Откройте ценность: почему инвестиционное литье дает превосходную точность и качество

Выплавляемые восковые модели создают прецизионные изделия с более тонкими поверхностями.

Что такое инвестиционное литье?

Инвестиционное литье, часто называемое «lost-wax» (выплавляемый воск), использует расходный формообразовательный процесс для создания сложных изделий с исключительно тонкими поверхностями. Это прецизионная техника благодаря универсальности, которой можно достичь в дизайне формы. Песчаные модели должны быть разделены пополам, и внутренние сердечники должны поддерживаться внутри закрытой разделённой формы. Инвестиционные формы можно делать практически любой формы, которую можно вырезать воске и покрыть покрытием. Процесс и форма дороже, но производимые изделия могут быть более сложными и точными. Поверхность всех металлических литьев отражает материалы, в которые они литы. Песчаные литья поэтому имеют бугристую текстуру. Инвестиционные литья могут выходить из формы с более гладкой отделкой.

Каковы распространенные продукты инвестиционного литья?

Продукты инвестиционного литья часто встречаются как операционные детали прецизионных машин. В автомобиле, например, блок двигателя может быть песчано литым. Вентиляторы, кулачки и другие детали со сложной формой, особенно те, что движутся и нуждаются в тонких поверхностях, часто литуют инвестиционным методом.

Инвестиционное литье также часто для высокодетализированной статуэток, ювелирных изделий или других декоративных предметов с очень тонкими деталями и гладкими поверхностями.

Процесс инвестиционного литья

Процесс требует расходной модели (обычно восковой), керамического формообразующего материала, печи и литейного процесса для плавки металлов и наполнения форм.

Расходные или восковые модели

Модель — точная реплика конечного изделия. Парадоксально, но модель делают заливкой воска в впрыскную форму, часто из алюминия или стали. Эти формы могут быть механически обработаны, 3D-напечатаны или даже вырезаны вручную. Создание каждой детали этими процессами было бы дороже, чем создание формы и переход к литейному процессу. Lost-wax литье дороже песчаного, но всё еще способно масштабироваться для высокооборотного промышленного производства. После создания впрыскной формы восковые модели можно делать быстро и в больших объемах, так как им требуется минимальное время на охлаждение и затвердевание.

Сборка моделей (Pattern assemblies)

После формирования восковые модели собирают в дерево, или литейную систему, позволяющую лить несколько изделий одновременно. Дерево формируется из ряда вливок и вливных конусов, также из твердого воска. Эти твердые восковые ветви в конечном итоге образуют полые каналы, по которым расплавленный металл формирует каждое конечное изделие. Деревья должны собираться тщательно для обеспечения качественных изделий и эффективных рабочих процессов. В зависимости от оборудования площадки и размера изделия, много моделей можно собрать в одно дерево для массового производства. Крупные изделия также можно лить по отдельности.

Керамическая «инвестиционная» форма

После сборки дерева его окунают в жидкую керамическую ванну. Керамика покрывает всё дерево и оставляют высыхать. Эти ванны повторяют несколько раз, позволяя каждому слою отвердеть, пока не создастся толстая форма. Затем дерево нагревают для плавления воска, который полностью вытекает из формы. После удаления воска форму нагревают до более высокой температуры и разливают расплавленный металл внутрь, заполняя полости, ранее занятые восковой моделью. Процесс нанесения керамического шлама называется «инвестиционным» аспектом инвестиционного литья.

Удаление формы (Mold removal)

После охлаждения и затвердевания металла керамическую форму ломают, чтобы открыть литые изделия. Вливки и вливные конусы удаляют, затем применяют дополнительные операции отделки или обработки.

Универсальность применения

Восковые модели можно делать практически любой формы, без уклонов и без влияния на качество конечного изделия.

Инвестиционное литье можно использовать для диапазона продуктов и материалов. В зависимости от литейных возможностей площадки, продукты могут весить от доли унции до тысячи фунтов. Керамические инвестиционные формы также подходят для высокотемпературных заливок. Воск и керамические материалы могут перерабатываться в процессе инвестиционного литья. Использованный воск перерабатывают обратно в вливки и подливки, керамические формы перерабатывают для использования в новых формах — обычно внешние керамические слои, где требуется меньшая точность.

Частые материалы для инвестиционного литья: стали и другие сплавы на основе железа, алюминия, никеля, кобальта, титана, меди. В зависимости от применения, инвестиционное литье может подойти и для коротких, и для длинных производственных серий, производя несколько сотен изделий за раз.

Воск и керамические материалы могут перерабатываться в процессе инвестиционного литья. Использованный воск перерабатывают обратно в вливки и подливки, керамические формы перерабатывают для использования в новых формах — обычно внешние керамические слои, где требуется меньшая точность.

Преимущества инвестиционного литья над песчаным

Все методы литья дают многие дизайнерские преимущества: способность минимизировать материальные затраты и формировать структуры, иначе труднодостижимые без значительной механической обработки или сборки.

Ключевое преимущество инвестиционного литья — универсальность его формы. Поскольку форма расходная, а восковые модели можно незаметно удалить в жидкой форме, производители получают исключительную свободу при проектировании инвестиционных литьев. Инвестиционное литье дает гораздо более сложные дизайнерские возможности, чем большинство других методов формообразования и литья.

Инвестиционное литье против песчаного литья

Песчаное литье — другой эффективный метод литья, использующий песок для формирования разовых форм. Это самый широко используемый метод литья в Северной Америке, но есть несколько ключевых различий.

При выборе лучшего метода литья для проекта учитывайте следующее:

• Песчаные формы должны разделяться для удаления модели перед литьем. Для обеспечения правильной формы модель должна проектироваться с уклонами (drafts) для минимизации трения и предотвращения нарушения песчаной формы при разделении секций. Поскольку песчаные формы состоят из двух частей, конечное изделие всегда будет иметь разделительную линию, которую может потребоваться зашлифовать после охлаждения.
• Песчаные формы легко корректировать под изменения дизайна. Это дает инженеру свободу быстро и легко менять детали после тестов.
• Внутренние полости также могут быть проблемой для песчаного литья, опирающегося на сердечники. Сердечник — предварительно сформированная фигура, вставляемая в форму для формирования интерьера детали, не контактирующего с поверхностью формы. В зависимости от формы и сложности сердечника — одного компонента или сборки нескольких — его формирование и фиксация в форме может быть трудоемким.
• В песчаном литье новые литья производятся быстрее, чем в инвестиционном, благодаря повторному использованию модели.
• Песчаные формы, даже с синтетическими добавками и высокой уплотненностью, не могут достичь твердости керамики. В результате песчанолитые поверхности часто имеют более высокие допуски и требуют механического шлифования для достижения готовой поверхности.
• Песчаное литье может производить металлические компоненты всех размеров и веса, в то время как инвестиционное литье требует веса готовых деталей менее 100 фунтов.
• С инвестиционным литьем восковые модели можно делать практически любой формы — без уклонов и без влияния на качество конечного изделия.
• Керамические формы также очень твердые, создающие гладкие поверхности с низкими допусками — часто с очень тонкими стенками. После удаления вливок и вливных конусов многие изделия не требуют дополнительного труда на обработку или отделку.

Планирование проекта инвестиционного литья

Определение лучшего производственного метода зависит от ряда факторов. Вот несколько моментов для обсуждения с вашими производственными дизайнерами:

• Тип конечного изделия: Какой желаемый размер и форма? Разные методы литья лучше подойдут для определенных размеров и влияют на объем механической обработки для достижения финальных размеров.
• Объем: При учете объемов лучше смотреть как можно дальше вперед. Что может быть экономичнее в краткосрочной перспективе, может стать дороже при планировании нескольких партий в долгосрочной. Большие начальные инвестиции в инструментарий и формы часто экономят деньги в будущем. Короткие серии или разовые производства не требуют тех же инвестиций.
• Допуски: Насколько точно должны быть размеры? Минимальные допуски часто достижимы инвестиционным литьем, особенно для изделий с очень тонкими стенками.
• Механическое применение: Литье может снизить объем сборки для механических применений — часто экономя время и трудозатраты.
• Требования к материалу: Керамические формы инвестиционного литья подходят для широкого диапазона материалов, включая стали и железо-базированные сплавы, заливаемые при высоких температурах.
• Постпроизводство: Как и с другими формами литья, в зависимости от конечного применения, инвестиционно-литые изделия могут проходить различные термические обработки или другие отделочные операции поверхности при необходимости.

Литейные заводы инвестиционного литья

Большинство литейных заводов, производящих инвестиционные литья, не обязательно предоставляют другие методы литья, предпочитая специализироваться на одном методе. Существенные различия между производственными методами (песчаное литье vs инвестиционное) делают маловероятным, что одна компания будет иметь инфраструктуру для более чем одного метода формообразования.

Нормально, что инвестиционные литья стоят дороже литьев, произведённых другими, более простыми методами, например песчаным литьем. Однако достигаемые выгоды — включая сложность, надежность, воспроизводимость, чистоту поверхности и другие — более чем компенсируют разницу в стоимости.

Важно по-настоящему понимать дизайнерские параметры литья, которое вы проектируете или пытаетесь купить. Если инвестиционное литье может дать деталь чистой формы без механической обработки, а песчаное литье потребует обработки, то дополнительные затраты на инвестиционное литье могут быть оправданы.

Источники

• Grote, Karl-Heinrich and Erik K. Antonsson. Springer Handbook of Mechanical Engineering, Volume 10. Pasadena, CA: Springer Science & Business Media, 2009.
• Hunt, L.B. "The Long History of Lost Wax Casting: Over Five Thousand Years of Art and Craftmanship." Gold Bulletin. June 1980, Volume 13, Issue 2, pp 63-79.
• Rundman, Karl B. Metal Casting (Reference Book for MY4130). Michigan Tech. University: Department of Materials Science and Engineering.