III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПРИМЕНЕНИЕ 3D ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ЛИТЬЕ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Сейчас наша страна, как и весь мир, вступает в период шестого технологического уклада. В шестом технологическом укладе будут развиваться системы искусственного интеллекта, глобальные информационные сети и др. В этот период, сложные изделия будут создаваться с использованием технологий гибкой роботизации и автоматизации производства (цифрового производства). В этих условиях использование традиционных методов моделирования теряет экономическую целесообразность, происходит модернизация известных и создание новых технологических процессов. Предпочтение будет отдано математическому моделированию, которое уже в процессе разработки позволит моделировать не только изготовление, но и все этапы эксплуатации вплоть до утилизации.
В этом технологическом укладе производство будет происходить на так называемых цифровых фабриках, которые производят малосерийную продукцию, и способных создавать изделия под конкретные требования, вплоть до единичных экземпляров.
В развитых странах уже производят продукцию на подобных предприятиях, обмениваясь друг с другом данными в электронном виде. Сотрудники в одной точке России или мира работают, превращая свои идеи в конструкторскую документацию, например в 3D модели, и пересылают по электронной почте информацию из лаборатории на такую цифровую фабрику, что позволяют изготовить необходимые изделия.
Таким образом, концепция цифровой фабрики позволяет создавать требуемые изделия там и тогда, где и когда они необходимы. Размещение цифровой фабрики вблизи потребителя позволит оптимизировать логистику и сократить ресурсные и временные затраты на производство изделий в различных отраслях техники.
Большие надежды возлагают на аддитивные технологии получения деталей для машин и механизмов. Для изготовления деталей из термопластичных легкоплавких материалов и композиций этот способ доказал свою прогрессивность и экономическую целесообразность.
Однако для материалов, имеющих высокую температуру плавления, необходимо рассмотреть целесообразность применения аддитивных технологий изготовления деталей из металлов и керамики. В / 1 /
в качестве недостатков приведены следующие параметры:
Низкая производительность процесса 1 ... 1,5 см3/час.
Максимальные габариты изготавливаемых деталей, как правило, не превышают 300 х 350 х 300 мм.
Высокая шероховатость поверхностей Ra 6-12 мкм (без применения процессов постобработки).
Большие внутренние напряжения в изготовленных деталях (без применения процессов постобработки).
В тоже время аддитивные технологии могут быть применены для традиционных технологий изготовления деталей из металлов и керамики, например, для изготовления моделей для литья по выплавляемым моделям, шликерного литья и т.п.
2.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
1. Изучение современных технологий с точки зрения применения цифровых технологий
2. Изучение традиционной технологий на примере литья по выплавляемым (выжигаемым) моделям.
3. Изучение способов создания 3Д модели, устройства и принципов действия 3D сканера и 3D принтера
4.Создание отливки с использованием 3D технологий.
3. ТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ
Аддитивные технологии, с точки зрения производительности, экономических показателей и свойств деталей, не всегда обладают преимуществом по сравнению с традиционными технологиями. В тоже время, аддитивные технологии необходимы для оптимизации технологии в различных отраслях техники, в частности для литейного производства.
В ПРИЛОЖЕНИИ 1 приведена схема традиционной технологии литья.
Одним из широко распространенных и наиболее точных способов литья -это литье по выплавляемым(выжигаемым) моделям.
В технологии литья металлов и сплавов по выжигаемым/выплавляемым моделям сначала из соответствующего материала изготавливается модель будущего изделия. В качестве материала для изготовления выплавляемых моделей используют воск или его смеси с парафином, стеарином, а для выжигаемых - материалы, сгорающие на воздухе с малым образованием дыма и золы.
Способом литья по выжигаемым/выплавляемым моделям отливают как художественные изделия, так и детали машин. Мастер-модель изготавливается как резьбой вручную, так и на обрабатывающих станках. Эта модель заливается в силиконовую. После полимеризации резиновая деталь разрезается и из нее извлекается мастер-модель. В получившуюся форму заливается воск. Извлеченные восковки используются при изготовлении опок для литья по выплавляемым моделям. Восковки помещают в корпус опоки и заливают гипсом. В процессе последующего нагрева испаряется влага из гипса и удаляется выжигаемая модель. Затем в образовавшуюся полость заливается расплавленный металл.
Для получения точных цифровых моделей сложных объектов, которые в дальнейшем могут быть использованы при литье, применяется 3d проектирование или 3d сканирование.
Для того чтобы принтер печатал нужно на компьютер, управляющий 3D принтером в специальную программу загрузить 3D модель. 3D-модель - это образец того, что мы хотим напечатать на 3D-принтере, созданный в специальной программе, например, AutoCad в формате "stl".
3D сканирование также применяется для получения цифровых моделей в различных отраслях техники и народного хозяйства: можно оцифровывать объекты культурного наследия, изделия в медицинском протезировании, при цифровом архивировании и так далее.
3D принтером воспринимается информация, закодированная в специальном формате, называемом G-code. В этой программе прописываются действия которые 3D принтер должен сделать, когда он их должен сделать, к примеру скорость перемещения экструдера, температуру разогрева экструдера и другие параметры.
Для облегчения управления принтером созданы программы-слайсеры (от англ. to slice - нарезать). Эти программы разделяют загруженную модель на слои и описывают порядок действий для создания каждого слоя на языке G-Code. Самыми популярными программами-слайсерами являются Cura и Repetier.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для получения отливок из металла при изготовлении опытных образцов усовершенствование технологии литья возможно за счет исключения операции изготовления силиконовой формы для восковок или самих восковок.
Если разработать цифровую модель в формате "stl"( или мастер-модель подвергнуть лазерному сканированию) и с помощью 3D печати из полимера полилактида (PLA), сгорающего практически без золы изготовить выжигаемую модель, то эту модель можно использовать для заливки в гипсовую форму.
При этом нет необходимости что-то менять в самой технологии литья метала, можно использовать стандартное, уже имеющиеся оборудование для литья.
Для проверки возможности реализации этого варианта я провел прокаливание в печи модельного воска и материала PLA при температуре 700С. Последующее взвешивание показало, что вес зольного остатка обоих материалов ниже чувствительности весов (0.01г).
1.1. 3D ПРОЕКТИРОВАНИЕ, 3D СКАНИРОВАНИЕ И 3D ПЕЧАТЬ
Создание моделей выполнял в программе AutoCad в формате «.stl».
В своих экспериментах я решил ограничиться простыми моделями. Я решил напечатать медальон и кубооктаэдр. Для экспериментальной оценки возможностей лазерного сканирования я изготовил модель кубооктаэдра, показанную в ПРИЛОЖЕНИИ 2
.
Модель для медальона создавалась в программе программе AutoCad , модель для кубооктаэдра получали также 3D сканированием.
Сначала я создал в программе AutoCad электронную 3D модель медальона и сохранил в формате «.stl» (ПРИЛОЖЕНИЕ 3)
При лазерном сканировании с использовали 3D сканер DAVID starter-kit2, (ПРИЛОЖЕНИЕ 4).
Рассмотрим процесс сканирования. Схема сканирования и среда программирования приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 5. При работе со сканером вначале выполняем калибровку. Для этого закрепляем камеру неподвижно относительно калибровочной панели таким образом, чтобы она находилась на уровне калибровочной сетки.
Объект размещаем в углу калибровочной панели. Включаем лазер и направляем луч в угол между калибровочными листами. На мониторе появляется ломаная линия, что свидетельствует о том, что программа готова к работе и анализирует изображение, поступающее с камеры.
Перемещаем лазерный луч вверх вниз, формируем скан данной позиции объекта и сохраняем результат сканирования в файл. Для создания модели необходимо сделать несколько сканов, так как сканы обязательно должны перекрывать друг друга, чтобы программе было легче анализировать их.
С помощью специального программного обеспечения сканера DAVID производится построение пространственной математической модели поверхностей объекта - 3D модели объекта из сканов отдельных позиций путем стыковки сканов и их последующего объединения.
На следующем этапе при помощи 3D-принтера была получена уменьшенная копия - выжигаемая модель из материала PLA. При этом возможна печать необходимого количества моделей.
В этой работе для создания G-Code’а мной была использована программа Cura, а для программирования 3D принтера -Repetier.
Для печати был использован 3D-принтер Velleman K-8200 собранный мной из специального конструктора. (ПРИЛОЖЕНИЕ 6) Данный принтер использует в своей работе метод послойного выдавливания. При печати этим методом сырье (пластиковый пруток) поступает в экструдер, где расплавляется, а затем выдавливается из экструдера и накладывается на деталь слой за слоем. При печати этим методом необходимо учитывать некоторые нюансы:
1.при запуске принтера необходимо провести несколько линий, не связанных с моделью для удаления оставшегося в экструдере пластика и разогрева экструдера.
2.Для лучшего скрепления нижних слоев детали с поверхностью необходимо нагреть печатный стол. Температура должна обеспечивать размягчение пластика, но в то же время не доводить его до температуры, при которой материал переходит в жидкое состояние.
Также, необходимо подбирать оптимальную толщину линии, т.к. при слишком большой толщине линии уменьшается качество детали, из-за того, что слои начинают растекаться и плохо склеиваются, потому, что не успевают остывать, а при накладке следующего слоя предыдущий слой смазывается «носиком» экструдера, а при слишком маленькой толщине линии слои не склеиваются так как полностью затвердевают до того, как будет нанесен следующий слой, и по этому линия опять же растекается.
1.2.ПОДГОТОВКА ОПОКИ И ЛИТЬЕ
Сначала я осуществил сборку модели с восковкой литейной чащи путем пайки воском и разместил в корпусе опоки, в которой они были залиты (заформовывались) специальной гипсовой массой SatinCast 20. После прокалки в электрической печи при 700 0С опока устанавливалась в приспособление для литья и производилась заливка расплавом олова под давлением.
Внешний вид полученной отливки представлен в ПРИЛОЖЕНИИ 7.
1.3.ВЫВОДЫ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ
Таким образом, в результате проведенной работы показана возможность совершенствования технологии литья, путем использования выжигаемой модели из ПЛА, полученной цифровыми технологиями- лазерным сканированием и 3D печати.
При этом нет необходимости изменять традиционную технологию литья метала, то есть можно использовать стандартное оборудование для литья.
В тоже время, сравнение формы, качества поверхности исходной мастер модели и напечатанной на 3D принтере показало, что у выжигаемой модели острые углы сглажены, линии склеивания превратились в мелкие валики, а поверхность приобрела рельеф. Это свидетельствует о том, что используемое оборудование и программное обеспечение влияют на качество выжигаемой модели. В тех случаях, когда требуется передать мелкие детали необходимо использовать оборудование и программное обеспечение с соответствующими характеристиками.
Сравнение формы, качества поверхности выжигаемой модели и отлитой детали показало, что в отливке повторены все особенности поверхности детали, залитой гипсом в опоке. Это свидетельствует о том, что используемое оборудование и материалы для приготовления опоки и литья обеспечивают качественную передачу формы и качества поверхности выжигаемой модели.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполненной работы мне удалось:
1. Изучить современные технологии производства с точки зрения цифрового производства.
2. Изучить традиционную технологию литья по выплавляемым (выжигаемым) моделям.
3. Изучить устройство и принцип действия 3D сканера и 3D принтера
4. Выявить особенности цифрового производства индивидуальных мастер - моделей для литья.
5. Проверить возможность использования PLA, как материала выжигаемой мастер-модели.
6. Создать выжигаемые модели для литья при помощи 3D технологий: 3D сканирования и 3D печати
7. Выполнить отливку металлического образца по выжигаемой модели из PLA.
8. Выявить особенности применения индивидуальных мастер - моделей для литья, полученных методами цифрового производства.
В дальнейшем я планирую продолжить совершенствовать навыки в 3D-программировании, сканировании, печати и создавать более сложные модели, в том числе применимые в повседневной жизни.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Назаров А. П. Разработка технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления. Дис. ... канд. техн. наук: 05.02.07. ФГБОУ ВПО МОСКОВСКИЙ государственный технологический университет «станкин», 2013.- 259с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Схема традиционной технологии литья
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Модель кубооктаэдра
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
3D сканер DAVID starter-kit2
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Построение пространственной математической модели поверхности объекта из сканов отдельных позиций объекта
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
3D-принтер Velleman K8200
ПРИЛОЖЕНИЕ 7
Внешний вид отливки