Способ изготовления трехмерных объектов сложной формы из песчано-полимерных систем

Изобретение относится к способу изготовления изделия сложной формы из песчано-полимерной смеси и может найти применение в разных отраслях машиностроения, например, для изготовления литейных форм и стержней особо сложной конфигурации для авиационной, автомобилестроительной, кораблестроительной и др. отраслей. Осуществляют послойно-селективную обработку песчано-полимерной смеси до затвердевания смеси на глубину слоя в два этапа. Вначале песок смешивается с полимерной или олигомерной композицией в бункере подготовки. Полученную песчано-полимерную смесь наносят на подложку. После этого на каждом нанесенном слое обработку проводят программно-регламентированным внесением химического реагента путем впрыска в песчаный слой. Каждый слой по окончании обработки химическим реагентом подвергают тепловой обработке для ускорения процесса полимеризации и увеличения прочности изделия. Тепловую обработку осуществляют либо инфракрасными излучателями, либо лазером, либо другими дистанционными способами теплового воздействия. Подготовку песка осуществляют до дисперсности не более половины толщины наносимого единичного слоя. Технический результат изобретения заключается в получении литейных форм, частей литейных форм и стержней средней сложности, сложной и особо сложной конфигурации в короткие сроки с высокими механическими характеристиками, низкой газотворной способностью и высокой газопроницаемостью. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технологическим процессам, именно металлургии, в частности, к технологии послойного синтеза сложных литейных форм из песчано-полимерных смесей и может найти применение в разных отраслях машиностроения, например, для изготовления литейных форм и стержней особо сложной конфигурации для авиационной, автомобилестроительной, кораблестроительной и др. отраслей.

Известен способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, введение кислородсодержащего вещества, вытопку моделей, сушку и прокалку, при этом кислородсодержащее вещество вводят, начиная со второго слоя оболочки, в составе зернистого материала для обсыпки, к которому добавляют борную кислоту в количестве 2-3% мас. В качестве кислородсодержащего вещества используют дихромат калия или пероксиды щелочноземельных металлов в количестве 5-10% мас. [патент РФ №2433013, кл. В22С 9/04, 2011]. Однако известный способ требует больших затрат на кислородсодержащее вещество, количество которого при введении в состав обсыпки примерно в 8-10 раз превышает необходимое количество при введении в суспензию.

Известен способ, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, введение кислородсодержащего вещества, начиная со второго слоя оболочки с использованием борной кислоты, обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание, кислородсодержащее вещество вводят в составе материала огнеупорной суспензии, к которой добавляют борную кислоту в количестве 3-4% мас. В качестве кислородсодержащего вещества используют полупродукт переработки шламов селитровых ванн, применяемых в цехах термической обработки для проведения операции отпуска, в количестве 2-4% масс. суспензии. (патент РФ №2532753, В22С 9/04, 2013 г.) Недостатком известного технического решения является его трудоемкость и высокая стоимость, поскольку при реализации известного способа сначала создается модель изделия вручную, на ЧПУ станке или из пластика с применением аддитивных технологий: SLA, SLS, DLP, затем получают ее восковую копию, на которую послойно наносят оболочковую форму, затем удаляют восковую копию и только после этого в форму льют металл, что увеличивает технологическую цепочку и сроки изготовления, а так же ограничивает применение технологии в случае наличия внутренних каналов и полостей в отливке, в связи с высокой трудоемкостью или невозможностью удаления материала формы из отливки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению, является технология 3D-печати песчаных форм (http://3d.globatek.ru/production/tech-sand/). Технология заключается в многократном поочередном нанесении слоя смешанного с отвердителем литейного песка и слоя связующего вещества. Каждый слой песчаной формы состоит из двух материалов, добавленных последовательно. Формовочный песок: устройство подачи и выравнивания песка подает формовочный песок на поверхность к камере построения. Связующее вещество: печатная головка выборочно наносит литейные смолы на песок. Активатор, находящийся в песке упрочняет связующее вещество. Таким образом, формируется единичный слой. Процесс повторяется, пока не будет построена литейная форма.

Недостатком известного решения является необходимость применения большого количества связующего вещества и активатора для получения достаточной прочности формы, что ведет к большему выделению вредных веществ в рабочую зону при построении формы и при заливке металла, увеличивает газотворную способность формы, что в свою очередь приводит к появлению дефектов в отливке и увеличивает стоимость изготовления. Кроме того, известная технология требует большее количество времени для отверждения смеси.

Задачей заявляемого решения является снижение себестоимости и времени изготовления изделий сложной формы из песчано-полимерных систем, повышение качества отливки, при снижении выброса вредных веществ в окружающую среду.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе изготовления изделий сложной формы из песчано-полимерных систем, включающем послойное программно-компьютерное моделирование изделия, подготовку песка, смешивание песка с полимерной или олигомерной композицией в бункере подготовки, послойное нанесение песка на подложку и послойно-селективную обработку каждого слоя, в соответствии с компьютерными сечениями модели до образования запрограммированной формы изделия, согласно заявленного решения, послойно-селективную обработку каждого слоя песчано-полимерной смеси осуществляют до затвердевания смеси на глубину слоя, в два этапа, сначала на каждом нанесенном слое обработку проводят программно-регламентированным внесением химического реагента, путем впрыска его в песчаный слой, согласно изготавливаемого сечения, по окончании обработки химическим реагентом, каждый слой подвергается тепловой обработке для ускорения процесса полимеризации и увеличения прочности изделия, при этом тепловая обработка осуществляется либо инфракрасными излучателями, либо лазером, либо другими дистанционными способами теплового воздействия. Кроме того, за счет того, что термообработку слоя проводят при температуре ниже температуры воспламенения композиции, но не более 200°C, обеспечивая достаточную вентиляцию рабочей зоны, а подготовку песка осуществляют до дисперсности не более половины толщины наносимого единичного слоя, в качестве песчано-полимерной системы используют формовочный кварцевый песок крупности в диапазоне 0,05-0,16 мм и полимерные композиции на основе синтетических органических смол, например: фенольных, фурановых, карбамидо-формальдегидных, обладающих свойством отверждения под действием и химического катализатора и теплового воздействия, при этом содержание полимерной композиции составляет от 1% до 5% массы песка, а соотношение химического катализатора составляет от 20% до 50% массы полимерной композиции, а устройство нанесения располагают на расстоянии не более 20 мм от обрабатываемого слоя.

Технический результат достигается за счет того, что заявленная совокупность операций позволяет снизить количество связующего в смеси, за счет чего обеспечить получение высокой механической прочности изделий, благодаря снижению вероятности появления дефектов в отливке из-за малой газотворности формы. Ускорение процесса полимеризации и увеличение прочности изделия достигается за счет того, что послойно-селективную обработку каждого слоя песчано-полимерной смеси осуществляют до затвердевания смеси на глубину слоя, в два этапа, при этом каждый слой по окончании обработки химическим реагентом подвергается тепловой обработке. Кроме того, это приводит к снижению количества выделяемых вредных веществ и снижению себестоимости процесса изготовления формы.

Скорость отверждения и прочность полученных песчано-полимерных изделий (литейных форм, стержней и пр.) в случае химического отверждения определяется количеством и активностью химического реагента (отвердителя), но в связи с экзотермическим типом реакции, количество высокоактивного отвердителя ограничено опасностью взрыва, а в случае применения термического отверждения, скорость отверждения и прочность полученных песчано-полимерных изделий определяется скоростью прогрева участка смеси. Сочетание методов химического и термического отверждения позволяет получить высокую прочность изделий с высокой скоростью изготовления, избегая опасности неконтролируемой реакции и взрыва.

Заявленное техническое решение обеспечивает получение литейной формы, частей литейной формы и литейных стержней с конфигурацией любой сложности и высокими прочностными характеристиками, низкой газотворной способностью и высокой газопроницаемостью для точного, бездефектного получения металлических отливок в кратчайшие сроки, что достигается за счет применения совокупности методов химической и термической обработки песчано-полимерной смеси, произведенных в оптимальной последовательности.

На фиг. 1 представлен пример изготовления по заявленному способу литейного стержня для формирования каналов охлаждения двигателя внутреннего сгорания

Заявленный способ изготовления изделий сложной формы из песчано-полимерных систем осуществляется следующим образом.

В начале технологического процесса изготовления изделия, посредством заданной программы создается трехмерная компьютерная модель изготавливаемого изделия - 3D-модель. Специальное программное обеспечение «разрезает» модель на тонкие слои толщиной порядка нескольких десятков микрон. Осуществляют подготовку песка до дисперсности не более половины толщины наносимого единичного слоя. В качестве песчано-полимерной системы используют формовочный кварцевый песок крупности в диапазоне 0,05-0,16 мм и полимерные композиции на основе синтетических органических смол, например: фенольных, фурановых, карбамидо-формальдегидных, обладающих свойством отверждения под действием и химического реагента и теплового воздействия.

Песок смешивают с полимерной композицией в бункере подготовки песчано-полимерной смеси, при этом содержание полимерной композиции составляет от 1% до 5% массы песка. Песчано-полимерную смесь дисперсностью 50-160 мкм наносят на подложку. Устройство нанесения химического реагента в соответствии с компьютерной программой единичного поперечного сечения 3D-модели изготавливаемого изделия, наносит химический реагент, путем впрыска его в песчаный слой, отверждая песчано-полимерную смесь на глубину слоя. При этом соотношение химического реагента составляет от 20% до 50% массы полимерной композиции, а устройство нанесения химического реагента располагают на расстоянии не более 20 мм от обрабатываемого слоя. Затем устройство термической обработки воздействует на отвержденные участки слоя, интенсифицируя процесс отверждения песчано-полимерной смеси. После селективной химической и термической обработки первого слоя, подложку опускают вниз на величину следующего слоя порошка. Устройством подачи и нанесения порошка наносят новый слой порошкового материала, и процесс химической и термической обработки повторяют, пока изготовление изделия не будет завершено.

По окончании процесса образования запрограммированной формы изделия, производят удаление несвязанного песка и изделие готово к употреблению.

Технологические параметры такие, как: количество полимера в песчано-полимерной системе, количество отвердителя, вносимого на слой смеси, температура термической обработки слоя, время термической обработки, толщина песчано-полимерной смеси, температурная стойкость полученного изделия зависят от конфигурации изделия, применяемых типов полимеров и химических реагентов (отвердителей), типа заливаемого металла и его объема.

Для изготовления, например, литейного стержня для формирования каналов охлаждения двигателя внутреннего сгорания (фиг. 1) по трехмерной компьютерной модели изготавливаемого изделия, используют песок с дисперсностью не крупнее 0,04 мм. Песок смешивают с полимерной композицией на основе фурфурилового спирта в бункере подготовки песчано-полимерной смеси, при этом количество связующего составляет 2% от массы песка. С помощью механизма нанесения песок наносят на подложку слоем в 0,1 мм. Затем наносят химический реагент паратолуолсульфокислоту, путем впрыска его в песчаный слой в соответствии с компьютерной программой единичного поперечного сечения 3D-модели изделия. Количество химического реагента составляет 20% от массы связующего. Затем с помощью инфракрасного излучателя воздействуют на отвержденный слой, при этом время термического воздействия составляет 5 сек, при температуре 100 градусов. И повторяют процесс до получения запрограммированной формы литейного стержня.

Заявленная технология изготовления трехмерных объектов сложной формы послойно-селективной обработкой песчано-полимерной смеси обеспечивает гарантированное получение литейной формы, частей литейной формы и стержней с конфигурацией любой сложности для точного, бездефектного получения металлических отливок в кратчайшие сроки.

1. Способ изготовления изделия сложной формы из песчано-полимерной смеси, включающий создание трехмерной компьютерной модели послойного изготавливаемого изделия, подготовку песка до дисперсности не более половины толщины наносимого единичного слоя, смешивание песка с полимерной или олигомерной композицией в бункере подготовки песка, послойное нанесение песка на подложку в соответствии с сечениями трехмерной компьютерной модели до образования запрограммированной формы изделия и послойно-селективное отверждение каждого слоя песчано-полимерной смеси до ее затвердевания, отличающийся тем, что послойно-селективное отверждение каждого слоя песчано-полимерной смеси до ее затвердевания осуществляют на глубину слоя в два этапа, сначала в каждый нанесенный слой вносят химический реагент в качестве отвердителя путем впрыска его в песчано-полимерный слой посредством устройства нанесения химического реагента, а затем каждый слой подвергают термической обработке при температуре, которая ниже температуры воспламенения композиции и не более 200°С, посредством инфракрасных излучателей или лазера.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве песчано-полимерной смеси используют формовочный кварцевый песок крупностью в диапазоне 0,05-0,16 мм и полимерные композиции на основе синтетических органических смол, включающих фенольные, фурановые, карбомидо-формальдегидные, обладающие свойством отверждения под действием кислотных катализаторов и термического воздействия, при этом содержание полимерной композиции составляет от 1 до 5% массы песка, а соотношение химического реагента - отвердителя от 20 до 50% массы полимерной композиции.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что устройство нанесения химического реагента отвердителя располагают на расстоянии не более 20 мм от обрабатываемого слоя.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве химического реагента - отвердителя используют паратолуосульфокислоту.