[1]Изобретение относится к литейному производству, к способам для изготовления литейных моделей и может быть использовано для изготовления керамических оболочковых форм по песчано-полимерным выжигаемым моделям при производстве ответственных отливок сложной конфигурации из черных и цветных сплавов.
[2]Известный уровень техники содержит ряд способов изготовления оболочковых форм из песчано-полимерной смеси, а также выжигаемых моделей из полимеров для оболочковых форм, изготовленных методом трехмерной печати.
[3]Поскольку заявляемое техническое решение включает изготовление песчано-полимерной модели трехмерной печатью, с последующим покрытием модельно-восковым составом, например, марки Р-3 ТУ 19.20.41-001-40554702-2018 или воском Ultracast® WAX-J 1210, то из известного уровня техники можно выделить Водно-коллоидное связующее для керамических суспензий (патент РФ №2793023, МПК В22С 1/16), содержащее кремнезоль, поливиниловый спирт, пеногаситель и неионогенное поверхностно-активное вещество из смеси первичных оксиэтилированных высших жирных спиртов фракций С14-С15. При помощи известного вещества получают керамические оболочковые формы, при этом технология создания литейной формы заключается в послойном наращивании керамического слоя на поверхности модели за счет периодического погружения ее в керамическую суспензию определенного состава, полученную при смешении оксидов и связующего. После получения керамической оболочки выполняется обжиг моделей при температуре не менее 720°С.
[4]К недостаткам известного связующего, при его использовании, относятся:
[5]- высокая вероятность поверхностных дефектов на внутренней поверхности оболочки;
[6]- строгие требования к климатическим условиям в камере сушки; нанесение слоев с недостаточной сушкой предыдущих покрытий приведет к разрушению формы, причем при сушке последних слоев потребуется много времени: 4-12 часов;
[7]- необходимость применения специальных концентратов водорастворимых полимеров для обеспечения приемлемой «сырой» прочности и полимеров, повышающих скорость сушки;
[8]- не пригодно при работе с моделями из водорастворимых модельных масс (например, мочевинных).
[9]Из уровня техники также известен Способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям (патент РФ №2532753 МПК В22С 9/04). Способ включает послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии с использованием кислородсодержащего вещества и борной кислоты, обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание.
[10]Недостатками известного способа с технологией послойного синтеза огнеупорных материалов и связующего являются:
[11]- трудоемкость или невозможность удаления несвязанного огнеупорного материала из скрытых полостей;
[12]- подходит для массового производства, но для малых и средних серий является нерациональным;
[13]Известный уровень техники содержит ряд способов изготовления литейных форм: из песчано-полимерной смеси, а также выжигаемых моделей из полимеров для оболочковых форм, изготовленных методом трехмерной печати.
[14]Также из уровня техники известен Способ аддитивного производства удаляемых литейных моделей из порошковых материалов (патент РФ №2784035, МПК В22С 7/02; B33Y 10/00). Известный способ включает нанесение порошкового материала с диаметром частиц от 5 до 300 мкм на рабочую поверхность перед устройством разравнивания слоем до 150 мкм, внесение через многосопловые пьезоэлектрические печатающие головки, расположенные на расстоянии не более 3 мм от обрабатываемого слоя, связующего материала на участки нанесенного слоя, при этом содержание связующего составляет не более 30% от массы порошкового материала, а повторное нанесение слоев происходит с вибрационным воздействием на глубину наносимого слоя. Это способ изготовления разовых удаляемых литейных моделей методом аддитивного производства (послойного синтеза) для последующей формовки и литья различных металлов. В частности, к технологии послойного синтеза сложных разовых удаляемых литейных моделей порошковых материалов, где в качестве порошка используется порошок из, по меньшей мере, одного термопластичного полимера и, по меньшей мере, одного связующего.
[15]К недостаткам известного из уровня техники способа относятся:
[16]- высокая стоимость расходных материалов (полистирол, полиметилметакрилат) для изготовления удаляемой модели;
[17]- низкая скорость изготовления (печати) моделей; в данном случае модель изготавливают в 3-5 раз дольше, чем песчаную модель;
[18]- при инфильтрации парафином возможна утеря геометрии модели (оплавление, деформация).
[19]Заявляемое техническое решение направлено на сокращение сроков изготовления единичных и малых серий высокоточных отливок уникальной групп сложности методом литья в керамические оболочковые формы.
[20]Технический результат достигается тем, что способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, включает изготовление литейных моделей из песчано-полимерной смеси, а именно, из кварцевого песка и связующего методом трехмерной печати на 3D принтере, инфильтрацию литейных моделей модельным составом при температуре 80°С-90°С методом окунания, нанесение многослойного огнеупорного керамического покрытия с применением связующего на водной основе, отверждение нанесенного покрытия и выжигание моделей при температуре 720°С с последующим удалением несвязанного песка из полученной оболочковой формы.
[21]Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, включает изготовление керамических оболочковых форм из песчано-полимерной смеси методом трехмерной печати на 3D принтере, инфильтрацию литейных моделей модельным составом методом окунания, нанесение многослойного огнеупорного керамического покрытия, отверждение нанесенного покрытия и выжигание моделей при температуре 720°С с последующим удалением несвязанного песка из полученной оболочковой формы.
[22]Литейные выжигаемые модели изготавливают из песчано-полимерной смеси, а именно, из кварцевого песка и смолы, методом трехмерной печати на 3D принтере.
[23]Затем осуществляют инфильтрацию литейных моделей модельным составом, в качестве которого используют воск или парафин. Инфильтрацию осуществляют при температуре 80°С-90°С методом окунания. Температура определена методом подбора исходя из температуры каплеобразования материала, применяемого при инфильтрации.
[24]При температуре ниже 80°С модельный состав не инфильтрует песчаную модель; при температуре выше 90°С нагрев будет нерациональным.
[25]Далее на литейные модели наносят многослойное огнеупорное керамическое покрытие по технологии с применением связующего на водной основе. Поскольку используют покрытие с применением связующего на водной основе, то отверждение нанесенного покрытия происходит без каких-либо воздействий - литейные керамические оболочковые формы сохнут непосредственно на воздухе.
[26]Выжигание моделей (финальная сушка огнеупорных слоев) осуществляют при нагреве керамической формы до температуры 720°С.
[27]При нагреве температуры выше 720°С фурановые смолы (связующее) горят полностью выгорают, получившийся чистый кварцевый песок легко удаляется из полости формы.
[28]Готовую форму передают на хранение или на заливку.
[29]Полученная заявленным способом литейная керамическая оболочковая форма пригодна для изготовления отливок из широкой номенклатуры сплавов, в том числе на основе Ni, Cr, Ti, Mg. Благодаря сложной форме возможно изготовление отливок 8 класса точности, сложной геометрии и уникальной группы сложности. По классификатору групп сложности это 4, 5, 6 группы. При этом значительно сокращаются сроки изготовления литейных керамических оболочковых форм, так как нет необходимости проектировать и изготавливать оснастку для изготовления моделей. Проектирование и изготовление оснастки часто представляет исключительно сложную задачу, связанную с изменением конструкции детали для улучшения технологичности. За счет сокращения сроков на изготовление модели и за счет отсутствия изготовления оснастки процесс получения сложных литейных форм и отливок становится более дешевым.
[30]Пример осуществления способа.
[31]Заявляемый способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, опробован в АО «Центр цифровых технологий» (Акционерное Общество «ЦЕНТР ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ») г. Казань.
[32]Для изготовления песчано-полимерной модели методом селективного отверждения песчаной смеси использовали 3D принтер SMAX компании ExONE.
[33]Итак, на 3D принтере методом трехмерной печати изготавливают литейную модель. Материал для модели представляет песчано-полимерную смесь из кварцевого песка и связующего. Кварцевый песок фракции 0,1 мм, а в качестве связующего используют фурановую смолу. Слой печати составляет 0,28 мм, толщина стенки моделей 3 мм.
[34]Для последующей инфильтрации поверхности и полости полученной песчано-полимерной модели тщательно обдувают сжатым воздухом и погружают в расплав воска Ultracast® WAX-J 1210 при температуре 80-90°С на 1-3 секунды, для получения слоя 0.1-0.5 мм.
[35]Готовые модели помещают в обезжириватель Ultracast CWP 205 на 10-30 секунд и промывают в воде.
[36]В связующее Ultracast ONE+ в пропорции 30% от общей массы приготовляемой суспензии, добавляют огнеупорный наполнитель на основе 1 оксида алюминия Technocast® CorAl mix 4FD50 в пропорции 70% от общей массы приготовляемой суспензии, далее вводят пеногаситель Ultracast R400, в объеме 0,5% от массы жидкого, после чего погружают модели в смеситель УПОП-СМ-250 с суспензией под углом 30°-40°. Для нанесения огнеупорного покрытия погрузить модель в работающий пескосып ВПС-02.00.00.000 с псевдокипящим электрокорундом фракции F80, с последующей сушкой. Количество слоев определяется технологической необходимостью.
[37]После нанесения многослойного огнеупорного покрытия проходит отверждение модели на воздухе, течении 2-3 часов при температуре 22-24°С, влажности 50-60%.
[38]После сушки керамические формы выдерживают 24 часа при относительной влажности не более 40%, затем передают на операцию выжигания.
[39]На под печи устанавливают керамические формы заливочной чашей вниз. Выжигание моделей и прокалку форм выполняют в соответствии с режимами:
[40]Нагрев 20-350°С за 3 ч
[41]Выдержка при 350°С - 2 ч
[42]Нагрев 350-720°С за 1 ч
[43]Выдержка при 720°С - 2 ч
[44]Охлаждение 720-20°С с печью
[45]Охлаждение при выключенной печи 750-20°С с печью.
[46]После полного остывания керамические формы продувают сжатым воздухом, удаляя остатки несвязанного песка из полученной оболочковой формы. Готовые керамические формы передают на операцию подготовки к заливке.
[47]Результаты опробования показали, что заявляемый способ возможен и экономически оправдан. Получение отливок с применением песчано-полимерных моделей, полученных методом 3D печати, покрытых модельным составом, для изготовления оболочковой формы особенно эффективно при изготовлении крупных отливок со сложной геометрией.
[48]В сравнении с известными техническими решениями, заявляемый способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, позволяет:
[49]- сократить сроки изготовления высокоточных отливок уникальной группы сложности за счет изготовления моделей методом трехмерной печати на 3D принтере без изготовления оснастки;
[50]- позволяет удешевить процесс получения сложных литейных форм и отливок за счет того, что нет необходимости проектировать оснастку; сложную геометрию полости литейной формы получают непосредственно печатью на 3D принтере;
[51]- расширить номенклатуру применяемых сплавов.
[52]К преимуществам также относятся:
[53]- краткие сроки получения первого образца;
[54]- простота получения сложных геометрий моделей;
[55]- стабильность размеров литейных форм и отливок;
[56]- отсутствие необходимости в хранении оснастки;
[57]- возможность изготавливать отливки из сплавов на основе активных металлов;
[58]- возможность изготовления отливок с температурой заливки более 1750°С.
[59]- улучшения экологической атмосферы в литейном цехе за счет уменьшения объема выбросов при выжигании моделей.
[60]Заявляемое изобретение - способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, - это современный подход, который объединяет традиционные методы литья с возможностями 3D печати. С помощью заявляемого способа можно создавать сложные и точные модели для литья металлов с минимальными затратами на изготовление моделей. Особенно востребовано для небольших и индивидуальных изделий.
