Введение
Изготавливается восковая модель. На нее наносится керамическая суспензия. Воск расплавляется. Расплавленный металл заливается внутрь. Керамика отслаивается. Остается готовая деталь. Это процесс литья по выплавляемым моделям, также известный как литье по восковым моделям.
Литье по выплавляемым моделям имеет долгую историю. Ювелиры использовали его тысячи лет назад. Сегодня это высокоточный метод производства, позволяющий изготавливать детали с жесткими допусками и гладкими поверхностями. Для большинства элементов не требуется дополнительная механическая обработка.
Почему литье по выплавляемым моделям так широко используется? Этот процесс позволяет обрабатывать сложные геометрические формы, недоступные при механической обработке, подходит для материалов, которые трудно ковать или сваривать, а качество поверхности снижает необходимость последующей механической обработки.
Литье по выплавляемым моделям используется в самых разных отраслях промышленности. В аэрокосмической отрасли его применяют для изготовления лопаток турбин и конструкционных элементов; в медицине — для имплантатов и хирургических инструментов. В автомобильной промышленности — для рабочих колес турбокомпрессоров и компонентов топливных систем. В промышленном секторе его используют для изготовления клапанов, насосов и пресс-форм.
Что такое литье по выплавляемым моделям?
Определение литья по выплавляемым моделям
Литье по выплавляемым моделям — это процесс литья по восковым моделям. Изготавливается восковая модель. Вокруг нее строится керамическая форма. Воск расплавляется. Вливается металл. Керамика отделяется. Остается готовая деталь.
История этого материала восходит к Древнему Египту и Китаю. Ювелиры использовали его для изготовления золотых и бронзовых украшений. Промышленное производство началось в XX веке. Название «инвестиция» не означает деньги. Оно происходит от старофранцузского слова investir — покрывать или окружать. Керамическая оболочка покрывает восковую модель. Этот термин прижился.
Как работает процесс литья по выплавляемым моделям.
-
Создайте восковую модель.
После механической обработки металлической формы в нее заливается воск. Таким образом создается восковая модель. Несколько восковых моделей соединяются с центральным восковым литником. Вся конструкция напоминает дерево. Это «дерево» определяет, сколько деталей можно изготовить за одну заливку.
-
Создайте керамическую оболочку
Опустите восковую форму в керамическую суспензию. Нанесите слой мелкого песка — то есть гипса. Повторяйте этот процесс после высыхания каждого слоя. После шести-восьми слоев вокруг восковой формы образуется прочная керамическая оболочка.
-
Удалить воск
Оболочку помещают в печь. Воск плавится и испаряется, образуя полость. Эта полость точно соответствует форме детали.
-
Вылить расплавленный металл
Расплавленный металл заливается в нагретую керамическую форму. Доступен широкий выбор материалов, включая нержавеющую сталь, углеродистую сталь, алюминиевые сплавы, титановые сплавы, никелевые суперсплавы, кобальтовые сплавы, бронзу и латунь. Для каждого материала существуют свои специфические параметры литья.
-
Остудите и разбейте скорлупу.
Металл затвердевает. Керамическая оболочка отслаивается. Пневматические молотки или вибрационное оборудование выполняют эту работу. Дерево срезается. Отдельные отливки разделяются.
-
Закончить часть
Удалите литник и литниковую систему. После этого может потребоваться термообработка. Обработайте деталь на станке, чтобы создать элементы, которые невозможно получить только методом литья. Полировка улучшает качество поверхности. Осмотрите деталь, чтобы проверить размеры и целостность. На этом этапе литье по выплавляемым моделям завершено, и можно переходить к следующему этапу.
Ключевые преимущества литья по выплавляемым моделям
Литье по выплавляемым моделям выбирается для изготовления дорогостоящих компонентов, поскольку оно обеспечивает уровень точности, недостижимый при использовании других процессов. Его преимущества многочисленны, и каждое из них влияет на стоимость, качество или сроки выполнения заказа.
1. Превосходная точность размеров
Технология производства с минимальными допусками означает, что детали изготавливаются с размерами, близкими к их окончательным размерам. Это снижает потребность в механической обработке, повышает однородность продукции и обеспечивает более точную сборку. Это дает прямые преимущества для деталей, требующих строгих допусков, таких как лопатки турбин и хирургические инструменты.
2. Улучшенный Чистота поверхности
Керамические и восковые формы имеют гладкие поверхности, что обеспечивает гладкую поверхность готовой металлической детали. Шлифовка и полировка сведены к минимуму, что улучшает внешний вид. Кроме того, поскольку дефекты поверхности минимизированы, повышается усталостная прочность.
3. Возможность создания сложных геометрических фигур
Литье по выплавляемым моделям позволяет получать формы, недоступные при механической обработке. Толщина стенок может достигать 1 миллиметра. Возможно формирование внутренних каналов охлаждения. Можно создавать сложные кривые, для обработки которых в противном случае потребовалась бы пятиосевая обработка. Также можно обрабатывать подрезы, для которых в противном случае потребовались бы специальные режущие инструменты.
Сложные конструкции позволяют снизить производственные затраты, поскольку множество процессов объединяются в один этап. Детали, которые ранее требовали сварки, механической обработки и сборки, теперь могут быть отлиты как единое целое.
4. Широкий ассортимент литьевых металлов.
| Черные металлы | углеродистая сталь, нержавеющая сталь, инструментальная сталь |
| Цветной | алюминий, латунь, бронза |
| Высокопроизводительные сплавы | титан, никелевые суперсплавы, кобальтовые сплавы |
Этот процесс применим практически к любому литейному сплаву. Такая гибкость редко встречается в высокоточном производстве.
5. Отличная повторяемость
Восковые модели отличаются стабильностью. Процесс изготовления керамических оболочек контролируется. Контроль качества осуществляется на высоком уровне. Производственные партии в тысячи или миллионы деталей сохраняют одинаковые размеры. Массовое производство с жесткими допусками вполне осуществимо.
6. Снижение требований к механической обработке.
Поскольку отливки имеют форму, близкую к окончательной, затраты на механическую обработку снижаются. Скорость производства увеличивается, так как требуется меньшее количество снимаемого материала. Износ инструмента уменьшается. Затраты на рабочую силу снижаются. Часто детали требуют только финишной обработки — например, заготовки шестерен, корпуса клапанов, конструкционные фитинги.
7. Более эффективное использование материалов
Производство изделий с минимальной последующей обработкой означает меньшее количество отходов. Механическая обработка пруткового материала удаляет 80% материала, в то время как литье по выплавляемым моделям требует только удаления литникового канала и литниковой системы. Для дорогостоящих сплавов, таких как титан и никелевые суперсплавы, экономия затрат значительна. Уменьшение количества металлических отходов также способствует повышению экологической устойчивости.
8. Большая гибкость дизайна
Успешно реализованы сложные инженерные решения. Снижение веса достигнуто за счет использования материала только там, где это необходимо. Интеграция деталей исключила необходимость в сварных соединениях. Поскольку детали отливаются как единое целое, а не собираются из множества компонентов, повысились эксплуатационные характеристики изделия. Наибольшим преимуществом литья по выплавляемым моделям является свобода проектирования.
Ограничения литья по выплавляемым моделям
Любой производственный процесс предполагает компромиссы. Литье по выплавляемым моделям не является исключением. Его преимущества реальны, но есть и ограничения. Игнорирование этих ограничений может привести к некачественной конструкции деталей и непредвиденным затратам.
1. Более высокие затраты на оснастку
Изготовление восковых литьевых форм обходится дорого. Изготовление оснастки требует точности и времени. Первоначальные инвестиции значительны. Для окупаемости затрат необходим достаточный объем производства. Для мелкосерийного производства стоимость оснастки на одну деталь может оказаться непомерно высокой.
2. Более длительный производственный цикл
Каждый этап увеличивает время процесса. Изготовление формы занимает несколько дней; слои должны высохнуть между нанесениями; удаление воска занимает несколько часов; а обжиг формы требует точной кривой нагрева. За этим следует литье и окончательная обработка. Литье по выплавляемым моделям позволяет изготавливать детали за считанные секунды. Литье по восковым моделям, напротив, занимает дни или недели. Срок выполнения заказа значительно дольше.
3. Ограничения по размеру
Восковые модели хрупкие. Крупные модели деформируются под собственным весом. Керамические оболочки становятся тяжелыми и неудобными в обращении. Изготовление крупных отливок нецелесообразно. Практический предельный размер составляет около 300 мм в диаметре. Для более крупных деталей требуется литье в песчаные формы или другие методы.
4. Хрупкость восковых моделей
Восковая модель гнется. Восковая модель ломается. Восковая модель деформируется при перепадах температуры. Хранение требует контролируемых условий. Транспортировка требует тщательной упаковки. Обязательны меры предосторожности при обращении. Поврежденная восковая модель приводит к дефекту отливки.
5. Чувствительность керамической оболочки
Растрескивание оболочки происходит во время нагрева или охлаждения. Влага влияет на керамическое соединение. Термический шок вызывает расслоение. Качество пресс-формы зависит от квалификации оператора и контроля окружающей среды. Дефекты оболочки напрямую передаются на металлическую деталь.
6. Более высокая стоимость простых деталей.
Для простых геометрических форм литье по выплавляемым моделям излишне. Литье в песчаные формы дешевле. Механическая обработка пруткового материала быстрее. Ковка позволяет получить более прочные детали. Штамповка экономичнее при больших объемах производства. Литье по выплавляемым моделям нерентабельно для деталей, которые можно изготовить более простыми методами.
7. Более низкие темпы производства
Требуется несколько этапов. Применяются ручные операции. Изготовление оболочек не полностью автоматизировано. Планирование производства — сложная задача. Литье под давлением позволяет производить тысячи деталей в день. Литье по выплавляемым моделям позволяет производить в лучшем случае сотни деталей. Требования к объему производства должны быть реалистичными.
8. Возможные дефекты литья
Газовая пористость образуется, когда растворенные газы выходят наружу во время затвердевания. Усадка создает пустоты в толстых секциях. Холодные спайки возникают, когда потоки металла не сплавляются. Недостаточный поток металла приводит к дефектам. Керамические включения образуются из фрагментов раковин. Горячие разрывы образуются во время усадки при затвердевании.
У каждого дефекта есть причина. У каждой причины есть способ предотвращения. Надлежащий контроль процесса снижает количество дефектов. Но литье по выплавляемым моделям не является полностью бездефектным процессом. Этот процесс требует мастерства, дисциплины и контроля качества на каждом этапе.
Литье по выплавляемым моделям по сравнению с другими процессами литья
Литье по выплавляемым моделям против Пескоструйная обработка
| фактор | Литье по выплавляемым моделям | Пескоструйная обработка |
| Точность подачи | Плотная посадка (обычно ±0.1 мм) | Свободный ход (обычно ±1.0 мм) |
| Чистота поверхности | Гладкая поверхность (3.2 мкм Ra) | Шероховатость (Ra 12.5 мкм) |
| Стоимость | Более высокое значение на единицу продукции при малом объеме; более низкое значение при большом объеме. | Более низкая стоимость детали; лучше для крупных деталей. |
| Размер детали | Ограниченное расстояние (максимум ~300 мм) | Неограниченное количество (детали с метровой шкалой) |
| Многогранность | Высокий (тонкие стенки, внутренние проходы) | От низкого до среднего |
Литье по выплавляемым моделям выигрывает по точности и качеству отделки. Литье в песчаные формы выигрывает по размеру и первоначальной стоимости. Выбор зависит от требований к детали.
Литье по выплавляемым моделям против Литье под давлением
| фактор | Литье по выплавляемым моделям | Литье под давлением |
| скорость производства | Медленно (дней на партию) | Быстро (секунды на кадр) |
| Инструменты | Восковые матрицы, керамические оболочки | Штампы из закаленной стали |
| Материалы | Широкий ассортимент (черные металлы, цветные металлы, высокотемпературные сплавы) | Ограничено цветными металлами (алюминий, цинк, магний). |
| Точность | Очень высоко | Высокий |
| Области применения | Критические компоненты, низкий/средний объем производства. | Запчасти для массового потребителя |
Литье под давлением быстрее. Литье по выплавляемым моделям позволяет работать с большим количеством материалов и более сложными геометрическими формами. Точка перехода зависит от объема производства и требований к материалам.
Литье по выплавляемым моделям против механической обработки
| фактор | Литье по выплавляемым моделям | обработка |
| Отходы материалов: | Низкая (близкая к чистой форма) | Высокий (поколение чипов) |
| Многогранность | Высокий (внутренние элементы, отлитые внутри) | Ограниченный (ограничения доступа к инструментам) |
| Стоимость | Снижение при большом объеме | Ниже при малом объеме |
| Точность | Хороший, но может потребоваться чистовая обработка. | Прекрасно |
| Объем производства | Подходит для серийного производства. | Подходит для прототипов и небольших партий. |
Литье по выплавляемым моделям позволяет эффективно использовать материал. Механическая обработка удаляет уже оплаченный материал. Для дорогостоящих сплавов литье позволяет значительно сэкономить. Для простых деталей с жесткими допусками механическая обработка остается лучшим выбором. Эти два процесса дополняют друг друга, а не конкурируют. Многие отливки, полученные методом литья по выплавляемым моделям, подвергаются чистовой механической обработке для достижения критически важных размеров. Комбинированный подход позволяет получить лучшие результаты от обоих методов.
Отрасли, которые получают выгоду от литья по выплавляемым моделям.
Литье по выплавляемым моделям подходит для отраслей промышленности, предъявляющих строгие требования к точности, целостности материала и сложной геометрии. Каждая отрасль имеет свои причины для выбора этого процесса.
Аэрокосмическая индустрия
Лопатки турбокомпрессора, конструктивные элементы планера и компоненты топливной системы. Эти компоненты должны выдерживать экстремальные температуры и циклические нагрузки. Литье по выплавляемым моделям позволяет создавать внутренние каналы охлаждения и тонкостенные конструкции, которые невозможно получить с помощью механической обработки. Стандартными материалами являются никелевые суперсплавы и титан. Недопустимы любые отказы.
Автомобильная
Колеса турбокомпрессоров. Выпускные коллекторы. Компоненты системы впрыска топлива. Снижение веса и термостойкость являются определяющими факторами выбора. Литье по выплавляемым моделям позволяет получать детали, близкие к окончательной форме, требующие минимальной механической обработки. Объемы производства варьируются от умеренных до высоких. В некоторых областях применения этот процесс конкурирует с ковкой и литьем под давлением.
Мед
Хирургические инструменты. Ортопедические имплантаты. Зубные протезы. Биосовместимость и коррозионная стойкость являются обязательными. Нержавеющие стали, кобальто-хромовые сплавы и титан отливаются с высокой точностью. Поверхность должна быть гладкой, чтобы предотвратить прилипание бактерий. Литье по выплавляемым моделям отвечает этим требованиям без чрезмерной постобработки.
Нефть и Газ
Корпуса клапанов. Корпуса насосов. Компоненты скважинного оборудования. Эти детали подвергаются воздействию высокого давления, коррозионных жидкостей и абразивных сред. Выбор материала имеет решающее значение. Часто используются дуплексные нержавеющие стали и никелевые сплавы. Литье по выплавляемым моделям позволяет создавать сложные внутренние каналы, необходимые для этих компонентов.
Промышленное оборудование
Заготовки шестерен. Рычаги. Кронштейны. Сельскохозяйственная техника. Строительная техника. Объединение деталей — главное преимущество. Множество компонентов отливается как единая деталь. Сборка упрощается. Вес снижается. Надежность повышается.
морской
Гребные винты. Рабочие колеса насосов. Компоненты систем морской воды. Коррозионная стойкость в соленой воде имеет важное значение. Бронза, алюминиевая бронза и дуплексная нержавеющая сталь отливаются по заданной форме. Литье по выплавляемым моделям обеспечивает гладкую поверхность, которая снижает сопротивление и повышает эффективность.
Переработка пищевых продуктов
Клапаны. Фитинги. Компоненты насосов. Санитарная конструкция требует гладких поверхностей и коррозионной стойкости. Предпочтительным материалом является нержавеющая сталь. Литье по выплавляемым моделям позволяет получать детали без щелей и острых углов, где могут скапливаться бактерии. Качество поверхности соответствует требованиям FDA без дополнительной полировки.
Защита
Компоненты огнестрельного оружия. Детали аэрокосмической отрасли. Компоненты транспортных средств. Военные спецификации требуют высокой надежности. Целостность материала имеет решающее значение. Литье по выплавляемым моделям обеспечивает повторяемость и контроль качества, необходимые для оборонных программ.
Энергоснабжение
Лопатки турбин. Компоненты газовых турбин. Детали паровых турбин. Требуются высокотемпературные сплавы. Литье по выплавляемым моделям позволяет получить профили лопаток и внутреннюю геометрию охлаждения, обеспечивающие повышение эффективности. Этот процесс незаменим для современной энергетики.
Основные причины выбора литья по выплавляемым моделям различаются в зависимости от отрасли. Аэрокосмическая отрасль требует сложных каналов охлаждения; медицинская сфера — биосовместимости и качества поверхности; автомобильная промышленность — снижения веса; а нефтегазовая отрасль — коррозионной стойкости. Общим для всех этих отраслей является то, что характеристики, обеспечиваемые этим процессом, не имеют аналогов среди других методов.
Когда следует выбирать литье по выплавляемым моделям?
Решение об использовании метода литья по выплавляемым моделям во многом зависит от ряда практических соображений. Если ответ на большинство из этих вопросов положительный, то этот процесс, вероятно, очень хорошо подходит.
Сложные геометрии
Сложно ли или невозможно ли получить нужную форму детали с помощью механической обработки? Имеет ли она внутренние каналы, тонкие стенки или сложные изгибы? По сравнению с любым другим методом литья, литье по выплавляемым моделям лучше подходит для обработки таких особенностей.
Требования к точности
Требует ли деталь строгого контроля размеров? Имеет ли решающее значение качество поверхности для функциональности или внешнего вида? Этот процесс позволяет получать отливки, близкие к окончательной форме, что сокращает или исключает вторичную механическую обработку.
Дорогие материалы
Используется ли в детали титан, никелевые суперсплавы или другие дорогостоящие сплавы? Литье по выплавляемым моделям минимизирует отходы материала. Не образуется стружка, и, следовательно, сокращается количество брака. Полученная экономия достаточна для того, чтобы компенсировать стоимость пресс-формы.
Средние и высокие объемы производства
Вы производите сотни или тысячи деталей в год? Затраты на пресс-формы распределяются на весь производственный цикл. По мере снижения стоимости одной детали этот процесс становится экономически выгодным.
Сокращенное количество шагов сборки
Можно ли интегрировать несколько компонентов в одну отливку? Литье по выплавляемым моделям исключает сварные соединения и необходимость в крепежных элементах, тем самым сокращая время сборки и повышая надежность.
Высококачественная обработка поверхности
Требуется ли для правильной работы детали гладкая поверхность или соответствие нормативным стандартам? Керамические корпуса могут иметь мелкие детали и гладкую поверхность, что сводит к минимуму необходимость полировки и шлифовки.
В каких случаях литье по выплавляемым моделям не является лучшим выбором?
Этот процесс подходит не для всех ситуаций. В некоторых случаях требуется иной подход.
Сверхкрупные детали
Детали диаметром или длиной более 300 миллиметров не подходят для этого процесса. Восковая модель деформируется, а керамическая оболочка станет громоздкой и хрупкой. Литье в песчаные формы позволяет изготавливать детали больших размеров с меньшими затратами.
Небольшие партии и простые детали
Простые кронштейны или плоские пластины не требуют литья по выплавляемым моделям. Механическая обработка из прутка быстрее, а литье в песчаные формы дешевле. Ковка может обеспечить лучшие механические свойства. При мелкосерийном производстве затраты на пресс-формы, связанные с литьем по выплавляемым моделям, не окупаются.
Очень крупномасштабное производство
Литье под давлением позволяет изготавливать детали за секунды, в то время как литье по выплавляемым моделям занимает минуты или часы. При годовом объеме производства, превышающем 100 000 единиц, литье под давлением или штамповка оказываются более экономичными. Решающим фактором является разница во времени цикла.
Компоненты, лучше подходящие для ковки или механической обработки.
Высокопрочные конструкционные элементы обычно изготавливаются методом ковки. Они обладают превосходной зернистой структурой и большей усталостной прочностью. Простые цилиндрические или призматические детали более экономично изготавливать с помощью механической обработки. Литье по выплавляемым моделям не является идеальным процессом для всех применений.
Этот процесс является специализированным и наиболее эффективен в определенных областях. Когда применение выходит за рамки этой области, более подходящими являются другие методы. Выбор процесса следует основывать на характеристиках детали, а не наоборот.
Почему стоит выбрать NOBLE для литья по выплавляемым моделям? Прецизионное производство?
Правильный процесс имеет значение. Правильный партнер имеет не меньшее значение. Компания NOBLE предлагает больше, чем просто производство. Мы предоставляем инженерные и производственные решения от концепции до готового продукта.
Комплексные производственные услуги
Компания NOBLE занимается обработкой металла и пластмасс. Широкие возможности. Разнообразные отрасли. От единичных прототипов до крупносерийного производства — инженерные и производственные команды тесно сотрудничают с заказчиками на каждом этапе проекта.
От проектирования до сборки
Производство — это лишь часть истории. Компания NOBLE предлагает комплексные решения. Мы сотрудничаем с самого раннего этапа проектирования. Технические рекомендации улучшают технологичность производства, снижают производственные затраты и повышают производительность продукции.
Наш интегрированный рабочий процесс включает в себя:
- Поддержка дизайна продукта
- Инженерный обзор
- Выбор материала
- Изготовление прототипа
- Массовое производство
- Обработка поверхности
- сборка
- Окончательная проверка
- Упаковка и доставка
Такой комплексный подход оптимизирует разработку. На протяжении всего процесса поддерживается неизменно высокое качество. Нет пробелов в передаче информации. Нет взаимных обвинений.
Качество, которому можно доверять
Качество — основа каждого проекта. Компания NOBLE работает в соответствии с международно признанными системами управления качеством.
Наши сертификаты включают в себя:
- ISO 9001: 2015 - Система контроля качества
- ISO 13485: 2016 – Система управления качеством медицинских изделий
Эти сертификаты подтверждают нашу приверженность качеству, контролю производственных процессов, отслеживаемости и удовлетворению потребностей клиентов в самых разных отраслях.
FAQ
Каковы основные преимущества литья по выплавляемым моделям?
Высокая точность размеров, превосходное качество поверхности, возможность изготовления сложных геометрических форм, широкий выбор материалов и минимальные отходы материала.
Какие недостатки у литья по выплавляемым моделям?
Высокая стоимость оснастки, более длительные сроки выполнения заказов, ограничения по размерам и более низкие темпы производства по сравнению с литьем под давлением.
Почему литье по выплавляемым моделям обходится дороже?
Изготовление восковых моделей и керамических оболочек — трудоемкий и длительный процесс. Он требует множества этапов и квалифицированных операторов, что приводит к увеличению себестоимости одной детали при небольших объемах производства.
Какие металлы можно использовать в литье по выплавляемым моделям?
Углеродистая сталь, нержавеющая сталь, инструментальная сталь, алюминиевые сплавы, латунь, бронза, титановые сплавы, никелевые суперсплавы и сплавы на основе кобальта.
Подходит ли литье по выплавляемым моделям для массового производства?
Да, для средних и больших объемов производства, где затраты на оснастку амортизируются в течение крупных производственных циклов. Для чрезвычайно больших объемов литье под давлением может быть быстрее и дешевле.
Насколько точны инвестиционные расчеты?
Типичные допуски составляют от ±0.1 мм до ±0.2 мм в зависимости от размера и геометрии детали. Для некоторых элементов допуски могут быть более жесткими при использовании технологического контроля.
В каких отраслях промышленности наиболее распространено литье по выплавляемым моделям?
Аэрокосмическая, автомобильная, медицинская, нефтегазовая, промышленная, морская, пищевая, оборонная и энергетическая отрасли.
В чем разница между литьем по выплавляемым моделям и литьем в песчаные формы?
Литье по выплавляемым моделям обеспечивает более жесткие допуски, более гладкую поверхность и возможность изготовления сложных внутренних элементов. Литье в песчаные формы позволяет изготавливать детали большего размера и требует меньших затрат на оснастку, но при этом обеспечивает более шероховатую поверхность и более свободные допуски.
Возможно ли использовать литье по выплавляемым моделям для производства тонкостенных деталей?
Да. Достижима толщина стенок до 1 мм. Технология изготовления керамических оболочек и восковых моделей позволяет создавать тонкие срезы без искажений.
