Промышленная 3D-печать для песчаного литья

Если честно, до сих пор встречаю заказчиков, которые путают аддитивные технологии с каким-то фантастическим методом, где формы появляются из ниоткуда. Особенно в контексте песчаного литья. Многие до сих пор считают, что 3D-печать форм — это дорогое удовольствие для штучных изделий, а о серийности речи быть не может. Но за последние пять лет мы в CH Leading Additive Manufacturing (Guangdong) Co., Ltd. прошли путь от экспериментальных образцов до запуска промышленная 3D-печать в режиме трех смен на литейном производстве в Таганроге. И да, там льют чугунные корпуса партиями по 200 штук в месяц, а не сувенирные шестерёнки.

Технология BJ: почему песок, а не пластик?

Когда мы начинали внедрять струйное склеивание (BJ), один из инженеров спросил: ?Почему бы не печатать формы из полиамида??. Ответ оказался в физике процесса литья. Песчаная форма должна выдерживать тепловой удар при заливке чугуна при 1400°C, а затем легко разрушаться при выбивке. Синтетические материалы здесь просто плавятся или выделяют токсины. Наша команда годами отрабатывала составы смесей, и сейчас используем модифицированный кварцевый песок с органическим связующим — после прокалки остаётся чистая поверхность отливки без пригара.

Кстати, о прокалке. В 2020 году мы потеряли партию из 20 форм для алюминиевого коллектора — не учли скорость нагрева в печи. Формы потрескались не при литье, а при термообработке. Оказалось, связующее требует плавного роста температуры до 300°C, а не стандартного режима для песчаных форм. Такие нюансы не найти в учебниках, только в практике.

Сейчас для серийных заказов мы комбинируем традиционные оснастки и 3D-печать для сложных элементов. Например, при литье турбинной лопатки с внутренними каналами охлаждения — печатаем только стержневую часть, а наружную форму делаем классическим способом. Экономия времени — до 70%.

Оборудование CH Leading: между инновациями и цеховой пылью

Наше оборудование серии S-Max часто сравнивают с немецкими аналогами, но есть принципиальное отличие — система подачи материала. Мы отказались от пневматики в пользу шнековых податчиков после инцидента на заводе в Липецке. Там из-за перепадов влажности песок сбивался в комья, и пневмосистема выдавала брак по плотности. Шнек же уплотняет материал механически, не зависимо от влажности. Да, он требует больше обслуживания, но для российских условий это оправдано.

Разрешение печати — отдельная тема. Маркетологи любят цифры в микронах, но для литья важнее стабильность размеров после сушки. Мы вывели эмпирическую формулу: если печатать с толщиной слоя 0,3 мм, после термообработки отклонение составит ±0,15 мм на 100 мм длины. А при 0,2 мм — всего ±0,08 мм. Но скорость падает на 40%. Поэтому для ответственных деталей типа корпусов насосов используем тонкие слои, а для строительной арматуры — стандартные.

Подробности по теххарактеристикам всегда можно уточнить на https://www.3dchleading.ru — мы там выкладываем реальные отчёты по испытаниям, а не рекламные буклеты.

Кейс: литьё стального корпуса редуктора с обратными углами

В 2022 году к нам обратился производитель горной техники с проблемой — традиционными методами не могли сделать форму для корпуса с тремя обратными углами. Литьё в кессонах требовало 7 разъёмов, сборка занимала 16 часов. Мы предложили напечатать монолитную форму с потерянными стержнями.

Сначала попробовали печатать целиком из песчаной смеси — не вышло. При выбивке стержни не разрушались в узких зонах. Тогда разделили форму на 4 блока, которые собирались на шипах. Печатали на трёх машинах параллельно, общее время изготовления — 54 часа. Для сравнения — фрезеровка оснастки заняла бы 3 недели.

После первого запуска получили брак 30% — обломы стержней при заливке. Пришлось дорабатывать геометрию креплений и увеличивать зазоры до 0,8 мм. Сейчас серийно производим по 15-20 таких корпусов в месяц, брак упал до 2,5%.

Типичные ошибки при переходе на аддитивные технологии

Самое большое заблуждение — что 3D-печать сразу решит все проблемы. Как-то приехали на предприятие, где купили наш принтер, но продолжали использовать его как дорогую игрушку для прототипов. А всё потому, что технологи не перестроили процесс подготовки моделей. В песчаное литьё критически важны правильные литниковые системы — при печати их можно интегрировать в форму, а не делать отдельно.

Ещё один момент — постобработка. Многие забывают, что напечатанные формы требуют прокалки при 600-800°C перед литьём. Если пропустить этот этап, связующее не полимеризуется полностью, и форма может разрушиться при заливке. У нас был случай на испытаниях — пропустили прокалку для срочного заказа, и при заливке чугуна форма взорвалась. К счастью, без травм.

Сейчас всегда рекомендуем внедрять 3D-печать поэтапно: начать с несложных деталей, отработать технологическую цепочку, а потом переходить на ответственные узлы. И обязательно обучать операторов — они должны понимать не только как работать с оборудованием, но и физику процесса.

Экономика vs. качество: когда оправданы инвестиции

Считается, что 3D-печать форм выгодна только для мелкосерийного производства. Но мы посчитали на примере крыльчатки насоса: при тираже 50 штук стоимость оснастки окупается за 8 месяцев. А если деталь сложная с обратными углами — то за 4 месяца. Ключевой фактор — сокращение времени на проектирование оснастки.

Для массового производства тоже есть ниша — быстрое изменение конструкций. Недавно на автозаводе переходили на новый стандарт экологичности, потребовалось изменить систему выпуска. Фрезеровка новой оснастки заняла бы 3 недели, а мы напечатали формы за 3 дня. Просто потому, что не нужно было делать чертежи разъёмов, упоров, систем крепления — только 3D-модель.

Компания CH Leading Additive Manufacturing как раз специализируется на таких решениях — не просто продаём оборудование, а помогаем выстроить процесс. Основатели команды не зря годами работали именно с технологией BJ — она наиболее адаптивна для условий литейных цехов.

Что в перспективе? Не только металл

Сейчас экспериментируем с керамическими формами для титановых сплавов. Сложность в том, что керамика имеет другой коэффициент теплового расширения. При литье титана при 1700°C появляются трещины. Пока тестируем композитные материалы — кварц-циркониевые смеси.

Ещё одно направление — гибридные формы. Например, основание формы делаем традиционным способом из-за простой геометрии, а сложные элементы печатаем. Так снижаем стоимость без потери качества.

Если говорить о трендах, то вижу потенциал в цифровых двойниках всего процесса — от модели до готовой отливки. Но это уже тема для отдельного разговора, пока что в реальных цехах важнее надежность и предсказуемость. Как показывает практика, даже самая продвинутая промышленная 3D-печать должна работать в условиях российской производственной реальности — с перепадами напряжения, неидеальной вентиляцией и срочными заказами ?на вчера?. И именно под такие задачи мы и развиваем наши технологии.