Аддитивные технологии и оборудование 3D-печати песчаных форм

Технология 3D-печати песчаных форм заключается в многократном поочередном нанесении слоя смешанного с отвердителем литейного песка и слоя связующего вещества. Каждый слой песчаной формы состоит из двух материалов, добавленных последовательно:

• формовочного песка (устройство подачи и выравнивания песка подает формовочный песок на поверхность к камере построения);
• связующего вещества (печатная головка выборочно наносит литейные смолы на песок).

Активатор, находящийся в песке, упрочняет связующее вещество, и таким образом, формируется единичный слой. Процесс повторяется до полного построения литейной формы (рис. 114).

1. Основной технологический модуль для 3D-печати с контейнером построения	2. Платформа построения опускается вниз
3. Наносится новый слой активированного песка на связующее вещество	4. Повторение операций 1-3 до завершения печати готовой продукции
5. Удаление несвязанного песка, заливка металла в литейную форму

Рис. 114. Основные операции 3D-печати литейных форм: 1 – нанесение; 2 – готовый слой; 3 – следующий слой; 4 – повтор; 5 – постобработка

Понятие «песок» в 3D-печати объединяет группу песчаных порошкообразных материалов (рис. 115), сравнительная характеристика которых представлена в табл. 23.

Рис. 115. Расходные материалы

Таблица 23

Характеристики материалов

Виды песчаных материалов:

• кварцевый песок (Silica sand) – наиболее распространенный материал для создания песчано-полимерных литейных форм. Используется для решения широкого спектра литейных задач в разных областях. При использовании совместно со связующим в виде фурановых смол, форма из кварцевого песка не нуждается в запекании и сразу после очистки готова к заливке;
• керамический песок (CeraBeds) – песчаный материал из синтетических гранул сферической формы. Обеспечивает минимальное термическое расширение, высокую огнеупорность, минимальный пригар и пористость на отливках. Совместим со всеми связующими веществами. Рекомендован для литья сталей и их сплавов;
• хромированный песок (Chromite) – состоит их хрома и оксидов железа. Рекомендован для литья сталей и чугуна. Высокая теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения обеспечивают прекрасную стабильность формы. Может смешиваться с кварцевым песком, позволяя получать изделия с максимально качественными поверхностями;
• циркониевый песок (Zircon) – используется в литейном процессе, когда нужно увеличить производительность. Температура плавления 2500°С, плотность по Моосу 7,5, высокий коэффициент теплового расширения. Смешивается с кварцевым песком для лучшего рассеивания тепла;
• оксид железа – добавка для предотвращения образования пустот и неровностей. Используется для профилактики дефектов литейных форм.

Применение формовочных песков и смол, аналогичных тем, что используют в литейной промышленности, позволяет не только изготавливать опытные образцы и малые серии, но и отрабатывать технологию литья этих заготовок для крупносерийного производства.

Обычно песчано-полимерные формы используются в литейном производстве машиностроительных деталей и в промышленности. Однако известны случаи их эффективного применения в архитектуре, дизайне и других сферах.

Преимущества технологии 3D-печати песчаных форм:

• использование самых качественных литейных материалов, проверенных временем;
• система оценки качества используемого песка;
• проверенная временем технология прецизионного нанесения связующих материалов;
• прямой синтез песчаных форм без применения поддержек материала;
• отсутствие необходимости постобработки;
• литейные формы готовы к заливке сразу после из печати;
• возможность изготовления литейных форм и стержней любой геометрии.

Основные особенности песчаных литейных форм, созданных на 3D-принтере: точность до 100 мкм; толщина слоя: 0,28-0,5 мм; могут использоваться без пост-обработки (например, запекания); размер готовой формы: до 2,2 м.

Песчаные литейные формы активно используются во многих отраслях промышленности для быстрой отливки различных деталей (рис. 116).

Поэтапная схема применения технологии 3D-печати песчаных форм включает в себя:

1 этап – подготовка CAD модели. Конструкторско-технологический отдел по проектированию отливок и оснастки с помощью комплекта программного и аппаратного обеспечения разрабатывает CAD модель отливки и оснастки, схему сборки форм из стержней используя пакет программ для 3-х мерного проектирования отливок и оснастки, а также пакет программ для моделирования процессов литья (рис. 117).

Рис. 116. Основные этапы литья в песчаные формы: 1 – подготовка 3D-модели песчаной формы; 2 – 3D-печать формы для литья; 3 – проверка всех частей формы; 4 – заливка металла в форму; 5 – извлечение изделия из формы; 6 – 3D-сканирование полученного изделия; 7 – анализ модели на дефекты; 8 – готовое изделие

Рис. 117. Подготовка CAD модели

2 этап. Производство песчаных стержней. На основании полученной CAD модели на установке S-Max либо S-Print производятся песчаные стержни методом послойного отверждения песчаной смеси.

3 этап. Оператор извлекает готовые стержни из камеры построения и осуществляет сборку форм из полученных стержней в соответствии с разработанной схемой сборки.

Для быстрого изготовления песчаных форм сложной геометрии используют технологические комплексы (рис. 118).

Рис. 118. Схема технологического комплекса по печати песчаных форм: 1 – основной технологический модуль для 3D-печати с контейнером построения; 2 – свободно перемещаемый контейнер построения; 3 – тележка для транспортировки связующего вещества, отходов и контейнеров с отвердителем; 4 – внешний роликовый конвейер; 5 – модуль дозировки магниевого ингибитора; 6 – транспортный контейнер; 7 – транспортный контейнер для регенерированного песка; 8 – установка регенерации несвязанного песка; 9 – стол для финишной обработки с контейнером для не связанного песка; 10 – промышленный вакуумный очиститель; 11 – мобильная установка для несвязанного песка на шасси; 12 – станция загрузки мешков с песком; 13 – мобильный промышленный вакуумный очиститель с сепаратором; 14 – источник бесперебойного питания; 15 – трансформатор; 16 – электрощит

Назначение технологического комплекса заключается в следующем:

• быстрое изготовление песчано-полимерных форм сложной геометрии для получения литых заготовок из алюминиевых и магниевых сплавов, сталей и чугунов, а также внутренних стержней для применения в кокильной оснастке;
• изготовление песочно-полимерных формообразующих элементов штампов. Изменяя состав комплекса, можно обеспечивать потребности научно-исследовательских учреждений и крупных предприятий.

Отсутствие производственных ограничений позволяет проектировать и изготавливать формы любой сложности и конфигурации (рис. 119) .

Рис. 119. Примеры использования и образцы песчаных форм

Цифровое производство песчаных форм и стержней устраняет необходимость в изготовлении дорогостоящей оснастки для производства отливок, что многократно сокращает время запуска проекта. В отдельных случаях экономия времени составляет 10-12 месяцев. Широкий спектр связующих материалов позволяет улучшить параметры литейного процесса, снизить массу формы и отливать тонкостенные изделия (рис. 120).

Рис. 120. Готовые изделия, отлитые в песчаные формы

Основными производителями оборудования для 3 D -печати песчаных форм являются ExOne (США) и Voxeljet (Германия).

3D-принтеры для печати песчаных литейных форм работают по технологии ExOne Binder Jetting. Это распространенный способ аддитивного производства, адаптированный для промышленных задач с использованием литейного песка.

Одним из лучших производителей технологических комплексов для создания песчаных форм является компания ExOne (Германия), с 2005 г. выпускающая оборудование по созданию песчаных литейных форм (ранее под маркой ProMetal) и обладающая собственной запатентованной технологией создания песчано-полимерных форм для литья.

Технология ExOne позволяет производить готовую продукция с высочайшей точностью, значительно снизив материальные затраты на технологическую подготовку производства и заметно сократив время отработки конструкции конечного изделия перед его запуском в серийное производство.

Среди промышленных 3D-принтеров, выпускаемых компанией ExOne, принтеры ExOne S-Max Furan, S-Print Furan, ExOne S-Print Silicate, ExOne Exerial. Все эти принтеры предназначены для изготовления песчано-полимерных литейных форм и используют технологию Binder Jetting. Песчано-полимерные формы обладают высокими прочностными характеристиками и низкой газопроницаемостью (табл. 24).

Все расходные материалы разработаны и производятся с учетом особенностей технологии и оборудования ExOne.

Связующее вещество и отвердитель специально разработаны для использования с литейными ExOne.

Таблица 24

Характеристики получаемых литейных форм

3D-принтер ExOne S-Max Furan (рис. 121), предназначенный для создания песчано-полимерных литейных форм, позволяет изготавливать прочные литейные формы любой сложности и практически любой конфигурации и исключить из технологического процесса длительные и дорогостоящие операции.

Рис. 121. Промышленный 3D-принтер ExOne S-Max Furan

Размеры области печати составляют 1800x1000x700 мм (рис. 122). Благодаря таким размерам области для построения можно печатать крупногабаритные формы или же несколько форм меньших размеров за один цикл печати.

Рис. 122. Область для построения формы промышленного 3D-принтера ExOne S-Max Furan

Толщина нанесения слоя в зависимости от материала варьируется от 0,28 до 0,50 мм. Разрешение: X/Y 0,1 мм/0,1 мм. В качестве литейного песка применяют смесь кварца и корунда, связующее – фурановые смолы.

Принтер обладает высокими показателями по качеству печати. За счет технологии Binder Jetting не требуется поддержка изделий, можно изготавливать формы любой сложности и высокой точности (рис. 123). Возможная погрешность в размерах готовой продукции не превышает ±0,3 мм.

Рис. 123. Литейная форма, изготовленная на S-Max Furan

Полученные изделия, не ограниченные размерами и конструктивными параметрами, могут использоваться в качестве литейных форм, стержней, элементов кокильной оснастки, штампов и пресс-форм для литья изделий из сталей, чугуна, алюминиевых, медных и магниевых сплавов.

Архитектурная компания Bruil (Нидерланды) использует S-Max и для литья сложных строительных конструкций из бетона. Одним из примеров того, как компании используют свои технологии в отливке форм, может служить витой H-образный профиль высотой 1,6 м, представленный на выставке GEVEL 2015 (рис. 124).

Рис. 124. Литье сложных строительных конструкций из бетона

Среди преимуществ S-Max Furan:

• использование самых качественных литейных песков и смол, аналогичных используемым в традиционных литейных технологиях;
• печать цельных крупногабаритных литейных форм или одновременная печать множества сборных фрагментов;
• большой объем контейнера построения и самая высокая на рынке скорость печати;
• возможность одновременного использование двух контейнеров построения;
• прямой синтез песчаных форм без применения материала поддержки;
• изделия не требуют постобработки;
• литейные формы готовы к заливке сразу после из печати;
• конструкция отливок не ограничена возможностями инструментального производства;
• песчано-полимерные формы обладают высокими прочностными характеристиками и низкой газопроницаемостью;
• высокая производительность.

Для улучшения производительности комплекса и его работы может быть установлен дополнительный контейнер построения. В этом случае S-Max Furan будет оснащен сразу двумя контейнерами, установленными по одному с каждой стороны от основного технологического модуля для 3D-печати. В то время как основной контейнер построения находится в «печати», другой может осуществлять выгрузку готовых изделий.

Система FluidMatic используется для автоматической подачи химических реагентов (отвердителя, связующего вещества и очистителя) в основной технологический модуль 3D-печати и удаления из него жидких химических отходов.

3D-принтер ExOne S-Print Furan (рис. 125) предназначен для прямой печати песчано-полимерных литейных форм любой сложности. Использование фурановых смол в качестве связующего материала позволяет применять изготовленные формы для литья практически любых металлов и сплавов. Типичная погрешность в размерах готовой продукции не превышает ±0,3 мм.

От модели S-Max Furan отличается размерами рабочей камеры (объем построения: 800x500x400 мм) и скоростью печати. Скоростью построения – от 60 000 от 85 000 см³/час. Толщина слоя: 0,28-0,50 мм. Технология: Binder Jetting.

Преимущества S-Print Furan:

• быстрое построение литейных форм с помощью песка и связующих материалов;
• отсутствие каких-либо ограничений в сложности конструкции отливок;
• возможность проведения тестирования гидродинамической эффективности различных вариантов литейных форм;

Рис. 125. Промышленный 3D-принтер ExOne S-Print Furan

• печать цельных крупногабаритных литейных форм или одновременная печать множества сборных фрагментов;
• прямой синтез песчаных форм без применения материала поддержки;
• конечные изделия не требуют спекания или иной термической обработки и готовы к заливке сразу после печати;
• песчано-полимерные формы обладают высокими прочностными характеристиками и низкой газопроницаемостью.

Промышленный 3D-принтер ExOne S-Print Phenol предназначен для быстрой прямой печати песчано-полимерных литейных форм из термостойких материалов. Использование связующего вещества на основе фенола обеспечивает повышенную термостойкость материала и позволяет изготавливать тонкостенные песчано-полимерные литейные формы и стержни. В качестве литейного песка используют кварц и синтетику. Площадь построения – 800x500x400 мм. Толщина слоя – 0,24 мм. Типичная погрешность в размерах готовой продукции не превышает ±0,3 мм.

Преимущества:

• быстрое построение литейных форм с помощью песка и связующих материалов без расходов на разработку мастер моделей и инструментальной оснастки;
• благодаря использованию связующего вещества на основе фенола, прочность материала форм на изгиб может достигать 800 Н/см², высокая термостойкость позволяет изготавливать тонкостенные литейные формы и стержни;
• отсутствие каких-либо ограничений по сложности конструкции отливок;
• возможность проведения тестирования гидродинамической эффективности различных вариантов литейных форм до заливки металла;
• печать цельных крупногабаритных литейных форм или одновременная печать множества сборных фрагментов;
• прямой синтез песчаных форм без применения материала поддержки;
• песчано-полимерные формы обладают высокими прочностными характеристиками и хорошей газопроницаемостью.

Универсальный промышленный 3D-принтер ExOne S-Print Silicate способен создавать песочно-полимерные формы фактически любой конфигурации. Литейные формы, благодаря использованию в качестве связующего экологически безвредных силикатных смол, отличаются высокой газопроницаемостью и подходят для литья газотворных металлов. Формы, изготовленные на S-Print Silicate, идеально подходят для литья сталей, чугуна и любых цветных металлов. Площадь построения – 800x500x400 мм. Толщина слоя – 0,28-0,38 мм. Погрешность: ±0,3 мм

Преимущества:

• быстрое построение литейных форм с помощью песка и связующих материалов без расходов на разработку мастер-моделей и инструментальной оснастки;
• изготовление песчаных литейных форм с высокой газопроницаемостью за счет использования связующего на основе силиката;
• отсутствие каких-либо ограничений, вызванных сложной геометрией отливок;
• печать цельных крупногабаритных литейных форм или одновременная печать множества сборных фрагментов;
• прямой синтез песчаных форм без применения материала поддержки;
• песчано-полимерные формы обладают высокими прочностными характеристиками и хорошей газопроницаемостью.

Промышленный 3D принтер ExOne Exerial – промышленная система прямой печати песчано-полимерных литейных форм (рис. 126). Это самая большая 3D-машина в линейке ExOne, способная производить большое количество форм для серийного производства. Exerial оснащается двумя камерами печати (общий рабочий объем 3 696 л), которые могут работать как независимо друг от друга, так и совместно, создавая один большой проект. При этом система обеспечивает невероятную детализацию – до 100 мкм. ExOne Exerial – идеальная промышленная установка для массового производства высококачественных литейных форм для различных типов металлов. Скорость построения – 300-400 л/час.

Рис. 126. Промышленный 3D-принтер ExOne Exerial

Оснащение ExOne Exerial двумя камерами печати общим объемом почти 7 000 л, позволяет быстро получать большое количество литейных форм для серийного производства или печатать большие и уникальные проекты. Размер каждой из двух камер составляет 2200х1200х700 мм. В час система способна печатать до 400 л готовых к использованию песчано-полимерных форм для точного литья, что в 3-4 раза превышает другие модели компании ExOne – S-Max.

Уникальный процесс печати позволяет получать высокоточные песчаные формы. Отклонения от компьютерной модели составляют всего 0,3 мм. При этом система обеспечивает разрешение 0,1 на 0,1 мм, что гарантирует высокую проработку даже самых мелких деталей. Толщину слоя может варьироваться – 28 или 50 мкм.

Литейные формы, созданные с помощью ExOne Exerial универсальны, в них можно отливать высококачественные изделия из цветных и черных металлов и сплавов на их основе. За счет использования для печати разных материалов получаемые формы имеют различные свойства.

Компания Voxeljet AG (Германия) разрабатывает, изготавливает и реализует промышленные 3D-принтеры, предназначенные для автоматизированной 3D-печати песчаных стержней и форм, для производства чугунного, стального и цветного литья.

3D-принтеры Voxeljet (рис. 127) печатают объекты из высококачественных компонентов порошкового материала на основе песка и полимерных материалов, что также позволяет изготавливать методом 3D-печати модельные комплекты и прототипы из полимеров.

Рис. 127. 3D-принтеры Voxeljet

В линейке 3D-принтеров компании Voxeljet AG представлены:

3D-принтер VX200 – компактная машина, простая в использовании и позволяющая экономически эффективно осуществлять 3D печать. Рабочее пространство – 300х200х150 мм (рис. 128). Разрешение печати – 300 точек на дюйм. Толщина слоя – 150 мкм. Печать полностью автоматизирована. Габариты установки (Д х Ш х В) – 2,1х1,5х1,4 м. Вес – 450 кг.

Рис. 128. Область для построения формы промышленного 3D-принтера VX200

3D-принтер VX500 подходит для различных целей 3D печати. Несмотря на компактные размеры, VX500 сочетает высокое разрешение печатающей головки с высокой скоростью строительства, обеспечивая при этом высокое качество поверхности. Рабочее пространство – 500 х 400 х 300 мм (рис. 129). Толщина слоя – 80 мкм. Разрешение печати – 600 точек на дюйм.

Рис. 129. Область для построения формы промышленного 3D-принтера VX500

3D-принтер VXC800 (рис. 130) – новое поколение машин непрерывного действия, в которых стадии процесса строительства и распаковки работают параллельно, без прерывания цикла (рис. 131). Длина форм практически не ограничена, ширина и высота рабочего пространства – 850х500 мм. Разрешение высокой четкости печатающей головки – 600 точек на дюйм, с толщиной слоя – 300 мкм .

Рис. 130. 3D-принтер VXС800

Рис. 131. Непрерывный процесс печати

VX1000 – высокопроизводительный 3D-принтер (рис. 132), производящий различные компоненты и формы сложной геометрии, с подрезами. 3D-принтер создан в сотрудничестве с Hüttenes-Albertus, разработавшей неорганическое связующее, позволяющее работать быстро и точно, не засоряя окружающей среды. Рабочее пространство – 1060×600х500 мм. Разрешение печати – 600 точек на дюйм. Экологически чистый процесс, благодаря использованию неорганического связующего.

Рис. 132. 3D-принтер VX1000

VX2000 – промышленный 3D-принтер позволяет производить крупные и сложные детали за одну операцию. Отличается высокой производительностью, находит широкое применение в литейном производстве. Рабочее пространство – 2060×1060 х1000 мм. Скорость печати – до 47 л в час. (рис. 133).

Рис. 133. 3D-принтер VX2000

VX4000 – один из крупнейших в мире 3D-принтеров (рабочее пространство – 4000×2000х1000 мм), производящий любые объекты из сыпучего материала методом 3D-печати (рис. 134). Для повышения производительности используется особо широкая печатающая головка, печатающая слой только с двух проходов. Расходные рабочие материалы – Plastic, Sandstone PMMA, Silica Sand.

Рис. 134. 3D-принтер VX 4000 Voxeljet