Технология производства литейных форм методом послойной 3D-печати

Технология производства литейных форм методом послойной 3D-печати

24 Октября 2019

Денис Бычковский, к. ф.-м. н., генеральный директор ООО «Аддитивные технологии»
Александр Неткачев, технический директор ООО «Аддитивные технологии»

Отечественное литейное производство является основной базой машиностроительного комплекса. Перспективы литейной отрасли определяются темпами развития машиностроения, потребностью в литых заготовках, динамикой их выпуска, уровнем развития литейных технологий и конкурентоспособностью отечественных предприятий

По данным последних лет, в России действует около 1250 предприятий, изготавливающих отливки, оборудование и сопутствующие материалы. Однако уровень автоматизации литейного производства в нашей стране крайне низок — 78% отливок выпускаются на механизированных линиях и машинах, а также вручную. В связи с этим разработка автоматизированных методов создания литейных форм становится одним из приоритетных направлений развития отрасли.

Проблема и решение

В транспортном машиностроении сегодня широко используются высокотехнологичные двигатели внутреннего сгорания. В их конструкцию входят сложные по форме и зачастую крупногабаритные блоки цилиндров и головки блоков цилиндров, которые изготавливаются российскими предприятиями по традиционным технологиям литья. Первая из них — литье в одноразовые формы, сделанные вручную с помощью физических мастер-моделей. Для этого требуется длинная технологическая цепочка изготовления мастер-модели, подготовки смеси, формовка и сушка частей формы, места для хранения моделей и так далее. Другая технология — литье в кокиль (металлическую форму) — очень затратна по времени (от 6 месяцев до 1–2 лет), трудоемка и экономически невыгодна, а кроме того, данный способ сопряжен с высоким риском брака при изготовлении кокиля. Оба подхода имеют технологические ограничения на сложность внутренней конфигурации отливки. Применяя перечисленные технологии, невозможно или крайне затруднительно выполнить сложные каналы охлаждения, оптимизировать конструкцию и снизить припуск на последующую обработку. Все это значительно ограничивает потенциал разработки новой продукции и осложняет выпуск новых моделей, увеличивает сроки выхода новинок на рынок и стоимость запуска в производство, что, в свою очередь, негативно сказывается на конкурентоспособности конечной продукции. Проблемы с невозможностью реализации наилучших расчетных конфигураций конструкции традиционными методами ведут к снижению эксплуатационных характеристик продукции.

В последнее время для преодоления технологических ограничений и ускорения сроков проектирования и производства мировые лидеры машиностроения активно внедряют аддитивные технологии. Создание литейных форм методами послойного синтеза позволяет обойти технологические ограничения традиционных способов и сократить производственную цепочку, отказавшись от таких операций, как изготовление мастер-модели из металла или композитных материалов, изготовление литниковой системы и прибылей, формовка частей формы (установка мастер-модели и литниковой системы в опоку и засыпка смесью). Это приводит к сокращению времени производства и снижению на порядок стоимости формы.

Для примера рассмотрим изготовление литейного стержня для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя различными методами (рис. 1). Как видно из приведенного примера, стоимость изготовления формы с использованием разрабатываемой технологии на три порядка меньше, чем по любой другой технологии. Подобный экономический эффект достигается за счет того, что 3D-принтер создает литейную форму сразу по цифровой модели. Такая модель разбивается на слои и передается в 3D-принтер, в котором отвердитель наносится согласно цифровой модели литейной формы на предварительно подготовленный слой песчаной смеси. В результате в зоне построения создается отвержденная часть песчаной смеси, точно повторяющая цифровую модель.

Изделие Объем стержня Материал Линейные размеры стержня
Литейный стержень для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя 300 см3 удаляемый из отливки песок (гипс) 300×216×85 мм

тРис. 1. Сравнение методов изготовления литейного стержняк

Рис. 1. Сравнение методов изготовления литейного стержня

Технология SLA и SLS 3D-печать Станок с ЧПУ Песчано-полимерная 3D-печать
Стоимость, руб. 46560 21560 45
Время, дней 9 24 1
Рис. 2. Напечатанная форма для отливки блока головки цилиндров в сборе с литейными стержнями

Рис. 2. Напечатанная форма для отливки блока головки цилиндров в сборе с литейными стержнями

Технологии печати, применяемые для производства литейных форм

Для производства литейных форм методом послойной печати предназначены технологии струйной печати и спекания плакированного песка.

Технология струйной печати была разработана в Массачусетском технологическом институте (MIT, US) в начале 1990-х годов и носит название Binder Jetting (BJ) (ее принцип описан в пионерских патентах MIT под названием «3D printing techniques» US5204055 от 20.04.1993, US5340656 от 23.08.1993, US5387380 от 07.02.1995). Технология BJ представляет процесс послойного синтеза, в котором жидкий связующий агент избирательно осаждается для соединения частиц порошка. Печатающая головка наносит связующий материал на слой порошка в соответствующих участках. Рабочая камера опускается, и затем наносится следующий слой порошка, в который вновь добавляется связующий состав. Технология позволяет печатать крупные детали и зачастую более рентабельна других методов производства.

В технологии BJ применяют силикатный песок (преимущественно с фурановым связующим). Силикатный песок, получаемый из кристаллов кварца, — один из наиболее распространенных сортов песка, он широко используется, в том числе для создания пресс-форм и сердечников для промышленных отливок. Фурановое связующее не требует обжига является типичной традиционной основой в песчаных отливках, и его применение не требует внесения изменений в литейный процесс. Причем напечатанные формы сразу доступны для литья.

Также для печати могут использоваться керамические порошки, состоящие из силиката алюминия и обладающие отличными огнеупорными свойствами, высокой проницаемостью и низким тепловым расширением. Газы в них легко диспергируются, уменьшая потенциальную пористость при литье (создание таких газопроницаемых форм, в том числе с применением керамики, описано в патенте EP1773559 от 18.04.2007 «Gas permeable molds»). Формы, отпечатанные из таких керамических порошков, особенно рекомендуются для литья стальных сплавов или печатных сердечников, подверженных высоким термическим напряжениям.

К недостаткам известного решения следует отнести необходимость применения большого количества связующего вещества и активатора для получения достаточной прочности формы. Это ведет к большему выделению вредных веществ в рабочую зону при построении формы и при заливке металла, увеличивает газовыделение, что в свою очередь вызывает появление дефектов в отливке и увеличивает стоимость изготовления.

Рис. 3. Литейная форма для отливки гребного винта корабля и полученная отливка

Рис. 3. Литейная форма для отливки гребного винта корабля и полученная отливка

Следует сравнить технологию струйной печати при производстве литейных форм с технологией лазерного спекания плакированного песка. В данном случае печать осуществляется за счет спекания песчинок, покрытых тонкой оболочкой смолы. Как и в случае струйной печати, песок наносится последовательно слоями, а каждый слой обрабатывается лазерным лучом. Главными параметрами для сравнения служат скорость построения и себестоимость получаемых форм. По скорости построения лазерные машины сильно уступают струйным. При одинаковых размерах зон построения скорость печати лазером в 10 раз ниже, чем струйной при толщине слоя, близкой к 200 мкм, что находится на грани возможностей технологии. Если толщина слоя находится в пределах 100 мкм, то скорость печати уменьшится еще больше и будет отставать от струйной печати почти в 20 раз. Таким образом, строить большие формы, размеры которых близки к 1 м или более, по этой технологии просто невозможно. Сравним теперь себестоимость формы, отбросив для простоты расчетов отчисления на амортизацию, стоимость рабочего времени и сопоставляя только стоимость песка. При струйной печати требования, предъявляемые к песку для печати, практически такие же, как и при классическом процессе с холодно-твердеющими смесями (ХТС). На практике это означает, что физико-химические свойства песка такие же, как при классическом процессе с ХТС. Однако для песка, используемого в принтерах, существуют более жесткие нормативы однородности. Если при ручной формовке размеры песчинок и их форма не имеют значения, то при работе с принтером необходим максимально однородный песок. Это требование критично для равномерного нанесения микроскопических слоев. Речь идет о толщинах, находящихся в пределах 200–500 мкм. Очевидно, что при такой величине размер песчинок становится соизмеримым с толщиной слоя и следует использовать однородный песок для лучшего распределения частиц по всему объему. Данное условие несколько удорожает песок, применяемый в 3D-печати, по сравнению с используемым при ручной формовке, но средняя стоимость за 1 тонну не превосходит 5 тыс. рублей. Стоимость же плакированного песка колеблется в пределах 170–340 тыс. рублей за 1 тонну, в зависимости от его марки. Таким образом, если сравнить стоимость плакированного и литейного песка для 3D-печати, то окажется, что плакированный песок дороже в 30–60 раз! Такая «космическая» стоимость делает производство литейных форм абсолютно неконкурентоспособным. Кроме того, в России подобный песок не производится, что накладывает дополнительные риски, связанные с регулярностью поставок, даже если бы эта технология стала применяться.

Отечественные 3D-принтеры для литейных производств

Установки с большой рабочей зоной для одновременной печати нескольких однотипных форм позволяют применять технологию песчано-полимерной печати для выпуска серийных и крупносерийных партий деталей. Кроме того, использование данной технологии реализует переход к цифровому производству.

Зарубежные технологии для создания песчано-полимерных литейных форм развиваются с 80-х годов XX века. Основными игроками в этой сфере являются компании ExOne и Voxeljet. Несмотря на ряд достоинств, машины этих фирм обладают и некоторыми недостатками, затрудняющими их проникновение на рынок:

  • Высокое газовыделение при заливке металла с высокой температурой плавления в песчаные формы, что ограничивает использование установок при литье жаропрочных сталей и сплавов.
  • Стоимость оборудования, которая в зависимости от размера камер может колебаться от одного до нескольких миллионов евро.
  • Стоимость расходного материала и зависимость от его поставок. Отечественные материалы не могут заместить импортные в силу особенностей технологии, используемой в импортных установках.

Естественно, на фоне этих обстоятельств отечественные разработчики должны были задаться созданием принтера, способного конкурировать с западными аналогами. Так, в 2016 году наша компания ООО «Аддитивные технологии» разработала собственную технологию послойной печати, на которую были поданы две патентные заявки и получен приоритет. Через год уже был собран первый отечественный песчано-полимерный принтер АТ300. Он имел камеру построения 500×300×300 мм (X, Y, Z) и обеспечивал рост слоя толщиной 3,2 см/ч, что соответствовало скорости построения 4800 см3/ч, или 45 с на один слой по вертикали (координата Z). Скорость, прямо скажем, не высокая, но для первой модификации вполне подходящая. Запуск первой модели АТ300 позволил отточить все аспекты технологии, а также отработать систему управления печатью.

Система состоит из двух основных блоков: управление приводами и управление непосредственно печатью (движение головок, впрыск связующего). Усовершенствования системы, достигнутые в результате опытных работ, позволили сократить время нанесения песка и печати одного слоя до 20 с, что обеспечивает рост 7,2 см/ч. Мы предпочитаем говорить именно об абсолютной скорости роста по вертикальной оси, поскольку объем построения зависит от горизонтальных размеров самой камеры. Так, для одной и той же вертикальной скорости, скажем 7,2 см/ч, получаются различные значения для камер с разными горизонтальными размерами (X, Y) 300×500 мм и 700×700 мм. Значения объемов построения в этом случае будут 10 800 и 35 200 см3/ч соответственно. При еще больших размерах камер получаются еще большие значения объемов при равной вертикальной скорости роста. Таким образом, к 2018 году увидела свет обновленная установка АТ300 с прежними линейными размерами 500×300×300 мм (X, Y, Z), но значительно (более чем в два раза) ускоренная, обладающая скоростью построения 7,2 см/ч, или, другими словами, 10 800 см3/ч.

Рис. 4. Установка АТ300

Рис. 4. Установка АТ300

Параллельно с усовершенствованием АТ300 велась работа по созданию принципиально новой установки АТ700, в основе действия которой лежат те же принципы, что и у АТ300, однако она имеет ряд коренных отличий от младшей модели. Во-первых, АТ700 оснащена системой автоматической подачи песка. Если АТ300 предполагает ручную засыпку песка в бункер построения после предварительного ручного смешивания с катализатором, то в АТ 700 песок подается автоматически в бункер замеса, где происходит впрыскивание катализатора и размешивание его в массе песка. Затем песок из бункера замеса автоматически подается в рабочий портал, который, двигаясь в горизонтальном направлении, обеспечивает послойное нанесение песка. Данный процесс повторяется по мере того, как заканчивается песок.

Рис. 5. Установка АТ700

Рис. 5. Установка АТ700

Второе существенное отличие — АТ700 предполагает сменный бункер построения. После окончания цикла печати бункер, в котором проводилось построение форм, можно выкатить, открыв боковые дверцы, а вместо него поставить пустой бункер и начать следующий цикл печати. Пока машина строит очередную партию форм, можно заняться выемкой и очисткой уже построенных изделий. Такая технология значительно экономит время и позволяет печатать формы практически непрерывно. Третьим отличием установки АТ700 является оснащенность четырьмя головками (у АТ300 — одна) и измененная версия системы управления печатью. АТ700 обеспечивает вертикальную скорость печати 7,2 см/ч, что соответствует 35200 см3/ч.

Четвертое — процесс печати на АТ700 полностью автоматизирован. На входе имеется STL-файл, загружаемый в компьютер принтера. Далее автоматика разбивает файл на слои, подает их на систему управления, определяет необходимое количество катализатора и смолы, время замеса песка и оптимизирует процесс построения. Управление принтером осуществляется как с выносной консоли принтера, так и по удаленному доступу через Wi-Fi.

Таким образом, по техническим характеристикам АТ700 становится серьезным конкурентом западным образцам подобного оборудования (уже упомянутым VoxelJet и ExOne). При этом наши принтеры на 90% состоят из российских комплектующих, что делает их стоимость в несколько раз ниже импортных аналогов, а использование отечественных расходных материалов позволяет добиться себестоимости форм в пределах 100 рублей за 1 кг или даже меньше при условии оптимальной заполняемости камеры построения.

В качестве примера можно привести тендер 2018 года на производство и поставку песчано-полимерного принтера для Магнитогорского металлургического комбината. Помимо ООО «Аддитивные технологии» в отборе принимали участие дистрибьютор зарубежной компании VoxelJet, а также несколько компаний, продвигающих на рынке технологию печати литейных форм из плакированного песка. На первом этапе тендера проходил выбор технологии путем сравнения основных параметров: скорости построения и себестоимости форм. Поскольку технология спекания плакированного песка отстает по скорости построения от песчано-полимерной технологии более чем в 10 раз, а стоимость 1 тонны плакированного песка почти в 30 раз дороже стоимости песка, применимого для BJ, то выбор естественным образом пал на технологию послойной полимеризации, лежащую в основе отечественных принтеров. Сравнение остальных технико-экономических параметров привело к выбору компании «Аддитивные технологии» в качестве победителя тендера.

В настоящее время линейка принтеров для производства песчано-полимерных форм от компании ООО «Аддитивные технологии» насчитывает четыре модели: АТ300, АТ700, АТ1000 и АТ2000. Номер коррелируют с размером камер построения: модель АТ300 имеет размеры (X, Y, Z) 500×300×300 мм, модель АТ700 — 700×700×450 мм, модель АТ1000 — 1000×1000×450 мм, модель АТ2000 — 2000×(1000–2000)×700 мм. Все модели имеют примерно одинаковую скорость построения по вертикали, колеблющуюся в пределах 7–9 см/ч, что обеспечивает объем построения до 250 000 см3/ч у старших моделей.

Маркетинговое исследование ведущих компаний (консультации с главными технологами, директорами по инновационному развитию, техническими директорами), имеющих постоянную потребность в литье, позволило сделать вывод, что многие предприятия проводят реконструкцию литейного производства, ориентируясь на новые технологические процессы, материалы и перспективное оборудование. Основная цель реконструкции — расширение объемов производства, повышение качества изделий, отвечающих современным требованиям заказчика, снижение сроков изготовления и себестоимости продукции, а также улучшение экологической ситуации и условий труда.

С учетом активного технического перевооружения промышленности (общий объем программ на предприятиях ОПК превышает 1 трлн рублей) и внешнеполитических процессов предполагается высокий спрос на отечественные технологии и сырьевую базу. Ожидается наличие спроса и со стороны малых предприятий, ориентирующихся на мелкосерийное производство литьевых изделий, а также инжиниринговых компаний, занимающихся разработкой конструкций литьевых изделий и литьевой оснастки. Предлагаемые аддитивные технологии позволяют потенциальным пользователям сократить издержки и сроки разработки изделий.

Антон Шаронов, главный технолог, компания «Диполь»
Антон Шаронов, главный технолог, компания «Диполь»

В условиях активного развития аддитивных технологий в мире можно выделить тенденцию внедрения 3D-принтеров в сектор индивидуальных, узкоспециализированых машин. На этом фоне особенно выигрышно выглядят принтеры для получения песчано-полимерных форм. Их востребованность связана с тем, что в мировой металлургии неизменно присутствует сегмент производства изделий небольшим тиражом (опытные партии, отработка технологий, проверки проектирования — эти случаи предполагают изготовление одного или нескольких изделий). Надо отметить, что производство и проектирование оснастки при выпуске тиражом до 50 единиц почти никогда не окупали своей стоимости, но с появлением аддитивных технологий решение подобных «единичных» задач перестало быть убыточным, а скорость исполнения проектов выросла в разы. Не секрет, что выпуск металлического изделия по стандартной технологии на современном отечественном предприятии занимает более шести месяцев. С внедрением в технологический процесс 3D-принтеров эти сроки сократились до двух-трех недель.

Сегодня принтеры для получения песчано-полимерных форм изготавливаются во многих странах мира. Первенство принадлежит немецким производителям ExOne и Voxeljet. Изначально это была одна компания, по замыслу руководства разделенная на две: первая должна была заниматься оборудованием для получения песчано-полимерных форм, вторая ориентировалась на технологии для выплавляемых моделей. Что характерно, в итоге обе в настоящее время работают в одном сегменте. Использование оборудования данных производителей на территории России связано с рядом сложностей. И хотя проблема применения российских материалов в этих машинах многими предприятиями уже решена, но по-прежнему остро стоит вопрос стоимости запчастей и сервисного фирменного обслуживания, которое в нашей стране попросту не налажено. В этой ситуации тем более следует обратить внимание на отечественные разработки или предложения юго-восточных производителей. Выбор оборудования и представителей растет очень быстро. И уже скоро отзывы специалистов и пользователей помогут сформировать объективное мнение о качестве и возможностях таких машин. Пока же можно с уверенностью заключить, что все крупные предприятия отрасли рассматривают возможности использования 3D-принтеров для получения песчано-полимерных форм в своих металлургических и литейных цехах.

Товаров в сравнении: 0