Особенности изготовления отливок из алюминиевых сплавов по выжигаемым аддитивным FDM-моделям

Приведены результаты исследований, направленные на совершенствование литейной технологии получения опытно-экспериментальных отливок из алюминиевых сплавов методом литья по выжигаемым моделям, изготовленным с применением 3D-печати. Для создания выжигаемых моделей использовали метод осаждения расплавленной нити (FDM – fused deposition modeling), а в качестве материала моделей был выбран биоразлагаемый материал – полилактид (PLA – polylactide). Установлено, что для уменьшения  шероховатости  выжигаемой  PLA-модели  необходимо  проводить  химическую  постобработку ее поверхности дихлорметаном. В результате окунания модели в растворитель на 10 с она приобретает гладкую и глянцевую поверхность. Испытания механической прочности PLA-пластин на трехточечный статический изгиб показали, что данный показатель составляет в среднем ~ 45,1 МПа. Термомеханический анализ полилактида выявил, что в процессе нагрева керамической оболочки выше 150 °С полилактидная модель начинает интенсивно расширяться, оказывая существенное давление на керамическую оболочку. Для уменьшения напряжений в процессе удаления полилактидной модели из керамической формы необходимо максимально увеличить время нагрева в интервале температур 150–300 °С, а также целесообразно использовать пустотелые выжигаемые модели отливки со степенью заполнения ячеистой структуры не более 30 %. При этом напряжения в оболочке не будут превышать ее прочность. С помощью термогравиметрического анализа выявлены характерные температурные характеристики термодеструкции PLA-пластика. Установлено, что материал из полилактида полностью  выгорает  при нагреве до температуры 500 °С, не оставляя после себя остатков золы. Анализ результатов позволил определить технологические режимы выжигания полилактидных моделей из керамических форм. На принтере Picaso 3D Designer (Россия) были напечатаны PLA-модели, которые  использовали  для  получения  опытно-экспериментальных  отливок  из  алюминиевых  сплавов.  Выявлено, что шероховатость поверхности (Ra)  отливки,  полученной  по  выжигаемой  модели,  обработанной  дихлорметаном,  уменьшается на 81,75 % – с 13,7 до 2,5 мкм.

1. Rosochowski A., Matuszak A. Rapid tooling: The state of the art. Journal of Materials Processing Technology. 2000;106(1-3):191—198. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(00)00613-0

2. Harun W. S. W., Safian S., Idris M. H. Evaluation of ABS patterns produced from FDM for investment casting process. WIT Transactions on Engineering Sciences. 2009;64(3):319—328. https://doi.org/10.2495/MC090301

3. Bassoli E., Gatto A., Iuliano L., Violante M. 3D Printing technique applied to rapid casting. Rapid Prototyping Journal. 2007;13(3):148—155. https://doi.org/10.1108/13552540710750898

4. Choe C.M., Yang W.C., Kim U.H., Ri B.G., Om M.S. Manufacture of centrifugal compressor impeller using FDM and investment casting. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022;118:173—181. https://doi.org/10.1007/s00170-021-07894-7

5. Gao M., Li L., Wang Q., Ma Z., Li X., Liu Z. Integration of additive manufacturing in casting: Advances, challenges, and prospects. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. 2022;9:305—322. https://doi.org/10.1007/s40684-021-00323-w

6. Kumar P., Ahuja I.P.S., Singh R. Application of fusion deposition modelling for rapid investment casting. A review. International Journal of Materials Engineering Innovation. 2012;3(3—4):204—227. https://doi.org/10.1504/IJMATEI.2012.049254

7. Kumar P., Singh R., Ahuja I.P.S. Investigations for mechanical properties of hybrid investment casting: A case study. Materials Science Forum. 2015;808:89—95. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.808.89

8. Kumar P, Singh R, Ahuja I.P.S. A framework for developing a hybrid investment casting process. Asian Review of Mechanical Engineering. 2013;2(2):49—55. https://doi.org/10.51983/arme-2013.2.2.2346

9. Badanova N., Perveen A., Talamona D. Concise review on pattern making process in rapid investment casting: Technology, materials & numerical modelling aspect. Advances in Materials and Processing Technologies. 2022;8:966— 978. https://doi.org/10.1080/2374068X.2021.1959113

10. Vyavahare S., Teraiya S., Panghal D., Kumar S. Fused deposition modelling: a review. Rapid Prototyping Journal. 2020; 26(1):176—201. https://doi.org/10.1108/RPJ-04-2019-0106

11. Bakar N.S.A., Alkahari M.R., Boejang H. Analysis on fused deposition modelling performance. Journal of Zhejiang University: Science A. 2010;11(12):972—977. https://doi.org/10.1631/jzus.A1001365

12. Raney K., Lani E., Kalla D.K. Experimental characterization of the tensile strength of ABS parts manufactured by fused deposition modeling process. Materials Today: Proceedings. 2017;4:7956—7961. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.07.132

13. Milde J., Hrušecký R., Zaujec R., Morovic L., Görög A. Research of ABS and PLA materials in the process of fused deposition modeling method. In: 28th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation. Vienna, Austria, 2017. Vol. 28. P. 812—820. https://doi.org/10.2507/28th.daaam.proceedings.114

14. Hanon M.M., Marczis R., Zsidai L. Influence of the 3D printing process settings on tensile strength of PLA and HT-PLA. Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. 2020; 65(1): 38—46. https://doi.org/10.3311/PPme.13683

15. Knoop F., Schoeppner V. Mechanical and thermal properties of FDM parts manufactured with Polyamide 12. In: 26th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium. University of Texas at Austin, 2015. P. 935—948.

16. Szykiedans K., Credo W., Osiński D. Selected mechanical properties of PETG 3-D prints. Procedia Engineering. 2017;177:455—461. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.245

17. Xiaoyong S., Liangcheng C., Honglin M., Peng G., Zhanwei B., Cheng L. Experimental analysis of high temperature PEEK materials on 3D printing test. In: 9th International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation (ICMTMA) (14—15 Jan. 2017). Changsha, China, 2017. P. 13—16. https://doi.org/10.1109/ICMTMA.2017.0012

18. Domingo-Espin M., Puigoriol-Forcada J.M., GarciaGranada A.A., Llumà J., Borros S., Reyes G. Mechanical property characterization and simulation of fused deposition modeling polycarbonate parts. Materials & Design. 2015;83:670—677. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.06.074

19. Nguyen T.T., Tran V.T., Pham T.H.N., Nguyen V.-T., Thanh N.C., Thi H.M.N., Duy N.V.A., Thanh D.N., Nguyen V.T.T. Influences of material selection, infill ratio, and layer height in the 3D printing cavity process on the surface roughness of printed patterns and casted products in investment casting. Micromachines. 2023;14:395. https://doi.org/10.3390/mi14020395

20. Gallien F., Gass V., Mortensen A. Investment casting of periodic aluminum cellular structures using slurry-cast table salt moulds. Materials & Design. 2022;215:110488. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110488

21. Ukey K., Hiremath S., Majumder H. Investigation of investment casting pattern using fused deposition modeling. Engineering Science & Technology. 2021;2:201—207. https://doi.org/10.37256/est.222021904

22. Никитин К.В., Тукабайов Б.Н., Дьячков В.Н., Никитин В.И., Деев В.Б., Баринов А.Ю. Совершенствование процесса литья в керамические формы за счет применения аддитивных технологий при изготовлении модельных комплектов. Известия вузов. Цветная металлургия. 2021;27(5):58—66. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-5-58-66

23. Alsoufi M.S., Abdulrhman E.E. How surface roughness performance of printed parts manufactured by desktop FDM 3D printer with PLA+ Is influenced by measuring direction. American Journal of Mechanical Engineering. 2017;5(5):211—23. https://doi.org/10.12691/ajme-5-5-4

24. Caputo M., Rashwan O., Waryoba D., McDade K. Surface texture and thermo-mechanical properties of material extruded and ironed polylactic acid. Additive Manufacturing. 2022;59:103084. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103084

25. Kumar P., Ahuja I.S., Singh, R. Effect of process parameters on surface roughness of hybrid investment casting. Progress in Additive Manufacturing. 2016;1:45—53. https://doi.org/10.1007/s40964-016-0004-9

26. Taşcıoğlu E., Kıtay Ö., Keskin A.Ö., Kaynak Y. Effect of printing parameters and post-process on surface roughness and dimensional deviation of PLA parts fabricated by extrusion-based 3D printing. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2022;44(139). https://doi.org/10.1007/s40430-022-03429-7

27. Garg P.K., Singh R., Ahuja I., Multi-objective optimization of dimensional accuracy, surface roughness and hardness of hybrid investment cast components. Rapid Prototyping Journal. 2017;23(5):845—857. https://doi.org/10.1108/RPJ-10-2015-0149

28. Panda S.S., Chabra R., Kapil S., Patel V. Chemical vapour treatment for enhancing the surface finish of PLA object produced by fused deposition method using the Taguchi optimization method. SN Applied Sciences. 2020; 2(916):1—13. https://doi.org/10.1007/s42452-020-2740-1

29. Tiwary V.K., Arunkumar P., Deshpande A.S., Rangaswamy N. Surface enhancement of FDM patterns to be used in rapid investment casting for making medical implants. Rapid Prototyping Journal. 2019;25(5):904—914. https://doi.org/10.1108/RPJ-07-2018-0176

30. Hashmi A.W., Mali H.S., Meena A. A comprehensive review on surface quality improvement methods for additively manufactured parts. Rapid Prototyping Journal. 2022;29(3):504—557. https://doi.org/10.1108/RPJ-06-2021-0133

31. Jin Y., Wan Y., Liu Z. Surface polish of PLA parts in FDM using dichloromethane vapour. In: The 3rd International Conference on Mechatronics and Mechanical Engineering (ICMME 2016) (MATEC Web of Conferences). 2016. Vol. 95. Р. 05001. https://doi.org/10.1051/matecconf/20179505001