомобильных НИИ. Так, в НАМИ по этой технологии впервые в России были получены такие сложные отливки, как головка и блок цилиндров. Однако в других отраслях эта технология остается практически неосвоенной.

Рис. 9. SLA-модель (а) и отливка рабочее колесо турбоагрегата (б), оболочковая форма и отливка рабочее колесо турбины ОАО «ТМЗ» (в)

Основной производитель SLA-машин – американская компания 3D Systems, которая выпускает широкую гамму машин с разными размерами зоны построения, от 250×250×250 до 1500×570×500 мм. Для литейного производства в мировой промышленности достаточно активно используют машины серии iPro (рис. 10), с техническими характеристиками которых можно ознакомиться на сайте кампании www.3dsystems. com. Затраты, как первоначальные, так и при использовании, – пожалуй, единственный недостаток этой технологии. Наличие лазера делает эти установки относительно дорогими и требующими регулярного технического обслуживания.

Рис. 10. Машина iPro 8000 (а) и SLA-модели (б)

Поэтому в последнее время, когда появилось множество 3D-принтеров, их используют для построения особо ответственных изделий с повышенными требованиями к точности и чистоте поверхности, в первую очередь, для изготовления Quick-Cast- и мастер-моделей. Для других же целей, например, дизайн-макетов применяют более дешевые технологии. Стоимость расходных материалов умеренная – € 200…300, и сопоставима с ценой модельных материалов других фирм. Время построения модели зависит от загрузки рабочей платформы, а также от шага построения, но, в среднем, это 4…7 мм/ч по высоте модели. Машина может строить модели с толщиной стенки 0,05…0,2 мм. Технология DLP Разработчик этой технологии – международная компания Envisiontec, которую можно отнести к новичкам AF-рынка, свои первые машины она выпустила в 2003 г.

Рис. 11. Модели Envisiontec (а) и отливки Al-деталей ДВС (б)

В машинах Envisiontec (рис. 11) семейства Perfactory применяют оригинальную технологию DLP – Digital Light Procession, суть которой – в формировании т.н. маски каждого текущего сечения модели, проецируемой на рабочую платформу через специальную систему зеркал очень малого размера, с помощью прожектора с высокой яркостью света. Формирование и засветка видимым светом каждого слоя происходит относительно быстро, за 3…5 с.

Таким образом, если в SLA-машинах применяют точечный принцип засветки, то в машинах Envisiontec – поверхностный, то есть засветку всей поверхности слоя, чем объясняется высокая скорость построения моделей – в среднем, 25 мм/ч по высоте, при толщине слоя построения 0,05 мм. Материал поддержек – тот же, что и основной материал – акриловый фотополимер. Модели Envisiontec используют так же, как и SLA-модели – в качестве мастер-моделей и выжигаемых литейных моделей. Их качество весьма высокое, однако по точности уступает SLA-моделям, что, в основном, связано с применением не малоусадочных эпоксидных фотополимеров, как в машинах 3D Systems, а акриловых с существенно большим, почти на порядок – 0,6%, коэффициентом усадки при полимеризации.

Тем не менее, их преимущество – достаточно высокая точность и чистота поверхности, прочность, удобство в обращении, при весьма умеренной (по сравнению со стереолитографией) стоимости. Также несомненные преимущества технологии Envisiontec – высокая скорость построения моделей и, следовательно, производительность RP-машины. Проведенные в последнее время эксперименты показали, в целом, хорошую выжигаемость моделей, малую зольность. Были получены кондиционные автомобильные отливки, как вакуумным литьем Al-сплавов в гипсовые формы, так и литьем чугуна в ПФ (маршаллитовые).

Есть все основания считать технологию DLP перспективной и эффективной для литейного производства, а не только для НИР и ОКР. Время (с учетом подготовительно-заключительных операций) построения деталей впускной трубы высотой 32 мм и ресивера высотой 100 мм – 1,5 и 5ч, соответственно. Тогда как на сопоставимой по размерам SLA-машине Viper (3D Systems) такие модели строились бы ≥ 5,5 и 16ч. Представляют интерес машины серий Extrim и EXEDE, которые позиционируются, как AF-машины для серийного производства мастер-моделей и моделей для ЛГМ. Особенность этих машин в том, что, в отличие от других технологий, здесь используют не дискретное (пошаговое), а непрерывное движение платформы вниз с малой скоростью. Поэтому на моделях отсутствуют ярко выраженные ступени, характерные для других способов построения. Модели требуют пост-обработки – удаления поддержек и, в ряде случаев, как и в стереолитографии – дополимеризации. Основные характеристики машин Envisiontec приведены в таблице. Широкий выбор материалов для мастер-моделей, моделей – выжигаемых и для вакуум-формовки (выдерживающих до 150°C), концептуального моделирования делает эти машины особенно привлекательными, когда требуется изготовлять большое количество моделей широкой номенклатуры. Технология MJM (Multi Jet Modeling) получения восковых синтез-моделей. Модели (рис. 12) строятся на 3D-принтерах с использованием специального модельного материала, в со- став которого входит светочувствительная смола – фотополимер на акриловой основе (связующий элемент) и литейный воск (50%). Посредством многоструйной головки материал послойно на носится на рабочую платформу, отверждение каждого слоя – облучением ультрафиолетовой лампой.

Особенность технологии – в наличии т. н. поддерживающих структур – поддержек для удержания нависающих элементов модели в процессе построения. Материал – восковой полимер с низкой температурой плавления, который после построения модели удаляется струей горячей воды.

Недостаток технологии – относительно высокая стоимость расходных материалов - $300/кг; преимущества – скорость получения модели и, не менее важное, высокое качество модельного материала, с точки зрения собственно технологии литья по выплавляемым моделям (формовки, вытапливания модели).

От синтез-мастер-модели к отливке

Литье полиуретановых смол и воска в силиконовые формы. Второе интенсивно развивающееся направление использования фотополимеров – это изготовление высокоточных мастер-моделей, как для последующего получения через силиконовые формы восковых моделей, так и для литья полиуретанов. Использование силиконовых форм чрезвычайно эффективно при штучном и малосерийном производстве восковых моделей, при этом, достигается их высокое качество.

Мастер-модели обычно выращивают на SLA-или DPL-установках, которые обеспечивают наилучшую чистоту поверхности и высокую точность построения модели. Достаточно высокое качество имеют и модели, полученные на 3D принтерах типа ProJet и Objet.

Рис. 13. Силиконовая форма (вверху), мастер-модель (внизу слева), восковая модель (в центре), металлическая отливка (справа)

Мастер-модели используют для получения т. н. быстрых форм, в частности, силиконовых (рис.13), в которые затем заливают полиуретановые смолы или воск для последующего литья металлов. Технологии литья в эластичные формы широко распространены в мировой практике. В качестве материала форм используют разные силиконы с малым коэффициентом усадки и относительно высокими прочностью и стойкостью (здесь силикон – это смесь двух исходно жидких компонентов А и B, которые при смешивании в определенной пропорции полимеризуются и образуют однородную относительно твердую массу).

Эластичные формы получают заливкой силиконом в вакууме мастер-модели, которую располагают обычно в деревянной опоке, опоку помещают в вакуумирующую машину, где предварительно в специальной емкости смешивают компоненты A и B, затем силикон выливают в опоку. Вакуум применяют для удаления воздуха из жидких компонентов и обеспечения высокого качества формы и отливок. После заливки в течение 20…40 мин силикон полимеризуется. В комплект поставки оборудования для вакуумного литья, как правило, входит собственно вакуумная машина (одно- или двухкамерная) и два термошкафа: для хранения расходных материалов при ~ 35°C и для выдержки форм при ~ 70°C; последний используют для предварительной термоподготовки

силиконовой формы и литейных материалов непосредственно перед заливкой.

После заливки полиуретановой смолы форму возвращают в печь для полимеризации смолы. Поэтому размер второго термошкафа должен соответствовать размерам вакуумной камеры машины. Специальными приемами форму разрезают на две или несколько частей, в зависимости от конфигурации модели, затем модель извлекают из формы.

Обычной стойкости формы в 50…100 циклов вполне достаточно для изготовления опытной серии отливок. Эти технологии оказались весьма эффективными для производства опытно-промышленных партий и малосерийной продукции, характерной для авиационной, медицинской и приборостроительной отраслей.

Широкий спектр, как силиконов, так и полиуретановых смол, позволяет изготовлять отливки с ударо- и темпостойкими свойствами, разной жесткости в разнообразной цветовой гамме. Современные предприятия, изготовляющие отливки по выплавляемым моделям, обычно имеют в составе технологического оборудования AF-машину для выращивания мастер-моделей и машину для вакуумного литья в силиконовые формы.

Сведения об авторах

М.А. Зленко – д-р техн наук НИИМашТех ОНТИ СПбГПУ.

П.В. Забеднов – инженер ФГУП «Внештехника».

Статья предоставлена ИД "Литейное производство"