Аддитивная песочница на производстве
Формы для отлива металла из песка можно сделать даже в домашних условиях. Достаточно насыпать песок в ёмкость, положить в него изделие нужной формы, вынуть и вуаля: полость готова, можно заливать металл. Однако в промышленных масштабах технология создания форм давно шагнула на новый этап развития. Чем 3D-печать песчаных форм лучше традиционных способов изготовления?
О литье в песок
Лить металл в песок люди начали несколько столетий назад. Более того, это первый из существующих способов создания форм, который освоило человечество. Изделия, полученные по этой технологии, не отличались точностью, и потому песчаные формы использовали в основном для отливок крупных деталей. Ведь им микронная точность не нужна, и отливать их другим способом — дорогостоящая процедура.
Технология донельзя проста, кроме того если изделие планируется более сложное, например со сквозными отверстиями, то в полость помещают специальные вставки необходимой геометрии.
Несмотря на то, что высокие технологии уже стали во главе угла промышленности, создание песчаных форм описанным выше способом по-прежнему актуально как в серийном производстве, так и в штучном.
Традиционная технология имеет множество недостатков. По словам экспертов, помимо низкой точности, в сплав металла могут попасть частицы песка. Кроме того, в процессе литья происходит газообразование, которое может повлечь за собой появление воздушных пустот в готовом изделии.
Есть и ещё одна проблема в традиционном отливе песчаных форм — отсутствие модели, прототипа изделия, которое сформирует геометрическую полость. Часто предприятия в этой ситуации обращаются к созданию формы помощью брусков дерева. Процесс тоже кажется несложным: из бруска вырезают модель, её трамбуют песком, после этого извлекают, и форма готова к отливке.
Однако и тут есть свои недостатки. Ведущий специалист по аддитивному направлению ООО «Топ 3Д Групп» Сулейман Бекмурзаев уверяет, что зачастую на изготовление одной такой формы уходит от недели до месяца. Более того, в некоторых случаях стоимость формы может достигать 1 млн рублей. А представьте, если нужно отлить много изделий, да ещё и разной геометрии.
Чтобы в будущем избежать технических недочётов и дополнительных финансовых трат, технологические умы модернизировали процесс создания песчаных форм и разработали технологию 3D-печати — Binder Jetting (BJ).
Печать
Аддитивные технологии уже не назовёшь новинкой в промышленности и других сферах. Печать деталей из пластика прижилась в производстве, на 3D-принтерах печатают протезы, а машиностроительные заводы изготавливают так даже металлические детали. Специально для тех сложных случаев, когда сразу создать изделие не получится и без отливки никак, создана технология BJ.
Как это работает? Продакт-менеджер ООО «Топ 3Д Групп» Виктор Наумов считает, что печать по технологии BJ, как и печать по технологии CJP (гипсовая печать), очень схожи с печатью струйных офисных принтеров за исключением того, что в 3D-печати финальный объект объёмный. А, по словам CEO компании AtreIdea OÜ Сергея Белова (ИП Белов С. Г.), устройство 3D-принтера для печати форм с помощью песка напоминает сварочный аппарат с большими размерами рабочей камеры, заполненной слоем песка, который после каждой печати укладывается вручную или автоматически.
В верхней части камеры находится печатающая головка, которая перемещается в трёхмерном пространстве и наносит на слой песка связующее вещество. Вещество затвердевает и фиксирует песок в конкретном месте. После этого рабочая камера опускается на один слой, и процесс повторяется для следующего слоя песка. И так пока не будет создана требуемая форма.
Оператору при этом нужно лишь иметь электронный прототип детали. Печатающей машине достаточно информации о геометрии и размерах изделия. Таким образом, сокращается процесс создания формы и литья. Спикеры утверждают: с помощью технологии можно полностью нивелировать необходимость изготовления формы вручную: установку модели, засыпку песчаной смесью, утрамбовку, подбор стрежней для создания отверстий и прочее.
Г-н Бекмурзаев уверяет: ручной труд в этом случае минимален. Принтер печатает форму, её передают в литейных цех, заливают металлом, дальше форма разрушается, а готовое изделие остаётся. Весь процесс занимает один-два дня.
Что касается преимуществ, то спикеры в первую очередь выделяют большие возможности геометрии и минимальную толщину стенки изделия — от 2 мм.
Если сравнивать печать форм для литья из песка с формами из гипса или дерева, можно выявить гораздо больше плюсов:
- минимальные затраты на материал (для печати по этой технологии нужен только песок, который необходим для создания формы);
- возможность создания сложных форм;
- улучшенная производительность и эффективность, поскольку технология печати форм для литья из песка может быть полностью автоматизирована.
Спикеры уверяют: печать форм для литья из песка является более современным и эффективным методом изготовления форм по сравнению с традиционными методами изготовления форм из гипса, дерева или металла. Однако, несмотря на множество преимуществ, которые призваны облегчить и ускорить процесс литья на предприятии, не каждое производство принимает эту технологию. Г-н Белов выделил ряд причин.
Высокие затраты на оборудование и материалы. 3D-принтеры для печати форм с помощью песка обычно стоят дорого, а также требуют дополнительных затрат на материалы, включая песок и связующее вещество.
Ограничения по размеру и сложности форм. Некоторые предметы, такие как большие металлические конструкции, затруднительно напечатать на 3D-принтерах из-за ограничений по размеру и сложности формы.
Качество формы. В некоторых случаях традиционные методы изготовления форм могут обеспечивать более высокое качество формы, чем 3D-печать.
Необходимость специальной подготовки. 3D-принтеры для печати форм с помощью песка требуют специальной подготовки и обслуживания, включая настройку печатающей головки и работы с программным обеспечением.
Нужно определиться
Как определить, какой из множества видов песка подойдёт для печати форм в каждом отдельном случае? Отталкиваться стоит от того, какой металл впоследствии будут заливать в форму, какой он будет температуры и как долго ему придётся остывать.
Так, кварцевый песок является самым распространённым материалом для печати литейных форм.
Спикеры считают, что этот материал пользуется популярностью и даже считается наиболее подходящим за счёт ряда преимуществ. Так, он достаточно прочный, благодаря чему изделия могут быть гибкими. Модели, напечатанные кварцевым песком, могут достигать высоты до 2 метров.
Эффективности процессу печати добавляет то, что для связки слоёв в процессе используется фурановая смола. Этот связующий компонент позволяет применять форму сразу после изготовления без предварительного запекания.
Интересный опыт с кварцевым песком в 3D-печати провёл Маркус Кайзер. Он разработал принтер SolarSinter на солнечных батареях. Во время одного из экспериментов художник сосредоточил свет в линзе Френеля и направил его на песок. Тот со временем начал плавиться и попутно заряжать всю установку. Так технология печати песком смогла стать энергоэффективной.
Также для печати используют и другие разновидности песка: керамический, хромированный, циркониевый и оксид железа. Но в чём же разница?
Керамический песок состоит из синтетических веществ. Его характеризуют как материал с высокой огнеупорностью и минимальной пористостью. Его преимущество в том, что в качестве связки можно использовать любые компоненты. Формы из керамического песка спикеры рекомендуют использовать для литья стали и её сплавов.
Хромированный песок, вероятно, самый стабильный: в его основе лежат хром и оксиды железа. За счёт высокой теплопроводности и минимального теплового расширения форма долгое время остаётся стабильной. Применяют этот материл для отлива моделей из стали и чугуна.
Иногда кварцевый песок смешивают с циркониевым. Это делается в тех случаях, когда нужно оперативно увеличить производительность литья. Такой песок имеет плотность по Моосу 7,5 и высокий коэффициент теплового расширения. А для того чтобы избежать появления в форме пустот и неровностей, специалисты добавляют в смесь оксид железа.
Что касается текущих ограничений с поставками на рынке, то песка хватит на всех. Виктор Наумов утверждает, что расходный материал не зависит от экспорта. Поэтому потребители не рискуют: они всегда будет оснащены необходимыми материалами, ведь кварцевый песок и фурановую смолу производят и поставляют отечественные компании.
Кому это надо
Кто же готов заплатить за технологию? 3D-принтеры — техника недешёвая, и внедрение их на предприятие сопряжено с риском окупаемости. Однако на машиностроительных и литейных производствах вопрос о повышении эффективности работы не стоит. Г-н Наумов подчеркнул, что предприятиям, которые работают на потоке с заказами разной геометрии, аддитивные технологии позволяют быть гибкими, подстраиваться под заказчика и лавировать в потоке заказов совершенно разного рода.
Технология 3D-печати изделий песком по методу BJ нашла применение в различных отраслях промышленности, но наиболее часто её используют в металлообработке, авиа- и автомобилестроении. Как в металлообработке, так и в авиации, технология служит для создания сложных металлических деталей, которые трудно получить традиционными методами литья. Сергей Белов считает, что BJ может быть применена в любой отрасли, где требуется производство сложных металлических деталей, а время и затраты на производство играют важную роль.
Показательный пример того, как технология положительно влияет на работу предприятий, — опыт китайского завода Xinxin Nonferrous Metal Casting. По словам спикеров, это предприятие не боится новшеств и уже практически полностью заменило все ручные процессы аддитивными технологиями. Так, в 2021 завод внедрил в производство два 3D-принтера: AFS J1600 и J2100.
В результате время на изготовление форм и литьё изделий сократилось до 6 дней: на 85% меньше, чем раньше. Вместе с этим на 32% снизилась стоимость производства.
Рыночные дела
Что касается производителей принтеров, то среди них есть не только зарубежные компании. Г-н Бекмурзаев говорит: несмотря на то, что китайские производители работают на российском рынке уже больше трёх лет, это не помешало отечественным компаниям стать популярными среди потребителей всего за один 2022 год. Спикер среди немногих выделил компанию «Роботех».
Организация производит 3D-принтеры с технологией BJ и при этом сама разрабатывает для машин программное обеспечение. Кроме того, 90% комплектующих, из которых состоят принтеры, изготавливают в России.
По мнению г-на Бекмурзаева, в силу стремления страны к импортозамещению у российских разработчиков есть все шансы стать лидерами внутреннего рынка.
Будущее технологии
Аддитивным технологиям печати прочат светлое будущее, однако на рынке немало методов-конкурентов. Например, для производства форм для литья также используется лазерная и электронно-лучевая плавка, фторполимерные методы, фрезеровка и другие технологии. У каждой из них есть преимущества и недостатки. Популярность 3D-печати песком будет зависеть от требований потребителей к качеству, стоимости оборудования и материалов, а также затратам времени. Козырь в рукаве BJ — возможность производства крупных деталей, которые нельзя изготовить другими методами.
«Конкуренция на рынке будет продолжаться, появятся новые технологии. Однако преимущества BJ, такие как высокая точность и детализация, возможность создания сложных форм, экономия времени и материалов, позволят ей сохранять свою релевантность на рынке», — уверен г-н Белов.
Эксперт
Продакт-менеджер ООО «Топ 3Д Групп» Виктор Наумов
«Технология Binder Jetting довольно незамысловата и берёт своё начало в прошлом веке. Однако она уже стала очень популярной. Промышленные гиганты, авто- и авиаконцерны и другие предприятия используют эту технологию 24/7. В первую очередь это связано с финансовой составляющей, а также с оптимизацией времени. Один 3D-принтер подобной технологии может в несколько раз ускорить всю производственную цепочку. Также аддитивное оборудование исключает человеческий фактор при создании формы. Кроме того, все предприятия стремятся к «Индустрии 4.0», чтобы сократить издержки, уменьшить количество брака и полностью автоматизировать процесс. Технология Binder Jetting позволяет это сделать».
Текст: Анастасия Семёнова
