Введение в металлическое литье и способы интеграции 3D-печати в литейные процессы

 

Литье металлов — это древний процесс обработки металлов, при котором расплавленный металл охлаждается и затвердевает в форме для создания деталей. Несмотря на многовековую историю, литье остается одним из самых популярных методов производства металлических компонентов.

В этой статье мы расскажем, что такое литье металлов, как оно работает, рассмотрим основные литейные процессы и преимущества, которые производители получают, сочетая современные цифровые технологии, такие как 3D-печать, с традиционными литейными методами.

---

Пошаговый процесс литья от проектирования до готовой детали.

Хотя методы литья эволюционировали, их основа осталась неизменной. Вот обобщенный пошаговый процесс:

Шаг 1: Изготовление модели

Чтобы начать процесс, производитель сначала создает модель будущей детали. Эта модель - важнейшая часть для формирования литейной формы. Традиционно ее изготавливают из дерева, пенопласта, пластика или воска. Сегодня 3D-печать стала распространенным методом, позволяющим создавать точные модели прямо из цифровых CAD-файлов.

Модель — это не точная копия детали. Она включает дополнительные элементы, такие как литники (для подачи металла) и выпоры (для выхода газов). Также модель делают больше, чтобы компенсировать усадку металла при охлаждении. Для полых деталей дополнительно создают стержень, формирующий внутреннюю полость.

Шаг 2: Изготовление литейной формы

Следующий шаг — создание формы. Формы бывают многоразовые (например, металлические) и одноразовые (например, из песка, гипса или воска, которые разрушаются после отливки).

Шаг 3: Плавление и заливка металла

Металл расплавляют в печи, а затем заливают в полость формы, где он остывает и застывает.

Шаг 4: Извлечение из формы и очистка

После остывания деталь извлекают из формы (вибрацией, выбиванием или с помощью специальных пинов). Затем удаляют литники и выпоры, а саму деталь обрабатывают (шлифуют, подвергают пескоструйной обработке) для придания финальной формы и гладкости.

---

Типы процессов литья металлов

Хотя все методы основаны на одном принципе, разные задачи требуют разных подходов. Вот самые распространенные из них:

Литье под давлением (Die Casting)

В этом процессе расплавленный металл под высоким давлением впрыскивается в стальную форму (пресс-форму). Это быстрый метод, идеальный для массового производства сложных деталей с гладкой поверхностью (например, для автомобильной и аэрокосмической промышленности).

• Плюсы: Высокая производительность, точность, гладкая поверхность.

• Минусы: Дорогое оборудование и оснастка, не подходит для мелких серий.

Точное литье (Investment Casting / Lost-Wax Casting)

Это один из древнейших методов, до сих пор ценимый за возможность создания деталей с очень сложной геометрией. Модель (из воска или 3D-печатного полимера) покрывают специальным огнеупорным составом, формирующем оболочку. Затем модель выплавляют в печи, оставляя полость, в которую заливают металл.

• Плюсы: Высокая точность, возможность литья из почти любого металла, отличное качество поверхности.

• Минусы: Сложный, трудоемкий процесс, лучше подходит для небольших деталей.

Выбор материала для 3D-печати моделей: Formlabs предлагает несколько материалов: Castable Wax Resin (для легких и средних украшений), True Cast Resin (для инженерных компонентов), Clear Cast Resin (для деталей толще 3 мм).

Песчаное литье (Sand Casting)

Самый широко используемый сегодня метод, известный более 3000 лет. Модель заформовывают в песок, создавая форму. После заливки и остывания песчаную форму разрушают, чтобы извлечь отливку.

• Плюсы: Низкая стоимость оснастки, подходит для очень крупных деталей, быстрая подготовка.

• Минусы: Шероховатая поверхность отливок, низкая точность, требует длительной постобработки.

---

Сравнение процессов литья

Параметр	Литье под давлением	Точное литье	Песчаное литье
Подходящие металлы	Алюминий, медь, цинк, магний	Большинство металлов	Большинство металлов
Объем производства	Крупные серии	От малых до крупных серий	От штучных до средних серий
Себестоимость единицы	Низкая	Умеренная до высокой	Умеренная
Стоимость оснастки	Высокая	Умеренная	Низкая
Время цикла	Короткое	Длительное	Умеренное
Отрасли	Авто, аэрокосмос, потребительские товары	Авто, аэрокосмос, ювелирные изделия, медицина	Авто, аэрокосмос, промышленное оборудование

---

Литье металлов с использованием 3D-печати

Инженеры и дизайнеры могут использовать скорость и гибкость 3D-печати, комбинируя ее с литьем. Это позволяет производить металлические детали быстрее и дешевле, чем при использовании традиционных методов или прямой 3D-печати металлом.

Стереолитографические (SLA) 3D-принтеры идеально подходят для литья благодаря высокой точности и специальным материалам.

1. Косвенное точное литье (с 3D-печатной оснасткой)

Вместо дорогостоящего фрезерования металлической пресс-формы для восковых моделей, можно напрямую напечатать саму пресс-форму из термостойких материалов (например, High Temp Resin). Это сокращает время и стоимость подготовки с недель до дней.

2. Прямое точное литье (с 3D-печатными моделями)

Для деталей со сложной геометрией можно сразу печатать готовые модели на 3D-принтере (из Clear Cast Resin, Castable Wax Resin), минуя этап изготовления оснастки. Это обеспечивает максимальную свободу дизайна и сокращает сроки.

3. Песчаное литье (с 3D-печатными моделями)

3D-печать позволяет создавать сложные песчаные модели прямо из цифрового файла, что быстрее и точнее, чем изготовление деревянных моделей.

4. Литье олова (Pewter Casting)

Олово — легкоплавкий сплав, идеальный для декоративных изделий. Используя термостойкие смолы (например, High Temp Resin), можно печатать формы для прямого литья олова. Это дешевле и проще, чем литье по восковым моделям, и позволяет достичь отличной детализации.

---

Когда стоит комбинировать 3D-печать и литье?

Объединение этих технологий — мощное решение для компаний, которые хотят:

• Расширить свободу дизайна: Создавать сложные геометрии, недоступные традиционными методами.

• Сократить издержки и время: Изготавливать модели и оснастку за часы, а не недели, прямо на месте.

• Повысить гибкость: Быстро вносить изменения в цифровую модель и сразу печатать новую версию.

Пример из практики: Компания Diversified Metalsmiths, Inc. внедрила 3D-печать Formlabs и Clear Cast Resin в свой процесс. Это позволило им быстро и экономично производить модели своими силами, не меняя сложившийся литейный процесс.

«Даже с учетом амортизации принтера, мы как минимум выходим на самоокупаемость по текущим заказам и экономим более $200 на деталь на будущих заказах. Между моделями из PMMA и моделями из Clear Cast Resin практически нет разницы в нашем процессе». — Джон Фарр, вице-президент по технологиям, Diversified Metalsmiths

---

Заключение

Сочетание литья металлов с 3D-печатью помогает компаниям быстро и эффективно создавать металлические детали. SLA 3D-принтер Formlabs позволяет ускорить процесс литья и значительно сократить затраты.