Исследование и разработка технологических режимов изготовления отливок по выжигаемым моделям, полученных методом лазерной стереолитографии

Появление компьютерных систем, оснащенных трехмерной графикой и экспертными системами, позволяет значительно сократить затраты времени и средств на конструирование, технологическую проработку и изготовление деталей методами литейных технологий. С начала 80-х годов стали интенсивно развиваться методы формирования трехмерных объектов путем послойного наращивания материала в заданной области пространства. На базе данного принципа появились методы, которые в англоязычной литературе получили название Rapid prototyping (сокращенно RP — быстрое проектирование). Образованные системы сквозного проектирования на базе компьютерного моделирования носят абревиатуру CAD/CAM/CAE и ориентированы на подготовку производства.

Использование данной системы проектирования позволяет на ранних этапах проектирования проанализировать конструкцию узла, детали и отливки, ориентировать ее в пространстве под заливку и тем самым спрогнозировать ее будущие свойства (в структуре CADCAE). Возможность использования установок RP на ранних этапах проектирования, когда идет закладка будущих параметров разрабатываемых изделий, позволяет увидеть будущую деталь, ощутить ее руками, отработать конструкцию, решить вопросы дизайна и прочее. Поскольку требования опытного производства к точности будущих изделий постоянно возрастают, а рынок нуждается в оперативном воплощении идеи в изделие, то появляется необходимость использования полученных моделей по технологии RP непосредственно в производственном процессе.

Широко применяемые на Западе методы быстрого прототипирования в производстве находят применение в опытном, мелкосерийном и серийном производстве. Данные комплексы используют в своей работе такие фирмы как: Boeing, Caterpillar, Me. Donald Duglas, и др. Стоит отметить, что изготовляемые модели на данных комплексах находят наибольшее применение в литейном производстве: литье в песчаные формы, литье по выжигаемым моделям, изготовления гипсовых, силиконовых и металлополимерных пресс-форм, а так же литые штампы для опытного кузнечно-прессового производства. Актуальность работы. Увеличивающееся использование твёрдотельного моделирования обеспечивает распространение технологий быстрого получения прототиповповышается точность прототипов и качество материалов. Всё это говорит о том, что технологии и системы быстрого прототипирования будут занимать всё большее место в автоматизированном проектировании. В недалёком будущем RP — системы будут доступны любому пользователю и станут привычным инструментом конструктора.

Уже сегодня Российские предприятия: АОЗТ ОКБ «Сухого», «ММПП Салют», КНАПО (г. Комсомольск на Амуре), НПО «Сатурн» (г. Рыбинск), ОАО «ГАЗ», «ВАЗ» и другие, приобрели и приобретают подобное оборудование. Однако отсутствует подробная информация по особенностям поведения материала моделей, большое разнообразие предлагаемых материалов не позволяет в полной мере использовать возможности технологий с применением быстрых методов прототипирования. Это вынуждает Российские предприятия обращаться за помощью к Западным специалистам.

Наибольший спектр применения моделей RP предлагает фирма 3D Systems на базе комплекса лазерной стереолитографии. Именно этот факт стал ключевым в распространении данной технологии как за рубежом, так и в России.

В данной работе за основу взята именно данная технология с уклоном по изготовлению отливок по выжигаемым фотополимерным моделям. Наибольший материально — экономический эффект при использовании технологии быстрого прототипирования может быть получен в изготовлении сложных литых изделий из широкой номенклатуры сплавов именно по выжигаемым фотополимерным моделям.

Сущность технологии выжигаемой модели заключается в том, что изготовленную методом быстрого прототипирования модель, формуют по стандартной технологии в керамическую оболочку, производят ее выжигание по специальному режиму совмещенной с прокалкой формы. Подготовленную таким образом форму заливают расплавом — отливка готова. Однако, на практике приходится сталкиваться со следующими технологическими проблемами — растрескиванием керамического блока в процессе нагрева до 320 — 350 °C и засо-рами в отливках. Это накладывает ограничения по применяемым сплавам и геометрии, а также добавляет немало сложностей на этапах подготовки литейной формы под заливку.

В литературе на сегодняшний момент отсутствуют сведения технологического плана, позволяющие проводить нагрев и выжигания фотополимерных моделей. Предлагаемые режимы по удалению фотополимерных моделей не позволяет изготавливать отливки надлежащего качества. Некоторый прогресс достигнут благодаря возможности изготовления пустотелых моделей, который носит название Quick Cast, благодаря чему появилась возможность изготавливать фотополимерные модели с варьируемой толщиной оболочки и внутренней системой подпорок. Наилучшего качества, достигли при изготовлении крупных отливок с толщиной стенок более 15н-20 мм. Вместе с тем изготовление тонкостенных отливок с толщиной стенки менее 5 мм. вызывает наибольшие трудности и приводит как правило к 80 — 100% браку литья. Стоит учесть, что модели из фотополимерной композиции, изготовленные по технологии Quick Cast образуют сложные геометрические поверхности, а их сочетание — к сложному поведению модели в процессе нагрева, выжигания и прокалки. Поэтому, разобравшись с формированием моделей в процессе их изготовления на сте-реолитографической установке, поведением моделей во времени, нагреве и разложения их в условиях литейной формы можно обеспечить: повышение качества, сокращение цикла разработки, изготовление пилотных образцов, ускорение внесения изменений в конструкцию, уменьшение цены продукта, улучшение дизайна.

В соответствии с выше изложенным — целью данной работы является исследование поведения фотополимерного материала при нагревании. Снижению брака при изготовлении отливок с применением выжигаемых ФПМ для широкого диапазона сплавов и разной сложности. Это позволит изготавливать отливки как из алюминиевых, бронзовых, так и жаропрочных сплавов.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является уменьшение брака при изготовлении отливок повышенной сложности по выжигаемым фотополимерным моделям (ФПМ), в условиях опытно-экспериментального производства.

Объектом исследования является отвержденный фотополимерный композиционный материал (ФПКМ), его процесс изменения размеров при нагревании, термодинамические параметры при изменении температуры.

В соответствии с поставленной целью потребовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние скорости и времени нагрева на изменение размеров фотополимерных композиционных материалов.

2. Исследовать факторы, влияющие на процессы деструкции ФПМ при нагревании. Предложить на основе исследований математическую модель состояния материала необходимую для корректировки режима выжигания.

3. Разработать методику расчета технологических параметров для изготовления отливок методом выжигания.

4. Повысить выход годного при изготовлении отливок разной сложности из материалов по выжигаемым фотополимерным моделям.

Научная новизна работы:

1. Установлены дополнительные факторы, влияющие на разрушение керамической литейной формы в процессе выжигания фотополимерных моделей.

2. Научно обоснованы рациональные условия разложения фотополимерного композиционного материала в литейной форме.

Разработаны требования к вновь разрабатываемым фотополимерным материалам, направленных на получение отливок по выжигаемым моделям.

Практические результаты работы:

1. Выявлено влияние термо-временных выдержек, а так же скорости нагрева на конечную деформацию ФПКМ.

2. Изготовлен стенд для определения деформационных характеристик ФПКМ и компьютеризирован, а также установка по определению термодинамических параметров при термои термоокислительной деструкци-ях.

3. Накоплен экспериментальный материал по термои термоокислительной деструкциях (ТД и ТОД) позволивший определить термодинамические параметры: энтальпия, энтропия, энергия Гиббса.

4. Разработана технология изготовления сложных и особо сложных отливок по выжигаемым фотополимерным моделям в литейной форме.

5. Предложенная технология опробована в лабораторных условиях кафедры МТ — 5 МГТУ Н. Э. Баумана, где получены отливки ювелирного и художественного направления. Так же данная технология опробована в производственных условиях, что позволило изготовить отливку типа «Колесо турбины».

Полученные научно-исследовательские результаты такие как: кинетика теплового расширения ФПКМ, термодинамические параметры разложения, порядок химической реакции позволили определить основные этапы разложения и определить технологические режимы выжигания. Это позволило выполнить работу по изготовлению отливки «Колесо турбины» и тем самым сократить время от разработки чертежа до получения первой отливки среднем от 10 до 100 раз.

Применение данной технологии изготовления сложных отливок по выжигаемой ФПМ позволяет: сократить цикл разработки, улучшить дизайн, повысить качество, уменьшить цену продукта, ускорить внесение изменений в конструкцию при изготовлении опытных образцов изделий. и.

На защиту выносится:

— результаты исследований кинетики деформации ФПКМ при нагревании и термодинамического поведения ФПК в условиях ТД и ТОД, поведение фотополимера в результате нагрева, а так же физико-математические модели описывающие эти состояния.

— Метод удаления ФПКМ из литейной формы.

— Разработанный технологический процесс изготовления отливок по выжигаемым фотополимерным моделям.

Общие выводы по работе.

На основании проведенных исследований сделаны следующие основные выводы:

1. Анализ результатов исследования процессов расширения ФПК при нагре-ваеии позволяет выделить три зоны прогрессивного объемного расширения: 1- до 453 К, где происходит расширение материлана 2- участке нагревания скорость роста значительно снижается и в диапазоне от 553 до 603 К достигает своего максимального значения расширения и остается неизменным. На участке 3 происходит термодеструкция материала, которое сопровождается резким уменьшением размеров.

По результатам исследований предложена физико-математическая модель изменения размеров. Выполнены исследования и расчеты по определению полимерной, пиролитической и газовой фаз при нагревании, а так же изменение плотности материала, коэффициента газификации.

2. Изучено термодинамическое поведение моделей из ФПК, которое показало, что дополнительным фактором на разрушение керамических литейных оболочек оказывает газовая фаза, образующаяся в процессе разрушения ФПКМ. Это проявление становится существенным, когда температура нагрева достигает значений от 453 до 493 К.

Скорость нагрева оказывает влияние на прогрев ФПКМ (что характерно для литейной формы). Возникает объемная термодеструкция и при больших скоростях нагрева (свыше 0.1 К/с) формируется максимальное поровое давление в ячейках материала не на поверхности, а внутри полимерного материала. Это обстоятельство усиливает силовое воздействие со стороны фотополимерного материала на оболочку литейной формы и, как следствие, к ее деформации и разрушению.

3. Исследована кинетика нагрева ФПК. Показано влияние скорости нагрева и термо-временных выдержек на конечное значение расширения. Разработаны подходы управления процессом расширения ФПКМ, позволяющие снизить вероятность разрушения литейной формы.

4. Предложена математическая модель определения термодинамических параметров. По экспериментальным данным были определены термодинамические параметры (АН, А8, АО) процесса терморазложения. Проведенные исследования на ФПК позволили выделить четыре основных температурных этапа разложения: 1- от комнатной до 323 К удаление растворителя- 2- от 323 до 593 К начало разложения на макромолекулы- 3- от 593 до 653 К продолжение термодеструкции ФПК до микромолекул групп Сз .С5- 4- от 653 до 973 К диссоциация с выделением пиролитического углерода. И выбрать лучший.

5. Определен порядок реакции разложения ФПКМ в термоокислительных условиях, который носит сложный знакопеременный вид и имеет дробные значения.

6. Предложен метод выжигания фотополимерных моделей из литейной формы. Основан на создание окислительной среды в реакционной зоне разложения, что приводит к интенсивному разложению и удалению остатков разложения.

7. Данный метод опробован в лабораторных и полупромышленных условиях, что позволило получить отливки сложной формы из алюминиевых, медных и жаропрочных сплавов.