Как с помощью 3D-печати быстрее и дешевле создавать формы для литья металлов?

Что такое литьё металла с применением 3D-печати и как оно работает?

Поиск поставщиков¹ печатных литейных форм следует начинать с подготовки RFQ, квалификационной проверки и оценки коммерческих рисков. Если вы сравниваете подрядчиков или планируете закупку, наше руководство по поиску поставщика литья под давлением подробнее описывает проверки со стороны покупателя.

Более широкий обзор технологии литья под давлением, свойств материалов и производственных решений представлен в нашем основном руководстве.

3D-печать форм для литья металлов² сочетает аддитивное производство с традиционными литейными процессами. Вместо того чтобы неделями изготавливать деревянные модели или обрабатывать металлическую оснастку, инженеры печатают форму или модель непосредственно по CAD-файлу. Затем напечатанная деталь служит формой, стержнем либо выжигаемой моделью для заливки расплавленного металла.

В ZetarMold мы используем этот подход в основном для прототипов металлических деталей и переходного производства, когда клиентам нужны функциональные металлические компоненты до инвестиций в постоянную оснастку. Технология подходит для литья из алюминия, бронзы, чугуна, стали и даже титана — по сути, для любого металла, который можно отливать традиционным способом. На практике решение об использовании литейных форм, изготовленных методом 3D-печати, сводится к трем факторам: сколько деталей вам нужно, насколько сложна геометрия и как быстро требуется первый образец.

Какие методы 3D-печати применяются для изготовления литейных форм?

В этом разделе рассматриваются способы 3D-печати литейных форм и их влияние на стоимость, качество, сроки и риски снабжения. Основные методы интеграции 3D-печати с литьём под давлением при изготовлении литейных форм — струйная печать связующим, выжигаемые SLA-модели, жертвенные FDM-модели, SLS-модели и металлические вставки DMLS/SLM. Каждый метод обеспечивает свой баланс размера формы, качества поверхности, точности и назначения производства.

Как спроектировать CAD-модель для литья с использованием 3D-печати?

Этот раздел посвящен проектированию CAD-модели для литья с использованием 3D-печати и ее влиянию на стоимость, качество, сроки или риски поставок. CAD-модель для литья с 3D-печатью должна включать припуск на усадку, припуск на механическую обработку, уклоны, толщину стенок, скругления, вентиляционные каналы и литниковую систему до печати формы. Проектирование для литья с 3D-печатью требует понимания как процесса печати, так и процесса литья. CAD-модель должна учитывать усадку на двух этапах: сначала при печати и отверждении материала формы, затем при охлаждении и затвердевании расплавленного металла.

1ТП4Т200–1ТП4Т2,000

Уклоны — для песчаных литейных форм предусмотрите на вертикальных поверхностях уклон 1–3°, как в традиционных моделях. При литье по выжигаемым печатным моделям уклон может быть нулевым, поскольку модель разрушается при выжигании.

Толщина стенки — минимум 3–4 mm для стенок песчаной формы и 0.5–1.0 mm для выжигаемых SLA-моделей. Минимальная толщина стенки металлической отливки зависит от сплава: 2 mm для алюминия и 3 mm для стали.

Припуск на усадку — увеличьте размеры модели на 1.0–1.6% для алюминия, 2.0–2.5% для стали и 1.5–2.0% для бронзы.

Литниковая система — спроектируйте стояк, литниковые каналы и прибыли в 3D-модели. Для песчаных форм, напечатанных методом струйного нанесения связующего, интегрируйте литниковую систему непосредственно в печатаемую форму.

Галтели и радиусы — минимальный внутренний радиус 2 mm предотвращает горячие трещины в отливке и снижает концентрацию напряжений.

Как пошагово выполняется литье в песчаные формы, изготовленные методом 3D-печати?

Технологический процесс литья в песчаные формы, изготовленные струйной 3D-печатью связующего, является наиболее распространённым промышленным применением литейных форм, напечатанных на 3D-принтере. Ниже представлен полный процесс.

Шаг 1: подготовка CAD-модели (2–4 часа)

Спроектируйте деталь с литейными припусками³ (на усадку и механическую обработку).

Спроектируйте полуформы (верхнюю и нижнюю) вокруг детали

Добавьте литниковую систему (центральный литник, каналы, впуски, прибыли)

Интегрируйте пуансоны для внутренних элементов

Шаг 2: 3D-печать (4–24 часа в зависимости от размера)

Разбейте конструкцию пресс-формы/стержня на слои и отправьте на принтер струйной печати связующим

Печать слоёв песка, связанных фурановым или фенольным связующим

Типичная толщина слоя: 0.28–0.4 mm

Шаг 3: постобработка (1–4 часа)

Удалите рыхлый песок из полостей и каналов

При необходимости нанесите огнеупорное покрытие для требуемого качества поверхности

Соберите половины формы (для многокомпонентных форм)

Шаг 4: заливка металла (1–2 часа, включая нагрев)

Расплавить металл до требуемой температуры (660°C для алюминия, 1,500°C+ для стали)

Залейте в 3D-печатную песчаную форму через литниковую систему

Дайте затвердеть (от минут до часов в зависимости от размера)

Шаг 5: финишная обработка (2–8 часов)

Разрушить песчаную форму (выбивка)

Отрезать литниковую систему

При необходимости выполнить дробеструйную обработку, шлифование и механическую обработку

Проверить размеры и качество

Каковы преимущества форм, изготовленных методом 3D-печати, по стоимости и срокам?

Преимущества 3D-печатных форм по стоимости и срокам — основные категории или варианты, рассмотренные в этом разделе. Экономическая целесообразность 3D-печатных литейных форм основана на устранении сроков и затрат традиционного изготовления оснастки при малых объемах.

Точка, после которой традиционная оснастка становится дешевле, обычно находится в диапазоне 50–200 деталей в зависимости от сложности. При больших количествах себестоимость детали в формах, напечатанных на 3D-принтере, превышает стоимость многоразовой металлической оснастки.

Каковы ограничения и когда следует выбирать традиционную оснастку?

Литейные формы, изготовленные методом 3D-печати, не всегда превосходят другие варианты. Понимание ограничений позволяет выбрать правильный подход для каждого проекта.

Качество поверхности — песчаные формы, изготовленные 3D-печатью, дают поверхность с Ra 6–12 μm (по сравнению с Ra 3–6 μm у обработанных металлических форм). Для ответственных поверхностей может потребоваться дополнительная механическая обработка.

Точность размеров — ±0.3–0.5 mm для песчаного литья в формы, напечатанные струйным нанесением связующего, по сравнению с ±0.1–0.2 mm для точного литья по выплавляемым моделям или литья под давлением.

Объём производства — каждая песчаная форма, изготовленная 3D-печатью, расходуется за одну заливку. Для выпуска более 1,000 деталей традиционная многоразовая оснастка значительно экономичнее.

Ограничения по размеру — типичный объём построения установок струйной печати связующим составляет 800 × 500 × 400 mm, хотя крупноформатные машины достигают 4,000 × 2,000 × 1,000 mm.

Прочность формы — сырая прочность песчаных форм, изготовленных 3D-печатью, ниже, чем у форм, уплотнённых традиционной набивкой. Для заливки очень крупных отливок может потребоваться усиление.

В оснастке для литья под давлением каналы, спроектированные, чтобы сократить время охлаждения, можно напечатать в стальных вставках методами DMLS или SLM. Это отличается от одноразовых литейных форм, но показывает, как аддитивное производство способно совершенствовать традиционное изготовление пресс-форм, а не заменять его.

Хотите ускорить разработку металлических деталей? ZetarMold предлагает быстрое прототипирование, включая 3D-печатные литейные формы и литьевую оснастку. Передайте чертеж, сплав, количество, поля допусков, требования к отделке и срокам, чтобы инженеры сравнили печатное литье, CNC-обработку и серийную оснастку. Имея более 20 лет опыта литья и изготовления форм, наша команда в Шанхае определит, что лучше соответствует объему, бюджету и графику: 3D-печатная форма, CNC из заготовки или традиционная серийная оснастка.

Часто задаваемые вопросы

Какие металлы можно отливать с помощью форм, напечатанных на 3D-принтере?

Песчаные формы, изготовленные методом 3D-печати, подходят для алюминия, бронзы, латуни, чугуна, углеродистой и нержавеющей стали, а также многих специальных сплавов при условии, что покрытие формы, связующее, вентиляция и температура заливки подобраны под сплав. При принятии решения покупателю важно не только то, можно ли залить сплав, но и способна ли технология печатной формы обеспечить требуемую чистоту поверхности, размерный припуск, запас на последующую механическую обработку и план контроля. Если деталь должна сохранять герметичность под давлением, имеет тонкие рёбра или высокие требования к внешнему виду, согласуйте маршрут финишной обработки до утверждения процесса.

Насколько точны отливки из 3D-печатных форм по сравнению с деталями, изготовленными механической обработкой?

3D-печатные песчаные формы обычно дают литейные допуски около ±0.3–0.5 mm до отделки, а литьё по выплавляемым моделям из печатных шаблонов может быть точнее на мелких деталях. Для окончательных точных поверхностей лучше ЧПУ. Практично сначала получить близкую к готовой отливку, затем обработать только базы, резьбы, уплотнительные и высокоточные элементы. Это сокращает обработку без ложного утверждения, что печатное литьё заменяет точное фрезерование. Попросите поставщика отметить литейные и обработанные допуски.

Сколько времени занимает изготовление песчаной формы на 3D-принтере?

Для многих прототипных деталей и деталей переходного производства 3D-печатная песчаная форма может быть изготовлена из проверенных данных CAD за несколько дней вместо нескольких недель. Фактический срок зависит от объема построения, толщины стенок, сложности формы, покрытия, отверждения, графика заливки и требований к контролю. Наибольшая экономия времени достигается за счет исключения отдельного изготовления деревянной модели, механической обработки стержневых ящиков и многоэтапной сборки стержней. Покупателям все равно следует предусмотреть время на проверку DFM и контроль первого образца, прежде чем безопасно утверждать технологию литья.

Можно ли повторно использовать 3D-печатные литейные формы?

Большинство песчаных форм и моделей для литья по выплавляемым моделям, изготовленных 3D-печатью, являются одноразовыми, поскольку форма или модель разрушается, выжигается либо расходуется в процессе литья. Повторное использование возможно лишь для некоторых печатных моделей или напечатанных металлических вставок оснастки, но не для обычных песчаных форм. Если программе требуются сотни или тысячи одинаковых деталей, до выбора печатных форм следует сравнить их с постоянной оснасткой или оснасткой для литья под давлением. Повторно используемым активом обычно являются проверенная CAD-модель и технологический план, а не сама песчаная форма.

Когда покупателям следует выбирать традиционную оснастку вместо 3D-печатных форм?

Традиционная оснастка становится привлекательнее при большом годовом объёме, стабильной геометрии, большей важности повторяемости по сравнению со скоростью или необходимости в отделке поверхности, которую печатный песок не может обеспечить экономически. Покупателям следует сравнивать полную стоимость с доставкой, а не только стоимость формы. Учитывайте стоимость печатной формы на одну заливку, риск брака, припуск на обработку, контроль, срок выполнения, вероятность изменения конструкции и точку, в которой постоянная модель или производственная форма становится дешевле. Это не позволяет быстрым прототипам превратиться в дорогостоящие узкие места производства и связывает решения о закупках с реальным объёмом.

Ключевые выводы: Подходит ли 3D-печать металлических отливок для вашего проекта?

Этот раздел посвящен ключевым выводам: подходит ли 3D-печать металлических отливок для вашего проекта и ее влиянию на стоимость, качество, сроки или риски поставок. 3D-печать изменила экономику металлического литья для прототипов и мелкосерийного производства. Устраняя недели традиционного изготовления моделей, она сокращает цикл разработки с месяцев до дней и снижает стоимость прототипной оснастки на 70–90%. Технология лучше всего подходит для сложной геометрии, малых количеств и быстрых итераций дизайна, когда внутренние каналы или многокомпонентные сборки делают традиционное изготовление моделей чрезмерно медленным. Для больших объемов или более жестких допусков традиционная оснастка остается более экономичным выбором.