Nie tylko ZCast

Tworzenie form do bezpośredniego odlewania metali nieżelaznych przy użyciu technologii ZCast (patrz: „Szybkie i relatywnie tanie… wykonywanie odlewów” w: Design News nr 06(13)2006 nie jest jedynym sposobem zastosowania maszyn Z Corporation w przemyśle odlewniczym. Równie dobrze drukarki 3D można wykorzystać do tworzenia modeli potrzebnych do wyprodukowania prototypu metodą odlewania precyzyjnego. Technika ta pozwala na odlewanie przedmiotów także z żeliwa i staliwa, czego niestety nie można było wykonać przy pomocy ZCast-u

Metoda odlewania precyzyjnego znajduje najczęściej zastosowanie w odlewaniu drobnych, skomplikowanych części maszyn i urządzeń. Polega na wytworzeniu modelu z materiału nadającego się do wytopienia (np. wosk) lub wypalenia i połączenia go z układem wlewowym, który także jest wykonany z materiału łatwo ulegającego wytopieniu lub wypaleniu. Następnie model jest pokrywany naprzemiennie warstwą masy ceramicznej i piasku kwarcowego lub innym materiałem ceramicznym (np. molochitem, który stabilizuje wymiary i posiada większą wytrzymałość). Po jego wytopieniu forma jest wypalana w celu nadania jej odpowiedniej wytrzymałości. W przypadku stosowania modelu wykonanego maszyną Z Corporation proces jego wypalania jest równoczesny z wypalaniem formy i nabieraniem przez nią wytrzymałości, która po tej operacji jest gotowa do zalania.

Stosowanie drukarek 3D zastępuje tradycyjne tworzenie modelu woskowego i pozwala na eliminację czasochłonnego etapu wykonywania oprzyrządowania potrzebnego do jego uzyskania. Model jest bowiem bezpośrednio wydrukowany przez maszynę Z Corporation, co zapewnia oszczędności czasowe rzędu nawet 3–4 tygodni przy produkcji prototypu. Wykorzystanie znajduje proszek zp14, którego głównym składnikiem jest celuloza. Z doświadczeń firmy Car Technology z Krakowa wynika, że po pokryciu wzorca masą ceramiczną model stworzony przy pomocy drukarki można wypalić w temperaturze ok. 900°C (najlepiej w otoczeniu bogatym w tlen). Po wykonaniu tej operacji w formie zostaje około 1% popiołu, który jest wydmuchiwany sprężonym powietrzem z jej wnętrza. Przy projektowaniu wzorca (modelu) należy wziąć pod uwagę, iż powinien mieć kształt odlewanego elementu, zaś jego wymiary winny uwzględniać: skurcz modelu, rozszerzenie formy podczas jej wypalania oraz skurcz stopu, z którego będzie wykonany odlew (sumaryczna wartość skurczu wynosi około 2%). Proces wypalania ma tę przewagę nad wytapianiem, że nie prowadzi do zbytniego rozszerzania formy i nie powoduje jej pękania. Czas wypalenia zależy od objętości modelu oraz cyrkulacji powietrza.

Maszyny Z-Corporation na szeroką skalę wykorzystuje firma Ford Motor Company. Gdy potrzebowała w okresie 4 tygodni, a więc praktycznie niemożliwym, stworzyć aluminiowe wsporniki, wtedy firma Z-Corporation dowiodła, że jej technologia pozwala podołać takiemu zadaniu. Wzorce z proszku zp14 zostały wykonane w zaledwie kilka godzin, a następnie wysłane do odlewni aluminium. Wszystkie części odznaczały się wysoką jakością powierzchni i brakiem deformacji. Model woskowy wspornika oraz odlany prototyp przedstawia rys.1.

Kolejną spośród udanych prac badawczo – rozwojowych firmy Z Corporation w budowaniu dla Ford Motor Company wzorców do odlewania metodą traconego materiału było stworzenie obudowy dyferencjału dla nowego modelu samochodu. Część ta swoimi gabarytami (260 x 240 x 290 [mm]) przekraczała znacznie rozmiary przestrzeni roboczej drukarki (w przypadku modelu Z402, który nie jest już produkowany). Model CAD obudowy podzielono na trzy części, a każda z nich była drukowana w osobnej maszynie, co w sumie zajęło 15 godzin. Następnie wszystkie fragmenty zostały zmontowane w całość. Na końcu ręcznie dodano odpowiednie promienie odlewnicze.

Umieszczone na sąsiedniej stronie zdjęcia przedstawiają wydrukowany wzorzec (rys. 2a) oraz ostateczny odlew obudowy dyferencjału (rys. 2b).

Skrócenie czasu dzięki zastosowaniu technologii wydruku 3D (zamiast użycia standardowej metody tworzenia modeli, oprzyrządowania oraz rdzennic do wykonania form i rdzeni) pozwoliło firmie Ford bez problemu wykonać zadanie w wymaganym terminie. Od tej pory firma kontynuuje współpracę z Z Corporation, dzięki czemu otrzymuje odlewane części najszybciej, jak to tylko jest możliwe. Wykonywanie modeli cząstkowych i ich precyzyjne łączenie rozszerza zakres zastosowania odlewania precyzyjnego nie tylko do odlewów małych, ale i do takich o większych wymiarach.

Zalety technologii Z Corporation potwierdzają również niezależne badania na temat użycia metod Rapid Prototyping w produkcji modeli do odlewania metodą odlewania precyzyjnego przeprowadzone przez Centrum Lotów Kosmicznych Marshall NASA (Raport APPLICATION OF RAPID PROTOTYPING TO INVESTMENT CASTING OF TEST HARDWARE, czerwiec 2000).

Przetestowano następujące technologie:

• DTM Corp. selective laser sintering (SLS)
• Stratasys fused deposition modeling (FDM)
• 3D Systems stereolithography (SLA)
• Helisys laminated object manufacturing (LOM)
• Sanders Model Maker II (MM2)
• Z-Corp three-dimensional printing (3DP).

Modelem CAD użytym jako wzorzec do badań była obudowa pompy paliwa Fastrac 60K (rys.3.). Wszystkie modele testowano w identycznych warunkach laboratoryjnych przy użyciu takich samych technik tworzenia form ceramicznych, wypalania oraz odlewania. Rysunek nr 4 prezentuje odlane prototypy wykonane przy zastosowaniu różnych metod RP po operacji oczyszczania.

Aby ocenić jakość wytworzonych modeli, przeprowadzono analizy wymiarowe prototypów. Zamieszczona poniżej tabela 1. przedstawia wyniki uzyskane przez wydruk w technologii Z Corporation. Według raportu: „Wydrukowany model 3D był czysty, porównywalny z tradycyjnym modelem woskowym. Jakość powierzchni oscylowała w granicach Ra5, ze śladowymi wtrąceniami na powierzchni oraz jamami skurczowymi. Było oczekiwane z powodu ekonomicznej przewagi procesu wydruku 3D, że odlewy będą w jakiś sposób gorszej jakości niż w przypadku droższych technologii, co tylko w części pokryło się z prawdą”. Zdjęcie modelu Z Corporation po operacji pokrycia formą ceramiczną przedstawia rysunek nr 5.

TABELA.2. Sumaryczne koszty związane z budową odlewanego prototypu

Oprócz badania jakości odlewów oraz ich analizy wymiarowej oszacowano również sumaryczne koszty stworzenia prototypu (tabela 2) w porównaniu do kosztów wykonania go przy pomocy tradycyjnej formy piaskowej czy też metalowej (tabela umieszczona na stronie www.designnews.pl). Dodatkowo obliczono czas potrzebny do powstania odlewu. W obydwu kategoriach (koszty i czas) najlepsze wyniki osiągnęła technologia wydruku 3D firmy Z Corporation (3DP-Z). Koszt wytworzenia prototypu tą metodą wyniósł 1116 $ (kolejna pod tym względem technologia – koszt 1616 $). Odlew był już gotowy w ciągu 5,3 godziny (najlepsze konkurencyjne rozwiązanie wymaga aż 11 godzin). W wyniku badań zastosowania technologii Rapid Prototyping w odlewaniu metodą traconego materiału stwierdzono, iż modele stworzone przy użyciu wydruku 3D pozwalają na szybkie i niedrogie otrzymanie odlewów.

Zarówno dobre efekty uzyskiwane w pracach badawczo-rozwojowych firmy Ford, jak i wyniki osiągnięte w niezależnych testach NASA potwierdziły, że technologia Z Corporation może znaleźć szerokie zastosowanie w odlewaniu precyzyjnym. 

Autor jest konstruktorem/specjalistą

ds. Rapid Prototyping w Car Technology

Autor: PIOTR CABAJ