گزارش کارآموزی تکنولوژی ساخت قالب های سریع به روش ریخته گری دقیق

تقابل ریخته گری دقیق با روش DSPC در تولید قطعات با شکل نهایی

مقدمه

روش ریخته گری دقیق به عنوان روشی برای تولید قطعات کوچک با دقت بالا و تولتید خوشه‌های با ظرفیت حمل قطعات بیشتر (تیراژ بالا) نسبت به سایر روش‌های دیگر ریخته گری از اهمیت بیشتری برخوردار می‌باشد. از آنجا که راه اندازی سیستم ریخته گری دقیق برای قطعات بزرگ با تیراژ تولید کم توجیه اقتصادی ندارد، تمایل به ترکیب این روش با انواع روش‌های تولید بیش از پیش افزایش یافته است. از طرف دیگر روش DSPC به عنوان یکی از روش‌های قالب سازی سریع باعث افزایش CAD / CAM و عدم استفاده از روشظهای سنتی ماشین کاری می‌شود، که با کمک آن می‌توان پاره‌ای از مراحل ریخته گری دقیق را حذف یا تصحیح نمود و سرعت فرایند را در عین حفظ دقت قطعات بالا برد. در این بخش به بررسی پروسه انجام این کار پرداخته شده است.

پیش درآمدی بر ریخته گری دقیق

ریخته گری دقیق از سال‌ها قبل در مقیاس غیر صنعتی در جواهر سازی کاربرد داشته و سپس در کاربردهای پزشکی از قبیل ساخت دندان و اعضای مصنوعی بدن به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته است.

با وقوع جنگ جهانی دوم، کاربرد این تکنولوژی در صنایع نظامی و هوایی به شدت گسترش یافت که یکی از عوامل آن را می‌توان نیاز به توربین‌های گازی و ساخت موتورهای جدید نظامی دانست. به عبارت دیگر با ظهور توربین‌های گازی نیاز به ایجاد مقاومت در پره‌های توربین برابر دماهای بالا جهت افزایش راندمان آن از طریق افزایش دمای گازهای ورودی مورد توجه قرار گرفت. با کشف سوپر آلیاژها که مجموعه‌ای از آلیاژهای با پایه نیکل و کبالت بودند و مقاومت بیشتری در برابر حرارت داشتند این مواد، جایگزین قطعات آهنگری شده فولاد آلیاژی که قبلا در این صنعت مورد استفاده بود شدند. بیشتر این آلیاژها امکان استفاده از توربین‌ها در دماهای بالا و ایجاد راندمان بالاتر را فراهم می‌کردند ولی از آنجا که سوپر آلیاژها شکننده بوده و قابلیت آهنگری آنها با روش‌های مرسوم آن زمان وجود نداشت و از طرفی دیگر هزینه ماشین کاری آنها به دلیل مقاومت بالای سوپر آلیاژها و ایجاد سایش در ابزار برشی بسیار بالا بود، لذا گرایش به روش ریخته گری دقیق به عنوان یک روش جایگزین بیش از پیش مورد توجه قرار گرفت. اوج شکوفایی روش ریخته گری دقیق به عنوان یک روش جایگزین بیش از پیش مورد توجه قرار گرفت. اوج شکوفایی روش ریخته گری دقیق در سال 1980 بوده است، به طوری که بر طبق آخرین آمار حدود 15% کل قطعات تولیدی در کشور انگلیس به این روش ساخته می‌شود، که از این مقدار 50% به سوپر آلیاژهای با پایه نیکل و کبالت، 35% انواع فولاد، 10% آلمینیوم و آلیاژهای آن و 5% را آلیاژهای مس و تیتانیوم به خود اختصا می‌دهند.

معرفی فرایند ریخته گری دقیق

در این روش قالب سرامیکی توسط ساخت مدل‌های مومی و یا سایر موادی که قابلیت ذوب در دماهای پایین را دارا می‌باشند، تولید می‌گردد. پس از ساخت مدل‌های مومی از قطعه مورد نظر، مدل‌های فوق به یک راهگاه مومی که نقش اصلی در فرایند ذوب ریزی را بر عهده دارد متصل می‌گردند. مجموعه راهگاه و مدل‌های متصل به آن را خوشه می‌نامند که تعداد قطعات مومی در هر خوشه به ظرفیت حمل راهگاه، وزن نهایی خوشه تولیدی و تیراژ تولید بستگی دارد.

خوشه تولید شده را پس از آن در داخل یک دو غاب سرامیکی با مواد جوانه زا فرو می‌برند تا کاملا سطح مدل‌های مومی پوشش داده شود و لایه‌ای از روکش سرامیکی روی آن ایجاد شود. بعد از بیرون آوردن خوشه از دو غاب، آن را در زیر ریزش ذرات بسیار ریز یا در بستری از این ذرات قرار می‌دهند تا به لایه سرامیکی مرطوب بچسبد. این ذرات باعث ایجاد تخلخل در لایه سرامیکی می‌گردند که به خروج هوا از طریق پوسته سرامیکی در ضمن ذوب ریزی کمک می‌کند.

عمل روکش دهی با فرو بردن خوشه در دو غاب سرامیکی و خشک شدن لایه‌ ایجاد شده و دوباره تکرار این عمل ادامه می‌یابد تا ضخامت مورد نظر از لایه سرامیکی روی مدل‌ها را بپوشاند. ضخامت دیواره سرامیکی در این روش بین 4 تا 12/0 میلیمتر متغیر است لذا باید به نحوی تعیین شود که مانع از خروج هوا از قالب نشود و به راحتی پس از ریخته گری قابل شکستن و جدایش از قطعات باشد. بعد از رسیدن به ضخامت لایه مورد نظر، مجموعه خوشه را در داخل اتوکلاو گذاشته و به همراه فشار بخار آب حرارت اندکی می‌دهند تا موم از آن خارج شود.

مواد مورد استفاده برای روکش دهی مدل‌های مومی در حالت عمومی شامل مخلوطی از پلاستر، چسب و پودر سیلیکا، به عنوان ماده نسوز یا دیرگداز قالب، می‌باشد که این ترکیب برای ریخته گری فلزات با دمای ذوب پایین کاربرد دارد. برای فلزات با درجه حرارت ذوب بالاتر در این حالت سیلیمانیت که یک ترکیب از آلومینا – سیلیکات می‌باشد به عنوان ماده اصلی قالب پیشنهاد می‌گردد و سیلیکا نیز به عنوان چسب به کار می‌رود. بسته به دقت نهایی مورد نظر در ساخت قطعات، پوشش‌های دیگری از جنس سیلیمانیت، اتیل سیلیکات و مولاشیت نیز مورد استفاده می‌باشد. آنچه که در این میان از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد این است که دیواره سرامیکی بایستی حتی المقدور مقاوم در برابر شوک‌های حرارتی بوده و در دمای ذوب پایداری ابعادی خوبی از خود نشان دهد، همچنین عدم تمایل به واکنش با مذاب و انبساط حرارتی پایین از دیگر خواص آن باشد. بعد از خروج موم، قالب آماده ریخته گری می‌باشد، لذا آن را برای خروج باقیمانده احتمالی موم و نیز استحکام هر چه بیشتر چسب تا دمای 1000 درجه سانتیگراد  یا 1832 درجه فار نهایت پیش گرم می‌کنند. این کار به طراح اطمینان کافی از پر شدن قالب می‌دهد. عملیات ریخته گری به صورت ریخته گری ثقلی، تحت فشار و یا در خلاء انجام می‌گیرد اما در حالت ریخته گری تحت فشار باید کمال دقت را مبذول داشت تا هوا به طور کامل از قالب خارج گردد. وزن قطعات ریخته گری شده با این روش به طور عادی بین 200 گرم تا 8 کیلوگرم متفاوت است، اگر چه امروزه قطعات تا وزن 250 کیلوگرم نیز قابل تولید به این روش می‌باشند. روش ریخته گری دقیق قابلیت تولید آلیاژهای آلومینیوم، برنز ، فولادهای ابزار، فولادهای ضد زنگ، استلیت، سوپر آلیاژهای پایه نیکل و کبالت، طلا و تیتانیوم و آلیاژهای مس را به خوبی دارا می‌باشد.

مزایای روش ریخته گری دقیق

ریخته گری دقیق قابلیت دستیابی به تلرانس‌های بسته‌تر را دارد. این روش تلرانس، 5/0% و حتی در قطعات کوچک تا 15/0% قابل دسترس می‌باشد.

ریخته گری محدوده وسیعی از فلزات با این روش مقدور است.

امکان رسیدن به کیفیت بالای ساختار متالوژیکی به دلیل عدم وجود عیوبی مانند ماسه سوزی  و ... وجود دارد.

هزینه این روش نسبت به سایر روش‌های دیگر در تیراژ بالا بسیار کمتر می‌باشد.

عیوب ریخته گری دقیق

به راه اندازی سیستم ریخته گری دقیق متضمن صرف هزینه بالا بوده و باید استفاده از این روش توجیه اقتصای داشته باشد.

برای قطعات با تیراژ پایین مقرون به صرفه نمی‌باشد.

اصول کلی انجام ریخته گری دقیق

در زیر به توضیح اصول کلی فرایند ریخته گری دقیق پرداخته می‌شود.

تولید مدل مومی

مدل‌های موم به تعداد مورد نظر بعد از طراحی و ساخت قالب در این مرحله غالباً به روش تزریق تولید می‌شوند.

مرحله تزریق در قالب

مونتاژ

مدلها جهت تولید خوشه‌های متشکل از تعداد مشخص مدل، به یک راهگاه اصلی از جنس موم متصل می‌شوند. عمل اتصال توسط موم‌ مذابی که به عنوان لحیم ندر محل ریخته می‌شود، انجام می‌شود البته این کار باید به صورتی انجام شود که روی دقت ابعادی مدل تاثیر گذار نباشد.

مرحله مونتاژ مدل‌ها

ایجاد لایه سرامیکی

مدل خوشه‌ای فوق را هر دفعه در دو غاب سرامیکی فرو برده و سپس آن را در داخل یک بستر از شن بسیار ریز قرار می‌دهند تا ضخامت لایه مورد نظر ایجاد شود.

مرحله ایجاد لایه

موم زدایی

به محض خشک شدن لایه سرامیکی موم را با حرارت اندک ذوب و از داخل قالب سرامیکی خارج می‌کنند بدین ترتیب پوسته سرامیکی به عنوان قالب مرحله بعد آماده ریخته گری است.

مرحله موم زدایی

ریخته گری

این عمل با پیش گرم قالب به حدود 1000 درجه سانتیگراد و تحت ریخته گری ثقلی انجام میشود، بدیهی است بعد از سرد شدن مذاب مدلها و راهگاه‌ اصلی به صورت یک جسم یکپارچه در می‌آیند.

مرحله ریخته گری

شکستن  لایه سرامیکی

بعد از سرد شدن مذاب پوسته سرامیکی توسط ارتعاش یا چکش پنوماتیکی شکسته می‌شود.

مرحله شکستن لایه

برش قطعات

هر یک از مدل‌ها به ترتیب از راهگاه جدا می‌شوند. این کار غالباً توسط اره مویی و به صورت دستی انجام می‌شود.

برش مدلها

پرداخت نهایی قطعه کار

پرداخت نهایی

تقابل ریخته گری دقیق و قالب سازی سریع

با توجه به اینکه نمونه سازی سریع باعث افزایش قدرت رقابت در واحدهای تولیدی، کاهش زمان ارائه مدل و هزینه نهایی قطعه و حتی کاهش خطاهای احتمالی به دلیل استفاده از کامپیوتر می‌شود، لذا با پیدایش این تکنولوژی زمینه برای کاربرد آن در سایر رو‌ش‌ها نیز فراهم شد. به تبع این تکنولوژی، قالب سازی سریع نیز که بر پایه ساخت سریع قالب توسط روش نمونه سازی سریع برای تولید قطعات با جنس اصلی استوار بوده و به طراح امکان تولید قالب در مدت کوتاه حداکثر چند روز را می‌دهد، به عنوان یک عامل تاثیر گذار در تسریع پروسه تولید مورد توجه قرار گرفت. به طور مثال امروزه در ریخته گری دقیق به جای تولید مدل مومی به روش تزریق موم در قالب‌های فلزی می‌توان از نمونه سازی سریع استفاده و با این کار یکی از فرایندهای وقت گیر تولیدی را که شامل طراحی قالب، تهیه برنامه ماشین کاری اتوماتیک، و در نهایت زمان بالای ساخت و نصب قالب جهت تزریق موم را حذف کرد.

اعمال روش نمونه سازی سریع

عملکرد این تکنولوژی در تصحیح فرایند ریخته گری دقیق بدون تغییر کلی سیستم کارایی روش عبارت است از تولید مدل مومی به عبارت دیگر بعد از تعیین مدل قطعه مورد نظر جهت انجام ریخته گری دقیق توسط یکی از روش‌های نمونه سازی سریع عملیات ساخت مدل‌های مومی انجام می‌شود که از مهمترین مزایای آن علاوه بر دقت بالای قطعه، کاهش زمان تولید مدل و عدم نیاز به طراحی قالب همانند روش‌های سنتی می‌باشد. از آنجا که برنامه نویسی جهت تولید قالب‌های تزریق و نیز ماشین کاری آنها توسط دستگاه‌های CNC به حداقل یک تا دو هفته زمان نیاز دارد می‌توان مدل‌ها را به راحتی در عرض چندین روز با استفاده از نمونه سازی سریع با هزینه کمتر و دقت بالاتر تولید کرد. در زیر به مراحل تولید مدل مومی توسط نمونه سازی سریع اشاره می‌شود:

تولید مدل قطعه مومی در نزم افزار CAD

ذخیره کردن این مدل وبا فرمت STL که فرمت استاندارد مدل‌های حجمی است و انتقال آن به دستگاه نمونه سازی سریع.

مدل CAD از طریق نرم افزار مربوطه دستگاه نمونه سازی که غالباً Slicer می‌باشد به لایه‌های با ضخامت 127/0 تا 005/0 میلیمتر مقطع بندی می‌شود.

اطلاعات مربوط به هر لایه به سیستم دستگاه منتقل و قطعه لایه لایه از پایین به بالا تولید می‌شود. این کار توسط عملکرد سکویی انجام می‌گیرد که قابلیت حرکت بالا و پایین داشته و قطعه روی آن ساخته می‌شود. رایج ترین روش مورد استفاده در این بخش به دلیل نوع جنس موم روش SLA می‌باشد، که با تابش لیزر به هر سطح از فتوپلیمر که ضخامت آن برابر مقدار تعیین شده در نرم افزار است، مقطع هر لایه جامد شده، از روی هم قرار گرفتن این لایه‌ها قطعه نهایی تولید و در ادامه آن را از داخل ظرف فتوپلیمر خارج می‌کنند. بعد از خروج قطعه آن را در یک گروه در معرض تابش اشعه فرابنفش قرار می‌دهند تا فتوپلیمر پخته شده استحکام نهایی خود را به دست آورد.

   قالب سازی سریع با اعمال روش DSPC

در این بخش سعی شده تا از روش DSPC به عنوان عاملی برای اقتصادی کردن و کوتاه کردن فرایند ریخته گری دقیق استفاده شود. این روش برعکس نمونه سازی سریع که برای تولید مستقیم مدل کاربرد دارد به پیروی از روش‌های نمونه سازی سریع برای ساخت قالب به صورت کاملاً بی واسطه و مستقیم به کار می‌رود، لذا به آن قالب سازی سریع به روش مستقیم گفته می‌شود. در زیر به روشی که برای تولید به روش قالب سازی سریع دنبال شده پرداخته می‌شود.

طراحی قطعه

در این مرحله مدل سه بعدی به صورت مونتاژی همراه با ماهیچه‌های مورد نیاز برای ساخت آن در فرایند ریخته گری مدل شده و با استفاده از امکانات نرم افزار CAD، مدل قالب ایجاد می‌شود.

طراحی راهگاه

پس از تولید مدل سه بعدی قالب، عملیات طراحی راهگاه با توجه به استانداردهای موجود و اتصال آن به مدل قالب انجام گرفته و کل مدل مربوطه به عنوان مدلی یکپارچه با فرمت STL، که فرمت استاندارد دستگاه‌های نمونه سازی است، ذخیره و به دستگاه منتقل می‌شود.

ساخت قالب واقعی

عملیات ساخت قالب در دستگاه نمونه سازی به صورت ساخت لایه لایه انجام می‌گیرد که این فرایند شامل مراحل زیر است:

بعد از انتقال مدل به دستگاه در محیط نرم افزار Slicer که نرم افزار جانبی دستگاه نمونه سازی برای قاچ بندی و لایه لایه کردن مدل‌ها می‌باشد مدل به لایه‌های متعددی عموماً به ضخامت 125/0 میلیمتر تقسیم می‌شود.

برای ساخت قالب روی سکوی اولیه متحرک با قابلیت حرکت عمومی توسط حرکت غلتک لایه‌ای ازپودر سرامیک به ضخامت لایه اولیه‌ای که در نرم افزار Slicer مشخص شده ایجاد می‌شود.

در اجرای فرایند ساخت حرکت غلتک دو وظیفه مهم را انجام می‌دهد:

غلتک با حرکت افقی خود لایه سرامیک را به ضخامت مورد نظر تنظیم می‌کند که این کار در طول عملیات ساخت از اهمیت بالایی برخوردار است.

غلتک مزبور با داشتن خاصیت گرم کنندگی  در حین حرکت و تصحیح لایه به پخت نسبی سرامیک آغشته به چسب نیز کمک می‌کند. این حرارت نسبی با افزایش ارتفاع قالب در طول فرایند باعث استحکام و جلوگیری از تغییر شکل قالب می‌شود.

ریزش به صورتی که چسب مایع در بالای لایه سرامیکی به شکل مقطع لایه اول که در نرم افزار مشخص شده از طریق نازل دستگاه که خود دارای چند گلویی بوده و قابلیت حرکت روی صفحه Y,X را دارد انجام می‌گیرد. چسب در فضای بین ذرات سرامیک نفوذ و باعث اتصال آنها به هم می‌شود. این عمل ساختار محکمی را در قسمتهای فوق در مرحله پخت بعدی ایجاد می‌کند، سپس سکو به اندازه ضخامت لایه دوم پایین می‌آید.