СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ПЕСЧАНО-ПОЛИМЕРНЫМ ВЫЖИГАЕМЫМ МОДЕЛЯМ, ПОЛУЧЕННЫМ МЕТОДОМ 3D ПЕЧАТИ Российский патент 2024 года по МПК B22C9/04 B22C7/02 B33Y80/00 

Изобретение относится к литейному производству, к способам для изготовления литейных моделей и может быть использовано для изготовления керамических оболочковых форм по песчано-полимерным выжигаемым моделям при производстве ответственных отливок сложной конфигурации из черных и цветных сплавов.

Известный уровень техники содержит ряд способов изготовления оболочковых форм из песчано-полимерной смеси, а также выжигаемых моделей из полимеров для оболочковых форм, изготовленных методом трехмерной печати.

Поскольку заявляемое техническое решение включает изготовление песчано-полимерной модели трехмерной печатью, с последующим покрытием модельно-восковым составом, например, марки Р-3 ТУ 19.20.41-001-40554702-2018 или воском Ultracast® WAX-J 1210, то из известного уровня техники можно выделить Водно-коллоидное связующее для керамических суспензий (патент РФ №2793023, МПК В22С 1/16), содержащее кремнезоль, поливиниловый спирт, пеногаситель и неионогенное поверхностно-активное вещество из смеси первичных оксиэтилированных высших жирных спиртов фракций С14-С15. При помощи известного вещества получают керамические оболочковые формы, при этом технология создания литейной формы заключается в послойном наращивании керамического слоя на поверхности модели за счет периодического погружения ее в керамическую суспензию определенного состава, полученную при смешении оксидов и связующего. После получения керамической оболочки выполняется обжиг моделей при температуре не менее 720°С.

К недостаткам известного связующего, при его использовании, относятся:

- высокая вероятность поверхностных дефектов на внутренней поверхности оболочки;

- строгие требования к климатическим условиям в камере сушки; нанесение слоев с недостаточной сушкой предыдущих покрытий приведет к разрушению формы, причем при сушке последних слоев потребуется много времени: 4-12 часов;

- необходимость применения специальных концентратов водорастворимых полимеров для обеспечения приемлемой «сырой» прочности и полимеров, повышающих скорость сушки;

- не пригодно при работе с моделями из водорастворимых модельных масс (например, мочевинных).

Из уровня техники также известен Способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям (патент РФ №2532753 МПК В22С 9/04). Способ включает послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии с использованием кислородсодержащего вещества и борной кислоты, обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание.

Недостатками известного способа с технологией послойного синтеза огнеупорных материалов и связующего являются:

- трудоемкость или невозможность удаления несвязанного огнеупорного материала из скрытых полостей;

- подходит для массового производства, но для малых и средних серий является нерациональным;

Известный уровень техники содержит ряд способов изготовления литейных форм: из песчано-полимерной смеси, а также выжигаемых моделей из полимеров для оболочковых форм, изготовленных методом трехмерной печати.

Также из уровня техники известен Способ аддитивного производства удаляемых литейных моделей из порошковых материалов (патент РФ №2784035, МПК В22С 7/02; B33Y 10/00). Известный способ включает нанесение порошкового материала с диаметром частиц от 5 до 300 мкм на рабочую поверхность перед устройством разравнивания слоем до 150 мкм, внесение через многосопловые пьезоэлектрические печатающие головки, расположенные на расстоянии не более 3 мм от обрабатываемого слоя, связующего материала на участки нанесенного слоя, при этом содержание связующего составляет не более 30% от массы порошкового материала, а повторное нанесение слоев происходит с вибрационным воздействием на глубину наносимого слоя. Это способ изготовления разовых удаляемых литейных моделей методом аддитивного производства (послойного синтеза) для последующей формовки и литья различных металлов. В частности, к технологии послойного синтеза сложных разовых удаляемых литейных моделей порошковых материалов, где в качестве порошка используется порошок из, по меньшей мере, одного термопластичного полимера и, по меньшей мере, одного связующего.

К недостаткам известного из уровня техники способа относятся:

- высокая стоимость расходных материалов (полистирол, полиметилметакрилат) для изготовления удаляемой модели;

- низкая скорость изготовления (печати) моделей; в данном случае модель изготавливают в 3-5 раз дольше, чем песчаную модель;

- при инфильтрации парафином возможна утеря геометрии модели (оплавление, деформация).

Заявляемое техническое решение направлено на сокращение сроков изготовления единичных и малых серий высокоточных отливок уникальной групп сложности методом литья в керамические оболочковые формы.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, включает изготовление литейных моделей из песчано-полимерной смеси, а именно, из кварцевого песка и связующего методом трехмерной печати на 3D принтере, инфильтрацию литейных моделей модельным составом при температуре 80°С-90°С методом окунания, нанесение многослойного огнеупорного керамического покрытия с применением связующего на водной основе, отверждение нанесенного покрытия и выжигание моделей при температуре 720°С с последующим удалением несвязанного песка из полученной оболочковой формы.

Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, включает изготовление керамических оболочковых форм из песчано-полимерной смеси методом трехмерной печати на 3D принтере, инфильтрацию литейных моделей модельным составом методом окунания, нанесение многослойного огнеупорного керамического покрытия, отверждение нанесенного покрытия и выжигание моделей при температуре 720°С с последующим удалением несвязанного песка из полученной оболочковой формы.

Литейные выжигаемые модели изготавливают из песчано-полимерной смеси, а именно, из кварцевого песка и смолы, методом трехмерной печати на 3D принтере.

Затем осуществляют инфильтрацию литейных моделей модельным составом, в качестве которого используют воск или парафин. Инфильтрацию осуществляют при температуре 80°С-90°С методом окунания. Температура определена методом подбора исходя из температуры каплеобразования материала, применяемого при инфильтрации.

При температуре ниже 80°С модельный состав не инфильтрует песчаную модель; при температуре выше 90°С нагрев будет нерациональным.

Далее на литейные модели наносят многослойное огнеупорное керамическое покрытие по технологии с применением связующего на водной основе. Поскольку используют покрытие с применением связующего на водной основе, то отверждение нанесенного покрытия происходит без каких-либо воздействий - литейные керамические оболочковые формы сохнут непосредственно на воздухе.

Выжигание моделей (финальная сушка огнеупорных слоев) осуществляют при нагреве керамической формы до температуры 720°С.

При нагреве температуры выше 720°С фурановые смолы (связующее) горят полностью выгорают, получившийся чистый кварцевый песок легко удаляется из полости формы.

Готовую форму передают на хранение или на заливку.

Полученная заявленным способом литейная керамическая оболочковая форма пригодна для изготовления отливок из широкой номенклатуры сплавов, в том числе на основе Ni, Cr, Ti, Mg. Благодаря сложной форме возможно изготовление отливок 8 класса точности, сложной геометрии и уникальной группы сложности. По классификатору групп сложности это 4, 5, 6 группы. При этом значительно сокращаются сроки изготовления литейных керамических оболочковых форм, так как нет необходимости проектировать и изготавливать оснастку для изготовления моделей. Проектирование и изготовление оснастки часто представляет исключительно сложную задачу, связанную с изменением конструкции детали для улучшения технологичности. За счет сокращения сроков на изготовление модели и за счет отсутствия изготовления оснастки процесс получения сложных литейных форм и отливок становится более дешевым.

Пример осуществления способа.

Заявляемый способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, опробован в АО «Центр цифровых технологий» (Акционерное Общество «ЦЕНТР ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ») г. Казань.

Для изготовления песчано-полимерной модели методом селективного отверждения песчаной смеси использовали 3D принтер SMAX компании ExONE.

Итак, на 3D принтере методом трехмерной печати изготавливают литейную модель. Материал для модели представляет песчано-полимерную смесь из кварцевого песка и связующего. Кварцевый песок фракции 0,1 мм, а в качестве связующего используют фурановую смолу. Слой печати составляет 0,28 мм, толщина стенки моделей 3 мм.

Для последующей инфильтрации поверхности и полости полученной песчано-полимерной модели тщательно обдувают сжатым воздухом и погружают в расплав воска Ultracast® WAX-J 1210 при температуре 80-90°С на 1-3 секунды, для получения слоя 0.1-0.5 мм.

Готовые модели помещают в обезжириватель Ultracast CWP 205 на 10-30 секунд и промывают в воде.

В связующее Ultracast ONE+ в пропорции 30% от общей массы приготовляемой суспензии, добавляют огнеупорный наполнитель на основе 1 оксида алюминия Technocast® CorAl mix 4FD50 в пропорции 70% от общей массы приготовляемой суспензии, далее вводят пеногаситель Ultracast R400, в объеме 0,5% от массы жидкого, после чего погружают модели в смеситель УПОП-СМ-250 с суспензией под углом 30°-40°. Для нанесения огнеупорного покрытия погрузить модель в работающий пескосып ВПС-02.00.00.000 с псевдокипящим электрокорундом фракции F80, с последующей сушкой. Количество слоев определяется технологической необходимостью.

После нанесения многослойного огнеупорного покрытия проходит отверждение модели на воздухе, течении 2-3 часов при температуре 22-24°С, влажности 50-60%.

После сушки керамические формы выдерживают 24 часа при относительной влажности не более 40%, затем передают на операцию выжигания.

На под печи устанавливают керамические формы заливочной чашей вниз. Выжигание моделей и прокалку форм выполняют в соответствии с режимами:

Нагрев 20-350°С за 3 ч

Выдержка при 350°С - 2 ч

Нагрев 350-720°С за 1 ч

Выдержка при 720°С - 2 ч

Охлаждение 720-20°С с печью

Охлаждение при выключенной печи 750-20°С с печью.

После полного остывания керамические формы продувают сжатым воздухом, удаляя остатки несвязанного песка из полученной оболочковой формы. Готовые керамические формы передают на операцию подготовки к заливке.

Результаты опробования показали, что заявляемый способ возможен и экономически оправдан. Получение отливок с применением песчано-полимерных моделей, полученных методом 3D печати, покрытых модельным составом, для изготовления оболочковой формы особенно эффективно при изготовлении крупных отливок со сложной геометрией.

В сравнении с известными техническими решениями, заявляемый способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, позволяет:

- сократить сроки изготовления высокоточных отливок уникальной группы сложности за счет изготовления моделей методом трехмерной печати на 3D принтере без изготовления оснастки;

- позволяет удешевить процесс получения сложных литейных форм и отливок за счет того, что нет необходимости проектировать оснастку; сложную геометрию полости литейной формы получают непосредственно печатью на 3D принтере;

- расширить номенклатуру применяемых сплавов.

К преимуществам также относятся:

- краткие сроки получения первого образца;

- простота получения сложных геометрий моделей;

- стабильность размеров литейных форм и отливок;

- отсутствие необходимости в хранении оснастки;

- возможность изготавливать отливки из сплавов на основе активных металлов;

- возможность изготовления отливок с температурой заливки более 1750°С.

- улучшения экологической атмосферы в литейном цехе за счет уменьшения объема выбросов при выжигании моделей.

Заявляемое изобретение - способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, - это современный подход, который объединяет традиционные методы литья с возможностями 3D печати. С помощью заявляемого способа можно создавать сложные и точные модели для литья металлов с минимальными затратами на изготовление моделей. Особенно востребовано для небольших и индивидуальных изделий.

Изобретение относится к области литейного производства. Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, включает изготовление литейных моделей из песчано-полимерной смеси, инфильтрацию литейных моделей модельным составом, нанесение и отверждение многослойного огнеупорного керамического покрытия с водным связующим, выжигание моделей и удаление несвязанного песка из полученной оболочковой формы. Модели изготавливают из песчано-полимерной смеси, содержащей кварцевый песок и связующее, методом трехмерной печати на 3D принтере. Инфильтрацию моделей модельным составом, например, воском или парафином, осуществляют при температуре 80-90°С методом окунания. Выжигание моделей и отверждение многослойного огнеупорного керамического покрытия осуществляют при нагреве до 720°С. При полном выгорании полимерного связующего моделей, несвязанный песок удаляют из керамической оболочковой формы. Обеспечивается сокращение сроков изготовления высокоточных сложных отливок. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по песчано-полимерным выжигаемым моделям, полученным методом 3D печати, включающий изготовление литейных моделей из песчано-полимерной смеси, а именно из кварцевого песка и связующего, методом трехмерной печати на 3D принтере, инфильтрацию литейных моделей модельным составом при температуре 80-90°С методом окунания, нанесение многослойного огнеупорного керамического покрытия с применением связующего на водной основе, отверждение нанесенного покрытия и выжигание моделей при температуре 720°С с последующим удалением несвязанного песка из полученной оболочковой формы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве модельного состава используют воск или парафин.