RU2711324C1

RU2711324C1 - Method of making ceramic molds of complex geometry from powder systems

Info

Publication number: RU2711324C1
Application number: RU2018139753A
Authority: RU
Inventors: Александр Геннадьевич Неткачев; Денис Николаевич Бычковский; Александр Витальевич Лопота
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-01-16

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: invention relates to production of ceramic molds of complex geometry from powder systems. Layer-by-layer software and computer simulation of the article is carried out, the ceramic powder is prepared, layer-by-layer deposition of the ceramic powder on the substrate and layer-selective treatment of each layer. First, on each applied layer program-regulated introduction of binder by injection thereof into layer of ceramic powder according to produced cross-section, and upon completion of treatment with binder, each layer is subjected to programmed regulation of contours of produced section by laser. Ceramic powder used is an oxide ceramic of 0.02–0.04 mm particle size and water-based binders having the property of self-cure and hardening under action of thermal action. Content of binder ranges from 1 to 5 % of weight of ceramic powder.EFFECT: improving quality of casting molds and reducing emission of hazardous substances into environment.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологическим процессам, а именно металлургии, в частности, к технологии послойного синтеза сложных литейных форм из керамических порошков 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.The invention relates to technological processes, in particular metallurgy, in particular, to the technology of layer-by-layer synthesis of complex casting molds from ceramic powders and can be used in various engineering industries, for example, for the manufacture of foundry molds and cores of a particularly complex configuration for aviation, automotive, shipbuilding and other industries.

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.A known method of manufacturing multilayer shell casting molds by investment casting, including layer-by-layer deposition of a refractory slurry on a block of investment casting, sprinkling with granular material, introducing an oxygen-containing substance, model flooding, drying and calcination, while the oxygen-containing substance is introduced, starting from the second layer of the shell, in the composition granular material for sprinkling, to which boric acid is added in an amount of 2-3% wt. As an oxygen-containing substance, potassium dichromate or alkaline earth metal peroxides in an amount of 5-10% wt. [RF patent No. 2433013, class B22C 9/04, 2011]. However, the known method requires large expenditures for an oxygen-containing substance, the amount of which when introduced into the composition of the dusting is approximately 8-10 times greater than the required amount when introduced into the suspension.

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.A known method, including layer-by-layer deposition of a refractory slurry on a block of investment models, introducing an oxygen-containing substance, starting with the second layer of the shell using boric acid, sprinkling with granular material, model grinding, drying and calcination, an oxygen-containing substance is introduced into the composition of the material of the refractory suspension, to which boric acid in an amount of 3-4% wt. As an oxygen-containing substance, a semi-product of processing sludge from nitrate baths used in heat treatment shops for conducting a tempering operation is used, in an amount of 2-4% of the mass. suspensions. (RF patent No. 2532753, B22C 9/04, 2013) A disadvantage of the known technical solution is its complexity and high cost, since when implementing the known method, the product model is first created manually, on a CNC machine or from plastic using additive technologies: SLA, SLS, DLP, then get its wax copy, on which the shell mold is applied layer by layer, then the wax copy is removed and only after that metal is poured into the mold, which increases the production chain and production time, and also limits the application of technology in the presence of internal channels and cavities in the casting, due to the high complexity or inability to remove the mold material from the casting.

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.The closest in technical essence to the claimed solution is the technology of 3D printing of sand forms (http://3d.globatek.ru/production/tech-sand/). The technology consists in repeatedly applying alternately a layer of foundry sand mixed with a hardener and a layer of a binder. Each sandy layer consists of two materials added sequentially. Molding sand: a sand feed and leveling device feeds molding sand to the surface of the construction chamber. Binder: The print head selectively applies casting resins to sand. An activator in the sand strengthens the binder. Thus, a single layer is formed. The process is repeated until a mold is built.

Недостатком известного решения является малая температурная стойкость форм, 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.A disadvantage of the known solution is the low temperature resistance of the molds, the need to use a large amount of a binder and an activator to obtain sufficient mold strength, which leads to a greater release of harmful substances into the working area when building the mold and when pouring metal, increases the gas generating capacity of the mold, which in turn leads to defects in the casting and increases the cost of manufacture. In addition, the known technology requires more time to cure the mixture.

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.The objective of the proposed solution is to reduce the cost and time of manufacturing products of complex shape from sand-polymer systems, improving the quality of casting, while reducing the emission of harmful substances into the environment.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе изготовления изделий сложной формы из керамических порошков, включающем послойное программно-компьютерное моделирование изделия, подготовку керамического порошка, послойное нанесение керамического порошка на подложку и послойно-селективную обработку каждого слоя, в соответствии с компьютерными сечениями модели до образования запрограммированной формы изделия, согласно заявленного решения, послойную программно-ориентированную обработку керамического порошка на глубину слоя в два этапа, сначала на каждом нанесенном слое обработку проводят программно-регламентированным внесением связующего путем впрыска в слой керамического порошка согласно изготавливаемого сечения, по окончании обработки связующим, каждый слой подвергается программно-регламентированной обработке контуров изготавливаемого сечения лазером, для повышения точности получаемого изделия и увеличения прочности внешнего слоя. Кроме того, за счет того, что лазерную обработку проводят, нагревая до температуры 80°С что является ниже температуры воспламенения, обеспечивая достаточную вентиляцию рабочей зоны, а подготовку керамического порошка осуществляют до дисперсности не более одной трети толщины наносимого единичного слоя, в качестве керамического порошка используют оксидную керамику крупности в диапазоне 0,02-0,04 мм и связующие на водной основе, обладающих свойством самоотверждения и отверждения под действием теплового воздействия, при этом содержание связующего составляет от 1% до 5% массы керамического порошка.This goal is achieved due to the fact that in the known method of manufacturing products of complex shape from ceramic powders, including layer-by-layer software-computer modeling of the product, preparation of ceramic powder, layer-by-layer deposition of ceramic powder on a substrate and layer-by-layer selective processing of each layer, in accordance with computer sections models before the formation of the programmed shape of the product, according to the claimed solution, layer-by-layer program-oriented processing of ceramic powder per g the layer’s hollow in two stages, first, on each applied layer, the processing is carried out by software-regulated application of a binder by injection of a ceramic powder into the layer according to the section being manufactured, after the binder is finished, each layer is subjected to program-controlled processing of the sections made by the laser to improve the accuracy of the resulting product and increase the strength of the outer layer. In addition, due to the fact that the laser treatment is carried out by heating to a temperature of 80 ° C which is lower than the ignition temperature, providing sufficient ventilation of the working area, the ceramic powder is prepared to dispersion of not more than one third of the thickness of the applied unit layer, as a ceramic powder use oxide ceramics of fineness in the range of 0.02-0.04 mm and water-based binders with the property of self-curing and curing under the influence of heat, the content of the bond baking powder is from 1% to 5% of the mass of ceramic powder.

Технический результат достигается за счет того, что заявленная совокупность операций позволяет снизить количество связующего и катализатора 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 отверждения и увеличение прочности внешнего слоя изделия достигается за счет того, что послойно-селективную обработку каждого слоя керамического порошка осуществляют до затвердевания смеси на глубину слоя, в два этапа, при этом контур каждого слоя по окончании обработки связующим подвергается лазерной обработке. Кроме того, применение связующих на водной основе приводит к снижению количества выделяемых вредных веществ и снижению себестоимости процесса изготовления формы.The technical result is achieved due to the fact that the claimed set of operations allows to reduce the amount of binder and catalyst in the mixture, due to which it is possible to obtain high mechanical strength of the products, due to the reduced likelihood of defects in the casting due to the low gas content of the mold. The acceleration of the curing process and increase the strength of the outer layer of the product is achieved due to the fact that layer-by-layer selective treatment of each layer of ceramic powder is carried out before the mixture hardens to the depth of the layer, in two stages, and the contour of each layer after laser treatment is completed. In addition, the use of water-based binders leads to a decrease in the amount of harmful substances released and a reduction in the cost of the mold manufacturing process.

Скорость отверждения и прочность полученных песчано-полимерных изделий (литейных форм, стержней и пр.) в случае самоотверждения определяется скоростью испарения влаги из связующего, что в свою очередь зависит от температуры, в случае применения лазерного отверждения контуров, скорость отверждения и прочность наружного слоя, необходимая для увеличения точности изделий и достаточной для манипулирования изделиями перед заливкой металлом, определяется скоростью прогрева участка смеси. Сочетание методов самоотверждения и термического отверждения позволяет получить высокую прочность изделий с высокой скоростью изготовления.The curing rate and strength of the obtained sand-polymer products (casting molds, cores, etc.) in the case of self-curing is determined by the rate of evaporation of moisture from the binder, which in turn depends on the temperature, in the case of laser curing of the contours, the curing rate and the strength of the outer layer, necessary to increase the accuracy of products and sufficient to manipulate products before pouring metal, is determined by the rate of heating of the mixture. The combination of self-curing and thermal curing methods allows to obtain high strength products with high manufacturing speed.

Заявленное техническое решение обеспечивает получение литейной формы, частей литейной формы и литейных стержней с конфигурацией любой сложности и высокими прочностными характеристиками, низкой газотворной способностью для точного, бездефектного получения металлических отливок в кратчайшие сроки, что достигается за счет применения совокупности методов самоотверждения и термической обработки керамического порошка, произведенных в оптимальной последовательности.The claimed technical solution provides a mold, parts of a mold and casting cores with a configuration of any complexity and high strength characteristics, low gaseous ability for accurate, defect-free production of metal castings in the shortest possible time, which is achieved through the use of a set of self-hardening methods and heat treatment of ceramic powder produced in optimal sequence.

На фиг. 1 представлен пример изготовления по заявленному способу литейного стержня.In FIG. 1 presents an example of manufacturing according to the claimed method of the foundry core.

Заявленный способ изготовления изделий сложной формы из песчано-полимерных систем осуществляется следующим образом.The claimed method of manufacturing products of complex shape from sand-polymer systems is as follows.

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 керамического порошка до дисперсности не более одной трети толщины наносимого единичного слоя. В качестве керамического порошка используют оксидную керамику крупности в диапазоне 0,02-0,04 мм и связующие на водной основе, обладающих свойством самоотверждения и отверждения под действием теплового воздействия.At the beginning of the manufacturing process of the product, through a given program creates a three-dimensional computer model of the manufactured product - a 3D model. Special software “cuts” the model into thin layers with a thickness of the order of several tens of microns. Ceramic powder is prepared to a dispersion of not more than one third of the thickness of the applied unit layer. As the ceramic powder, oxide ceramics of fineness in the range of 0.02-0.04 mm and water-based binders with the property of self-curing and curing under the influence of heat are used.

Керамический порошок дисперсностью 20-40 мкм наносят на подложку. Устройство нанесения связующего в соответствии с компьютерной программой единичного поперечного сечения 3D-модели изготавливаемого изделия, наносит связующее, путем впрыска его в керамический порошок, отверждая керамический порошок на глубину слоя. Затем лазер воздействует на контуры отвержденных участков слоя, интенсифицируя процесс отверждения керамического порошка в обрабатываемой зоне. После селективного внесения связующего и термической обработки первого слоя, подложку опускают вниз на величину следующего слоя керамического порошка. Устройством подачи и нанесения керамического порошка наносят новый слой керамического порошка, и процесс химической и термической обработки повторяют, пока изготовление изделия не будет завершено.Ceramic powder fineness of 20-40 microns is applied to the substrate. The device for applying a binder in accordance with a computer program of a single cross-section of a 3D model of the manufactured product, applies the binder by injecting it into a ceramic powder, curing the ceramic powder to a depth of the layer. Then the laser acts on the contours of the cured sections of the layer, intensifying the curing process of the ceramic powder in the treated area. After selective application of the binder and heat treatment of the first layer, the substrate is lowered down by the size of the next layer of ceramic powder. With the ceramic powder feeding and applying device, a new layer of ceramic powder is applied, and the process of chemical and heat treatment is repeated until the manufacture of the product is completed.

По окончании процесса образования запрограммированной формы изделия, производят удаление несвязанного керамического порошка и изделие готово к употреблению.At the end of the process of forming the programmed shape of the product, the unbound ceramic powder is removed and the product is ready for use.

Технологические параметры такие, как: количество связующего, температура лазерной обработки слоя, время термической обработки, толщина слоя керамического порошка, температурная стойкость полученного изделия зависят от конфигурации изделия, применяемых типов полимеров и химических реагентов (отвердителей), типа заливаемого металла и его объема.Technological parameters such as: the amount of binder, the temperature of the laser treatment of the layer, the time of heat treatment, the thickness of the ceramic powder layer, the temperature resistance of the obtained product depend on the configuration of the product, the types of polymers and chemical reagents (hardeners) used, the type of metal being poured and its volume.

Для изготовления, например, литейного стержня (фиг. 1) по трехмерной компьютерной модели изготавливаемого изделия, используют керамический порошок с дисперсностью не крупнее 0,04 мм. С помощью механизма нанесения керамический порошок наносят на подложку слоем в 0,12 мм. Затем наносят связующее на водной основе, путем впрыска его в керамический слой в соответствии с компьютерной программой единичного поперечного сечения 3D-модели изделия. Количество связующего составляет 5% от массы керамического порошка. Затем с помощью лазера воздействуют на контуры отвержденного слоя, при этом время термического воздействия составляет 5 сек, при температуре 80 градусов. И повторяют процесс до получения запрограммированной формы литейного стержня.For the manufacture of, for example, a foundry core (Fig. 1) according to a three-dimensional computer model of the manufactured product, ceramic powder with a dispersion of not more than 0.04 mm is used. Using the application mechanism, ceramic powder is applied to the substrate with a layer of 0.12 mm. Then a water-based binder is applied by injecting it into the ceramic layer in accordance with a computer program of a single cross-section of a 3D model of the product. The amount of binder is 5% by weight of the ceramic powder. Then, with the help of a laser, they act on the contours of the cured layer, while the thermal exposure time is 5 seconds at a temperature of 80 degrees. And repeat the process until a programmed mold is obtained.

Заявленная технология изготовления трехмерных объектов сложной формы послойно-селективной обработкой керамического порошка обеспечивает гарантированное получение литейной формы, частей литейной формы и стержней с конфигурацией любой сложности для точного, бездефектного получения металлических отливок в кратчайшие сроки.The claimed technology for manufacturing three-dimensional objects of complex shape by selective selective processing of ceramic powder ensures guaranteed production of a mold, parts of a mold and cores with a configuration of any complexity for accurate, fault-free production of metal castings in the shortest possible time.

Claims

A method of manufacturing ceramic shapes of complex geometry from powder systems, including layer-by-layer software-computer modeling of the product, preparation of ceramic powder, layer-by-layer deposition of ceramic powder on a substrate and layer-by-layer selective treatment of each layer in two stages, first, on each applied layer, program-regulated the introduction of a binder by injecting it into a layer of ceramic powder according to the section being manufactured, and at the end of the binder treatment, each layer of suspension They provide program-regulated processing of the contours of the produced section with a laser, characterized in that oxide ceramic of a particle size of 0.02-0.04 mm and water-based binders with the property of self-curing and curing under the action of heat are used as ceramic powder, while the content of the binder makes up from 1 to 5% of the mass of ceramic powder.