3d-печать песчаных форм заводы

Когда слышишь про 3D-печать песчаных форм, многие сразу представляют лабораторные установки с горсткой образцов. А ведь уже лет пять как это полноценные заводские линии, где за сутки отливают десятки тонн отливок. Вот о чём редко пишут — как отлаживать подачу песка в конвейерной системе, чтобы не было заторов в углах. У нас на проекте в Липецке из-за этого простаивала линия три дня, пока не переделали выгрузные затворы.

Оборудование: между теорией и цехом

Станки для печати песчаных форм — это не просто принтеры увеличенного размера. Возьмём серию S-Max от ExOne: в паспорте сказано про точность ±0,2 мм, но на практике при печати форм для турбинных лопаток мы сталкивались с погрешностями до 0,5 мм в зонах резких перепадов толщины. Оказалось, дело в скорости прохода дозирующей головки — пришлось самостоятельно писать поправочные коэффициенты.

Система рекуперации песка — отдельная головная боль. На старте проекта в Казани мы наивно полагали, что можно использовать 95% материала повторно. Реальность показала 70-75% — мелкая фракция уходит в отсев, а при добавлении нового песка меняется плотность уплотнения. Пришлось разработать ступенчатую схему дозирования.

Интересный момент с 3d-печать песчаных форм — температурный режим сушки. Производители рекомендуют 60-80°C, но для сложных форм с тонкими стенками лучше идти по нарастающей: 40°C первый час, потом плавный подъем. Иначе появляются микротрещины, которые видны только после заливки металлом.

Материалы: не только кварцевый песок

Большинство начинает с классического кварцевого песка фракции 0,1-0,3 мм. Но для нержавеющих сталей мы перешли на циркониевый — да, дороже в 4 раза, но нет пригара и поверхность отливки получается чище. Правда, пришлось менять связующие — стандартные фурановые смолы не подошли.

Сейчас тестируем комбинированные составы: основа — кварцевый песок, а в контактный слой формы добавляем 15% хромитового. Это даёт интересный эффект — снижается вероятность прожига при заливке чугуна. Но пока не отработана равномерность распределения в печатающей головке.

Кстати, о хромитовом песке — его плотность выше, поэтому при печати сложных полостей возникает расслоение. Решили установкой дополнительных вибрационных пластин на дозаторе, но это увеличило энергопотребление линии на 8%. Приходится считать экономику каждого решения.

Проектирование: что не скажут в САПР

В теории всё просто: загрузил 3D-модель — получил форму. На практике же — литниковые системы требуют отдельного расчёта. Для алюминиевых сплавов мы используем симуляцию в Flow-3D, но даже после этого делаем 2-3 пробные отливки. Последний случай с крышкой редуктора — по модели всё идеально, а на деле возникли холодные спаи. Пришлось переделывать стояк.

Толщина стенки формы — отдельная тема. Для стальных отливок до 100 кг делаем 25-30 мм, но если есть выступающие элементы — увеличиваем до 40. Один раз недосмотрели — форма разошлась по разъёму при заливке, весь цех в песке. Хорошо, что операторы были в защитных костюмах.

Система выпора — казалось бы, элементарно. Но при печати сложных сердечников иногда невозможно вытряхнуть песок из узких каналов. Пришлось разработать специальные вибростенды с регулируемой амплитудой. Теперь это обязательный этап для любых форм с обратными углами.

Производственные нюансы: от чертежа до отливки

Скорость печати — не всегда приоритет. Для массовых деталей типа корпусов насосов да, выжимаем 400-500 литров в час. Но для ответственных турбинных лопаток снижаем до 150-200 литров — иначе точность геометрии падает. Кстати, именно для таких задач мы закупили японские дозирующие головки с индивидуальным контролем каждой соплы.

Контроль качества — отдельное подразделение. Раньше проверяли выборочно, пока не столкнулись с партией бракованных форм для арматуры. Теперь каждая форма проходит 3D-сканирование с сравнением с исходной моделью. Дорого? Да. Но дешевле, чем переплавлять бракованные отливки.

Вот интересный кейс от CH Leading Additive Manufacturing — они как раз специализируются на струйном склеивании. На их оборудовании мы отрабатывали печать керамических сердечников — получилось достичь точности ±0,15 мм при толщине стенки всего 1,2 мм. Правда, пришлось полностью пересмотреть систему подготовки песка — нужна была особая очистка от органических примесей.

Экономика и перспективы

Когда считаешь окупаемость, нельзя просто делить стоимость оборудования на цену отливок. Например, система аспирации для нашего цеха обошлась в 30% от стоимости основной линии. Плюс обучение операторов — минимум три месяца. Зато теперь можем печатать формы для чугунных батарей за 12 часов вместо трёх суток по традиционной технологии.

Сейчас присматриваемся к гибридным решениям — печать только рабочих поверхностей формы, а каркас делать традиционным способом. Это снижает расход дорогостоящего песка на 40%, но пока не отработана технология соединения частей. Возможно, следующий проект будем делать совместно с инженерами из CH Leading Additive Manufacturing — у них как раз есть разработки в области композитных подходов.

Кстати, о будущем — уже тестируем системы с двойной печатающей головкой: одна для основного объёма, вторая для специальных покрытий. Пока стабильность оставляет желать лучшего, но для мелких серий уже работает. Думаю, через год-два это станет стандартом для 3d-печать песчаных форм заводы.

Реальные ограничения и как их обходить

Габариты — наша текущая линия печатает формы до 2×1,5×1 м. Для 90% заказов хватает, но были проекты станин станков — пришлось делить на блоки и собирать на месте. Стыковка — отдельная проблема, разработали специальный клеевой состав на основе эпоксидных смол с кварцевым наполнителем.

Влажность песка — критичный параметр. Допустимый диапазон 0,8-1,2%, но летом при высокой влажности воздуха сложно выдержать. Установили дополнительные осушители в цехе — помогло, но энергозатраты выросли. Сейчас экспериментируем с системой подогрева подающего бункера.

Самое неочевидное — вибрации от работы соседнего оборудования. Наш цех стоит отдельно, но когда запускали ковшовый элеватор в смежном помещении, точность печати упала на 15%. Пришлось делать виброизолирующий фундамент — залили бетонную плиту толщиной 80 см с демпфирующими прокладками. Дорого, но необходимо.

Выводы и наблюдения

За шесть лет работы с технологией понял главное — не бывает универсальных решений. Каждый проект требует индивидуального подхода: от выбора песка до системы выпора. Иногда проще сделать форму традиционным способом, чем перенастраивать всю линию.

Сейчас активно развиваем направление ремонтопригодности форм — если появилась трещина, не всегда нужно перепечатывать полностью. Разработали методику локального восстановления с помощью мобильного принтера. Пока только для небольших дефектов, но уже экономим до 20% материала.

Если говорить о CH Leading — их подход к струйному склеиванию действительно отличается. Особенно в области керамических составов, где они добились точности, близкой к литью по выплавляемым моделям. Думаю, следующий виток развития — это комбинирование технологий в рамках одного производства.