تكنولوژي ساخت قالبهاي سريع به روش ريخته گري دقيق

تقابل ريخته گري دقيق با روش DSPC در توليد قطعات با شكل نهايي
مقدمه
روش ريخته گري دقيق به عنوان روشي براي توليد قطعات كوچك با دقت بالا و تولتيد خوشه‌هاي با ظرفيت حمل قطعات بيشتر (تيراژ بالا) نسبت به ساير روش‌هاي ديگر ريخته گري از اهميت بيشتري برخوردار مي‌باشد. از آنجا كه راه اندازي سيستم ريخته گري دقيق براي قطعات بزرگ با تيراژ توليد كم توجيه اقتصادي ندارد، تمايل به تركيب اين روش با انواع روش‌هاي توليد بيش از پيش افزايش يافته است. از طرف ديگر روش DSPC به عنوان يكي از روش‌هاي قالب سازي سريع باعث افزايش CAD / CAM و عدم استفاده از روشظهاي سنتي ماشين كاري مي‌شود، كه با كمك آن مي‌توان پاره‌اي از مراحل ريخته گري دقيق را حذف يا تصحيح نمود و سرعت فرايند را در عين حفظ دقت قطعات بالا برد. در اين بخش به بررسي پروسه انجام اين كار پرداخته شده است.

پيش درآمدي بر ريخته گري دقيق
ريخته گري دقيق از سال‌ها قبل در مقياس غير صنعتي در جواهر سازي كاربرد داشته و سپس در كاربردهاي پزشكي از قبيل ساخت دندان و اعضاي مصنوعي بدن به طور گسترده‌اي مورد استفاده قرار گرفته است.
با وقوع جنگ جهاني دوم، كاربرد اين تكنولوژي در صنايع نظامي و هوايي به شدت گسترش يافت كه يكي از عوامل آن را مي‌توان نياز به توربين‌هاي گازي و ساخت موتورهاي جديد نظامي دانست. به عبارت ديگر با ظهور توربين‌هاي گازي نياز به ايجاد مقاومت در پره‌هاي توربين برابر دماهاي بالا سوپر آلياژها كه مجموعه‌اي از آلياژهاي با پايه نيكل و كبالت بودند و مقاومت بيشتري در برابر حرارت داشتند اين مواد، جايگزين قطعات آهنگري شده فولاد آلياژي كه قبلا در اين صنعت مورد استفاده بود شدند. بيشتر اين آلياژها امكان استفاده از توربين‌ها در دماهاي بالا و ايجاد راندمان بالاتر را فراهم مي‌كردند ولي از آنجا كه سوپر آلياژها شكننده بوده و قابليت آهنگري آنها با روش‌هاي مرسوم آن زمان وجود نداشت و از طرفي ديگر هزينة ماشين كاري آنها به دليل مقاومت بالاي س

وپر آلياژها و ايجاد سايش در ابزار برشي بسيار بالا بود، لذا گرايش به روش ريخته گري دقيق به عنوان يك روش جايگزين بيش از پيش مورد توجه قرار گرفت. اوج شكوفايي روش ريخته گري دقيق به عنوان يك روش جايگزين بيش از پيش مورد توجه قرار گرفت. اوج شكوفايي روش ريخته گري دقيق در سال ۱۹۸۰ بوده است، به طوري كه بر طبق آخرين آمار حدود ۱۵% كل قطعات توليدي در كشور انگليس به اين روش ساخته مي‌شود، كه از اين مقدار ۵۰% به سوپر آلياژهاي با پايه نيكل و كبالت، ۳۵% انواع فولا

د، ۱۰% آلمينيوم و آلياژهاي آن و ۵% را آلياژهاي مس و تيتانيوم به خود اختصا مي‌دهند.
معرفي فرايند ريخته گري دقيق
در اين روش قالب سراميكي توسط ساخت مدل‌هاي مومي و يا ساير موادي كه قابليت ذوب در دماهاي پايين را دارا مي‌باشند، توليد مي‌گردد. پس از ساخت مدل‌هاي مومي از قطعه مورد نظر، مدل‌هاي فوق به يك راهگاه مومي كه نقش اصلي در فرايند ذوب ريزي را بر عهده دارد متصل مي‌گردند. مجموعه راهگاه و مدل‌هاي متصل به آن را خوشه مي‌نامند كه تعداد قطعات مومي د

ر هر خوشه به ظرفيت حمل راهگاه، وزن نهايي خوشه توليدي و تيراژ توليد بستگي دارد.
خوشة توليد شده را پس از آن در داخل يك دو غاب سراميكي با مواد جوانه زا فرو مي‌برند تا كاملا سطح مدل‌هاي مومي پوشش داده شود و لايه‌اي از روكش سراميكي روي آن ايجاد شود. بعد

از بيرون آوردن خوشه از دو غاب، آن را در زير ريزش ذرات بسيار ريز يا در بستري از اين ذرات قرار مي‌دهند تا به لاية سراميكي مرطوب بچسبد. اين ذرات باعث ايجاد تخلخل در لايه سراميكي مي‌گردند كه به خروج هوا از طريق پوسته سراميكي در ضمن ذوب ريزي كمك مي‌كند.
عمل روكش دهي با فرو بردن خوشه در دو غاب سراميكي و خشك شدن لايه‌ ايجاد شده و دوباره تكرار اين عمل ادامه مي‌يابد تا ضخامت مورد نظر از لايه سراميكي روي مدل‌ها را بپوشاند. ضخامت ديوارة سراميكي در اين روش بين ۴ تا ۱۲/۰ ميليمتر متغير است لذا بايد به نحوي تعيين شود كه مانع از خروج هوا از قالب نشود و به راحتي پس از ريخته گري قابل شكستن و جدايش از قطعات باشد. بعد از رسيدن به ضخامت لاية مورد نظر، مجموعة خوشه را در داخل اتوكلاو گذاشته و به همراه فشار بخار آب حرارت اندكي مي‌دهند تا موم از آن خارج شود.
مواد مورد استفاده براي روكش دهي مدل‌هاي مومي در حالت عمومي شامل مخلوطي از پلاستر، چسب و پودر سيليكا، به عنوان ماده نسوز يا ديرگداز قالب، مي‌باشد كه اين تركيب براي ريخته گري فلزات با دماي ذوب پايين كاربرد دارد. براي فلزات با درجه حرارت ذوب بالاتر در اين حالت سيليمانيت كه يك تركيب از آلومينا – سيليكات مي‌باشد به عنوان ماده اصلي قالب پيشنهاد مي‌گردد و سيليكا

نيز به عنوان چسب به كار مي‌رود. بسته به دقت نهايي مورد نظر در ساخت قطعات، پوشش‌هاي ديگري از جنس سيليمانيت، اتيل سيليكات و مولاشيت نيز مورد استفاده مي‌باشد. آنچه كه در اين ميان از اهميت خاصي برخوردار مي‌باشد اين است كه ديوارة سراميكي بايستي حتي المقدور مقاوم در برابر شوك‌هاي حرارتي بوده و در دماي ذوب پايداري ابعادي خوبي از خود نشان دهد،

همچنين عدم تمايل به واكنش با مذاب و انبساط حرارتي پايين از ديگر خواص آن باشد. بعد از خروج موم، قالب آماده ريخته گري مي‌باشد، لذا آن را براي خروج باقيماندة احتمالي موم و نيز استحكام هر چه بيشتر چسب تا دماي ۱۰۰۰ درجة سانتيگراد يا ۱۸۳۲ درجة فار نهايت پيش گرم مي‌كنند. اين كار به طراح اطمينان كافي از پر شدن قالب مي‌دهد. عمليات ريخته گري به صورت ريخته گري ثقلي، تحت فشار و يا در خلاء انجام مي‌گيرد اما در حالت ريخته گري تحت فشار بايد كمال دقت را مبذول داشت تا هوا به طور كامل از قالب خارج گردد. وزن قطعات ريخته گري شده با اين روش

به طور عادي بين ۲۰۰ گرم تا ۸ كيلوگرم متفاوت است، اگر چه امروزه قطعات تا وزن ۲۵۰ كيلوگرم نيز قابل توليد به اين روش مي‌باشند. روش ريخته گري دقيق قابليت توليد آلياژهاي آلومينيوم، برنز ، فولادهاي ابزار، فولادهاي ضد زنگ، استليت، سوپر آلياژهاي پايه نيكل و كبالت، طلا و تيتانيوم و آلياژهاي مس را به خوبي دارا مي‌باشد.
مزاياي روش ريخته گري دقيق
ريخته گري دقيق قابليت دستيابي به تلرانس‌هاي بسته‌تر را دارد. اين روش تلرانس، ۵/۰% و حتي در قطعات كوچك تا ۱۵/۰% قابل دسترس مي‌باشد.
ريخته گري محدودة وسيعي از فلزات با اين روش مقدور است.
امكان رسيدن به كيفيت بالاي ساختار متالوژيكي به دليل عدم وجود عيوبي مانند ماسه سوزي و … وجود دارد.
هزينة اين روش نسبت به ساير روش‌هاي ديگر در تيراژ بالا بسيار كمتر مي‌باشد.
عيوب ريخته گري دقيق
به راه اندازي سيستم ريخته گري دقيق متضمن صرف هزينة بالا بوده و بايد استفاده از اين روش توجيه اقتصاي داشته باشد.
براي قطعات با تيراژ پايين مقرون به صرفه نمي‌باشد.
اصول كلي انجام ريخته گري دقيق
در زير به توضيح اصول كلي فرايند ريخته گري دقيق پرداخته مي‌شود.

توليد مدل مومي
مدل‌هاي موم به تعداد مورد نظر بعد از طراحي و ساخت قالب در اين مرحله غالباً به روش تزريق توليد مي‌شوند.

مرحلة تزريق در قالب
مونتاژ
مدلها جهت توليد خوشه‌هاي متشكل از تعداد مشخص مدل، به يك راهگاه

اصلي از جنس موم متصل مي‌شوند. عمل اتصال توسط موم‌ مذابي كه به عنوان لحيم ندر محل ريخته مي‌شود، انجام مي‌شود البته اين كار بايد به صورتي انجام شود كه روي دقت ابعادي مدل تاثير گذار نباشد.

مرحله مونتاژ مدل‌ها
ايجاد لايه سراميكي
مدل خوشه‌اي فوق را هر دفعه در دو غاب سراميكي فرو برده و سپس آن را در داخل يك بستر از شن بسيار ريز قرار مي‌دهند تا ضخامت لاية مورد نظر ايجاد شود.

مرحلة ايجاد لايه
موم زدايي
به محض خشك شدن لاية سراميكي موم را با حرارت اندك ذوب و از داخل قالب سراميكي خارج مي‌كنند بدين ترتيب پوسته سراميكي به عنوان قالب مرحلة بعد آماده ريخته گري است.

 

 

مرحلة موم زدايي
ريخته گري
اين عمل با پيش گرم قالب به حدود ۱۰۰۰ درجة سانتيگراد و تحت ريخته گري ثقلي انجام ميشود، بديهي است بعد از سرد شدن مذاب مدلها و راهگاه‌ اصلي به صورت يك جسم يكپارچه در مي‌آيند.

مرحلة ريخته گري

شكستن لايه سراميكي
بعد از سرد شدن مذاب پوسته سراميكي توسط ارتعاش يا چكش پنوماتيكي شكسته مي‌شود.

مرحلة شكستن لايه
برش قطعات
هر يك از مدل‌ها به ترتيب از راهگاه جدا مي‌شوند. اين كار غالباً توسط اره مويي و به صورت دستي انجام مي‌شود.

برش مدلها
پرداخت نهايي قطعه كار

پرداخت نهايي

تقابل ريخته گري دقيق و قالب سازي سريع
با توجه به اينكه نمونه سازي سريع باعث افزايش قدرت رقابت در واحدهاي توليدي، كاهش زمان ارائه مدل و هزينة نهايي قطعه و حتي كاهش خطاهاي احتمالي به دليل استفاده از كامپيوتر مي‌شود، لذا با پيدايش اين تكنولوژي زمينه براي كاربرد آن در ساير رو‌ش‌ها نيز فراهم شد. به تبع اين تكنولوژي، قالب سازي سريع نيز كه بر پاية ساخت سريع قالب توسط روش نمونه سازي سريع

براي توليد قطعات با جنس اصلي استوار بوده و به طراح امكان توليد قالب در مدت كوتاه حداكثر چند روز را مي‌دهد، به عنوان يك عامل تاثير گذار در تسريع پروسه توليد مورد توجه قرار گرفت. به طور مثال امروزه در ريخته گري دقيق به جاي توليد مدل مومي به روش تزريق موم در قالب‌هاي فلزي مي‌توان از نمونه سازي سريع استفاده و با اين كار يكي از فرايندهاي وقت گير توليدي را كه شامل طراحي قالب، تهيه برنامه ماشين كاري اتوماتيك، و در نهايت زمان بالاي ساخت و نصب قالب جهت تزريق موم را حذف كرد.

اعمال روش نمونه سازي سريع
عملكرد اين تكنولوژي در تصحيح فرايند ريخته گري دقيق بدون تغيير كلي سيستم كارايي روش عبارت است از توليد مدل مومي به عبارت ديگر بعد از تعيين مدل قطعه مورد نظر جهت انجام ريخته گري دقيق توسط يكي از روش‌هاي نمونه سازي سريع عمليات ساخت مدل‌هاي مومي انجام مي‌شود كه از مهمترين مزاياي آن علاوه بر دقت بالاي قطعه، كاهش زمان توليد مدل و عدم نياز به طراحي قالب همانند روش‌هاي سنتي مي‌باشد. از آنجا كه برنامه نويسي جهت توليد قالب‌هاي تزريق و نيز ماشين كاري آنها توسط دستگاه‌هاي CNC به حداقل يك تا دو هفته زمان نياز دارد

مي‌توان مدل‌ها را به راحتي در عرض چندين روز با استفاده از نمونه سازي سريع با هزينه كمتر و دقت بالاتر توليد كرد. در زير به مراحل توليد مدل مومي توسط نمونه سازي سريع اشاره مي‌شود:
– توليد مدل قطعه مومي در نزم افزار CAD
– ذخيره كردن اين مدل وبا فرمت STL كه فرمت استاندارد مدل‌هاي حجمي است و انتقال آن به دستگاه نمونه سازي سريع.

– مدل CAD از طريق نرم افزار مربوطه دستگاه نمونه سازي كه غالباً Slicer مي‌باشد به لايه‌هاي با ضخامت ۱۲۷/۰ تا ۰۰۵/۰ ميليمتر مقطع بندي مي‌شود.
– اطلاعات مربوط به هر لايه به سيستم دستگاه منتقل و قطعه لايه لايه از پايين به بالا توليد مي‌شود. اين كار توسط عملكرد سكويي انجام مي‌گيرد كه قابليت حركت بالا و پايين داشته و قطعه روي آن ساخته مي‌شود. رايج ترين روش مورد استفاده در اين بخش به دليل نوع جنس موم روش SLA مي‌باشد، كه با تابش ليزر به هر سطح از فتوپليمر كه ضخامت آن برابر مقدار تعيين شده در نرم افزار است، مقطع هر لاية جامد شده، از روي هم قرار گرفتن اين لايه‌ها قطعة نهايي توليد و در ادامه آن را از داخل ظرف فتوپليمر خارج مي‌كنند. بعد از خروج قطعه آن را در يك گروه در معرض تابش اشعة فرابنفش قرار مي‌دهند تا فتوپليمر پخته شده استحكام نهايي خود را به دست آورد.
قالب سازي سريع با اعمال روش DSPC
در اين بخش سعي شده تا از روش DSPC به عنوان عاملي براي اقتصادي كردن و كوتاه كردن فرايند ريخته گري دقيق استفاده شود. اين روش برعكس نمونه سازي سريع كه براي توليد مستقيم مدل كاربرد دارد به پيروي از روش‌هاي نمونه سازي سريع براي ساخت قالب به صورت كاملاً بي واسطه و مستقيم به كار مي‌رود، لذا به آن قالب سازي سريع به روش مستقيم گفته مي‌شود. در زير به روشي كه براي توليد به روش قالب سازي سريع دنبال شده پرداخته مي‌شود.

طراحي قطعه
در اين مرحله مدل سه بعدي به صورت مونتاژي همراه با ماهيچه‌هاي مورد نياز براي ساخت آن در فرايند ريخته گري مدل شده و با استفاده از امكانات نرم افزار CAD، مدل قالب ايجاد مي‌شود.
طراحي راهگاه
پس از توليد مدل سه بعدي قالب، عمليات طراحي راهگاه با توجه به استانداردهاي موجود و اتصال آن به مدل قالب انجام گرفته و كل مدل مربوطه به عنوان مدلي يكپارچه با فرمت STL، كه فرمت استاندارد دستگاه‌هاي نمونه سازي است، ذخيره و به دستگاه منتقل مي‌شود.

ساخت قالب واقعي
عمليات ساخت قالب در دستگاه نمونه سازي به صورت ساخت لايه لايه انجام مي‌گيرد كه اين فرايند شامل مراحل زير است:
بعد از انتقال مدل به دستگاه در محيط نرم افزار Slicer كه نرم افزار جانبي دستگاه نمونه سازي براي قاچ بندي و لايه لايه كردن مدل‌ها مي‌باشد مدل به لايه‌هاي متعددي عموماً به ضخامت ۱۲۵/۰ ميليمتر تقسيم مي‌شود.
براي ساخت قالب روي سكوي اوليه متحرك با قابليت حركت عمومي توسط حركت غلتك لايه‌اي ازپودر سراميك به ضخامت لاية اوليه‌اي كه در نرم افزار Slicer مشخص شده ايجاد مي‌شود.
در اجراي فرايند ساخت حركت غلتك دو وظيفه مهم را انجام مي‌دهد:
– غلتك با حركت افقي خود لايه سراميك را به ضخامت مورد نظر تنظيم مي‌كند كه اين

كار در طول عمليات ساخت از اهميت بالايي برخوردار است.
– غلتك مزبور با داشتن خاصيت گرم كنندگي در حين حركت و تصحيح لايه به پخت نسبي سراميك آغشته به چسب نيز كمك مي‌كند. اين حرارت نسبي با افزايش ارتفاع قالب در طول فرايند باعث استحكام و جلوگيري از تغيير شكل قالب مي‌شود.
ريزش به صورتي كه چسب مايع در بالاي لاية سراميكي به شكل مقطع لاية اول كه در نرم افزار مشخص شده از طريق نازل دستگاه كه خود داراي چند گلويي بوده و قابليت حركت روي صفحه Y,X را دارد انجام مي‌گيرد. چسب در فضاي بين ذرات سراميك نفوذ و باعث اتصال آنها به هم مي‌شود. اين عمل ساختار محكمي را در قسمتهاي فوق در مرحلة پخت بعدي ايجاد مي‌كند، سپس سكو به اندازة ضخامت لاية دوم پايين مي‌آيد.

فرايند ساخت قالب
فرايند به اين ترتيب ادامه مي‌يابد و قالب از پايين به بالا ساخته مي‌شود.

در پايان فرايند ساخت، قالب را به همراه سراميك‌هاي داخل و اطراف آن را حرارت داده تا قالب سراميكي كه چسب وجود دارد سخت شود و بعد از سراميك‌هاي خام، (سراميك‌هايي كه با چسب آميخته نيستند) با وارونه كردن قالب از آن خارج مي‌شوند.

قالب سراميكي پخت شده و خالي از سراميك خام
قالب اكنون آمادة ريخته گري است، بعد از انجام آن به طريقة ثقلي همانند روش ريخته گري دقيق و سرد شدن فلز قالب سراميكي شكسته شده، راهگاه آن زدوده گرديده و در نهايت پرداختي جزئي روي قطعه انجام گيرد.
نتايج
اين روش باعث صرفه جويي در زمان توليد و كاهش هزينه توليد مي‌شود.
راه اندازي خط ريخته گري با استفاده از قالب سازي سريع به مراتب ارزان‌تر از ريخته گري دقيق معمول مي‌باشد.
دقت اين روش بالاست تا آنجا كه قطعات توليدي نياز به حداقل پرداخت داشته و به شكل نهايي توليد مي‌شوند.
اين روش همانند ريخته گري دقيق قادر به توليد قطعات با جنس آلومينيوم، فولاد ضد زنگ، فولاد ابزار، آلياژهاي نيكل و مس مي‌باشد.
كاربرد كامپيوتر و نمونه سازي سريع سبب كاهش خطاهاي احتمالي در فرايند طراحي و ساخت مدل و تصحيح سريع آنها در صورت وقوع مي‌شود.

ريخته گيري دقيق سريع

اگر چه فرايند ريخته گيري دقيق سريع روشي براي توليد نمونه هاي فلزي قطعات پيچيده است، اما يکي از کارهاي زمان بر در اين فرايند، تهيه مدل مومي و قالب تزريق موم است. به کمک فرايند ريخته گيري در قالب لاستيکي سخت شده سيليکوني مي توان تعدادي مدل از جنس موم ذوب شونده ساخت تا در گام بعدي با روش ريخته گيري دقيق، نمونه هاي اصلي فلزي توليد شوند. اين تکنيک براي ساخت نمونه هاي فلزي به روش ريخته گيري دقيق از سرعت عمل برخوردار است و مي توان بدين وش زمان ۴ ماهه در فرايند سنتي را به ۴ هفته کاهش داد. قطعات پيچيده فلزي از جنس آلومينيم، فولاد، برنز و ديگر آلياژها به راحتي با اين روش قابل توليد هستند علاوه بر اين بعضي از روش هاي مدل سازي سريع نيز مي توانند مستقيماً مدل مومي توليد کنند. تکنولوژي هايي که جهت اين عمليات مناسب مي باشند و در ايران موجودند ۳Dprinting و Thermojet مي باشند. Thermojet صرفاً يک قطعه مومي مي سازد ولي در، ۳Dprinting يکي از مواد مصرفي و محصولات توليدي آن، موم است.

(Rotary)Spin Casting
ساخت مدل به روش هاي مرسوم
ترکيب روش هاي نمونه سازي سريع با تکنيک هاي متداول مدل سازي نظير، کشش عميق، ريخته گيري در فشار پايين، فرز کاري با سرعت براده برداري در ۵ محور و ديگر روش ها، در زمره راه حل هاي اقتصادي و با صرفه براي توليد نمونه به شمار مي آيد.