3D печать литья по выплавляемым моделям: инновационный путь от цифровых моделей к физическим объектам

Технология 3D печать литья по выплавляемым моделям, также известная как сочетание аддитивного производства и точного литья, представляет собой передовой производственный процесс, объединяющий технологию 3D печати с традиционным процессом инвестиционного литья для создания совершенно новой производственной модели. Применение этой технологии в литейной промышленности, особенно при разработке новых изделий, демонстрирует большой потенциал.

В этой статье мы рассмотрим базовый обзор технологии 3D печать литья по выплавляемым моделям, основные принципы и этапы, преимущества и проблемы применения, материалы расплавленных форм, подходящие для 3D печати, стратегии оптимизации процесса, области практического применения и другие аспекты.

1.Основной обзор технологии 3D печать литья по выплавляемым моделям

(1) Введение в технологию 3D печати

Технология 3D печати, также известная как технология аддитивного производства, ее основной принцип заключается в том, что через компьютер для трехмерного цифрового дизайна, использование оборудования 3D печати будет «печатать материал» слой за слоем накладывается, и в конечном итоге будет преобразована в цифровую модель физического объекта. Эта технология может использовать металл, керамику, пластик, смолы и другие материалы для печати, с высокой степенью гибкости и точности.

(2) Введение в технологию литья по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям, также известное как литье по выплавляемым моделям, — это процесс литья с многовековой историей. Он осуществляется путем изготовления восковых форм, которые затем заворачиваются в огнеупорные материалы для формирования оболочки типа, затем восковые формы расплавляются и вытекают через обжиг, и, наконец, отливки получаются путем заливки металлической жидкости. Этот процесс позволяет получать отливки с высокой точностью и гладкой поверхностью и особенно подходит для производства сложных деталей. Однако традиционное литье по выплавляемым моделям в процессе изготовления форм имеет длительный цикл, высокую стоимость, низкую отказоустойчивость и другие проблемы.

(3) Применение 3D печати в инвестиционном литье

Сочетание технологии 3D печати и литья по выплавляемым моделям эффективно решает эти проблемы. Благодаря использованию технологии 3D печати, такой как стереоскопический процесс формования со световым отверждением (SLA), можно напрямую распечатывать высокоточные формы из воска или смолы с высоким качеством поверхности, что значительно сокращает время и стоимость изготовления форм. Кроме того, применение технологии 3D печати облегчает проверку прототипов и оптимизацию процессов в процессе литья. Быстро распечатав прототип, конструкторы могут быстро провести множество итераций модификаций для оптимизации характеристик изделия.

2.Основные принципы и этапы технологии 3D печать литья по выплавляемым моделям

Технология 3D печать литья по выплавляемым моделям, как технология быстрого прототипирования, благодаря своим уникальным преимуществам постепенно становится центром внимания во всех слоях общества. Основной принцип технологии 3d печать литья по выплавляемым моделям можно свести к следующим этапам:

(1) Создание цифровой модели:

Во-первых, используйте программное обеспечение автоматизированного проектирования (CAD) для создания трехмерной цифровой модели. Эта модель является основой для последующей печати и литья.

(2) Нарезка модели:

3D модель нарезается на ряд 2D-слоев, чтобы 3D принтер мог создавать объект слой за слоем.

(3) 3D печать восковых моделей:

Восковые формы печатаются непосредственно с помощью технологий 3d печати, таких как светоотверждаемая формовка SLA. Эти восковые формы имеют высокую точность и гладкую поверхность, что делает их пригодными для точного литья.

(4) Изготовление оболочки:

Поверхность восковой формы покрывается несколькими слоями огнеупорного материала для формирования оболочки. Этот процесс включает в себя такие этапы, как навеска шлама и распределение песка для повышения прочности оболочки.

(5) Депарафинизация и обжиг:

Оболочка нагревается, чтобы восковая форма расплавилась и вытекла, и обжигается при высокой температуре для удаления остатков и упрочнения оболочки.

(6) Заливка металла:

Расплавленный металл заливают в предварительно нагретую оболочку.

(7) Охлаждение и очистка:

После охлаждения и застывания металла отливку извлекают и очищают, чтобы удалить оболочку и систему заливки.

(8) Последующая обработка:

Проводят необходимую последующую обработку, такую как термообработка и механическая обработка отливок для получения конечного продукта.

3.Преимущества и проблемы применения технологии 3D печать литья по выплавляемым моделям

(1) Преимущества технологии 3D печать литья по выплавляемым моделям

1) Сокращение производственного цикла:

Технология 3d печати позволяет быстро изготавливать сложные формы из воска или смолы, что значительно сокращает время и стоимость изготовления форм при традиционном литье по выплавляемым моделям. Как правило, весь цикл литья может быть сокращен с нескольких недель до нескольких дней.

2) Повышение гибкости дизайна:

Технология 3D печати не ограничена традиционными производственными процессами и позволяет свободно проектировать сложные конструкции. Это позволяет дизайнерам создавать сложные геометрии и внутренние структуры, которые трудно достичь традиционными методами.

3) Сокращение отходов материалов:

По сравнению с традиционными процессами литья технология 3D печати значительно сокращает отходы материалов благодаря послойной укладке материалов. Благодаря своей точности она также уменьшает количество последующей механической обработки.

4) Повышение точности литья:

3D печатные модели обладают высокой точностью размеров и чистотой поверхности, что напрямую повышает точность конечных отливок. Особенно это касается небольших точных отливок, технология 3D печати позволяет обеспечить идеальное воспроизведение деталей.

5) Адаптация к мелкосерийному производству:

Для мелкосерийного или индивидуального производства технология 3D печать литья по выплавляемым моделям имеет очевидные преимущества. Она позволяет избежать высоких затрат на изготовление форм, и в то же время быстро реагировать на рыночный спрос и повышать гибкость производства.

(2) Проблемы применения технологии 3D печать литья по выплавляемым моделям

1) Ограничения по производительности материалов:

В настоящее время характеристики материалов для 3D печати все еще имеют определенный разрыв по сравнению с традиционными материалами для литья, особенно в отношении прочности и жесткости.

2) Баланс между точностью и скоростью производства:

Высокоточное оборудование для 3D печати печатает медленнее, в то время как высокоскоростному оборудованию сложно обеспечить точность напечатанных деталей.

3) Проблемы стоимости и масштаба производства:

Хотя технология 3D печать литья по выплавляемым моделям имеет преимущества при мелкосерийном производстве, ее более высокая стоимость все еще заметна при крупносерийном производстве.

4) Зрелость технологии:

Хотя технология 3D печати уже применяется в некоторых областях, в других областях, таких как аэрокосмическая промышленность, технология 3D печати все еще находится на стадии исследования в специальных местах из-за чрезвычайно высоких требований к свойствам материалов и точности изготовления.

4. Формовочные материалы, пригодные для 3D печати

(1) Фоточувствительная смола

Фоточувствительная смола — один из широко используемых в 3D печати материалов, который изготавливается по технологии SLA (стереоотверждение светом). Фоточувствительная смола обладает такими преимуществами, как высокая точность формовки и гладкая поверхность, что делает ее пригодной для изготовления тонких восковых форм. Однако прочность и термостойкость фоточувствительной смолы относительно низкие, поэтому для улучшения ее характеристик необходима последующая обработка.

(2) Биоразлагаемые материалы

Биоразлагаемые материалы, такие как PLA (полимолочная кислота) и PBS (полибутилен сукцинат), обладают хорошей экологической чистотой. При литье по выплавляемым моделям восковые формы из этих материалов могут полностью разлагаться в процессе литья без ручного извлечения, что значительно упрощает производственный процесс. Однако следует отметить, что прочность и точность биоразлагаемых материалов может быть не такой высокой, как у традиционных восковых материалов.

(3) Восковые материалы

Восковые материалы — это традиционный материал для литья по выплавляемым моделям, обладающий хорошей текучестью и формуемостью. При 3D печати восковых материалов обычно используется технология MJP (Multi-Jet Jet), которая позволяет добиться высокой точности изготовления восковых форм. Недостатком восковых материалов является то, что они восприимчивы к температуре и влажности и должны храниться и обрабатываться в стабильной среде.

5.Стратегия оптимизации процесса 3D печать литья по выплавляемым моделям

Технология 3D печать литья по выплавляемым моделям, являясь важным технологическим средством в современной обрабатывающей промышленности, обладает значительными преимуществами в повышении эффективности производства и качества продукции. Ниже приведена стратегия оптимизации процесса 3D печать литья по выплавляемым моделям для дальнейшего повышения его производительности и расширения сферы применения.

(1) Выбор и оптимизация материалов:

1) Выбор высокопроизводительных материалов:

Выберите материалы для 3d печати с хорошей термической стабильностью и малой деформацией, такие как керамические матричные композиты, для повышения точности литья и качества поверхности.

2) Модификация материалов:

Улучшите механические свойства и термостойкость материала, добавив соответствующее количество армирующей фазы, например карбида кремния и глинозема.

(2) Управление параметрами процесса:

1) Точный контроль параметров печати:

Точный контроль скорости печати, толщины слоя, температуры печати и других параметров для уменьшения деформации и трещин.

2) Оптимизация процесса постобработки:

Проведите постобработку восковых форм после печати, например, шлифовку, полировку, покрытие поверхности и т.д., чтобы улучшить качество поверхности и точность размеров. Кроме того, для таких материалов, как фоточувствительная смола, необходима термообработка, чтобы повысить их термостойкость.

(3) Оптимизация конструкции:

1) Оптимизация топологии:

Используя методы оптимизации топологии, конструкция отливки проектируется таким образом, чтобы она была легкой, что позволяет снизить расход материалов и стоимость производства при условии обеспечения эксплуатационных характеристик.

2) Анализ тепловых напряжений:

С помощью анализа методом конечных элементов и других методов прогнозируется тепловое напряжение в отливке в процессе затвердевания и оптимизируется конструкция, чтобы избежать образования тепловых трещин.

(4) Модернизация и обслуживание оборудования:

1) Внедрение высокоточного оборудования:

Высокоточное оборудование для 3d печати используется для повышения точности размеров и качества обработки поверхности отливок.

2) Регулярное обслуживание и калибровка:

Регулярное обслуживание и калибровка оборудования, чтобы убедиться, что оборудование находится в хорошем рабочем состоянии.

6. 3D печать литья по выплавляемым моделям практические области применения

Технология 3D печать литья по выплавляемым моделям, как революционная технология в современной обрабатывающей промышленности, широко используется во многих областях.

(1) Аэрокосмическая область производства деталей из высокотемпературных сплавов

В аэрокосмической отрасли к деталям предъявляются чрезвычайно жесткие требования, особенно к деталям двигателей, которые должны выдерживать высокую температуру, высокое давление и другие экстремальные условия. Традиционными методами производства трудно удовлетворить требования к точности и производительности этих сложных деталей. Технология 3D печать литья по выплавляемым моделям благодаря использованию высокоэффективного металлического порошка и прецизионного процесса печати позволяет изготавливать детали из высокотемпературных сплавов со сложной внутренней структурой и превосходными механическими свойствами.

Например, производитель авиадвигателей использовал эту технологию для успешного изготовления нового типа лопаток турбины, которые не только снижают вес, но и повышают тепловую эффективность и надежность.

(2) Персонализированное производство имплантатов в области медицины

В медицинской сфере потребность пациентов в имплантатах очень индивидуализирована и точна. Технология 3D печать литья по выплавляемым моделям позволяет быстро изготовить индивидуальные металлические имплантаты, такие как искусственные суставы, ортопедические стальные пластины и т. д., в соответствии с конкретным состоянием и анатомическим строением пациента. Эти персонализированные имплантаты могут лучше соответствовать организму пациента и повышать процент успешных операций и послеоперационного восстановления.

Например, в одной из больниц с помощью этой технологии была изготовлена костная пластина из титанового сплава для пациента со сложным переломом, что позволило добиться точной репозиции и фиксации.

(3) Разработка легких компонентов для автомобильной промышленности

В связи с постоянным стремлением автомобильной промышленности к энергосбережению, сокращению выбросов и улучшению эксплуатационных характеристик, облегченные конструкции стали важной тенденцией, а технология 3D печать литья по выплавляемым моделям позволяет добиться эффективного использования материалов и снижения веса за счет оптимизации структуры деталей.

Например, один из автопроизводителей использовал эту технологию для изготовления блока двигателя из алюминиевого сплава, что позволило не только снизить вес на 30 %, но и улучшить теплоотдачу и долговечность.

7. Резюме

Технология 3D печать литья по выплавляемым моделям имеет широкий спектр применения, включая аэрокосмическую, автомобильную, медицинскую, стоматологическую и другие области, особенно в производстве сложных, высокоточных металлических деталей, демонстрирующих уникальные преимущества. С непрерывным прогрессом технологий и снижением стоимости применения, ожидается, что технология 3D печать литья по выплавляемым моделям будет более широко использоваться в будущем.