La aplicación de la tecnología de creación rápida de prototipos en la fundición por inversión

Rapid Prototyping (RP) es una alta tecnología desarrollada en la década de 1990. Puede convertir rápidamente los conceptos de diseño en la mente de las personas en objetos reales. Vale la pena mencionar en particular que todo el proceso de desarrollo de productos no requiere moldes ni equipos de proceso, lo que acorta en gran medida el ciclo de producción de prueba de prototipos y nuevos productos y se convierte rápidamente en un medio y una herramienta importantes para mejorar la competitividad de las empresas. El cuestionario de Internet publicado por INCAST 2004 (11) muestra que más del 93% de los más de 400 fabricantes de fundición a la cera perdida en Europa han utilizado la creación rápida de prototipos. Todos los entrevistados coinciden en que el uso de esta nueva tecnología es fundamental para acelerar nuevos productos. Es muy importante desarrollar y mejorar la capacidad de las empresas para responder rápidamente al mercado.

La aplicación de métodos comunes de creación rápida de prototipos en la fundición por inversión

La aplicación de la tecnología de creación rápida de prototipos en la fundición por inversión incluye principalmente los siguientes aspectos:

1.Haz una inversión

Al hacer patrones, la máquina de creación rápida de prototipos no solo puede ingresar modelos geométricos tridimensionales establecidos por otro software CAD, sino que también puede recibir archivos de datos escaneados por CT industrial (tomografía computarizada). Por ejemplo, primero escanee la pieza (hélice, Figura 12-1a) a través de CT para obtener una imagen bidimensional de su sección transversal (Figura 12-1b). Posteriormente, el software de procesamiento de imágenes combina las imágenes bidimensionales de cada sección (Figura 12-1c) para formar un modelo geométrico tridimensional (Figura 12-1d). Luego envíelo a la máquina de creación rápida de prototipos para hacer un patrón (Figura 12-1e) [2]. Este método de ingeniería de restauración (inversa) no solo puede restaurar partes de máquinas, sino también imitar ciertos órganos humanos.

2. Fabricación de moldes (moldeo por compresión) y otros equipos de proceso.

Hay dos métodos para hacer moldes de fundición de precisión mediante la creación rápida de prototipos: uno es hacer un molde maestro primero y luego rehacer el perfilado de caucho de silicona o epoxi; el otro método consiste en utilizar el bloque de perfilado tridimensional generado en el sistema CAD. El modelo geométrico se introduce directamente en la máquina de creación rápida de prototipos para fabricar moldes de resina. Este tipo de perfilado es adecuado principalmente para la producción de lotes pequeños (decenas de piezas). Si se rocía una capa de metal de aproximadamente 2 mm de espesor sobre la superficie del molde maestro, y luego se llena con resina epoxi para hacer un perfil compuesto de metal-epoxi, puede cumplir con los requisitos para producir cientos de piezas fundidas de precisión. Cuando se usa el método SLS, por ejemplo, el objeto de procesamiento se cambia de polvo de resina a polvo de acero con una capa delgada de resina termoendurecible en la superficie, sinterizado con láser para formar un compacto y luego disparado para eliminar la resina y finalmente el líquido de cobre. se infiltra en los poros del compacto. El perfilado resultante es similar al del metal en términos de resistencia y conductividad térmica. Además, la tecnología de creación rápida de prototipos también se puede utilizar para hacer ciertos moldes de formas irregulares.

3. Producción directa de piezas de fundición

A principios de la década de 1990, el Laboratorio Nacional Sandiana en los Estados Unidos llevó a cabo un estudio especial llamado Fast Casting (FastCAST), que se denominó Direct Shell Casting (DSPC). Desafortunadamente, hay muy pocos informes posteriores.

En 1994, Z Corporation de los Estados Unidos desarrolló con éxito la tecnología de impresión 3D Impresión 3D. La tecnología fue originalmente inventada y patentada por el profesor Ely Sachs del Instituto de Tecnología de Massachusetts. El principio básico es similar al método SLS. Primero, se rocía una capa de material refractario o polvo plástico con un rodillo. La diferencia con SLS es que en lugar de accionar un cabezal emisor de láser, acciona un cabezal de impresión de inyección de tinta para rociar pegamento para "imprimir" de acuerdo con la forma de la sección transversal del producto. Repita las acciones anteriores hasta que se completen las piezas, por lo que se denomina 'tecnología de impresión 3D'. Sus ventajas son los bajos costos de operación y materiales, y alta velocidad. Si el polvo rociado es un polvo mixto de yeso y cerámica, se puede convertir directa y rápidamente en un molde (molde de yeso) para fundir aluminio, magnesio, zinc y otras piezas fundidas de aleaciones no ferrosas, llamado ZCast (Figura 12-2) .

Comparación de los efectos de aplicación de los métodos de creación rápida de prototipos más utilizados 

En la actualidad, los métodos de creación rápida de prototipos más populares en la producción real incluyen la litografía tridimensional (SLA), la sinterización selectiva por láser (SLS), la deposición por fusión (FDM), la fabricación de laminados (LOM) y la fundición directa en molde (DSPC). Espere. En los últimos años, muchas instituciones de investigación extranjeras han comparado los métodos anteriores en términos de la calidad de los patrones de producción y el desempeño en el casting de inversión. Los resultados son los siguientes:

• 1) El método SLA tiene la mayor precisión dimensional del patrón, seguido de SLS y FDM, y el método LOM es el más bajo [4].
• 2) Rugosidad de la superficie del patrón La superficie del patrón se pule, se termina y se mide con un medidor de rugosidad de la superficie. Los resultados se muestran en la Tabla 12-1 [4]. Se puede ver que la rugosidad de la superficie es más fina con los métodos SLA y LOM, y el método FDM es el más grueso.
• 3) La capacidad de reproducir partes finas La capacidad de estos cuatro métodos para reproducir partes finas se investigó con un bastidor con un paso de dientes de aproximadamente 3 mm como objeto. Como resultado, SLA es el mejor y FDM es el peor [4].
• 4) Rendimiento en la fundición por inversión Entre los cuatro métodos anteriores, el producto en sí es un método de molde de cera (como FDM o SLS), que puede adaptarse fácilmente a los requisitos del proceso de fundición por inversión y sin duda funciona mejor. Aunque los patrones de resina o papel también se pueden quemar, no son tan fáciles de adaptar a los requisitos de la fundición a la cera perdida como los moldes de cera. Se necesitan mejoras continuas para evitar desventajas.

Comparación de la rugosidad superficial de los patrones.

Desde un punto de vista general, aunque el método SLA tiene alguna incompatibilidad con el proceso de fundición por inversión, es popular debido a su buena precisión dimensional y calidad de superficie. En países extranjeros, especialmente en las industrias aeroespacial y militar, las empresas de fundición a la inversión se utilizan ampliamente. Aunque la calidad del método SLS es ligeramente inferior a la del SLA, es fácil de adaptar a los requisitos del proceso de fundición a la cera perdida. Por lo tanto, cada vez se utilizan más aplicaciones en la fundición de inversión nacional. Aunque el método FDM es el más fácil de adaptar a los requisitos del proceso de fundición a la cera perdida, la precisión dimensional y la calidad de la superficie de los moldes de cera no son satisfactorias; mientras que el método LOM es de calidad aceptable, pero es difícil de adaptar a la fundición a la cera perdida. Por lo tanto, es difícil adaptarse a la fundición a la cera perdida. La promoción y aplicación de los dos métodos en la fundición a la cera perdida están sujetas a ciertas restricciones.

Nuevos desarrollos en la aplicación de SLA y SLS en Investment Casting

1. Nueva resina fotopolimerizable

El método SLA se comercializó ya en 1987. Originalmente se usó para hacer modelos físicos y prototipos con ciertas funciones. A principios de la década de 1990, el software QuickCast de 3D System Inc en los Estados Unidos se desarrolló con éxito, lo que permitió que la máquina de creación rápida de prototipos SLA produjera una estructura en forma de panal (Figura 12-3a) sin dejar de mantener una apariencia suave y densa (Figura 12 -3b), no solo ahorra el 90% de los materiales de moldeo, sino que también cuando se dispara el proyectil, el patrón primero colapsa hacia adentro sin romper el caparazón. Además, la gente descubrió gradualmente que las resinas fotopolimerizables para la fabricación de moldes también deben cumplir los siguientes requisitos especiales:

• Viscosidad: si la viscosidad de la resina es demasiado alta, será difícil drenar la resina restante en la cavidad después de hacer el patrón. Si hay demasiada resina residual, aún puede romper la cáscara durante el horneado, por lo que a menudo es necesaria la separación centrífuga. Medidas. Además, la superficie del patrón terminado también es difícil de limpiar.
• Cenizas residuales: este es quizás el requisito más importante. Si la ceniza residual después de que se hornea la cáscara, causará inclusiones no metálicas y otros defectos en la superficie de la fundición.
• · Contenido de elementos de metales pesados: esto es particularmente importante para las superaleaciones de fundición. Por ejemplo, el antimonio es un elemento relativamente común en las resinas fotopolimerizables SLA. Si aparece en la ceniza residual después de que se cuece el proyectil, puede contaminar la aleación e incluso hacer que se deseche la pieza fundida.
• Estabilidad dimensional: el tamaño del patrón debe permanecer estable durante toda la operación. Por esta razón, la baja absorción de humedad de la resina también es muy importante.

En los últimos años, DSM Somos de los Estados Unidos ha desarrollado con éxito un nuevo tipo de resina fotopolimerizable Somos 10120, que cumple con los requisitos principales mencionados anteriormente y es bastante favorecido por los fabricantes de fundición a la cera perdida. Este nuevo producto ha sido colado en tres plantas de fundición de precisión diferentes en tres aleaciones (aleación de aluminio, titanio y cobalto-molibdeno), obteniendo resultados satisfactorios.

2. Utilice el modelo SLA para la producción de lotes pequeños

Hay dos cuestiones principales a considerar en la producción de lotes pequeños de piezas de fundición de precisión utilizando patrones SLA: una es la precisión dimensional que pueden lograr el patrón y la fundición, y la otra es si el costo de producción y el tiempo de entrega tienen ventajas. Varias plantas de fundición de precisión en los Estados Unidos, como Solidiform, Nu-Cast, PCC y Uni-Cast, han utilizado patrones SLA para fundir cientos de fundiciones. Después de la medición real del tamaño de la pieza fundida, el análisis estadístico muestra que se utiliza la nueva resina fotopolimerizable 11120 desarrollada por DSM Somos. Con la tecnología QuickCast, el patrón SLA resultante tiene una desviación de tamaño de no más del 50% del valor de tolerancia de fundición. El tamaño de la mayoría de las piezas fundidas cumple con los requisitos de tolerancia y la tasa de aprobación es superior al 95% (Figura 12-4) [7].

Aunque el costo de hacer un patrón SLA es mucho más alto que el de hacer el mismo molde de cera, y lleva más tiempo, no hay necesidad de diseñar y fabricar el perfilado. Por lo tanto, cuando se produce una sola pieza en lotes pequeños, el costo y el tiempo de entrega siguen siendo ventajas. Cuanto más complejo sea el casting, más obvia será esta ventaja. Tome la fundición de precisión de aviación de forma compleja producida por Nu-Cast como ejemplo (Figura 12-5) [7], el costo de fabricación del molde es de aproximadamente 85,000 dólares estadounidenses, se producen 4 moldes de cera todos los días y el costo de cada cera molde (incluidos materiales y mano de obra) 150 USD. Si se adopta el método SLA, cada modelo SLA cuesta 2846 dólares estadounidenses, pero no hay necesidad de diseñar y fabricar moldes. A partir de este cálculo, si la producción es inferior a 32 piezas, el costo de usar moldes SLA es menor que el de los moldes de cera; si hay más de 32 piezas, el costo es más alto que los moldes de cera (Figura 12-6); con moldes de cera, se necesitan de 14 a 16 semanas para diseñar y fabricar moldes, y el molde SLA no requiere un molde. Por lo tanto, si la producción es inferior a 87 piezas, utilizando moldes SLA, la entrega de piezas fundidas es más rápida que los moldes de cera (Figura 12-7). Pero más de 87 piezas, el molde de cera es más rápido [7]. Otro factor que debe tenerse en cuenta es que si se utiliza un molde de cera, cuando se actualiza el producto, es necesario volver a hacer el molde, lo cual es costoso; mientras que con la apariencia SLA, todo lo que se necesita hacer es cambiar el modelo geométrico CAD, que es mucho más fácil y rápido que volver a hacer el molde. .

3. Patrón de cera impregnada en polvo de poliestireno sinterizado SLS

SLS utilizó inicialmente un láser para sinterizar un polvo de cera especial en un molde de cera, que es muy adecuado para las características del proceso de fundición a la cera perdida. Ya a fines de 1990, había más de 50 fundiciones en los Estados Unidos, produciendo alrededor de 3000 moldes de cera y fundiéndolos con éxito. Produce una variedad de fundiciones de metal. Sin embargo, el polvo de cera no es el material de moldeo más ideal. La resistencia del molde de cera hecho con él es insuficiente, y es fácil de ablandar y deformar cuando la temperatura es alta, y es fácil de romper cuando la temperatura es baja. Por lo tanto, a principios de la década de 1990, algunos usuarios de SLA en los Estados Unidos intentaron reemplazar el polvo de cera con polvos termoplásticos como poliestireno (PS) o policarbonato (PC). Este tipo de material adquiere una forma suelta y porosa (la porosidad es superior al 25%), lo que reduce el riesgo de hinchamiento y agrietamiento de la carcasa durante el desmoldeo. Después de que se dispara el proyectil, el contenido de cenizas es menor, pero la superficie del patrón es rugosa. Por lo tanto, después de hacer el patrón, es necesario encerarlo y pulirlo a mano para que la superficie sea suave y densa. En la actualidad, este método se ha utilizado ampliamente en el país y en el extranjero.

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