RU2807279C1

RU2807279C1 - Method for growing large-sized thin-walled models of engine part castings using 3d printing technology

Info

Publication number: RU2807279C1
Application number: RU2022130425A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Балякин; Роман Александрович Вдовин; Евгений Станиславович Гончаров
Filing date: 2022-11-23
Publication date: 2023-11-13

Abstract

FIELD: foundry production.

SUBSTANCE: invention is related to foundry production using one-time models, namely production of large-sized models for casting from burnt-out models using additive FDM technology, in particular to a method for growing large-sized thin-walled models of engine parts castings using 3D printing technology. The method includes the production of large-sized thin-walled models of castings from natural PLA plastic without impurities, having a low ash content, on an FDM printer with separation of the model from the gating-feed system (GFS), with the growing of hollow GFS elements at speeds up to 150 mm/s, with a percentage of internal filling model and other elements of GFS from 2 to 5%, followed by gluing and sealing of the casting parts.

EFFECT: obtaining homogeneous, sealed, large-sized burnt-out models, characterized by high dimensional accuracy, in a short time with a reduction in labour intensity, manufacturing costs and impurities from the burn-out model.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к литейному производству с применением разовых моделей, а именно изготовлению крупногабаритных моделей для литья по выжигаемым моделям с помощью аддитивной технологии FDM fused deposition modeling - моделирование методом наплавления или же FFF fused deposition modeling - производство способом наплавления нитей. Данное изобретение может применяться для изготовления корпусных деталей ГТД.The invention relates to foundry production using one-time models, namely the production of large-sized models for casting using burnt-out models using additive technology FDM fused deposition modeling - modeling by fusing or FFF fused deposition modeling - production by fusing filaments. This invention can be used for the manufacture of gas turbine engine body parts.

В настоящее время литье по выжигаемым моделям часто применяется в двигателестроении. В условиях перехода на единичное и мелкосерийное производство, в условиях заготовительного производства все чаще применяют выжигаемые модели, полученные с помощью аддитивных технологий.Currently, casting using burnout models is often used in engine building. In the context of the transition to single and small-scale production, in the conditions of procurement production, burnt-out models obtained using additive technologies are increasingly being used.

Известен способ изготовления литейных форм по выжигаемым моделям из фотополимеризирующихся материалов (патент РФ №2161 545 С2 МПК В22С 9/04, опубл. 2001-01-10), относящийся к литейному производству с применением разовых моделей. Форма изготавливается с помощью процесса фотополимерной печати, покрывается термостойким слоем, после чего происходит процесс изотермической выдержки для вытапливания основной массы фотополимера в защитной атмосфере, затем процесс прожига в окислительной атмосфере для удаления остатков модели.There is a known method for manufacturing casting molds using burn-out models from photopolymerizing materials (RF patent No. 2161 545 C2 MPK V22S 9/04, publ. 2001-01-10), related to foundry production using one-time models. The mold is made using a photopolymer printing process, covered with a heat-resistant layer, after which an isothermal holding process occurs to melt the bulk of the photopolymer in a protective atmosphere, then a burning process in an oxidizing atmosphere to remove model residues.

Известен способ получения отливок по выжигаемым моделям, изготовленным с помощью лазерного послойного синтеза (патент РФ №2148465 С1 МПК В22С 9/04, опубл. 2000-05-10), относящийся к литейному производству с применением разовых моделей. Выжигаемая модель в предложенном способе изготавливается с помощью процессов послойного лазерного синтеза (процессы стереолитографической печати и производстве объектов ламинированием), покрывается термостойким слоем, после чего происходит процесс вытапливания / выжигания данной модели.There is a known method for producing castings from burnt-out models made using laser layer-by-layer synthesis (RF patent No. 2148465 C1 MPK V22S 9/04, publ. 2000-05-10), related to foundry production using one-time models. The model to be burned in the proposed method is manufactured using layer-by-layer laser synthesis processes (processes of stereolithographic printing and production of objects by lamination), covered with a heat-resistant layer, after which the process of melting/burning of this model occurs.

Известен патент «Литейная форма» (патент РФ №114430 U 1 МПК В22С 9/04, В22С 7/02, опубл. 2012-03-27) относящийся к области литейного производства, а именно к созданию литьевых моделей, используемых в качестве выжигаемых моделей. Выжигаемая модель в предложенном способе отличается тем, что литьевая модель выполнена стереолитографической и имеет внутри организованную ячеистую структуру на основе объемно-центрированных кубических ячеек Вигнера-Зейтца.There is a known patent “Founding mold” (RF patent No. 114430 U 1 MPK V22S 9/04, V22S 7/02, publ. 2012-03-27) relating to the field of foundry production, namely the creation of injection molding models used as burn-out models . The burning model in the proposed method differs in that the casting model is made stereolithographic and has an internally organized cellular structure based on body-centered cubic Wigner-Seitz cells.

Недостатками данных изобретений являются ограничения фотополимерной печати: на рынке представлено небольшое количество установок, которые имели бы зоны печати, позволяющие выращивать крупногабаритные изделия, без деления их на части. Помимо этого, при выращивании заполняется весь внутренний объем выращиваемого изделия, при применении ячеистых структур необходимы технологические отверстия для удаления смолы из внутренних полостей, из-за этого модели после выжигания могут оставлять примеси в отливке. Помимо этого, при печати стереолитографических моделей создаются вспомогательные структуры, которые необходимо удалять и доводить поверхность для получения качественной поверхности отливки.The disadvantages of these inventions are the limitations of photopolymer printing: there are a small number of installations on the market that would have printing zones that allow growing large-sized products without dividing them into parts. In addition, when growing, the entire internal volume of the grown product is filled; when using cellular structures, technological holes are necessary to remove resin from the internal cavities; because of this, models after burning can leave impurities in the casting. In addition, when printing stereolithographic models, auxiliary structures are created that must be removed and the surface adjusted to obtain a high-quality casting surface.

Известен способ литья и средства его осуществления (патент РФ №2311984 С2 МПК В22С 7/02, B22F 3/105, опубл. 2005-09-10) относящийся к литейному производству, в частности к способу отливки с использованием формы с расходуемым шаблоном. В данном патенте одним из способов получения шаблона является печать пористого шаблона с помощью процессов 3DP или SLS.There is a known casting method and means for its implementation (RF patent No. 2311984 C2 MPK V22S 7/02, B22F 3/105, publ. 2005-09-10) related to foundry production, in particular to the casting method using a mold with a consumable template. In this patent, one method of obtaining a template is to print a porous template using 3DP or SLS processes.

Аналогично способам получения моделей стереолитографией, при выращивании заполняется весь внутренний объем выращиваемого изделия, при применении ячеистых структур необходимы технологические отверстия для удаления порошка из внутренних полостей, с последующей заклейкой отверстий. Помимо этого, установок SLS печати, позволяющих выращивать габаритные изделия не так много.Similar to the methods of obtaining models using stereolithography, during growth the entire internal volume of the grown product is filled; when using cellular structures, technological holes are required to remove powder from the internal cavities, followed by sealing the holes. In addition, there are not many SLS printing installations that allow the production of large-sized products.

Известен комбинированный способ литья по выплавляемым моделям (патент РФ №2766221 С 2 СПК В22С 7/02 (2021.05); В22С 9/04 (2021.05), опубл. 2022-02-09) относящийся к литейному производству по выплавляемым моделям, с использованием мастер-модели полученной процессами стереолитографии («SLA»), моделированием методом послойного наплавления («FDM»), многоструйным моделированием («MJM») и селективным лазерным спеканием («SLS»). Отдельные части модели могут быть получены разными методами аддитивного производства, а затем соединены в единую модель. После покрытия модели формовочным материалом, мастер-модель удаляется в ультразвуковой ванне с водой или же с добавлением химических реагентов.A combined method of lost wax casting is known (RF patent No. 2766221 C 2 SPK V22S 7/02 (2021.05); V22S 9/04 (2021.05), publ. 2022-02-09) related to lost wax foundry, using a master - models obtained by stereolithography (“SLA”), fused deposition modeling (“FDM”), multijet modeling (“MJM”) and selective laser sintering (“SLS”) processes. Individual parts of the model can be produced by different additive manufacturing methods and then combined into a single model. After covering the model with molding material, the master model is removed in an ultrasonic bath with water or with the addition of chemical reagents.

Достоинством данного метода является отсутствие термического нагрева, во время удаления мастер модели, из-за которого может произойти растрескивание оболочковой формы, недостатком является необходимость применять токсичные химические растворители, для удаления некоторых видов пластика. При выращивании крупногабаритных изделий потребуется большое количество растворителя и ультразвуковая ванна, позволяющая полностью окунуть в нее оболочковую форму.The advantage of this method is the absence of thermal heating during removal of the master model, which can cause cracking of the shell mold; the disadvantage is the need to use toxic chemical solvents to remove some types of plastic. When growing large-sized products, you will need a large amount of solvent and an ultrasonic bath that allows you to completely immerse the shell mold in it.

Известен способ изготовления литого изделия с проницаемой ячеистой структурой из алюминиевого сплава (патент РФ №2678856(13) С1 МПК B22D 21/04 (2006.01) B22F 3/11 (2006.01) В22С 7/02 (2006.01) B22D 18/04 (2006.01), опубл. 2019-02-04) относится к металлургии, а именно к получению ячеистого алюминиевого тела методом литья под давлением с помощью аддитивной технологии. В этом способе выплавляемую форму получают посредством аддитивной технологии FDM из пластика, присоединяют ее к литнику, затем выплавляемую форму и литник опускают в гипс с обеспечением образования гипсовой формы вокруг выплавляемой формы и литника.There is a known method for manufacturing a cast product with a permeable cellular structure from an aluminum alloy (RF patent No. 2678856(13) C1 MPK B22D 21/04 (2006.01) B22F 3/11 (2006.01) B22C 7/02 (2006.01) B22D 18/04 (2006.01) , publ. 2019-02-04) refers to metallurgy, namely to the production of a cellular aluminum body by injection molding using additive technology. In this method, a lost wax mold is produced by FDM additive manufacturing from plastic, attached to a sprue, then the lost wax mold and sprue are dipped into plaster to form a plaster mold around the lost wax mold and sprue.

Данный патент близок к предлагаемому методу. В предлагаемом методе используется выращивание на FDM принтерах, но модель выжигается, а не выплавляется, в качестве оболочки используется керамическая форма, а не гипсовая, в качестве материала отливки используют не алюминиевый сплав, а жаропрочный, получаемая модель имеет большие габариты (наибольший габаритный размер от полуметра и более).This patent is close to the proposed method. The proposed method uses growing on FDM printers, but the model is burned out rather than melted, a ceramic mold is used as a shell, not a plaster mold, the casting material is not an aluminum alloy, but a heat-resistant one, the resulting model has large dimensions (the largest overall dimension from half a meter or more).

На сегодняшний день возможность изготовления крупногабаритных моделей для литья по выжигаемым моделям методами 3D печати ограничена размерами зон печати 3D принтеров, либо необходимостью создания большого количества поддерживающих структур, необходимых для печати, трудностью контроля выращенной геометрии. Из ограничений по размерам зон печати 3D принтеров вытекает необходимость сегментирования модели на части с последующей сборкой, во время которой необходимо обеспечить герметичность модели, сохранить необходимые размеры, получить необходимые прочностные характеристики, во избежание поломки и растрескивания модели во время покрытия модели огнеупорным составом. Увеличение габаритов принтеров SLA и SLS проблематично, помимо этого выращенные изделия данными методами имеют большую стоимость, по сравнению с FDM печатью. FDM принтеры проще и дешевле увеличивать в габаритах, поэтому уже появляются установки с зонами печати более одного кубического метра, кроме того в FDM принтерах можно использовать несколько экструдеров для печати, что позволяет печатать материал поддержки из легкоудаляемого материала, не оставляющего следов на выращиваемой модели. Помимо этого, модель должна быть выполнена из однородного материала, для обеспечения равномерного расширения во время прожига формы, и материал, из которого изготовлена форма должен иметь низкую зольность для исключения попадания в отливку примесей.Today, the possibility of producing large-sized models for casting using 3D printing methods is limited by the size of the printing zones of 3D printers, or the need to create a large number of supporting structures required for printing, and the difficulty of controlling the grown geometry. Limitations on the size of the printing zones of 3D printers result in the need to segment the model into parts with subsequent assembly, during which it is necessary to ensure the tightness of the model, maintain the required dimensions, obtain the necessary strength characteristics, in order to avoid breakage and cracking of the model while covering the model with a refractory composition. Increasing the dimensions of SLA and SLS printers is problematic; in addition, products grown using these methods are more expensive compared to FDM printing. FDM printers are easier and cheaper to increase in size, so installations with print areas of more than one cubic meter are already appearing; in addition, FDM printers can use several extruders for printing, which allows you to print support material from an easily removable material that does not leave marks on the grown model. In addition, the model must be made of a homogeneous material to ensure uniform expansion during burning of the mold, and the material from which the mold is made must have a low ash content to prevent impurities from entering the casting.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение повышение размерной и геометрической точности получаемых крупногабаритных тонкостенных моделей и отливок, уменьшение количества брака при литье, уменьшение трудоемкости и себестоимости изготовления выжигаемых моделей, времени на их изготовление, минимизация примесей от выжигаемой модели в конечной отливке.The problem to be solved by the claimed invention is to ensure an increase in the dimensional and geometric accuracy of the resulting large-sized thin-walled models and castings, a reduction in the amount of defects during casting, a reduction in the labor intensity and cost of manufacturing burnt-out models, time for their production, minimizing impurities from the burn-out model in the final casting .

Технический результат - получение однородных герметичных крупногабаритных тонкостенных выжигаемых моделей, отличающихся высокой размерной точностью, в короткие сроки, с уменьшением трудоемкости, себестоимости изготовления и примесей от выжигаемой модели.The technical result is the production of homogeneous, sealed, large-sized thin-walled burnt-out models, characterized by high dimensional accuracy, in a short time, with a reduction in labor intensity, manufacturing costs and impurities from the burn-out model.

Технический результат достигается за счет использования выращивания крупногабаритной выжигаемой модели на FDM принтере из PLA пластика, имеющего низкую зольность, с последующей склейкой элементов литниково-питающей системы и их герметизации.The technical result is achieved through the use of growing a large-sized burnt-out model on an FDM printer from PLA plastic with low ash content, followed by gluing together the elements of the gating-feeding system and sealing them.

Технический результат достигается за счет выращивания модели отливки целиком или же с сегментированием на небольшое количество частей, при этом процент внутреннего заполнения изменяется от 2 до 5% для обеспечения качества печати и низкого образования золы, за счет уменьшения количества используемого пластика при неизменном объеме модели.The technical result is achieved by growing the casting model as a whole or segmented into a small number of parts, while the percentage of internal filling varies from 2 to 5% to ensure print quality and low ash formation, by reducing the amount of plastic used while keeping the volume of the model constant.

Технический результат достигается за счет выращивания стояков, питателей и шеек прибылей пустотелыми на скоростях выращивания до 150 мм/с.The technical result is achieved by growing hollow risers, feeders and necks of profits at growing speeds of up to 150 mm/s.

Способ заключается в следующем:The method is as follows:

Проектируют 3D модель отливки детали с литниково-питающей системой (ЛПС), причем, конструкция ЛПС должна быть оптимизирована и адаптирована под ограничения технологии FDM (FFF), без существенного влияния на проливаемость будущей формы, с учетом усадки, возникающей при выращивании. Оптимизация касается, в основном, изменения углов наклона элементов ЛПС до 45-60 градусов от горизонтали, для печати их без элементов поддержек. Модель отливки отделяют от ЛПС, и по возможности выращивают с помощью FDM принтера целиком, либо сегментируют на небольшое количество частей. За счет выращивания цельной модели отливки или с разделением на небольшое количество частей достигается геометрическая и размерная точность. ЛПС разделяют на сегменты, позволяющие выращивать их с минимальным количеством элементов поддержек, с увеличенной скоростью печати с уменьшенным до 2-5 процентом заполнения. Для увеличения скорости печати, элементы ЛПС выполняют полыми без верхних и нижних поверхностей (фиг. 1), с галтелями, для плавного перемещения, без участков торможения и ускорения печатной головы и во избежание горячего угла, замедляющего остывание отливки. Скругленная форма позволяет выращивать изделия со скоростями до 150 мм/с, что уменьшает время на изготовление.A 3D model of the casting of a part with a gating-feeding system (GFS) is designed, and the design of the GFS should be optimized and adapted to the limitations of FDM (FFF) technology, without significantly affecting the flowability of the future mold, taking into account the shrinkage that occurs during growth. Optimization mainly concerns changing the angles of inclination of the LPS elements to 45-60 degrees from the horizontal, for printing them without support elements. The casting model is separated from the LPS, and, if possible, grown entirely using an FDM printer, or segmented into a small number of parts. By growing a solid casting model or dividing it into a small number of parts, geometric and dimensional accuracy is achieved. LPS are divided into segments that allow them to be grown with a minimum number of support elements, with an increased printing speed with a filling percentage reduced to 2-5. To increase the printing speed, the LPS elements are made hollow without upper and lower surfaces (Fig. 1), with fillets, for smooth movement, without areas of braking and acceleration of the printing head and to avoid a hot corner that slows down the cooling of the casting. The rounded shape allows products to be grown at speeds of up to 150 mm/s, which reduces production time.

Печать производят из натурального PLA пластика без примесей, для уменьшения зольности и усадки выжигаемой модели. После процесса печати осуществляют сборку элементов на специальном стапеле. Элементы модели соединяют между собой пальцевым соединением. Для обеспечения герметичности и прочности места стыков модели многократно покрывают дихлорметаном, для обеспечения процессов взаимной диффузии (проникновение концов срединных участков молекулярных частей в поверхностные слои склеиваемых частей) элементов модели для обеспечения высокой адгезии. Использование дихлорметана позволяет растворить пики поверхности выращенного изделия для обеспечения низкой шероховатости поверхностного слоя.The printing is made from natural PLA plastic without impurities, to reduce the ash content and shrinkage of the model being burned. After the printing process, the elements are assembled on a special slipway. The elements of the model are connected to each other by a finger joint. To ensure tightness and strength, the joints of the models are repeatedly coated with dichloromethane to ensure the processes of mutual diffusion (penetration of the ends of the middle sections of the molecular parts into the surface layers of the glued parts) of the model elements to ensure high adhesion. The use of dichloromethane allows the surface peaks of the grown product to be dissolved to ensure a low surface layer roughness.

Предлагаемым способом была изготовлена крупногабаритная тонкостенная выжигаемая модель отливки детали корпус.Using the proposed method, a large-sized thin-walled burnt-out model of the casting of the body part was made.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет изготавливать крупногабаритные тонкостенные модели отливок методом литья по выжигаемым моделям. Применение данного способа позволяет ускорить процесс выращивания, получить герметичную модель, отличающуюся повышенной размерной точностью, уменьшить себестоимость изготовления и количество примесей от выжигаемой модели.Thus, the proposed method makes it possible to produce large-sized thin-walled models of castings using the burn-out casting method. The use of this method allows you to speed up the growing process, obtain a sealed model with increased dimensional accuracy, reduce the cost of production and the amount of impurities from the burned model.

Claims

A method for growing large-size thin-walled models of castings of engine parts using 3D printing technology, which consists in the production of large-size thin-walled models of castings from natural PLA plastic without impurities, having a low ash content, on an FDM printer with separation of the model from the gating-feed system (LPS), with the growth of elements Hollow LPS at speeds up to 150 mm/s, with the percentage of internal filling of the model and other LPS elements from 2 to 5%, followed by gluing and sealing of casting parts.