Odlewanie inwestycyjne - Investment casting

W przypadku odlewania metodą traconego wosku w sztuce zobacz Odlewanie traconego wosku .
Osłona wlotowo-wylotowa zaworu do elektrowni jądrowej wykonana metodą odlewania inwestycyjnego

Odlewanie metodą traconego wosku jest procesem przemysłowym opartym na odlewaniu metodą traconego wosku , jednej z najstarszych znanych technik formowania metalu. Termin „odlewanie z traconego wosku” może również odnosić się do nowoczesnych procesów odlewania metodą traconego wosku.

Odlewy inwestycyjne są stosowane w różnych formach od 5000 lat. W swoich najwcześniejszych formach wosk pszczeli był używany do tworzenia wzorów niezbędnych do procesu odlewania. Obecnie do wykonywania modeli stosuje się zwykle bardziej zaawansowane woski, materiały ogniotrwałe i stopy specjalistyczne. Odlewanie metodą traconego wosku jest cenione za zdolność do wytwarzania elementów z dokładnością, powtarzalnością, wszechstronnością i integralnością z różnych metali i stopów o wysokiej wydajności.

Delikatne wzory woskowe muszą wytrzymać siły występujące podczas wykonywania formy. Wiele wosku używanego do odlewania metodą traconego wosku można odzyskać i ponownie wykorzystać. Odlewanie traconej pianki to nowoczesna forma odlewania metodą traconego wosku, która eliminuje pewne etapy procesu.

Odlewanie metodą traconego wosku jest tak nazwane, ponieważ proces obtacza (otacza) wzór materiałem ogniotrwałym, aby wykonać formę, a stopiona substancja jest odlewana do formy. Materiały, które można odlewać, to stopy stali nierdzewnej, mosiądz, aluminium, stal węglowa i szkło. Wnęka wewnątrz formy ogniotrwałej jest dokładną kopią żądanej części. Ze względu na twardość użytych materiałów ogniotrwałych, odlewanie metodą traconego wosku może wytwarzać produkty o wyjątkowych właściwościach powierzchni, co może zmniejszyć potrzebę wtórnych procesów maszynowych.

Obecnie dwie podstawowe metody odlewania metodą traconego wosku to odlewanie szkła wodnego i zolu krzemionkowego . Główne różnice to chropowatość powierzchni i koszt odlewu. Metoda szkła wodnego odwoskuje się do wody o wysokiej temperaturze, a forma ceramiczna wykonana jest z piasku kwarcowego ze szkła wodnego. Metoda zolem krzemionkowym odparafinowuje się w płomieniu błyskowym, a piasek krzemowo-cyrkonowy tworzy ceramiczną formę. Metoda zolem krzemionkowym kosztuje więcej, ale ma lepszą powierzchnię niż metoda szkła wodnego.

Proces może być stosowany zarówno do małych odlewów o wadze kilku uncji, jak i dużych odlewów ważących kilkaset funtów. Może być droższy niż odlewanie ciśnieniowe lub odlewanie w piasku , ale koszty jednostkowe spadają przy dużych ilościach. Odlewanie metodą traconego wosku może wytwarzać skomplikowane kształty, które byłyby trudne lub niemożliwe w przypadku innych metod odlewania. Może również wytwarzać produkty o wyjątkowej jakości powierzchni i niskich tolerancjach przy minimalnym wymaganym wykańczaniu powierzchni lub obróbce.

Proces

Wzór woskowy użyty do stworzenia łopatki turbiny silnika odrzutowego

Odlewy mogą być wykonane z oryginalnego modelu woskowego (metoda bezpośrednia) lub z replik woskowych o oryginalnym wzorze, które nie muszą być wykonane z wosku (metoda pośrednia). Poniższe kroki opisują proces pośredni, który może potrwać od dwóch do siedmiu dni.

  1. Stwórz wzorcowy wzór : artysta lub wykonawca form tworzy oryginalny wzór z wosku , gliny , drewna , plastiku lub innego materiału. W ostatnich latach produkcja szablonów z wykorzystaniem druku 3D stała się popularna przy użyciu głównie żywicznych drukarek SLA lub DLP do szablonów o wysokiej rozdzielczości lub standardowego filamentu PLA, gdy nie są wymagane wysokie poziomy dokładności. Jeśli korzystasz z drukowanego wzoru 3D, przejdź bezpośrednio do kroku 5.
  2. Utwórz formę : Forma , znana jako matryca wzorcowa , jest dopasowana do wzorca wzorcowego. Jeśli wzorzec został wykonany ze stali, matrycę wzorcową można odlać bezpośrednio z wzorca przy użyciu metalu o niższej temperaturze topnienia. Gumowe formy można również odlewać bezpośrednio z wzorca. Alternatywnie matrycę wzorcową można obrabiać niezależnie — bez tworzenia wzorca wzorcowego.
  3. Wytwarzaj wzory woskowe : Chociaż nazywane wzorami woskowymi , materiały modelowe mogą również zawierać plastik i zamrożoną rtęć . Wzory woskowe można wykonać na dwa sposoby. W jednym procesie wosk wlewa się do formy i miesza, aż równomierna powłoka, zwykle o grubości około 3 mm (0,12 cala), pokryje wewnętrzną powierzchnię formy. Powtarza się to aż do osiągnięcia żądanej grubości wzoru. Inna metoda polega na wypełnieniu całej formy stopionym woskiem i pozostawieniu jej do ostygnięcia jako stałego przedmiotu.
    Jeśli wymagany jest rdzeń, istnieją dwie opcje: rozpuszczalny wosk lub ceramika. Rozpuszczalne rdzenie woskowe są zaprojektowane tak, aby wytapiały się z powłoki osłaniającej wraz z resztą wzoru woskowego; rdzenie ceramiczne są usuwane po stwardnieniu produktu.
  4. Składanie wzorów woskowych : Można tworzyć wiele wzorów woskowych i łączyć je w jeden duży wzór, który można odlać w jednym nalewaniu. W tej sytuacji wzory są dołączane do wylewki woskowej, aby utworzyć klaster wzorów lub drzewo. Do mocowania wzorów używa się narzędzia grzejnego, które delikatnie topi wyznaczone powierzchnie wosku, które następnie są dociskane do siebie i pozostawiane do ostygnięcia i stwardnienia. W drzewo można złożyć nawet kilkaset wzorów. Wzory wosku można także poszukiwane , co oznacza rozstanie linii lub obróbek wciera się z zastosowaniem ogrzewanego narzędzia do metalu. Na koniec wzory są ubierane (poprzez usuwanie niedoskonałości) tak, aby wyglądały jak gotowe kawałki.
  5. Stosowanie materiałów inwestycyjnych : matryca ceramiczna, znana jako inwestycji , jest wytwarzana przez powtarzania serii etapów powlekania, sztukatorstwo i utwardzania, aż do uzyskania żądanej grubości jest osiągnięty. Powlekanie polega na zanurzeniu grupy wzorów w zawiesinie drobnego materiału ogniotrwałego, a następnie odsączeniu w celu uzyskania jednolitej powłoki powierzchni. W tym pierwszym etapie stosuje się drobne materiały, zwane również powłoką podkładową , aby zachować drobne szczegóły z formy. Sztukateria nakłada grube cząstki ceramiczne poprzez zanurzanie wzorów w złożu fluidalnym , umieszczanie go w szlifierce deszczowej lub przez ręczne nakładanie materiałów. Utwardzanie umożliwia utwardzenie powłok. Czynności te są powtarzane, aż inwestycja osiągnie wymaganą grubość — zwykle od 5 do 15 mm (0,2 do 0,6 cala). Formy inwestycyjne pozostawia się do całkowitego wyschnięcia, co może zająć od 16 do 48 godzin. Schnięcie można przyspieszyć, stosując próżnię lub minimalizując wilgotność otoczenia. Formy osłaniające można również tworzyć, umieszczając grupy wzorów w kolbie, a następnie wylewając płynną masę osłaniającą od góry. Kolba jest następnie wibrowana, aby umożliwić ucieczkę uwięzionego powietrza i pomóc materiałowi osłaniającemu wypełnić wszelkie małe puste przestrzenie. Powszechnie stosowanymi materiałami ogniotrwałymi do wykonania inwestycji są: krzemionka, cyrkon, różne glinokrzemiany oraz tlenek glinu. Krzemionkę stosuje się zwykle w postaci topionej krzemionki , ale czasami stosuje się kwarc, ponieważ jest tańszy. Krzemiany glinu są mieszaniną tlenku glinu i krzemionki, gdzie powszechnie stosowane mieszaniny mają zawartość tlenku glinu od 42 do 72%; przy 72% tlenku glinu związek jest znany jako mulit . Podczas powłoki podstawowej (s), cyrkon -na ogniotrwałe są powszechnie stosowane, ponieważ cyrkonu jest mniej prawdopodobne, aby reagować z roztopionym metalem. Przed krzemionką stosowano mieszankę gipsu i zmielonych starych form ( szamot ). Spoiwa stosowane do utrzymywania materiału ogniotrwałego na miejscu obejmują: krzemian etylu (na bazie alkoholu i chemicznie utwardzaną), krzemionkę koloidalną (na bazie wody, zwaną również zolem krzemionkowym, utwardzaną przez suszenie), krzemian sodu i hybrydę tych kontrolowanych dla pH i lepkości .
  6. Usuwanie wosku : Po całkowitym utwardzeniu form ceramicznych są one odwracane do góry nogami i umieszczane w piecu lub autoklawie w celu stopienia i/lub odparowania wosku. Większość uszkodzeń powłoki pojawia się w tym momencie, ponieważ użyte woski mają współczynnik rozszerzalności cieplnej, który jest znacznie większy niż otaczający ją materiał osłaniający – gdy wosk jest ogrzewany, rozszerza się i wprowadza naprężenia. Aby zminimalizować te naprężenia, wosk jest podgrzewany tak szybko, jak to możliwe, aby zewnętrzne powierzchnie wosku mogły się szybko stopić i odsączyć, tworząc miejsce na rozszerzenie się reszty wosku. W niektórych sytuacjach przed podgrzaniem formy można wywiercić otwory, aby zmniejszyć te naprężenia. Każdy wosk, który wypłynie z formy, jest zwykle odzyskiwany i ponownie używany.
  7. Wstępne podgrzewanie wypalania : Forma jest następnie poddawana wypalaniu , które podgrzewa ją do temperatury między 870 °C a 1095 °C w celu usunięcia wilgoci i pozostałości wosku oraz spiekania formy. Czasami to ogrzewanie jest również używane do wstępnego podgrzania formy przed wylaniem, ale innym razem pozwala się na ostygnięcie formy, aby można ją było przetestować. Wstępne podgrzewanie pozwala metalowi dłużej pozostać płynnym, dzięki czemu może lepiej wypełnić wszystkie szczegóły formy i zwiększyć dokładność wymiarową. Jeśli formę pozostawi się do ostygnięcia, wszelkie znalezione pęknięcia można naprawić za pomocą zaczynu ceramicznego lub specjalnych cementów.
  8. Wylewanie : Forma osłaniająca jest następnie umieszczana otwartą stroną do góry w wannie wypełnionej piaskiem. Metal może być wlewany grawitacyjnie lub wymuszany przez zastosowanie dodatniego ciśnienia powietrza lub innych sił. Odlewania próżniowego , odlewanie nachylenia , nacisk wspomaga zalewania i odlewania odśrodkowego są sposoby, które wykorzystują dodatkowe siły i są szczególnie przydatne, gdy zawierają cienkie przekroje formy, które mogłyby być inaczej trudne do wypełnienia.
  9. Pozbawienia : Powłoka jest wybity, piaskowane nośnik , wibruje , waterjeted lub chemicznie rozpuszcza (niekiedy z ciekłym azotem ), aby zwolnić odlewu. Wlew jest odcinany i poddawany recyklingowi. Odlew może być następnie oczyszczony w celu usunięcia śladów procesu odlewania, zwykle przez szlifowanie .
  10. Wykończenie : Po szlifowaniu gotowy odlew jest następnie poddawany wykańczaniu. Zwykle idzie to dalej niż szlifowanie, ponieważ zanieczyszczenia i negatywy są usuwane za pomocą narzędzi ręcznych i spawania. W przypadku, gdy część wymaga dodatkowego prostowania, proces ten jest zwykle realizowany przez hydrauliczne prasy prostujące, które dostosowują produkt do jego tolerancji.

  • Osłonka inwestycyjna do odlewania wirnika turbosprężarki

  • Widok inwestycji wewnętrznej pokazuje gładkie wykończenie powierzchni i wysoki poziom szczegółowości

  • Ukończony przedmiot

Zalety

  • Doskonałe wykończenie powierzchni
  • Wysoka dokładność wymiarowa
  • Niezwykle skomplikowane części można odlewać
  • Odlać można prawie każdy metal
  • Brak błysku lub linii podziału
  • Efektywne wykorzystanie metalu
  • Mniej zagrożeń dla środowiska związanych z procesem odlewniczym

Niedogodności

Główną wadą jest ogólny koszt, zwłaszcza w przypadku produkcji krótkoseryjnych. Niektóre z powodów wysokich kosztów to specjalistyczny sprzęt, kosztowne materiały ogniotrwałe i spoiwa, wiele operacji związanych z wykonaniem formy, dużo pracy i sporadyczne drobne wady. Jednak koszt jest nadal niższy niż wyprodukowanie tej samej części poprzez obróbkę skrawaniem z półfabrykatów ; na przykład produkcja pistoletów przesunęła się na odlewanie inwestycyjne, aby obniżyć koszty produkcji pistoletów .

Dodatkowo:

  • Odlewanie przedmiotów wymagających rdzeni może być trudne.
  • Proces ten jest kosztowny, zwykle ogranicza się do małych odlewów i stwarza pewne trudności w przypadku rdzeni.
  • Otwory nie mogą być mniejsze niż 1/16 cala (1,6 mm) i nie powinny być głębsze niż około 1,5 raza średnicy.
  • Odlewy inwestycyjne wymagają dłuższych cykli produkcyjnych w porównaniu z innymi procesami odlewniczymi.
  • Istnieje wiele czynników procesowych, które wpływają na jakość formy i odlewu, dlatego system zarządzania jakością stanowi wyzwanie.

Odlewanie przeciwgrawitacyjne

Odmianą techniki odlewania grawitacyjnego jest napełnianie formy za pomocą próżni. Powszechną formą tego jest proces Hitchiner , od firmy Hitchiner Manufacturing Company, która wynalazła tę technikę. W tej technice forma ma rurę napełniającą skierowaną w dół, która jest opuszczana do stopionego materiału. Próżnia wciąga stopiony materiał do wnęki; gdy ważne części skrzepną, próżnia zostaje uwolniona, a niewykorzystany materiał opuszcza formę. W technice tej można użyć znacznie mniej materiału niż w przypadku wlewania grawitacyjnego, ponieważ wlew i niektóre przelewki nie muszą zestalać się.

Ta technika jest bardziej wydajna dla metalu niż tradycyjne odlewanie, ponieważ mniej materiału krzepnie w systemie bramkowania. Odlewanie grawitacyjne daje tylko 15 do 50% wydajności metalu w porównaniu do 60 do 95% w przypadku odlewania przeciwgrawitacyjnego. Jest również mniej turbulencji, więc system bramkowania można uprościć, ponieważ nie musi kontrolować turbulencji. Metal jest wyciągany spod górnej części basenu, dzięki czemu metal jest wolny od żużlu i żużlu (które mają mniejszą gęstość (lżejsze) i unoszą się do górnej części basenu). Różnica ciśnień ułatwia przepływ metalu do każdej misterności formy. Wreszcie można zastosować niższe temperatury, co poprawia strukturę ziarna.

Proces ten jest również stosowany do odlewania ceramiki ogniotrwałej pod nazwą odlewanie próżniowe .

Odlewanie próżniowe

Odlewanie próżniowe ( VPC ), właściwie określane jako bezpośrednie wylewanie wspomagane próżnią , wykorzystuje ciśnienie gazu i próżnię, aby poprawić jakość odlewu i zminimalizować porowatość . Typowo maszyny VPC składają się z górnej i dolnej komory – górnej komory lub komory topienia, w której znajduje się tygiel, oraz dolnej komory odlewniczej, w której znajduje się forma odlewnicza. Obie komory są połączone małym otworem zawierającym korek. W dolnej komorze zasysane jest podciśnienie, w górnej wywierane jest ciśnienie, a następnie usuwany jest korek. Powoduje to największą różnicę ciśnień podczas napełniania form. Najpopularniejszymi materiałami do odlewania próżniowego są stopy o wysokiej zawartości niklu i superstopy. Produkty do turbosprężarek są powszechnymi zastosowaniami w tym procesie odlewania, chociaż są one również regularnie wykorzystywane w produkcji biżuterii srebrnej i złotej.

Detale

Odlewanie metodą traconego wosku jest stosowane z prawie każdym metalem nadającym się do odlewania. Jednak najczęściej spotykane są stopy aluminium, stopy miedzi i stal. W zastosowaniach przemysłowych limity wielkości wynoszą od 3 g (0,1 uncji) do kilkuset kilogramów. Granice przekroju poprzecznego wynoszą od 0,6 mm (0,024 cala) do 75 mm (3,0 cala). Typowe tolerancje to 0,1 mm dla pierwszych 25 mm (0,005 cala na pierwszy cal) i 0,02 mm na każdy dodatkowy centymetr (0,002 cala na każdy dodatkowy cal). Standardowe wykończenie powierzchni to 1,3–4 mikrometry (50–125 μin) RMS.

Historia

Historia traconego wosku odlewania sięga tysięcy lat. Najwcześniej używano go do bożków , ozdób i biżuterii , do wykrojów używano naturalnego wosku pszczelego , gliny do form i ręcznie obsługiwanych miechów do pieców rozpalających. Przykłady zostały znalezione na całym świecie, takie jak idole cywilizacji Harappan (2500-2000 pne), egipskie grobowce Tutanchamona (1333-1324 pne), Mezopotamia , Azteków i Majów w Meksyku oraz cywilizacja Beninu w Afryce, gdzie proces wyprodukował szczegółową grafikę miedzi, brązu i złota.

Najwcześniejszy znany tekst opisujący proces odlewania metodą traconego wosku (Schedula Diversarum Artium) został napisany około 1100 r. przez Teofila Prezbitera , mnicha, który opisał różne procesy wytwarzania, w tym przepis na pergamin . Książka ta została wykorzystana przez rzeźbiarza i złotnika Benvenuto Cellini (1500-1571), który szczegółowo w swojej autobiografii proces odlewania on używany jako Perseusz z głową Meduzy rzeźbie, która stoi na Loggia dei Lanzi we Florencji , we Włoszech .

Odlewy inwestycyjne weszły do ​​użytku jako nowoczesny proces przemysłowy pod koniec XIX wieku, kiedy dentyści zaczęli używać go do wykonywania koron i wkładów, jak opisał Barnabas Frederick Philbrook z Council Bluffs w stanie Iowa w 1897 roku. Jego zastosowanie przyspieszył William H. Taggart z Chicago, którego artykuł z 1907 r. opisywał rozwój techniki. Opracował również mieszankę woskową o doskonałych właściwościach, opracował materiał osłaniający i wynalazł maszynę do odlewania pod ciśnieniem.

W latach czterdziestych II wojna światowa zwiększyła zapotrzebowanie na precyzyjne wytwarzanie kształtów siatki i specjalistyczne stopy , których nie można było kształtować tradycyjnymi metodami lub które wymagały zbyt dużej obróbki. Przemysł zwrócił się ku odlewom inwestycyjnym. Po wojnie jego zastosowanie rozprzestrzeniło się na wiele zastosowań komercyjnych i przemysłowych, w których używano skomplikowanych części metalowych.

Aplikacje

Prezentacja tytanowego integralnego satelity autobusu kosmicznego przez Planetary Resources w lutym 2014 r. Forma ofiarna do odlewu inwestycyjnego została wydrukowana w 3D z integralnym prowadzeniem kabli i toroidalnym zbiornikiem na paliwo pędne. Od lewej: Peter Diamandis , Chris Lewicki i Steve Jurvetson .

Odlewanie metodą traconego wosku jest stosowane w przemyśle lotniczym i energetycznym do produkcji łopatek turbin o skomplikowanych kształtach lub systemów chłodzenia. Ostrza wytwarzane przez odlewanie metodą traconego wosku mogą obejmować ostrza monokryształowe (SX), kierunkowo zestalane (DS) lub konwencjonalne ostrza równoosiowe.

Odlewanie metodą traconego wosku jest również szeroko stosowane przez producentów broni palnej do taniego wytwarzania odbiorników broni palnej, spustów, młotków i innych precyzyjnych części.

Karsten Solheim zrewolucjonizował projektowanie kijów golfowych za pośrednictwem swojej firmy PING , wprowadzając po raz pierwszy odlewanie inwestycyjne dla głów kijów. Szybko proces ten stał się standardem branżowym, aby umożliwić rozłożenie ciężaru na całym obwodzie główki kija.

Inne branże, w których stosowane są standardowe części odlewane metodą inwestycji to: wojsko, lotnictwo, medycyna, biżuteria, lotnictwo, motoryzacja i kluby golfowe, zwłaszcza od początku technologii druku 3D.

Wraz ze wzrostem dostępności drukarek 3D o wyższej rozdzielczości , drukowanie 3D zaczęto wykorzystywać do wytwarzania znacznie większych form protektorowych wykorzystywanych do odlewania metodą traconego wosku. Planetary Resources wykorzystało tę technikę do wydrukowania formy dla nowego małego satelity , która jest następnie zanurzana w ceramice, aby uformować odlew inwestycyjny tytanowego autobusu kosmicznego z integralnym zbiornikiem na paliwo i osadzonym prowadzeniem kabli.

Zobacz też

Bibliografia

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki