RU2782692C1

RU2782692C1 - Method for manufacturing the foundry pattern

Info

Publication number: RU2782692C1
Application number: RU2021139923A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Климчик; Артур Николаевич Шимановский; Алексей Викторович Малюков; Алена Владимировна Сидорова; Айрат Халимович Гафиятуллин
Original assignee: Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-10-31

Abstract

FIELD: foundry production.

SUBSTANCE: invention relates to the field of foundry production. The method for manufacturing the foundry pattern includes obtaining the control program of the workpiece and obtaining the control program of milling. The control program of the workpiece contains commands according to which the first robot manipulator makes the workpiece of the foundry pattern in accordance with the 3D model in the form of an array of layers of cubes, approximately repeating the configuration of the foundry pattern. The control program of the workpiece contains an indication of the required number of cubes and adhesive material for gluing them. The workpiece of the foundry pattern is made according to the received control program of the workpiece by layer-by-layer connection and gluing of cubes in the array by the first robot manipulator. The milling control program contains commands according to which the second robot manipulator mills the workpiece of the model in accordance with the 3D model of the foundry pattern. A single rotary platform is used as a place for assembling, gluing and milling the workpiece.

EFFECT: increase in the production speed of the foundry pattern is provided while maintaining high manufacturing accuracy.

10 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к литейному производству, а именно к способу изготовления литейной модели. Способ может найти применение при отливке крупногабаритных изделий сложной конфигурации в дизайне, в машиностроении, в аэрокосмической, судостроительной и других отраслях промышленности.The invention relates to foundry production, and in particular to a method for manufacturing a casting pattern. The method can find application in casting large-sized products of complex configuration in design, engineering, aerospace, shipbuilding and other industries.

В литейном производстве под литейной моделью понимается приспособление, при помощи которого в литейной форме получается отпечаток, размерами и конфигурацией соответствующий необходимой отливке.In the foundry industry, a casting model is understood as a device with the help of which an imprint is obtained in the mold, with dimensions and configuration corresponding to the required casting.

Изготавливают литейную модель, как ручным способом, так и механизированным, например, с помощью фрезерных станков с ЧПУ или аддитивных технологий, т.к. FDM (Fused Depsition Modelling), SLS (Selective Laser Sintering), SLA (Stereolithography) и пр.A casting model is made, both manually and mechanized, for example, using CNC milling machines or additive technologies, because FDM (Fused Depsition Modeling), SLS (Selective Laser Sintering), SLA (Stereolithography), etc.

В зависимости от требований к готовому изделию литейные модели могут быть выполнены из различных материалов - модельного пластика, гипса, дерева, пенополистиролов, МДФ (MDF - англ. Medium Density Fiberboard - древесноволокнистая плита средней плотности). Модельные пластики обеспечивают литейным моделям не только прочность и жесткость, но и легкость, поэтому являются оптимальными. Из современных модельных пластиков для изготовления литейных моделей известны модельные плиты «Sika advanced resins», «АБС (ABS)», полиуретановые плиты «Raku-tool», модельный пластик «Obomodulan» и др. Depending on the requirements for the finished product, casting models can be made of various materials - model plastic, gypsum, wood, polystyrene foam, MDF (MDF - Medium Density Fiberboard - Medium Density Fiberboard). Model plastics provide casting models not only strength and rigidity, but also lightness, therefore they are optimal. Of the modern modeling plastics for the manufacture of foundry models, there are Sika advanced resins, ABS (ABS) model plates, Raku-tool polyurethane plates, Obomodulan model plastic, etc.

Из уровня техники известны способы изготовления литейных моделей путем склеивания отдельных элементов. Заявляемый способ изготовления литейной модели также содержит этап сборки и склеивания элементов, однако процесс изготовления этих элементов, их материал, формы и размеры, и назначение способов существенно различаются.Methods for manufacturing casting patterns by gluing individual elements are known from the prior art. The claimed method for manufacturing a casting model also includes the stage of assembling and gluing elements, however, the manufacturing process of these elements, their material, shape and size, and the purpose of the methods differ significantly.

В патенте на полезную модель № 137487 «Мастер-модель» (МПК В22С 7/00, опубликован 20.02.2014) раскрывается способ изготовления мастер-модели, заключающийся в том, что элементы, выполненные из древесноволокнистого материала с плотностью не менее 0,6 г/см³, склеивают между собой с помощью термостойкого клея с рабочей температурой не менее 130°C и покрывают слоем лака с твердостью не менее 0,5 по «стеклянному числу». Недостатком предложенного способа является невозможность использования мастер-модели для изготовления оснастки из высокопрочных материалов, требующих повышенных температур, поскольку она выполнена из древесно-волокнистого материала типа МДФ или ХДФ (HDF – англ. High Density Fibreboard – древесноволокнистая плита высокой плотности), а также из-за использования клея с недостаточно высокой рабочей температурой и лака или грунта на основе полиэфира. In the patent for utility model No. 137487 "Master Model" (MPK B22C 7/00, published on February 20, 2014), a method for manufacturing a master model is disclosed, which consists in the fact that elements made of wood-fiber material with a density of at least 0.6 g /cm ³ , glued together with a heat-resistant adhesive with a working temperature of at least 130°C and coated with a layer of varnish with a hardness of at least 0.5 according to the "glass number". The disadvantage of the proposed method is the impossibility of using the master model for the manufacture of tooling from high-strength materials that require elevated temperatures, since it is made of wood-fiber material such as MDF or HDF (HDF - English High Density Fibreboard - high-density fibreboard), as well as - for the use of glue with insufficiently high working temperature and varnish or primer based on polyester.

В патенте № 2090297 «Способ изготовления литейных моделей» (МПК B22C 7/00 (1995.01), опубликован 1997.09.20) формование модели происходит путем изготовления отдельных элементов, их склеивания до получения заготовки и механической обработки склеенной заготовки до заданных размеров литейной модели. В качестве материала модели используют термопластный полимер на основе стирола или его производных или его смесь с порошкообразным наполнителем с содержанием последнего до 50% об., а отдельные элементы изготовляют в виде типовых элементов, одинаковых по форме и размерам, путем прессования, при этом пресс-форму предварительно нагревают, а материал модели в процессе прессования используют подогретым до температур, соответственно в 1,8-2,1 и 1,8-1,9 превышающих температуру размягчения по Вика используемого термопластичного полимера. Способ включает этапы сборки и склеивания отдельных элементов, которые впоследствии формируют мастер-модель. Типовые элементы изготавливают путем горячего прессования, что можно отнести к недостаткам способа. Технология горячего прессования экономически эффективна только в рамках крупносерийного производства, т.к. под каждую единичную модель необходимо изготавливать пресс-форму, а это повышает стоимость производства. К недостаткам метода также можно отнести длительность и высокую трудоемкость процесса, т.к. процесс тиражирования моделей на основе стирола довольно длителен за счет обязательной механической обработки поверхностей каждого элемента. In patent No. 2090297 "Method of manufacturing casting patterns" (MPK B22C 7/00 (1995.01), published 1997.09.20), the molding of the model occurs by manufacturing individual elements, gluing them to obtain a workpiece and machining the glued workpiece to the specified dimensions of the casting model. As a model material, a thermoplastic polymer based on styrene or its derivatives or its mixture with a powdered filler with a content of the latter up to 50% by volume is used, and individual elements are made in the form of standard elements, identical in shape and size, by pressing, the mold is preheated, and the model material during the pressing process is used heated to temperatures, respectively, 1.8-2.1 and 1.8-1.9 higher than the Vicat softening temperature of the thermoplastic polymer used. The method includes the steps of assembling and gluing individual elements, which subsequently form a master model. Typical elements are made by hot pressing, which can be attributed to the disadvantages of the method. Hot pressing technology is cost-effective only within the framework of large-scale production, because for each single model, it is necessary to make a mold, and this increases the cost of production. The disadvantages of the method can also include the duration and high labor intensity of the process, because. the process of replicating models based on styrene is quite lengthy due to the mandatory mechanical processing of the surfaces of each element.

Известен способ изготовления литейной формы (заявка CN 111070661 «Manufacturing method of casting mold»). Согласно описанию способа, изготовление литейной формы начинается с проектирования модели литейной формы в специальном программном обеспечении, затем с учетом размеров и конфигурации генерируется 3D-модель литейной формы. Если литейная форма имеет сложную конфигурацию или размеры, большие, чем площадь принтера, 3D-модель литейной формы сегментируется. Далее литейную форму, либо ее части печатают на 3D-принтере. После чего с напечатанной детали удаляют дефекты, полируют поверхность и заполняют все отверстия и швы.A known method of manufacturing a mold (application CN 111070661 "Manufacturing method of casting mold"). According to the description of the method, the manufacture of a mold begins with the design of a mold model in special software, then, taking into account the dimensions and configuration, a 3D model of the mold is generated. If the mold has a complex configuration or dimensions larger than the area of the printer, the 3D model of the mold is segmented. Next, the mold, or parts of it, are printed on a 3D printer. After that, defects are removed from the printed part, the surface is polished and all holes and seams are filled.

По совокупности существенных признаков найденный способ является наиболее близким заявляемому способу, тем не менее, между ними имеются различия: According to the totality of essential features, the found method is the closest to the claimed method, however, there are differences between them:

- в заявке CN 111070661 в качестве основного способа крепления отдельных элементов (блоков) используются винты, а эпоксидный клей как дополнительное средство крепления с целью обеспечения целостности литейной формы; - in the application CN 111070661, screws are used as the main method of fastening individual elements (blocks), and epoxy glue is used as an additional means of fastening in order to ensure the integrity of the mold;

- в заявке CN 111070661 разделение на отдельные элементы (блоки) не является обязательным этапом способа, а лишь дополнительным, когда размер печатаемой модели больше, чем площадь печати 3D-принтера;- in the application CN 111070661, division into separate elements (blocks) is not a mandatory step of the method, but only an additional one, when the size of the printed model is larger than the print area of the 3D printer;

- в заявке CN 111070661 в качестве основного материала для печати элементов используется полиэтилентерефталат-гликоль (ПЭТГ) - пластик;- in the application CN 111070661, polyethylene terephthalate glycol (PETG) - plastic is used as the main material for printing elements;

- в заявляемом способе литейную модель собирают из типовых элементов – кубиков одинаковых размеров;- in the claimed method, the casting model is assembled from standard elements - cubes of the same size;

- в заявляемом способе использование 3D-принтера не предусмотрено. - in the claimed method, the use of a 3D printer is not provided.

К недостаткам способа можно отнести длительное время печати, если необходимо изготовить крупногабаритную деталь, и соответственно необходимость большего количества исходного материала. The disadvantages of the method include a long printing time, if it is necessary to produce a large-sized part, and, accordingly, the need for a larger amount of source material.

На устранение выявленных недостатков в найденных способах - аналогах направлен предлагаемый способ изготовления литейной модели.The proposed method for manufacturing a casting model is aimed at eliminating the identified shortcomings in the found methods - analogues.

Технический результат заявляемого способа заключается в увеличении скорости изготовления литейной модели, при сохранении высокой точности изготовления. The technical result of the proposed method is to increase the speed of manufacturing a casting model, while maintaining high manufacturing accuracy.

Технический результат достигается тем, что проектируют 3D-модель литейной модели, определяют необходимое количество типовых элементов в виде кубиков для изготовления заготовки литейной модели, изготавливают заготовку литейной модели исходя из рассчитанного количества отдельных типовых элементов путем сборки и склейки типовых элементов при помощи робота-манипулятора с захватом и нанесения клея, после чего заготовку литейной модели фрезеруют роботом-манипулятором до заданных размеров и получают готовую литейную модель, при этом в качестве места для сборки, склейки и фрезеровки заготовки используют единую поворотную платформу.The technical result is achieved by designing a 3D model of a casting model, determining the required number of standard elements in the form of cubes for manufacturing a casting model blank, manufacturing a casting model blank based on the calculated number of individual standard elements by assembling and gluing standard elements using a robotic arm with gripping and applying glue, after which the workpiece of the casting model is milled by a robotic arm to the specified dimensions and a finished casting model is obtained, while a single rotary platform is used as a place for assembling, gluing and milling the workpiece.

А также тем, что заготовку литейной модели фрезеруют роботом-манипулятором до заданных размеров согласно управляющей программе, полученной в результате сопоставления 3D-модели заготовки литейной модели, составленной из типовых элементов, и 3D-модели первоначально спроектированной литейной модели, которую необходимо получить, выявления несоответствий и построения траектории робота-манипулятора с фрезой.And also by the fact that the blank of the casting model is milled by a robotic arm to the specified dimensions according to the control program obtained by comparing the 3D model of the blank of the casting model, made up of standard elements, and the 3D model of the originally designed casting model that needs to be obtained, identifying inconsistencies and constructing the trajectory of a robotic manipulator with a cutter.

А также тем, что объем одного кубика составляет 0,001 м³. And also by the fact that the volume of one cube is 0.001 m ³ .

А также тем, что типовые элементы выполнены из эпоксиполиуретановых соединений. And also by the fact that typical elements are made of epoxy-polyurethane compounds.

А также тем, что клеевой состав выполнен из эпоксиполиуретановых соединений.And also by the fact that the adhesive composition is made of epoxy-polyurethane compounds.

На фиг. 1-2 раскрывается сущность заявляемого способа.In FIG. 1-2 reveals the essence of the proposed method.

На фиг. 1 изображена компоновка роботизированного комплекса по изготовлению литейной модели. In FIG. 1 shows the layout of the robotic complex for the manufacture of a casting model.

На фиг. 2 представлена схема перемещения данных на роботизированном комплексе.In FIG. 2 shows a diagram of data movement on a robotic complex.

На фигурах введены следующие обозначения:The following designations are introduced on the figures:

I – участок сборки, II – участок фрезеровки, 1 – ограждение, 2 – шкаф управления, 3 – контроллер робота-манипулятора с захватом, 4 – контроллер робота-манипулятора с фрезой, 5 – магазин кубиков, 6 – станция нанесения клея, 7 - робот-манипулятор с захватом, 8 – платформа, 9 - робот-манипулятора с фрезой, 10 – 3D модель изделия, 11 – сервер подготовки заготовки, 12 – сервер для формирования траектории. I - assembly section, II - milling section, 1 - fence, 2 - control cabinet, 3 - robotic arm controller with gripper, 4 - robotic manipulator controller with cutter, 5 - cube magazine, 6 - glue application station, 7 - robotic arm with gripper, 8 - platform, 9 - robotic arm with cutter, 10 - 3D product model, 11 - workpiece preparation server, 12 - server for forming the trajectory.

Роботизированный комплекс (рис.1) включает рабочую зону, условно состоящую из участка I сборки заготовки (необработанной литейной модели) и участка II фрезеровки. Рабочая зона изолирована защитным ограждением 1, за которым располагаются шкаф управления 2 и контроллеры роботов – манипуляторов 3, 4. The robotic complex (Fig. 1) includes a working area, conditionally consisting of section I of the assembly of the workpiece (rough casting model) and section II of milling. The working area is isolated by a protective fence 1, behind which there is a control cabinet 2 and controllers of robots - manipulators 3, 4.

Участок I сборки состоит из «магазина» кубиков 5, станции 6 нанесения клея 6, шестиосевого промышленного робота-манипулятора 7 с вакуумным захватом и поворотной платформы 8. Участок II фрезеровки включает шестиосевого робота - манипулятора 9 с фрезой и поворотной платформы 8. Роботы - манипуляторы управляются программно через шкаф управления 2, который располагается за рабочей зоной. The assembly section I consists of a “store” of cubes 5, a station 6 for applying glue 6, a six-axis industrial robot-manipulator 7 with a vacuum gripper and a turntable 8. Milling section II includes a six-axis robot-manipulator 9 with a cutter and a turntable 8. Robotic manipulators are controlled by software through control cabinet 2, which is located behind the working area.

Способ изготовления литейной модели при помощи роботизированного комплекса реализуется следующим образом:The method for manufacturing a casting model using a robotic complex is implemented as follows:

формируют трёхмерную компьютерную модель изготавливаемого изделия – литейной модели (3D-модель) 10, загружают 3D-модель 10 на сервер 11 подготовки заготовки. На этом этапе 3D-модель литейной модели 10 проектируют не как цельное изделие, а как массив из множества кубиков, примерно повторяющий конфигурацию литейной модели. Для этого 3D-модель 10 в программном обеспечении разбивают на слои, затем каждый слой заполняют кубиками. Размеры кубика могут быть выбраны 100*100*100 мм. Исходя из параметров спроектированной 3D-модели 10 заготовки, программа рассчитывает необходимое количество кубиков и клеевого материала. Далее, на основании полученной информации сервером 11 генерируется управляющая программа заготовки (УПЗ) которая загружается в контроллер робота для склеивания заготовки элемента. a three-dimensional computer model of the manufactured product is formed - a casting model (3D model) 10, the 3D model 10 is loaded onto the server 11 for preparing the workpiece. At this stage, the 3D model of the casting model 10 is designed not as a single piece, but as an array of many cubes, approximately repeating the configuration of the casting model. To do this, the 3D model 10 is divided into layers in the software, then each layer is filled with cubes. The size of the cube can be chosen 100*100*100mm. Based on the parameters of the designed 3D model 10 of the workpiece, the program calculates the required number of cubes and adhesive material. Further, on the basis of the information received by the server 11, a workpiece control program (CPU) is generated, which is loaded into the robot controller for gluing the element workpiece.

Вместе с тем данные 3D-модели 10 заготовки и 3D-элемента литейной модели передают на сервер 12, где их накладывают друг на друга для выявления несоответствий. Программа сопоставляет полученные значения, формирует траекторию режущего инструмента участка фрезеровки (II) и подготавливает управляющую программу для этапа фрезеровки (УПФ). Далее УПЗ и УПФ передают на исполнение в контроллеры роботов по заготовке 3 и фрезеровке заготовки 4. At the same time, the data of the 3D model 10 of the workpiece and the 3D element of the casting model are transmitted to the server 12, where they are superimposed on each other to identify inconsistencies. The program compares the obtained values, forms the cutting tool path of the milling section (II) and prepares the control program for the milling stage (MFP). Next, the CPP and UPF are transferred for execution to the robot controllers for workpiece 3 and milling of workpiece 4.

Робот-манипулятор 7, следуя заданным программой командам, на участке сборки (I) формирует массив кубиков. Кубики накладывают друг на друга послойно и соединяют между собой при помощи клеевого состава. Клеевой состав, как и кубики, может быть выполнен из эпоксиполиуретановых соединений. Склеенный массив кубиков поступает на участок фрезеровки (II), где робот-манипулятор 9 фрезерует заготовку до заданных параметров. После завершения фрезеровки готовую заготовку снимает оператор. Robot-manipulator 7, following the commands given by the program, forms an array of cubes in the assembly section (I). The cubes are stacked on top of each other in layers and connected to each other with the help of an adhesive composition. The adhesive composition, like cubes, can be made of epoxy polyurethane compounds. The glued array of cubes enters the milling section (II), where the robotic arm 9 mills the workpiece to the specified parameters. After the milling is completed, the finished workpiece is removed by the operator.

Заявляемый способ позволяет изготавливать литейные модели для крупногабаритных изделий или изделий со сложной геометрией за счет склеивания отдельных элементов, в то время как известные модельные пластики не применимы по причине ограниченных габаритов листа. The inventive method makes it possible to produce casting models for large-sized products or products with complex geometry by gluing individual elements, while the known model plastics are not applicable due to the limited dimensions of the sheet.

Заявляемый способ позволяет упростить и сократить длительность процесса изготовления литейной модели за счет исключения этапа – изготовления литейной модели вручную, т.к. литейная модель спроектирована по заданным параметрам в программном обеспечении и изготавливается полностью на роботизированном комплексе. The inventive method makes it possible to simplify and reduce the duration of the process of manufacturing a casting model by eliminating the stage of manufacturing a casting model by hand, because the casting model is designed according to the specified parameters in the software and is manufactured entirely on a robotic complex.

Использование роботизированного комплекса также обеспечивает высокую повторяемость и точность обработки, в результате чего повышается производительность и уменьшается степень контроля на участках сборки и обработки. The use of a robotic complex also provides high repeatability and accuracy of processing, as a result of which productivity is increased and the degree of control in the assembly and processing areas is reduced.

Заявляемый способ позволяет уменьшить себестоимость продукции за счет того, что заранее спроектированная 3D-модель литейной модели определяет расход материала и клеевого состава. Экономия материала также обеспечивается тем, что необходимое количество типовых элементов для изготовления заготовки литейной модели рассчитывают таким образом, чтобы заготовка литейной модели была пустотелой внутри. The proposed method allows to reduce the cost of production due to the fact that a pre-designed 3D model of the casting model determines the consumption of material and adhesive composition. Material savings are also ensured by the fact that the required number of typical elements for the manufacture of a casting pattern blank is calculated in such a way that the casting pattern blank is hollow inside.

Таким образом, перечисленные преимущества заявляемого способа, обуславливают увеличение скорости изготовления литейной модели и снижение себестоимости конечного изделия. Thus, the listed advantages of the proposed method cause an increase in the speed of manufacturing a casting model and a decrease in the cost of the final product.

Способ может быть использован для изготовления мастер-моделей для изделий из стеклопластика, матриц для вакуумной формовки пластика, задач прототипирования, при изготовлении арт-объектов и фасадов для мебели и т.п.The method can be used for making master models for fiberglass products, matrices for plastic vacuum forming, prototyping tasks, for making art objects and facades for furniture, etc.

Claims

1. A method for manufacturing a casting model, characterized in that

a workpiece control program is obtained containing commands that, when executed by the first robotic arm, instruct the first robotic arm to produce a molded pattern blank in accordance with the 3D model of the foundry model blank,

moreover, the 3D model of the casting model blank is formed as an array of many cubes, approximately repeating the configuration of the casting model,

and the array contains layers,

moreover, the control program of the workpiece contains an indication of the number of cubes required for assembly,

moreover, the control program of the workpiece contains an indication of the amount of adhesive material required for gluing;

a casting model blank is made according to the obtained blank control program by layer-by-layer connection and gluing of cubes in said array using the first robotic arm;

receiving a milling control program containing commands that, when executed by the second robotic arm, instruct the second robotic arm to mill the casting pattern blank in accordance with a 3D model of the casting pattern to be manufactured; and

a casting model is made by milling the manufactured blank of the casting model using a second robotic arm,

at the same time, a single rotary platform is used as a place for assembling, gluing and milling the workpiece.

2. The method according to claim 1, characterized in that the workpiece of the casting model is milled by a robotic arm according to the trajectory obtained as a result of:

comparison of the 3D model of the casting model blank and the 3D model of the casting model to be produced,

identifying inconsistencies and

constructing the trajectory of a robotic manipulator with a cutter.

3. The method according to p. 1, characterized in that the cubes are made of epoxy polyurethane compounds.

4. The method according to p. 1, characterized in that the adhesive composition is made of epoxy polyurethane compounds.

5. The method according to claim 1, characterized in that the array of multiple cubes is hollow.

6. Robotic complex for the manufacture of a casting model, containing:

a controller of the first robotic arm, configured to receive a workpiece control program containing commands that, when executed, instruct the controller of the first robotic arm to control the first robotic arm for manufacturing a casting model blank in accordance with a 3D model of the casting model blank,

and the array contains layers,

a first robotic arm comprising a gripper and configured to produce a casting pattern blank according to control from the controller of the first robotic arm by layer-by-layer joining and gluing cubes in said array;

a second robotic arm controller configured to receive a milling control program comprising instructions that, when executed, causes the second robotic arm controller to control a second robotic arm for milling a casting pattern blank in accordance with a 3D model of a casting pattern to be manufactured; and

a second robotic arm containing a milling cutter and configured to manufacture a casting pattern according to control from the controller of the second robotic manipulator by milling the manufactured blank of the casting pattern,

while the robotic complex contains a single turntable as a place for assembling, gluing and milling the workpiece.

7. The robotic complex according to claim 6, in which the second robotic arm is configured to mill the casting pattern workpiece according to the trajectory obtained as a result of:

identifying inconsistencies and

constructing the trajectory of a robotic manipulator with a cutter.

8. Robotic complex according to claim 6, in which the cubes are made of epoxy polyurethane compounds.

9. The robotic complex according to claim 6, in which the adhesive composition is made of epoxy polyurethane compounds.

10. Robotic complex according to claim 6, in which the array of multiple cubes is hollow.