Zastosowanie technik wytwarzania przyrostowego w odlewnictwie

Rozmawiając z klientami, często odnoszę wrażenie, że druk 3D jest traktowany jak jedna z metod wytwarzania gotowego przedmiotu. Oczywiście w niektórych przypadkach ma to sens. Tymczasem druk 3D może być jednym z etapów produkcji docelowego przedmiotu – szczególnie gdy wykonujemy ich więcej. Sporo zależy od materiału z jakiego ma być wykonany finalny produkt i nakładu produkcji (dobrym przykładem jest drukowanie wkładek do form wtryskowych). W tym artykule przybliżę jak w praktyce wygląda wykorzystanie różnych technologii wytwarzania przyrostowego w odlewnictwie.

Producenci drukarek zachwalają swoje maszyny, swoje technologie, ale jednak najlepszym źródłem informacji są firmy, w których w codziennej rzeczywistości wykorzystuje wytwarzanie przyrostowe. Nie chcąc opierać się tylko na materiałach udostępnianych przez producentów i dystrybutorów, zwróciłem się do krakowskiego Instytutu Odlewnictwa, gdzie używane są trzy rodzaje maszyn: Solidscape drukująca z wosku syntetycznego metodą Dotjet, Stratasys drukująca w technologii FDM i Z Corp drukująca z proszków gipsowych. Konsultacji udzielił mi Pan Andrzej Gil, który od wielu lat zajmuje się przygotowywaniem wydruków na potrzeby odlewania oraz skanowaniem 3D.

Odlewanie – jak to działa?

Na początek kilka słów przypomnienia na czym polega odlewanie. Generalnie sprowadza się do wykonania formy, której pustą przestrzeń wypełnia się roztopionym stopem metali lub innym materiałem. Formy mogą być wykonane z różnych materiałów, różnymi metodami, np. formy piaskowe, ceramiczne czy silikonowe. W każdym z tych przypadków do wykonania formy potrzebny jest fizyczny model, który zostanie obsypany masą formierską lub oblany ceramiką lub silikonem. I właśnie na tym etapie, technologie wytwarzania przyrostowego okazały się ułatwieniem.

Stratasys Tytan

Drukowanie 3D, w większości przypadków jest szybsze i tańsze niż konwencjonalne metody obróbki, ponieważ trzeba pamiętać, że zanim zamontujemy materiał na obrabiarce CNC, trzeba zaprojektować proces obróbki skrawaniem w programie CAM, przygotować oprzyrządowanie maszyny i narzędzia. Dopiero na końcu jest czas maszyny. Druk 3D pozwala pominąć, a przynajmniej w znacznym stopniu ograniczyć kroki polegające na przygotowaniu modelu. Różne technologie druku wykorzystujemy w różnych metodach odlewania.

Technika wytapianych modeli – drukowanie modelu matki

Nie wnikając w szczegóły przygotowania formy (nie to jest tematem artykułu), w uproszczeniu jej przygotowanie polega na zanurzeniu woskowego modelu w płynnej masie ceramicznej, następnie wytopieniu wosku i utwardzeniu formy przez wypalanie w piecu. W ten sposób powstaje forma gotowa do zalania metalem.

Wydruk 3D z wosku

W naturalny sposób na myśl nasuwają się wydruki z wosku. W przypadku małych części, precyzyjnych odlewów odpowiedzialnych elementów (np. pierścień zastawki serca), używa się właśnie wydruków woskowych. Ponieważ proces drukowania jest długotrwały, to gdy zachodzi potrzeba wykonania większej liczby odlewów, można zastosować jeszcze jeden etap produkcji.

Z wydrukowanego woskowego modelu, tzw. matki, wykonuje się formę silikonową. Taka forma następnie służy do wykonania wielu odlewów z wosku. Woskowe modele łączy się następnie po kilka sztuk z układem wlewowym. Dzięki temu otrzymujemy formę, z której odlejemy za jednym razem kilka metalowych elementów, a silikonowa forma pozwoli szybko przygotować kolejne woskowe modele.

Przykład układu wlewowego z przytwierdzonymi elementami. Na takie „drzewko” nanosi się ceramiczną powłokę, po jej zastygnięciu, „drzewko” jest wytapiane. Podejmowano próby nasączania woskiem modeli proszkowych i wytapiania ich z formy ceramicznej jednak efekty nie były zadowalające.

Formy piaskowe

Do przygotowania tego typu form używa się wydruków wykonanych w technologii FDM lub Z Corp. Drukowany model musi być oczywiście odpowiednio zaprojektowany, czyli musi mieć uwzględniony skurcz materiału oraz odpowiednie pochylenie ścianek, bez których nie uda się go wyjąć z formy. Oprzyrządowanie odlewnicze drukuje się najczęściej z PC (poliwęglan) ze względu na większą twardość w stosunku do ABS. Wydrukowane modele wymagają jednak dalszej obróbki polegającej na wygładzeniu powierzchni, np. szpachlowaniu i szlifowaniu. Bez takiego postprocesingu, wyjęcie modelu z formy byłoby utrudnione i mogłoby uszkodzić formę. Obie wspomniane tu technologie mają podobne zastosowanie w tym przypadku jednak Z Corp ma tę zaletę, że szybciej drukuje w stosunku do FDM, minusem jest natomiast, to że wydruki z proszków są bardziej kruche. Trzeba zachować większą ostrożność podczas przygotowywania formy.

Wydruk wykonany w technologii FDM po szpachlowaniu i szlifowaniu, widoczne punkty referencyjne służące do łączenia skanów 3D, element po wydrukowaniu i obróbce był zeskanowany i porównany z modelem CAD w celu weryfikacji dokładności.

Drukowanie form

Pewnie zadajecie sobie pytanie: a czemu nie drukować form? Oczywiście jest to możliwe, zapewne niejedna firma produkująca duże odlewy wykonywane w formach piaskowych, marzy o maszynie Voxeljet, która właśnie służy do drukowania form. Bezpośrednie drukowanie form, oprócz pominięcia produkcji oprzyrządowania odlewniczego ma dodatkowe zalety: większą swobodę w przygotowywaniu układu wlewowego oraz możliwość pominięcia pochylenia ścianek odlewanego detalu.

Z Corp

Po co komu formy? Przecież można drukować z metalu…

Wszystko się rozbija o rachunek ekonomiczny i skalę produkcji. Rozwój różnych technologii drukowania 3D w znaczący sposób ułatwia i przyspiesza przygotowanie produkcji seryjnej, jednak jeszcze w niewielu przypadkach pozwala na produkowanie rzeczy gotowych do sprzedaży, ale i to się zmienia. Jeśli chodzi o wyroby z metalu, to branża lotnicza korzysta z wytwarza metodami przyrostowymi, ponieważ pozwalają na skrócenie czasu produkcji przez pominięcie przygotowania linii produkcyjnej i opracowania technologii, ale też umożliwia zoptymalizowanie konstrukcji, które było niemożliwe przy stosowaniu konwencjonalnych metod. Jednak na temat drukowania z metalu nie będę się rozpisywał bo, to szeroki temat, najlepiej na oddzielny artykuł.