3d-печать песчаных форм для металлического литья заводы

Если честно, до сих пор встречаю заблуждение, будто 3D-печать форм — это просто ?распечатать и залить?. На деле же технология струйного склеивания песчаных форм требует понимания десятков параметров: от гранулометрии песка до температурных полей в опоке. Помню, как на одном из заводов в Липецке мы трижды переделывали оснастку для отливки корпуса редуктора — все потому, что не учли усадку сплава Чугуна СЧ20.

Технологические нюансы, которые не пишут в брошюрах

Вот смотрите: при печати 3d-печать песчаных форм критичен не только размер частиц песка (у нас шли фракции 0,14-0,18 мм), но и влажность в цехе. Летом 2022 на производстве в Подольске из-за скачков влажности получили брак партии в 12 форм — связующее полимеризовалось неравномерно. Пришлось экранировать транспортёрную линию и ставить дополнительные осушители.

Кстати, о связующих. Многие до сих пор используют фурановые смолы, но мы в последние два года перешли на фенол-альдегидные системы — меньше газовыделение при заливке. Правда, пришлось перенастраивать температурные профили в печах постобработки, зато дефектов ?раковин? стало на 70% меньше.

Особенно сложно с тонкостенными отливками. Для алюминиевого коллектора двигателя (толщина стенки 3,2 мм) разрабатывали специальный алгоритм заполнения — чередовали зоны с плотностью 98% и 86%. Если делать полностью плотную форму, при заливке возникают микротрещины от перепада температур.

Оборудование: от лаборатории до конвейера

Наш опыт с машинами ExOne показал: промышленные принтеры должны работать в три смены, но никто не предупреждает о нюансах обслуживания. Например, дюзы печатающей головки требуют промывки через каждые 72 часа работы — иначе теряется точность контуров. В цехе под Казанью как-то пропустили техобслуживание, и получили смещение слоёв на 0,3 мм — вся партия брака.

Сейчас тестируем установки от CH Leading Additive Manufacturing — у них интересное решение по системе рециркуляции песка. В стандартных машинах до 40% материала уходит в отсев, а здесь смогли снизить до 18% за счёт многоступенчатой сепарации. Для завода с месячным расходом 200 тонн песка — существенная экономия.

Кстати, на https://www.3dchleading.ru есть кейс по литью турбинных лопаток — там как раз подробно разобраны их настройки для нержавеющей стали 20X13. Мы переняли некоторые параметры предварительного подогрева форм, теперь сами используем для ответственных отливок.

Экономика против качества

Всегда спор между технологами и экономистами: уменьшать толщину стенок формы или нет. Для чугунной арматуры мы пробовали снижать с 25 мм до 18 мм — экономия песка 22%, но при заливке появилась деформация опок. Вернулись к классике, но для алюминиевых отливок оставили тонкостенный вариант.

Ещё больная тема — скорость печати. На производствах часто гонятся за миллиметрами в секунду, но при превышении порога в 350 мм/с начинает ?плыть? геометрия углов. Особенно заметно на отливках с обратными уклонами — приходится ставить поддерживающие элементы, которые потом сложно удалять.

Помню, как на заводе в Екатеринбурге пытались печатать формы для стального зубила с рекордной скоростью — получили брак 43%. Разбирались две недели, оказалось — связующее не успевало проникать в межзерновое пространство.

Материаловедческие тонкости

С кварцевым песком работают все, но для нержавейки лучше показывает себя цирконовый — выше термостойкость. Правда, стоимость в 4 раза выше, поэтому идём на компромисс: контактные поверхности формы делаем из циркона, остальное — кварц. Так для отливки из стали 12X18H10T удалось снизить пригар на 90%.

Сейчас экспериментируем с добавками в песчаные смеси — микросферы алюмосиликата позволяют снизить теплопроводность формы. Это важно для медных сплавов, где нужно медленное охлаждение. Но пока стабильность результатов оставляет желать лучшего — видимо, влияет электростатика при приготовлении смеси.

Коллеги из CH Leading как-то делились опытом использования хромитового песка для марганцовистых сталей — меньше выгорает легирующих элементов. Мы пробовали повторить, но столкнулись с проблемой спекания при температурах выше 1560°C. Возможно, нужно корректировать состав связующего.

Практические кейсы и неудачи

Самый показательный пример — отливка корпуса гидрораспределителя для комбайна. Классическая оснастка требовала 12 составных элементов, а на 3d-печать песчаных форм ушло 3 дня вместо 3 недель. Но не учли литейные уклоны — пришлось дорабатывать вручную. Теперь всегда закладываем в модель дополнительные 0,8-1,2°.

А вот с лопастями насоса для химической промышленности вышла осечка — форма выдержала 5 заливок вместо расчётных 15. Оказалось, проблема в агрессивной среде расплава на основе меди и никеля. Перешли на специальные покрытия для форм, но себестоимость выросла на 25%.

Сейчас вместе с инженерами CH Leading Additive Manufacturing (Guangdong) Co., Ltd. отрабатываем технологию гибридных форм — ответственные участки печатаем, простые элементы делаем по традиционной технологии. Для серийных отливок в 50-200 штук — оптимальный вариант по стоимости и сроком.

Перспективы и ограничения

Вижу потенциал в комбинации 3d-печать песчаных форм с традиционным литьём — например, печатать только литниковые системы сложной конфигурации. Это даёт контроль над гидродинамикой расплава без переделки всей оснастки. На пробной партии втулок из бронзы БрАЖ9-4 получили снижение брака по раковинам с 12% до 3%.

Но есть и объективные ограничения. Максимальный размер форм пока около 2х1,5х1 м — дальше возникают проблемы с прочностью при транспортировке. Да и точность ниже 0,5 мм на метр достижима только в лабораторных условиях.

Думаю, следующий прорыв будет связан с интеллектуальными системами контроля — когда датчики в самой форме отслеживают температурные поля в реальном времени. Наработки в этом направлении уже есть у той же CH Leading, судя по их последним разработкам в области цифрового интеллектуального оборудования.