Плюсы и минусы аддитивных технологий в литейном производстве

3D-технологии, или аддитивные технологии, всё чаще встречаются в литейном производстве. С их помощью путём послойного наращивания материалов создают 3D объект. Даже само название – «аддитивность» с английского языка означает «прибавляемый».

Это понятие появилось в 1986 году, когда Чарльз Халл сконструировал первый в истории стереолитографический трёхмерный принтер.

Теперь с помощью подобных устройств создают формы, модели или даже непосредственно отливки.

Способы создания могут быть самыми разными и использоваться для разных целей.

Получение моделей для технологий классического литья (ПГС, ХТС, ЛВМ, ЛГМ):

- послойное осаждение расплавленной полимерной нити (FDM-технология) – самый распространённый способ получения объёмных объектов используется не только для промышленности, но и в лабораторных и даже домашних условиях.

- стереолитография – создание объекта из жидких фотополимерных смол, которые затвердевают под действием ультрафиолетового облучения

Получение форм для литья по технологии песчано-глинистых и холоднотвердеющих форм:

- спекание одноцветных (SSL) или цветных гипсовых порошков (CJP), когда порошок или мелкозернистый песок послойно склеивается связующим материалом.

Получение отливок по размерной и геометрической точности и качеству поверхности не уступающих отливкам, изготовляемым по технологиям ЛГМ и ЛВМ:

- технологии, основанные на лазерном плавлении металлов – селективном (SLM) или прямом (DMLM)

- технологии, основанные на лазерном спекании металлов – селективном (SLS) или прямом (DMLS)

Разница в этих двух технологиях состоит в том, что во втором случае порошок только спекается, а не расплавляется до жидкого состояния. Поэтому технологией спекания можно получать объекты из материалов с разной температурой плавления и даже комбинировать пластик и металл.

Нас, как литейщиков, конечно, интересуют методы непосредственного получения отливок с применением 3D-технологии. Возможно, уже в скором времени эти технологии заменят наши классические литые детали. Ведь на западе уже многие заводы видят своё дальнейшее развитие в активном применении именно аддитивных технологий.

Например, один из крупных американских заводов в штате Мичиган в США, который специализируется на выпуске отливок по выплавляемым моделям из магниевых сплавов, уже 10 лет назад начали делать 3D-модели на основе акрилового пластика, а сейчас активно пробуют технологию DMLS – прямого лазерного спекания материалов.

Этот метод разработала немецкая компания. Компьютерная модель детали состоит из слоёв такой толщины, которую может воспроизвести 3D-принтер в один проход. Нагрев осуществляется оптоволоконными лазерами. Порошок поступает в камеру, разглаживается валиками согласно нужной форме, излишки его удаляются и порошок спекается с предыдущим слоем.

Главное преимущество технологии DMLS в очень высокой точности получаемых деталей. Разрешение печати до 20 мкм, в то время как, например, при 3D-печати разрешение достигает только 100 мкм.

Почему же тогда эта новая технология не так быстро завоёвывает рынок? Почему бы не отказаться от классических способов получения отливок по выжигаемым и выплавляемым моделям? Почему бы вообще не заменить точное литьё методом прямого лазерного спекания?

В каких областях литейных технологии 3D-методы можно использовать уже сейчас, а где придётся подождать?

Мы сравнили технологии непосредственного получения деталей прямым лазерным спеканием и технологию ЛВМ с моделями, полученными методом 3D-печати. Рассмотрим возможности, преимущества, недостатки этих способов.

Получение моделей

При 3D-печати геометрия модели не имеет значения. Послойное наращивание формы позволяет получать самые сложные модели при толщине стенки всего 0,5 мм.

Это может быть как крупногабаритное, так и мелкое литьё – от нескольких граммов до 15 кг.

Единственная проблема, которая может возникнуть при работе с моделями сложной конфигурации – это обеспечение их полного покрытия керамической суспензией, чтобы выжечь их и сформировать оболочку для заливки расплава.

Использование материалов для деталей

Литьём по выплавляемым моделям можно получать отливки практически из любого металла и сплава – включая алюминиевые, магниевые, кобальтовые, медные и никелевые сплавы, цинк и различные стали.

Аддитивные же технологии, в частности DMLS, очень ограничены в выборе обрабатываемых металлов. В настоящее время с их помощью можно получать объекты в основном только из алюминиевых и стальных сплавов. Говорить о получение деталей с помощью 3D-печати, например, из такого реакционно-активного материала как магний, сейчас вообще не представляется возможным. При этом магний — это более легкий материал, который активно применяется в авиационной и космической промышленности и спрос на него не падает.

Производительность процессов

Скорость получения готовой детали – это, конечно, самое большое преимущество 3D-технологии. Потому что, например, способом DMLS мы получаем уже конечный продукт. Однако и он нуждается в дополнительной обработке для подготовки детали к использованию. Один из таких методов -- горячее изостатическое прессование.

При этом если использовать 3D-печать моделей из пластика, а затем делать отливки по выплавляемым моделям, весь технологический процесс от чертежа детали до её натурального воплощения займёт не более 3-х суток.

Затраты

Для получения детали весом около 1 кг по технологии DMLS требуется около 100 кг порошка. Стоимость его в 10 раз выше, чем стоимость обыкновенного расплава алюминия. И хотя для лазерного спекания берётся только необходимый минимум материала, детали, полученные классическими способами литья, всегда получаются дешевле.

Сертификация

В аэрокосмической промышленности многие десятки лет используют детали, полученные по технологии выплавляемых моделей. В последние годы применяют и детали, полученные по 3D-технологиям. Однако они должны пройти длительные и дорогостоящие процессы сертификации, прежде чем их можно будет использовать в реальных условиях. Поэтому преимущества классического литья в этом смысле значительно возрастают.

Какое будущее ждёт 3D-технологии в литейном производстве?

Таким образом, преимущества 3D-печати моделей в сочетании с литьем по выплавляемым моделям очевидны. Особенно это актуально для аэрокосмической отрасли, где на первом плане стоит надёжность конструкции и часто используются отливки из магниевых сплавов. А этим условиям удовлетворяют как раз отливки, полученные по технологии ЛГМ.

Но безусловно, развитие 3D-технологий нельзя сбрасывать со счетов. Ведь бывает необходимо получить «старые» детали, запчасти, на которые и чертежей-то найти невозможно. Тогда проще всего оцифровать деталь, используя современные технологии сканирования, а затем в зависимости от технологической целесообразности, отлить деталь напрямую, либо напечатать 3D-модель и получить отливку по выплавляемым моделям. Такую деталь можно и доработать с точки зрения функциональности или веса.

При кажущейся простоте 3D-методов непосредственного получения деталей на пути развития этих технологий ещё много трудностей. Часто заказчики, пытаясь самостоятельно напечатать деталь в металле, обнаруживают, что она не работает так, как положено, и отливку проще получить классическим способом.

Мы думаем, что 3D-печать отливок будет совершенствоваться и развиваться, но не сможет полностью заменить классические способы литья. Как и самих этих способов великое множество (ПГС, ХТС, ЛГМ, ЛВМ, V-процесс и т.д.), так и прямое лазерное спекание и плавление станут одной из распространённых технологий.

А пока из-за ограниченности в использовании материалов, стоимости и проблем с сертификацией, 3D-печать уступает в популярности, например, литью по выплавляемым моделям.

Если вы ещё не готовы попробовать DMLS- или DMLM-технологии на своём производстве, но вам нужно высокоточное литьё из чёрных или цветных сплавов, специалисты компании СЛТ готовы провести модернизацию или оснастить ваше производство с нуля и «под ключ».