Процессы быстрой инструментовки

Быстрая инструментовка (rapid tooling) — новый термин, не имеющий четкого определения. Первоначально он использовался лишь применительно к быстрому прототипированию, но потом стал применяться для описания всех процессов, позволяющих быстро изготавливать инструменты. Сюда относятся процессы обработки (например, высокоскоростная резка) и процессы быстрого прототипирования и изготовления.

Если говорить о быстром прототипировании, то быстрая инструментовка включает в себя четыре типа методов, различающихся числом инверсий шаблона: прямая обработка, одноинверсная обработка, двухинверсная обработка н трех инверсная обработка. Увеличивая число инверсий, можно повысить надежность продукта, но стоимость его при этом будет расти, а точность изготовления — уменьшаться.

 

Методы прямой инструментовки

При прямой инструментовке инструменты изготавливаются непосредственно путем быстрого прототипирования. ACES-литье под давлением (Direct AIM) фирмы 3D Systems, RapidTool фирмы DTM, Solifonn и литье с прямым изготовлением оболочковых форм (DSPC) являются методами прямой инструментовки.

В процессе Direct AIM стержневая и полостная вставки для литейной формы изготавливаются методом стереолитографии из SL-фотополимера с температурой стеклования всего 75 °С. Метод ACES, который мы будем обсуждать позже, - это технология изготовления, разработанная фирмой 3D Systems. Пример стержневой и полостной вставок, изготовленных по методу ACES компанией Xerox с использованием полимера Cibatool SL5170, показан на рис. 12.11. В сборе эти вставки образуют стержневую и полостную части основания формы. Компании Xerox удалось изготовить 100 частей литейной формы из требуемого материала за 5 дней. На переднем плане рис. 12.11 показаны две полистироловые ручки переключателя (одна — с еще не удаленным литником) [76].

В процессе RapidTool используется железистый сплав с малым содержанием углерода, имеющий форму частиц размером 50 мкм, покрытых полимером. Полимерный слой этого порошка расплавляется машиной для лазерного спекания. «Зеленая деталь», созданная таким способом, пропитывается растворимым в воде полимерным связующим веществом. Пропитка осуществляется путем погружения «зеленой детали» на глубину около 0,5 мм в ванну с полимером. Благодаря капиллярному эффекту компоненты высотой до 100 мм полностью пропитываются за полчаса. Компоненты в этом состоянии имеют весьма малую формоустойчивость, поэтому обращаться с ними следует чрезвычайно осторожно. Пропитанная «зеленая деталь» высушивается в вакууме при температуре 50 °С в атмосфере азота.

 

Процессы быстрой инструментовки

 

На последнем шаге процесса используется печь для спекания. Сначала усиленная «зеленая деталь» взвешивается, и по результату взвешивания определяется количество медного сплава, необходимое для пропитки детали. Усиленная «зеленая деталь» и медный сплав помещаются в графитовый тигель. Процесс начинается с того, что в два этапа выдавливается полимерный связывающий агент. Затем деталь нагревается до температуры, при которой железный порошок начинает плавиться, и между соседними частицами металла начинают образовываться перемычки.

Пока железный порошок не расплавился до конца, пористость остается высокой. Температура печи увеличивается далее, после чего медный сплав, который был добавлен в графитовый тигель, начинает таять и проникать внутрь компонента за счет капиллярного эффекта. После охлаждения до комнатной температуры готовый компонент инструмента можно вынимать из печи. Полностью затвердевший компонент имеет в своем составе 60% стали и 40% меди. Всю процедуру в Целом иллюстрирует рис. 12.12. Время, требуемое на то, чтобы изготовить «зеленую деталь», зависит в основном от ее размера, а не сложности. При горизонтальных размерах базовой области 180x150 мм и высоте 50 мм процедура лазерного спекания «зеленой детали» длится примерно 24 ч. Пропитка полимером и последующая сушка занимают приблизительно 48 ч. Для завершающей обработки в печи требуется около 48 ч. 'Таким образом, весь процесс изготовления занимает 5 дней, и эта длительность относительно независима от сложности детали. Все процессы выполняются без какого-либо вмешательства человека; в частности, для завершающего процесса обработки в печи предусмотрено множество различных функций и соответствующие программы безопасности. По этой причине в расписание работ можно включать выходные дни. Совокупное время подготовки составляет около четырех часов [24].

 

Процессы быстрой инструментовки

 

Литье с прямым изготовлением оболочковых форм (direct shell production casting — DSPC) — это патентованный процесс безмодельного литья, дающий на выходе функциональные металлические детали (например, головку цилиндра автомобильного двигателя) за дни вместо месяцев. В основе технологии DSPC лежит трехмерная печать — процесс, запатентованный Массачусетским Технологическим институтом, исключительную лицензию на который имеет фирма Soligen. CAD-файл спроектированной детали передается по сети или с помощью дискеты модулю проектирования оболочки (shell design unit — SDU) системы DSPC. Затем оператор SDU проектирует керамическую форму для отливки металлической детали, добавляя в геометрию детали литниковую систему и преоб- разуя обновленный файл в полостной файл в CAD-пространстве. Это одноразовый процесс, по результатам которого можно изготовить множество идентичных керамических форм. После этого по полостному файлу автоматически изготавливается керамическая литейная форма. Форма изготавливается послойно, и процесс создания каждого слоя включает в себя три шага. Сначала модель керамической формы «разрезается», давая поперечное сечение. Затем валиковым механизмом раскатывается слой тонкого порошка. После этого вся область поперечного сечения формы сканируется многоструйной печатающей головкой, наносящей связующее вещество. Проникая в поры между частицами порошка, свя зующее вещество формирует из них жесткую структуру. По завершении одного слоя модель керамической формы снова разрезается, теперь уже несколько выше, и процесс повторяется, пока не затвердеют все слои формы. Затем форма очищается от избыточного порошка и обжигается , после чего в ней можно производить отливку. DSPC-форма может содержать  цельный керамический стержень, что позволяет отливать полые металлические летали. Для литья в DSPC-формы можно использовать практически любые металлы. С помощью этой технологии изготавливались детали автомобилей из алюминия, магния мягкого железа и нержавеющей стали. Процесс литья с прямым изготовлением оболочковых форм показан на рис. 12.13.

Процессы быстрой инструментовки

 

Одноинверсные методы

Одноинверсные методы (single-reverse methods) предназначены для непосредственного преобразования различных шаблонов быстрого прототипирования в литые детали из других материалов. Литье по выплавляемым моделям, аэрозольное металлическое литье и вулканизационное литье из силиконовой резины являются одноинверсными методами. Процесс одноинверсной инструментовки изображен на рис. 12.14.

Процессы быстрой инструментовки
 

Литье по выплавляемым моделям — это прецизионный процесс литья, используемый для изготовления металлических деталей почти из любых сплавов. Хотя в прошлом он использовался главным образом для создания произведений искусства, теперь этот метод широко используется в производстве компонентов, требующих сложного, высокоточного, зачастую тонкого литья высокого качества В отличие от литья в песчаные формы, где по одной модели можно изготовить большое количество форм, при литье по выплавляемым моделям для каждой отливки необходимо использовать новую форму. Эти модели, обычно изготавливаемые методом литья под давлением, сделаны из воска, формула которого специально подобрана для этого процесса. Готовая восковая модель объединяется с другими восковыми компонентами, образуя систему подачи металла, называемую системой литников и желобов (gate and runner system). Далее вся восковая конструкция опускается в суспензию, обсыпается песком и оставляется высыхать. Многократные процедуры погружения и обсыпания повторяются до тех пор, пока не будет наращена оболочка толщиной 6,35 9,5 мм. По высыхании керамики вся сборка помещается в паровой автоклав, чтобы удалить большую часть воска. После автоклавирования оставшийся воск, впитавшийся в керамическую оболочку, выжигается в воздушной печи. В результате получается пустая оболочка. Затем ее обычно нагревают до определенной температуры и заливают в нее расплавленный металл. Нагревание формы помогает заполнить сложные конфигурации и тонкие места. Когда отлитая деталь достаточно охладится, оболочка обламывается с формы, после чего удаляются литники и желобки. Таким образом, процесс требует, чтобы для каждой новой отливки создавалась, а затем разрушалась отдельная модель.

Традиционный метод литья по выплавляемым моделям с опрессовкой под давлением изображен на рис. 12.15, а. Быстрое прототипирование позволяет сэкономить время, устраняя необходимость в изготовлении формы для литья под давлением. Процесс литья по выплавляемым моделям, включающий использование модели, выполненной методом быстрого прототипирования, показан на рис. 12.15, б. Различные процессы быстрого прототипирования для изготовления литейных моделей сравниваются в табл. 12.3.

Процессы быстрой инструментовки

Литье в песчаные формы используется в случаях, когда гладкость результирующей поверхности не является критичной. Это технология крупносерийного производства, требующая стабильных литейных моделей, стержней и стержневых ящиков. Для создания крупных, громоздких моделей и стержней, используемых при литье в песчаные формы, хорошо подходит процесс изготовления ламинированных объектов. Когда требуется 100 компонентов, ламинированные детали можно отполировать, герметизировать, покрасить и использовать непосредственно для создания отпечатков в песке. Изготовленный методом ламинирования прототип, используемый в качестве модели для литья в песчаные формы, изображен на рис. 12.16.

 

Процессы быстрой инструментовки

 

 

Процессы быстрой инструментовки

Аэрозольное металлическое литье (spray metal molding) применяется для изготовления форм для мелкосерийного литья прототипов под давлением. Модель монтируется на металлической или деревянной основе, создаются линии разье- ма. Обычно модель разделяется на две половины (если она не была изначально изготовлена разъемной) глиняной или деревянной перегородкой. Затем она покрывается тонким слоем высокотемпературной изоляции, например печной эмали, и разделительным составом, таким как поливиниловый спирт. После этого на одну половину прототипа наносится металлический аэрозоль. Далее оболочка окружается стенками, образующими ящик, в который заливается эпоксидная смола Внутри ящика вдоль оболочки проводятся линии охлаждения, которые обеспечивают надлежащую температуру и предотвращают растрескивание. Ящик с оболочкой заливается эпоксидной смолой, после чего все вместе переворачивается вверх дном и перегородка удаляется. Пока что готова только половина формы. Тот же самый процесс необходимо применить к необработанной стороне модели. Когда это будет сделано, половины разделяются по линии разъема, и оригинальная модель извлекается. Получается форма, состоящая из двух частей. Такая форма позволяет отлить под давлением до 1000 деталей, в связи с чем идеаль- ным способом создания прототипа для данного процесса является ламинирование. Процесс аэрозольного металлического литья с использованием модели, выполненной методом быстрого прототипирования, иллюстрирует рис. 12.17.

Вулканизационное литье из силиконовой резины при комнатной температуре (room temperature vulcanizing — RTV) — быстрый и недорогой процесс, применяемый для создания пластиковых компонентов. В этом процессе прототип используется в «положительной» форме окончательной детали. К прототипу присоединяется вертикальный литник (обычно с помощью суперклея), литник и прототип промываются не оставляющей ворсинок тряпкой, смоченной изопропиловым спиртом, а затем их осторожно подвешивают внутри чистого ящика из гофрированной бумаги. В ящик заливается силиконовый материал, полностью покрывая прототип. После этого все вместе — ящик, неотвержденный материал, прототип и литник — помещается в вакуумную камеру и дегазируется при комнатной температуре. Это делается для того, чтобы избавиться от содержащихся в материале пузырьков воздуха, которые могут привести к дефектам поверхности формы, если окажутся на границе между прототипом и материалом. После надлежащей дегазации материала (длящейся около пяти минут) все сооружение помещается в термостабилизированную печь и сушится в течение приблизительно четырех часов при температуре 50 °С.

Процесс сушки при вулканизационном литье является экзотермическим, поэтому форму необходимо медленно охлаждать до комнат ной температуры (примерно в течение часа), чтобы свести к минимуму искажения. После этого форма с прототипом извлекается из ящика и разрезается скальпелем, в результате чего образуется поверхность разъема. Практика показывает, что в действительности лучше намеренно делать разрез «волнистым» ближе к краю формы, но значительно более гладким вблизи прототипа. В результате взаимное положение выпуклостей и вогнутостей каждой из половин формы будет точно определено (рис. 12.18). Процедура вулканизационного литья из силиконовой резины изображена на рис. 12.19.

 

Процессы быстрой инструментовки

 
 

Процессы быстрой инструментовки

 

Процессы быстрой инструментовки

В готовую форму можно заливать в вакууме любой из широкой гаммы полиуретанов. Есть множество составов, специально предназначенных для вакуумного литья и обладающих рядом требуемых свойств — твердостью, прочностью на изгиб, модулем изгиба, прочностью на разрыв, модулем разрыва, удлинением на разрыв и прочностью на удар с надрезом по Изоду |76].
 

Двухинверсный метод

Если требуется изготовить тысячи компонентов, стержни и полости можно преобразовать в модели из твердого пластика (методом вулканизационного литья), алюминия или стали (методом литья по выплавляемым моделям). Этот двухинверсный метод был разработан с целью преодолеть недостатки методов прямой инструментовки и одноинверсных методов, в частности отсутствие надежности. Двухинверсный метод инструментовки изображен на рис. 12.20.

Процессы быстрой инструментовки
 

Трехинверсный метод

В трехинверсном методе литейная модель, изготовленная путем одноинверсной инструментовки (рис. 12.21, а), преобразуется в литейную форму (рис. 12.21, б). Литье в гипсовые формы и метод 3D Keltool от 3D Systems могут быть отнесены к трехинверсным методам.

Литье в гипсовые формы используется для изготовления алюминиевых компонентов высокой степени сложности, требующих большей гладкости поверхности, чем можно достичь при литье в песчаные формы. Литье в гипсовые формы идеально для компонентов, гладкость поверхности которых должна быть близка к той, которая обеспечивается литьем под давлением. В этом процессе сначала создается дубликат прототипа в виде модели из гибкой резины, которая, в свою очередь, используется для изготовления одноразовых гипсовых форм, куда можно заливать расплавленный металл. Применение гибкой резины обусловлено тем, что ее можно легко удалить из довольно хрупких гипсовых форм.

Первый шаг в литье в гипсовые формы — изготовление формы из резины, эпоксидной смолы или полиуретана, в качесгве модели для которой служит прототип (рис. 12.22, а). Этот процесс аналогичен тому, с помощью которого изготавливаются формы из силиконовой резины для литья из эпоксидной смолы. Сначала прототип помещается в формовочный ящик. В ящик заливается жидкий материал до планируемой линии разъема, материалу дают затвердеть. Когда первая половина формы затвердеет, разъемную поверхность обрабатывают разделительным составом, после чего заливается и отверждается вторая половина формы. Для деталей, не имеющих четко определимой линии разъема, можно сделать форму из нескольких секций. По этой первой форме изготавливается модель из гибкой резины, которая затем устанавливается в формовочный ящик и аналогичным образом заливается ячеистым гипсом. Готовые половинки гипсовой формы можно легко разнять и вынуть резиновую модель, не сломав гипс. После удаления резиновой модели половинки гипсовой формы сушатся в печи в течение 24-48 ч для полного затвердевания.

Высушенные половинки вновь скрепляются, и в них заливается расплавленный алюминий, магний или цинк (рис. 12.22, б). Когда металл остынет, гипсовые формы разбиваются или смываются струей воды высокого давления. По одной гипсовой модели обычно можно изготовить 25-100 гипсовых форм. Если нужны дополнительные резиновые модели, их можно отлить в исходную форму из эпоксидной смолы.

Процессы быстрой инструментовки
Процессы быстрой инструментовки
 
В методе 3D Keltool используется патентованный процесс спекания металла для изготовления стержневых и полостных вставок непосредственно по прототипу, полученному методом стереолитографии. Срок службы форм, созданных методом 3D Keltool (полости и стержни имеют твердость но Роквеллу до 50), близок к сроку службы стандартных стальных форм, а кроме того, эти формы имеют лучшую теплопроводность при меньших длительностях цикла.

После надлежащей обработки прототип готов к процессу 3D Keltool. Здесь прототип может иметь «положительную» или «отрицательную» форму (рис. 12.23). Главное преимущество прототипов с положительной геометрией состоит в том, что их гораздо легче шлифовать и полировать. Эти положительные прототипы, используемые в процессе обратной генерации {reverse generation), где слово «обратный» относится к процессу инструментовки, очень похожи на законченную деталь, изготовленную методом литья под давлением, если не учитывать необходимость компенсации усадки и свойств материала. Прототипы с отрицательной геометрией, используемые в процессе прямой генерации {same generation), аналогичны готовым стержневым и полостным вставкам, также если не брать в расчет компенсацию усадки и свойства материала.

Для случая должным образом обработанного положительного прототипа, полученного методом стереолитографии (первый шаг в правой части рис. 12.23), первый шаг процесса 3D Keltool включает формирование «прототипа в ящике» (второй шаг в правой части рис. 12.23).

Процессы быстрой инструментовки
 

Далее в ящик заливается дегазированный в вакууме силикон. После его затвердевания положительный прототип и силикон извлекаются из ящика. Результатом этого второго дополнительного шага является промежуточная форма с отрицательной геометрией, сделанная из силикона (третий шаг на рис. 12.23). На следующем шаге изготавливается окончательная «положительная в ящике» силиконовая форма (четвертый шаг на рис. 12.23). Теперь форма является практически дубликатом оригинального положительного прототипа, за исключением того, что она существует в виде «положительной в ящике» формы. Патентованная смесь из металлических частиц (например, инструментальная сталь А6 с патентованным связующим составом) тщательно размешивается и заливается в «положительную в ящике» форму, после чего ей дают затвердеть (пятый шаг на рис. 12.23). То, что имеется после затвердевания, представляет собой «зеленую деталь», имеющую достаточную прочность, чтобы в точности поддерживать свою геометрическую форму при обычном обращении. Потом «зеленая деталь» удаляется из «положительной в ящике» формы и обжигается при достаточно высокой температуре, чтобы сплавить частицы металла и выжечь связующее вещество. Наконец, обожженная деталь, состоящая примерно на 70% из стали, а на 30% из пустот, пропитывается медью. Конечный результат представляет собой стопроцентно твердую полость формы (шестой шаг на рис. 12.23).


С помощью одной вставки, изготовленной по методу Keltool, было отлито под давлением 10 миллионов деталей из чистого пластика. На данный момент размер вставок, выполняемых по методу 3D Keltool, ограничен 150 мм по всем трем измерениям, что дает максимальный размер детали около 100 мм. В настоящее время проводятся исследования, целью которых является увеличение возможных размеров изготавливаемых деталей.

Смотрите также