Produkcja prototypowych odlewów przy użyciu tradycyjnych metod często zajmuje wiele tygodni. Dodatkowo koszty wytworzenia mogą spowodować, że dla wielu firm wykonanie takiego modelu może być nieosiągalne finansowo. Ograniczenia te albo zmniejszają, albo nawet uniemożliwiają produkcję metalowych prototypów podczas procesu rozwojowego
Proces ZCast oferuje możliwość znacznego ograniczenia czasu i jednoczesnego zredukowania kosztów wymaganych do uzyskania metalowych odlewów. Konkretne oszczędności zarówno czasowe, jak i pieniężne, będą zależały od wielkości i złożoności pożądanej części, ale w każdym przypadku przybiorą znaczne wartości. Dla wielu części odlewy mogą być wytworzone w bardzo krótkim czasie, tj. 1–2 dni. Dzięki procesowi ZCast można wyprodukować te bardziej złożone, które dotychczas przy użyciu tradycyjnych metod były trudne do wykonania.
Technologia ZCast pozwala na bezpośrednie odlewanie metali w formach wykonanych przy pomocy drukarki ZCorporation. W tradycyjnej metodzie, aby stworzyć formę piaskową, potrzebny jest model, który następnie zostaje odbity w masie formierskiej. Z kolei odlewanie metodą traconego materiału wymaga zastosowania modelu woskowego w celu stworzenia formy ceramicznej. Natomiast dzięki procesowi ZCast można ominąć ten etap produkcji odlewów, co wpływa znacząco na redukcję kosztów i czasu wytworzenia prototypu. Tabela 1 przedstawia przykładowy czas wykonania formy prototypowej. Warto zwrócić uwagę, że czas tworzenia formy przy stosowaniu ZCast to jedynie około kilku godzin, natomiast przy użyciu metody tradycyjnej – nawet kilka tygodni!
TABELA 1. Porównanie czasu tworzenia form przykładowych odlewów
|
Część |
wymiary(cale) |
Czas tworzenia formy przy pomocy ZCast |
Czas tworzenia formy metodą tradycyjną |
|
Korpus zaworu |
8,3 x 6 x 3 |
4 godziny |
3 tygodnie |
|
Przekładnia ślimakowa |
5,8 x 4,8 x 4,5 |
6,5 godziny |
3 tygodnie |
|
Mały kolektor |
7,1 x 4,4 x 2,5 |
3,5 godziny |
3 tygodnie |
Jak działa technologia wydruku 3D?
Dane CAD w postaci pliku STL (można go wyeksportować nieomal w każdym oprogramowaniu wspomagającym projektowanie) są wysłane do programu sterującego drukarką. Oprogramowanie to „tnie” model geometryczny na tysiące cienkich warstw i tworzy jego przekroje poprzeczne. Głowica maszyny nakłada lepiszcze na powierzchnię proszku tylko w tym miejscu, w którym w przekroju poprzecznym znajduje się materiał. Później nałożona zostaje kolejna warstwa proszku
i „drukowany” jest następny przekrój poprzeczny danych CAD. I tak w sposób przyrostowy powstaje gotowy model fizyczny.
Proszek ZCast 501 (jeden z wielu rodzajów proszków stosowanych przez Z Corporation) jest mieszanką tradycyjnej masy formierskiej (czyli piasku), gipsu oraz innych składników, które służą do odlewania aluminium oraz innych niskotemperaturowych materiałów jak: cynk lub magnez (maksymalna temperatura zalewania formy to 1100°C). W tabeli 2 przedstawiona została lista stopów odlewniczych, które pozytywnie W tabeli 2 przedstawiona została list stopów odlewniczych, które pozytywnie przetestowano podczas badań nad odlewami w formach ZCast.
TABELA 2. Przetestowane i zaaprobowane materiały odlewnicze
|
Stop |
Temperatura odlewania |
Temperatura topnienia |
|
Aluminium 319 |
1250°F–1450°F (675°C–785°C) |
1120°F (605°C) |
|
Aluminium 356 |
1250°F–1450°F (675°C–785°C) |
1135°F (610°C) |
|
Aluminium 390 |
1250°F–1450°F (675°C–785°C) |
1156°F (625°C) |
|
Brąz krzemowy |
1900°F–2150°F (1035°C–1175°C) |
1880°F–1940°F (1025°C–1060°C) |
|
Brąz fosforowy |
1900°F–2150°F (1035°C–1175°C) |
1830°F–1970°F (1000°C–1075°C) |
|
Brąz aluminiowy |
1900°F–2250°F (1035°C–1230°C) |
1915°F–1930°F (1045°C–1055°C) |
|
Mosiądz |
1900°F (1035°C) |
1850°F (1010°C) |
|
Cynk |
750°F–800°F (400°C–425°C) |
1090°F (585°C) |
|
Magnez |
1400°F–1500°F (760°C–815°C) |
łatwopalny |
W procesie ZCast możemy zastosować trzy metody tworzenia form:
a) metoda bezpośredniego zalewania:
Polega na wykonaniu przy użyciu drukarki 3D całej formy i/lub rdzenia w materiale ZCast. W tej metodzie zużyte zostają spore ilości proszku, ale w zamian otrzymujemy gotową formę do odlania detalu. Proces ten pozwala zatem zaoszczędzić znaczne ilości czasu. Stworzenie tego rodzaju formy wymaga od konstruktora znajomości zagadnień odlewniczych, gdyż w modelu CAD musi się uwzględnić również system wlewowo-zasilający oraz wentylacyjny.
b) metoda skorupowa
Polega na stworzeniu tylko cienkiej formy skorupowej (grubości 12,5 mm), która otacza zaprojektowaną część. Skorupa jest obsypana tradycyjnym piaskiem odlewniczym w skrzynce formierskiej w celu stworzenia formy gotowej do zalania. Trud zaprojektowania systemu wlewowozasilającego i wentylacyjnego spada na… odlewnię. Metoda ta pozwala na zminimalizowanie ilości zużytego materiału ZCast i jest szczególnie odpowiednia do tworzenia form, które są za duże, aby zmieściły się w przestrzeni roboczej drukarki.
c) Metoda łączona
Metoda ta sprowadza się do wykonania rdzeni z materiału ZCast i użyciu ich w połączeniu z formą piaskową, która może być wytworzona metodami tradycyjnymi. Jednak aby zminimalizować czas odlewania, modele do formowania mogą powstać dzięki drukarce 3D Z Corporation przy użyciu proszków z serii zp100. Należy pamiętać, że ważną sprawą jest zapewnienie podczas projektowania formy poprawnej technologii w tym:
• równomiernego i spokojnego zalewania wnęki formy
• odpowiedniego zasilenia węzłów cieplnych w odlewie
• odpowiedniego krzepnięcia i stygnięcia odlewu w formie
• poprawnej wentylacji formy
Wiedza na temat konwencjonalnych metod tworzenia form piaskowych znajduje zatem zastosowanie także podczas wykonywania form z materiału ZCast. Niektóre z właściwości proszku (większa gazotwórczość w porównaniu z formą piaskową) wymagają, aby dużą uwagę skupić na odpowiedniej wentylacji. Właściwości lekkich metali np. aluminium i magnezu sprawiają, że są one szczególnie wrażliwe na działanie takich czynników jak: powietrze, para wodna i gazy powstające podczas procesu zalewania. Metale te charakteryzują się dużą kurczliwością tak w fazie krzepnięcia jak i stygnięcia, dlatego należy zwrócić na to baczną uwagę podczas odlewania. Dodatkowo układ wlewowy powinien zapewniać jak najmniejszą turbulencję podczas operacji zalewania.
Odlane części cechują się jakością powierzchni oraz tolerancją wykonania porównywalną do tych osiąganych przy zastosowaniu tradycyjnych metod odlewania z użyciem form piaskowych.
• Minimalna grubość ścianki odlewu: 3mm
• Dokładność odlewu: +/-.015” (0.38mm) tolerancja jak dla form piaskowych
• Chropowatość powierzchni odlewu: – Ra10 – Ra5 bez dodatkowych środków poprawiających jakość powierzchni formy – Ra2.5 po nałożeniu środków poprawiających (np. cienkiej warstwy silikonu lub innego materiału odpornego na wysokie temperatury)
• Minimalna grubość rdzenia: 3,5–4mm
Odlewy mają takie same właściwości eksploatacyjne (wytrzymałość, wydłużenie, twardość) jak te wykonane metodami tradycyjnymi, zatem z łatwością można je poddawać obróbce mechanicznej i stosować jako pełnowartościowe części w opracowywanych prototypach lub jako elementy zamienne, które uległy uszkodzeniu w eksploatowanych urządzeniach.
W tabeli nr 3 znajduje się zestawienie informacji na temat rozmaitych metod tworzenia prototypowych odlewów. Na jej podstawie można stwierdzić, że spośród obecnie dostępnych technologii proces ZCast jest jednym z najlepiej nadających się do produkcji jednostkowej prototypów, ponieważ charakteryzuje się niskim kosztem, krótkim czasem realizacji i wreszcie – możnością wykonania skomplikowanych kształtów oraz ich łatwej zmiany przy zachowaniu jakości odlewu porównywalnej do osiąganej w klasycznej masie formierskiej.
Autor jest konstruktorem/specjalistą
ds. Rapid Prototyping w CarTechnology
Autor: PIOTR CABAJ
