Odlewnictwo precyzyjne – modelowanie RP

Odlewnictwo precyzyjne – modelowanie RP

W przedstawionym artykule pragniemy zobrazować sposoby na wykorzystanie technik Rapid Prototyping w odlewnictwie precyzyjnym. Zaprezentowane treści pochodzą z jednej z naszych prac z 2013 roku.

Techniki RP

Technologia Rapid Prototyping wykorzystuje metody przyrostowe, pozwalające na uzyskanie gotowych modeli w krótkim okresie czasu. Umożliwiają one uzyskanie bardzo skomplikowanych prototypów wyrobów, a jednocześnie nie są ograniczone kształtem, czy możliwościami narzędzi. Można w ten sposób wytworzyć niespotykane dotąd rzeczy, które ograniczone są jedynie kreatywnością i wyobraźnią projektantów oraz ich umiejętnościami tworzenia projektów CAD, a także przestrzenią roboczą maszyny, która w niektórych technikach osiąga nawet 8 m3. Techniki, które zostały wykorzystane w pracy to:
− FDM (Fused Deposition Modeling)
− SLS (Selective Laser Sintering)
− spajanie proszku gipsowego przy pomocy lepiszcza

FDM

Technologia FDM została opracowana w 1980 roku. Do budowy modeli wykorzystuje stopione w dyszy tworzywo sztuczne. Jest on nakładany warstwa po warstwie w postaci włókien, za których pomocą tworzy się przekrój części, oraz wybraną w programie siatkę wewnętrzną. Metoda ta może osiągać dokładność dochodzącą do ±0,1 mm. Niestety przez charakter procesu, w gotowym produkcie widoczne są linie nakładania nici. Powoduje to powstanie specyficznej chropowatości, bardziej wyraźnych na powierzchniach bocznych, równoległych do płaszczyzny nakładania warstwy. Dodatkowo w miejscach, w których potrzebne było podparcie występują zagłębienia. Przedmioty uzyskane za sprawą metody FDM można użyć jako produkty końcowej użyteczności, ponieważ mają bardzo dobrą wytrzymałość. Sytuacja taka występuje na przykład w przypadku produkcji czołgów M1.

SLS

Metoda SLS została opracowana w 1989 roku przez dr Carla Deckarda. Do wykonania modeli wykorzystuje się laser o dużej mocy, który nadtapia drobne cząstki materiału. Następnie po wykonaniu warstwy, podnośnik opuszcza kadź i wypełnia kolejną warstwą proszku. Przedmiot tworzony jest punkt po punkcie, na kolejnych warstwach modelu. Dzięki temu, że przedmioty są cały czas otoczone materiałem w kadzi, pochylone płaszczyzny nie potrzebują podpory. W ten sposób można połączyć nie tylko tworzywa sztuczne, ale także metale i ich stopy, ceramikę, szkło, czy też proszek tytanu. Modele charakteryzują się dobrą trwałością i wysoką rozdzielczością wykonania.

3DP (Three Dimensional Printing), Z-Corp

Jest to metoda wykorzystująca proszek (najczęściej gipsowy) oraz lepiszcze (na ogół woda). Cechami charakterystycznymi są zadowalająca dokładność modeli, bardzo niska cena wytwarzania oraz najkrótszy czas oczekiwania na gotową część. Powierzchnia modeli jest chropowata. Niestety kosztem jest dość niska dokładność wymiarowa. W tej metodzie zdarzają się też losowe błędy kształtów które są widoczne gołym okiem.

Proces wykonania odlewów wymagał wykonania szeregu czynności, na które składały się:
• wykonanie modeli graficznych w oprogramowaniu CAD
• zapisanie w pliku który będzie obsługiwany przez oprogramowanie do druku (najczęściej STL)
• zbudowanie modelu za pomocą metod RP (SLS, FDM, 3DP)
• odwzorowanie modelu za pomocą gumowych lub silikonowych form
• wtrysk wosku do form
• połączenie modeli woskowych z kanałami woskowymi
• wykonanie formy ceramicznej lub woskowej
• wytopienie wosku oraz wypalenie formy
• zalanie metalem

Odwzorowanie modelu

Aby skopiować kształt modelu należy zrobić formę negatywową, z której będzie można łatwo wyciągnąć modele woskowe. Do tego etapu najczęściej stosuje się gumy lub silikony. W pierwszym przypadku przedmiot wkłada się wraz z otaczającą go gumą do specjalnego uchwytu, który następnie umieszcza się na prasie. Jest ona podgrzewana do odpowiedniej temperatury. Wtedy to zachodzi proces wulkanizacji. Po odpowiednim czasie guma jest gotowa. Stosując silikon, jako pojemnik można użyć dowolną rzecz, od plastikowego kubka, po wiaderko. Silikon miesza się wówczas z katalizatorem, a następnie wlewa się go do naczynia, w którym zamocowany jest model z kanałem wtryskowym. Później odstawia się na 24 godziny, aby materiał sieciował, czyli utwardził się przez utworzenie wiązań sieci trójwymiarowej pomiędzy sąsiadującymi ze sobą polimerami. Otrzymane w ten sposób formy należy przeciąć. Przy tej operacji należy zachować szczególną ostrożność. Zabieg ten wykonywać powinna osoba doświadczona. Odpowiednie przecięcie formy umożliwi otrzymanie wtrysków wosku o bardzo dobrej jakości.

Wykonanie modelu woskowego

Po wyciągnięciu z przeciętych form modeli wzorcowych, połówki należy złączyć ze sobą tak, aby nie występowało przesunięcie. Dlatego podczas przecinania form należy pamiętać o ząbkach zachodzących na siebie. Całość należy dobrze owinąć folią. Do tak przygotowanej struktury można wtrysnąć wosk. Następnie należy odczekać, aż dobrze zastygnie i wyciągnąć. Przy większych modelach może to trwać nawet ponad 10 minut.

Uzyskane w taki sposób woski należy odpowiednio połączyć w zespoły modelowe (tzw. drzewka), razem z kanałami rozprowadzającymi, a także wlewem głównym.

Wykonanie formy

Z uzyskanych we wcześniejszym etapie elementów należy zrobić formy. Do badań użyto form gipsowych, aby ułatwić proces produkcji. Zespoły modelowe umieszcza się w tulejach, które stawia się w mieszalniku próżniowym. Następnie gips rozrabia się i zalewa w próżni. Po zastygnięciu, formy wstawia się do autoklawu w którym wytapia się wosk. Kolejnym etapem jest wypalenie formy w 12-to godzinnym cyklu cieplnym. Po zakończeniu, od razu następuje zalanie.

Odlewanie

Zanim forma się wypali, należy przygotować stop metalu do zalania. Do wykonania artystycznych odlewów szachów wykorzystano brąz. Roztopienie metalu i koniec cyklu wypalania formy należy zgrać tak, aby forma nie ostygła, i nie uległa zniszczeniu.

Po zalaniu, aby wyjąć odlew z formy należy ją zanurzyć w misie wody. Gips tworzący formę rozpływa się pozostawiając gotowy wyrób.