Совершенствование процесса литья в керамические формы за счет применения аддитивных технологий при изготовлении модельных комплектов

Выполнено исследование свободной линейной усадки образцов из филаментов марок PLA, HIPS и ABS, используемых для 3D-печати по FDM-технологии, в диапазонах рабочих температур экструзии (Δt). Установлено, что при Δt = 200÷220 °С филамент марки PLA характеризуется значениями усадки в интервале 0,2–0,6 %. Филаменты HIPS (Δt = 220÷240 °С) и ABS (Δt = 240÷270 °С) имеют усадку 0,3–0,8 %. Значения линейных усадок необходимо учитывать при проектировании математических моделей будущего литого изделия. Изучено влияние плотности печати (d_р – степени заполнения внутренней структуры) на величину зольного остатка А при выжигании образцов, полученных из исследованных филаментов. Показано, что с повышением d_р (5–15–30 %) возрастает значение А. Минимальные значения А (0,19–0,48 %) имеет филамент марки PLA. Сделан вывод о том, что для 3D-печати моделей отливок по FDM-технологии для литья в огнеупорные керамические формы (ОКФ) по совокупности показателей свободной линейной усадки и зольного остатка наиболее технологичен филамент марки PLA. Средствами 3D-печати были изготовлены модельные блоки из филамента марки PLA по FDM-технологии для получения отливок типа «Патрубок» литьем в ОКФ. По модельным блокам были сформированы ОКФ. В процессе выжигания модельных блоков из ОКФ установлено, что при линейном нагреве происходит растрескивание части ОКФ. Это обусловлено избыточным давлением расширяющегося филамента в процессе нагрева до температуры его размягчения, а также давлением газа, образующегося при последующем выжигании филамента. С увеличением скорости нагрева доля треснувших ОКФ возрастала. С целью предотвращения растрескивания разработан ступенчатый режим нагрева ОКФ, совмещенный с их прокалкой. При удалении модельных блоков по ступенчатому режиму растрескивания ОКФ не происходило. Из бронзы марки БрА9ЖЗЛ были получены опытные отливки типа «Патрубок». Качество отливок соответствовало требованиям конструкторской документации.

1. Kumar Nayak R., Venugopal S. Prediction of shrinkage allowance for tool design of aluminium alloy (A356) investment casting. Mater. Today: Proc. 2018. Vol. 5. No. 11. P. 24997—25005.

2. Sabau A.S., Viswanathan S. Material properties for predicting wax pattern dimensions in investment casting. Mater. Sci. Eng. A. 2003. Vol. 362. No. 1-2. P. 125—134.

3. Ефимов В.А. Специальные способы литья: Справочник. М.: Машиностроение, 1991 .

4. Иванов В.Н. Литье по выплавляемым моделям: 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1984.

5. Репях С.И. Требования к модельным составам отливок ответственного назначения. Металлы и литье Украины. 2010. No. 11. С. 10—16.

6. Altaf K., Rani A.M.A., Woldemichael D.E., Lemma T.A., Zhi C. Application of additive manufacturing/3D printing technologies and investment casting for rototype development of polycrystalline diamond compact (PDC) drill bit body. ARPN J. Eng. Appl. Sci. 2016. Vol. 11. No. 10. P. 6514—6518.

7. Vidyarthee G., Gupta N. New development in investment casting process: A review. Int. J. Sci. Eng. Res. 2017. Vol. 8. Iss. 12. P. 529—540.

8. Bourell D.L., Beaman J.J., Wohlers T., Frazier W., Kuhn H., Seifi M. History of additive manufacturing. In: Additive Manufacturing Processes. ASM International, 2020. Vol. 24. P. 1—8.

9. Hopkinson N., Hague R.J.M., Dickens P.M. Rapid manufacturing an industrial revolution for the digital age. N.Y.: J. Wiley & Sons, Ltd. 2006.

10. Attaran М. The rise of 3-D printing: The advantages of additive manufacturing over traditional manufacturing. Business Horizons. 2017. Vol. 60. Iss. 5. P. 677—688.

11. Ngo T.D., Kashani A., Imbalzano G., Nguyen K.T.Q., Hui D. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Compos. B: Eng. 2018. Vol. 143. No. 15. P. 172—196.

12. Choudhari C.M., Patil V.D. Product development and its comparative analysis by SLA, SLS and FDM rapid prototyping processes. In: IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. Vol. 149. Art. 012009 (IConAMMA-2016, Bangalore, India, 14—16 July 2016).

13. Kruth Jean-Pierre, Wang X., Laoui Tahar, Froyen L. Lasers and materials in selective laser sintering. Int. Product Proc. Develop. 2002. No. 1. P. 175—198.

14. Hyub Lee, Chin Huat Joel Lim, Mun Ji Low, Young-Jin Kim. Lasers in additive manufacturing: A review. Int. J. Precis. Eng. Manuf.-Green Tech. 2017. No. 4. P. 307—322.

15. Guo N., Leu Ming C. Additive manufacturing: technology, applications and research needs. Front. Mech. Eng. 2013. No. 3. P. 215—243.

16. Dudek P. FDM 3D printing technology in manufacturing composite elements. Arch. Metall. Mater. 2013. Vol. 58. Iss. 4. P. 1415—1418.

17. Cheah C.M., Chua C.K., Lee C.W., Feng C., Totong K. Rapid prototyping and tooling techniques: A review of applications for rapid investment casting. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2005. Vol. 25. No. 3—4. P. 308—320.

18. Bikas H., Stavropoulos P., Chryssolouris G. Additive manufacturing methods and modeling approaches: A critical review. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016. Vol. 83. P. 389— 405.

19. Khurram Altaf, Ahmad Majdi Abdul Rani, Dereje E. Woldemichael, Tamiru A. Lemmal, Chou Zhi Jian, Muhd Helmie Fiqri. Application of additive manufacturing/3D printing technologies and investment casting for prototype development of polycrystalline diamond compact (PDC) drill bit body. ARPN J. Eng. Appl. Sci. 2016. Vol. 11. No. 10. P. 6514—6518.

20. Bricín D., Votava F., Kubátová D., Kříž A. Influence of the quality of models made by additive technologies on the quality of castings cast by investment casting. In: Intelligent manufacturing & automation: Proc. 31st Intern. DAAAM Virtual Symp. (Vienna, Austria, 21— 24 Oct. 2020). Vienna: DAAAM International, 2020. Art. 0467.

21. Han D.P., Gu X., Pan B.T., Feng W.G., Wang M.H. Rapid casting of casing based on rapid prototyping technology. Foundry. 2013. No. 62. P. 658—660, 665.

22. Pattnaik S., Kumar Jha P., Karunakar D.B. A review of rapid prototyping integrated investment casting processes. Proc. Inst. Mech. Eng. Pt. L: J. Mater. Design Appl. 2013. Vol. 228. No. 4. P. 249—277.