3D-печать песчаных форм для металлического литья

Если честно, до сих пор встречаю клиентов, которые путают 3D-печать готовых отливок с печатью форм — это принципиально разные вещи. Наша компания CH Leading Additive Manufacturing (Guangdong) Co., Ltd. сфокусирована именно на технологии струйного склеивания для создания песчаных форм, и за годы работы накопила достаточно кейсов, где классическое литьё уступало по сложности геометрии.

Технологические нюансы BJ-печати

Метод струйного склеивания (BJ) — это не просто послойное нанесение песка. Ключевое — подбор связующего и его дозировка. В 2019 году мы столкнулись с проблемой обрушения угловых элементов формы для турбинной лопатки — оказалось, стандартная рецептура не подходила для резких перепадов толщин стенок.

Сейчас в CH Leading используют модифицированные составы с контролем вязкости, но до сих пор при запуске новых материалов тестируем обдувом сжатым воздухом под разными углами. Помню, как на стенде в Гуанчжоу пришлось переделывать партию форм для клапана высокого давления — связующее давало усадку на 0,8%, что для точного литья критично.

Иногда спрашивают, почему не перейти на фотополимерные формы. Ответ прост: для серийного литья чёрных металлов только песчаные формы выдерживают температурные нагрузки без деградации. Наши установки печатают формы с прочностью на сжатие до 4,5 МПа, что подтверждено испытаниями для литья стальных корпусов насосов.

Оборудование и его адаптация

Разработки CH Leading в области оборудования — это эволюция от пробных моделей до промышленных линейных принтеров. Первый прототип 2016 года печатал со скоростью 25 мм/ч, текущие серийные машины выдают до 80 мм/ч при слое 0,28 мм.

Важный момент — калибровка струйных головок. В условиях высокой влажности в Южном Китае приходилось дорабатывать систему подогрева песка — конденсат вызывал забивание сопел. Сейчас в новых моделях на сайте www.3dchleading.ru реализована модульная система очистки, но на объектах всё равно рекомендуем поддерживать влажность ниже 60%.

Кстати, о ремонтопригодности: изначально конструкция разборки печатающего модуля занимала 4 часа, после фидбека от литейного цеха в Тольятти перекомпоновали крепления — сейчас замена головки занимает не более 40 минут. Такие доработки — результат именно полевых испытаний, а не лабораторных отчётов.

Материаловедческие вызовы

Специальные пески — отдельная история. Хромитовые смеси для нержавеющих сталей требуют точного контроля гранулометрии — фракция 100-140 мкм показала наилучшую газопроницаемость без потери прочности. Но здесь есть нюанс: при литье медных сплавов тот же состав приводит к образованию корки на отливке.

В прошлом году экспериментировали с цирконовыми наполнителями для алюминиевых сплавов — получили снижение пригара на 15%, но стоимость формы выросла в 2,3 раза. Для мелкосерийного производства авиакомпонентов оправдано, для массового — нет.

Сейчас тестируем гибридные составы с добавлением керамических микросфер — предварительные результаты по теплопроводности обнадёживают, но пока нестабильны при длительном хранении смесей. Думаю, к концу года доведём до ума.

Практические кейсы и просчёты

Самый показательный провал — заказ на литьё корпусов редуктора для сельхозтехники в 2021. Рассчитали всё идеально, но не учли вибрации при транспортировке форм в другой регион — 30% получили сколы кромок. Пришлось разрабатывать многоразовые контейнеры с демпфирующими вставками.

А вот успешный проект для судостроительной верфи — печать песчаных форм для гребных винтов массой 2,3 тонны. Здесь ключевым было зонирование прочности: усилили каркас формы рёбрами жёсткости с шагом 120 мм, хотя изначально планировали 200 мм — помогли данные с датчиков деформации при пробной заливке.

Интересный момент: иногда клиенты просят напечатать форму с нулевой шероховатостью. Но на практике шероховатость Rz=40-60 мкм даже предпочтительнее — улучшает выход газов при заливке. Приходится объяснять, что полировка поверхности формы не всегда равно качество отливки.

Экономика и перспективы технологии

Себестоимость 3D-печати песчаных форм всё ещё выше традиционного изготовления оснастки — но только если считать прямые затраты. Когда клиент из Омска посчитал экономию на хранении 300 модельных комплектов для ремонтного литья, разница оказалась в пользу аддитивных технологий на 17%.

Сейчас наблюдаем рост запросов на гибридные решения — например, печать только сложных элементов формы с интеграцией в стандартную оснастку. Для CH Leading это стало отдельным направлением доработки ПО — пришлось реализовывать алгоритмы сопряжения поверхностей с погрешностью менее 0,1 мм.

Перспективы вижу в двух направлениях: уменьшение времени послепечатной обработки (сейчас на прокалку и очистку уходит до 8 часов) и создание мобильных комплексов для удалённых производств. Последний пилотный проект для нефтяников в Сибири показал — возможность печати форм на месте ремонта оборудования сокращает простои в 3 раза.

Заключительные заметки

До сих пор считаю, что главное в нашей работе — не гнаться за скоростью печати, а обеспечивать стабильность параметров. Три отказавшие формы из сотни сведут на нет всю экономию. Поэтому в CH Leading внедрили протоколы проверки каждой партии песка — возможно, избыточно, но зато за 2 года не было ни одного случая брака по вине материалов.

Сейчас смотрю на развитие технологии 3D-печати для металлического литья как на постепенную эволюцию, а не революцию. Основные прорывы будут в области комбинированных материалов и цифровых двойников процессов литья — над этим и работаем совместно с технологическими партнёрами.

Коллеги из других компаний иногда спрашивают, стоит ли вкладываться в это направление. Мой ответ: если у вас есть чёткое понимание, какие именно детали вы будете лить — да. Если нет — лучше начать с субподряда специализированным центрам, включая нашу площадку в Гуандуне. Как показывает практика, после 3-5 успешных проектов клиенты сами приходят к решению о покупке оборудования.