Литье переходит в цифру с использованием 3D печати песком и неразрушающим контролем

Литье переходит в цифру с использованием 3D печати песком и неразрушающим контролем

Литье металла переходит в цифровую форму с помощью 3D печати песком и неразрушающего контроля. Tooling & Equipment International (TEI) используют их для изготовления оснастки для отливок. Теперь она отливает прототипы деталей в цифровом рабочем процессе с использованием 3D-печатных форм из песка в сочетании с программным обеспечением для моделирования, компьютерной томографией и рентгеновскими технологиями.

 

Tooling & Equipment International (TEI) когда-то производила оснастку для производственных литейных цехов, но теперь ее внимание сосредоточено на использовании собственных возможностей производства оснастки (включая 3D-печать песком) для производства небольших объемов и прототипов отливок, таких как этот блок двигателя. Фото: TEI

 

«Раньше, до появления станков с числовым программным управлением, оснастка для литья изготавливалась высококвалифицированными мастерами, которые вырезали образцы из красного дерева и упаковывали их в песок», — говорит Оливер Джонсон, президент Tooling & Equipment International (TEI). «Вам бы потребовалось шесть или девять месяцев, чтобы сделать всю оснастку для детали, которую мы могли бы сделать сегодня с помощью 3D-печатной формы, за два дня».

Компания TEI, основанная в 1918 году как Automotive Pattern, стала свидетелем серьезных изменений в технологии литья, а также собственной трансформации. На протяжении большей части своей истории компания в Ливонии, штат Мичиган, сосредоточивалась на предоставлении оснастки для производственных литейных предприятий, сначала используя ручной инструмент, а затем станки с ЧПУ для изготовления моделей, стержней и полостей. Собственное небольшое литейное производство использовалось только для тестирования оснастки, которая будет передана этим клиентам, но в последнее время это направление изменилось.

«Сейчас мы не производим оснастку, кроме оснастки, необходимой для наших собственных процессов», — говорит Джонсон. За последние 10 лет TEI преобразовала свой испытательный цех в полноценное производство отливок для опытных образцов и мелкосерийного производства. 3D-печать песком теперь обеспечивает большинство форм для этой работы, разработанных с помощью программного обеспечения для моделирования. Отливки контролируются компьютером для обеспечения однородности, а возможности компьютерного и рентгеновского сканирования компании помогают обеспечить качество. Наше  стал цифровым, и именно эти достижения помогли TEI сократить сроки для литой части с месяцев до нескольких дней.

 

Печать песком для прототипов литых деталей

 

Сегодня компания TEI специализируется на литых металлических деталях, в основном из алюминия, в количестве от 1 до 5 000 штук, говорит Джонсон. Его возможности включают в себя внутреннюю термообработку, механический цех и контрольную лабораторию в дополнение к литейному производству. Компания обслуживает автомобильную промышленность, сосредоточенную вокруг соседнего Детройта, а также аэрокосмическую, оборонную, энергетическую и телекоммуникационную отрасли. Большинство деталей, которые он производит, являются тестовыми деталями, такими как компонент подрамника автомобиля, необходимый для краш-тестов, прежде чем автопроизводитель вложит средства в пресс-форму для полномасштабного производства.

Компания использует 3D-печать песком с 2004 года, но полагается на эту возможность при переходе на производство. Вместо того, чтобы создавать форму и набивать песок вокруг нее вручную, чтобы сформировать форму, печать песком позволяет TEI просто печатать форму напрямую. В процессе используется печатающая головка для нанесения капель связующего вещества на слой песка, соединяя материал вместе. 3D-печать позволяет создавать более сложные геометрические формы, чем формы, изготовленные вручную, а также позволяет уплотнять и консолидировать сборки форм. В одном примере TEI смогла модернизировать оснастку для коробки передач вертолета, уменьшив количество песчаных стержней с 78 до всего пяти печатных деталей, исключив множество стыков и уменьшив сборку формы.

В принтере Voxeljet VX4000 компании TEI используется процесс распыления связующего для склеивания песка в стержнях и полостях для литья. Широкоформатный песчанный принтер позволяет TEI создавать оснастку для очень больших деталей или для множества небольших форм сразу, как показано здесь. Фото: TEI

 

Сегодня у TEI есть самый крупный песчанный 3D-принтер в Соединенных Штатах, Voxeljet VX4000, с габаритами 2 метра в ширину и 4 метра в длину. Головка принтера установлена ​​на портале, который может перемещаться вверх и вниз по этому объему сборки, размещая связующее там, где это необходимо. Этот универсальный принтер позволяет TEI при необходимости создавать большие формы или сразу несколько небольших форм; окно задания может быть создано вместе с печатью, что позволяет сделать его настолько большим, насколько это необходимо. Для небольших работ у компании также есть система впрыскивания связующего с объемом сборки 1 на 0,8 метра. Готовые песчаные формы распаковываются опытными мастерами TEI, очищаются от несвязанного песка и готовы к использованию.

Для проектирования и моделирования этих форм TEI использует EKKcapcast, программное обеспечение, специально предназначенное для процесса литья металлов. Программное обеспечение позволяет компании быстро итерировать конструкции форм и тестировать их, прежде чем когда-либо создавать физический инструмент, что необходимо для того вида мелкосерийной и быстрой работы, которую она выполняет сегодня.

«Вначале песчанная печать была очень дорогой, и поэтому традиционный способ разработки прототипов, когда у вас был литейный завод, занимающийся методом проб и ошибок, был слишком дорогим», — говорит Джонсон. «Но мы объединили эту технологию печати с моделированием. Мы можем смоделировать весь процесс заполнения формы алюминием, а затем посмотреть, как материал затвердевает. Вместо того, чтобы проводить все итерации тестирования с использованием дорогих 3D-печатных форм, вы делаете это на экране. Вы можете сделать 10 итераций за несколько часов, а затем доработать дизайн и напечатать всю форму на 3D-принтере». В случае необходимости изменения конструкции TEI может легко перепечатать форму.

Несмотря на оцифровку процесса литья в TEI, некоторые этапы все же требуют квалифицированного подхода. Очистка песчаных форм — это деликатная задача, которую выполняют опытные изготовители моделей. Фото: TEI

Автоматическое литье и модификация материалов

 

Совместное мастерство TEI в моделировании и возможности 3D-печати помогает сократить время поставки оснастки, что ускоряет, удешевляет и упрощает переход от проектирования САПР к литью металла. Но отливки прототипов по-прежнему должны быть функциональными и функционировать на том же уровне, что и их возможные серийные аналоги.

Один из способов, которым TEI контролирует качество конечной детали, — это автоматизация разливки с помощью метода, называемого литьем под низким давлением. «Вместо того, чтобы заливать алюминий вручную, вы закачиваете его с помощью компьютерного контроллера», — объясняет Джонсон. «Мы можем очень быстро заполнить формы контролируемым образом, а затем создать в них давление в течение всего процесса отверждения, чтобы устранить любую пористость. Он идентичен каждый раз при отливке [даже с контролем температуры] в пределах одного градуса Цельсия».

Этот автоматизированный процесс приводит к получению высококачественного литья с хорошими свойствами материала — фактически, свойствами, которые иногда могут быть слишком хорошими. Для таких работ, как изготовление прототипов компонентов для краш-тестов, TEI должна привести свои прототипы отливок в песчаные формы в соответствие по свойствам стального литья под давлением — процесса, который в конечном итоге приведет к массовому производству этих автомобильных деталей.

«Наша цель - предоставить прототипы, которые максимально соответствуют производственному процессу».

«Отливки под высоким давлением для компонентов автомобильных кузовов очень пластичны, поэтому нам пришлось разработать способы достижения такой же пластичности при отливке в песчаные формы», — объясняет Джонсон. «Отливки в песчаные формы обычно очень прочные. Мы используем различные сплавы и термическую обработку, чтобы «приглушить» эти свойства и сделать их более похожими на низкопрочные отливки под давлением».

То же самое верно для любой детали-прототипа, которая может быть изготовлена ​​иначе в производстве. TEI работает в обратном направлении, исходя из целевых свойств клиента, чтобы выбрать подходящий материал и термическую обработку из сплавов и разработанных процедур. «Наша цель — предоставить прототипы, которые максимально соответствуют производственному процессу», — говорит Джонсон.

Вероятно, половина деталей, производимых TEI, в конечном итоге будет отливкой под высоким давлением при крупносерийном производстве, но возможность сначала отливать их в песок позволяет оптимизировать конструкцию без предварительных вложений в стальную оснастку. По словам Джонсона, разработка оснастки для подрамника или шасси большого транспортного средства может занять до 8 месяцев и стоить более 1,5 миллиона долларов, в то время как TEI может поставить саму деталь всего за 2 недели с использованием 3D-печатных форм из песка.

 

Замыкание цикла неразрушающим контролем

 

Независимо от того, является ли рассматриваемая отливка прототипом для краш-теста или частью приложения для конечного использования, ее цифровая нить не заканчивается заливкой, управляемой компьютером. После разрушения песчанной формы отливки проверяются с использованием различных методов неразрушающего контроля (NDT) в сочетании с программным обеспечением, в зависимости от необходимых деталей и количества деталей.

Возможности неразрушающего контроля, такие как эта промышленная компьютерная томографическая система Yxlon CT Compact, помогают TEI закрыть цикл по качеству литья, будь то прототип или производственные детали. Фотография: Yxlon

Для прототипов и других приложений небольшого объема TEI, скорее всего, обратится к своей системе Yxlon CT Compact, сканеру компьютерной томографии, разработанному для средних и крупных литых деталей. Компактная система имеет источник высокой энергии, позволяющий получать изображения деталей с высокой плотностью, включая алюминиевые отливки толщиной до 9,9 дюйма (250 мм). Эта возможность в первую очередь используется для поиска дефектов в отливках и там, где необходимо измерение внутренних характеристик. Данные компьютерной томографии загружаются в VGStudio Max из Volume Graphics, где их можно наложить на CAD и проанализировать на предмет предполагаемого результата.

«Вот как действительно замыкается петля», — говорит Джонсон. «Моделирование говорит вам, что должно произойти, а затем компьютерная томография сообщает вам, что именно произошло. Вы можете проверить, что находится в отливке, не разрезая деталь».

 

Последним шагом в замкнутом контуре детали является использование результатов компьютерной томографии или рентгеновского контроля для сравнения отливки с ее первоначальной конструкцией. TEI использует для этого анализа программное обеспечение VGStudio Max от Volume Graphics. Фото: TEI

 

Для крупных партий и производственных деталей, требующих 100% -ного контроля, TEI использует рентгеновскую систему (также от Yxlon), которая может быть запрограммирована на перемещение как детектора рентгеновского излучения, так и источника для быстрого захвата любых и всех необходимых функций. Если проблема обнаружена в конкретной отливке, машина может даже предложить оператору проверить каждое эталонное изображение для этого конкретного места. Эти изображения также хранятся в базе данных и передаются клиентам; Каждая отливка, обработанная или напечатанная деталь имеет серийный номер, связанный с ее полной историей, включая химический состав, термическую обработку, данные рентгеновского или компьютерного сканирования для полной прослеживаемости.

 

Цифровое, быстрое литье качественное с первого раза

 

Комбинация программного обеспечения, 3D-печати и контроля TEI означает, что компания может двигаться намного быстрее выполнять более разнообразную работу, чем это было возможно в прошлом. Сегодня компания разрабатывает около четырех новых продуктов каждую неделю. Определенный процент ее мощностей также используется для того, что Джонсон называет «экстренным производством» или работами с быстрым выполнением работ, когда возникает проблема или клиенту просто нужна деталь в ускоренные сроки. (Его экстренное реагирование было недавно протестировано во время пандемии коронавируса, когда GM поручила TEI изготавливать детали для вентиляторов с использованием своего механического цеха.) 3D-печатные оснастки из песка позволяют TEI быстро изготавливать детали, а возможности моделирования позволяют делать это точно и уверенно.

Для больших партий деталей TEI изготовит обычную оснастку, поскольку еще дешевле насыпать песок вокруг шаблона, чем напрямую печатать форму на 3D-принтере. Но этот разрыв сокращается, говорит Джонсон. Одновременно TEI отмечает рост количества металлических отливок сложных, даже генерируемых деталей, которые невозможно было бы изготовить без оснастки, напечатанной на 3D-принтере, и планирует делать больше этой работы в будущем.

TEI также наблюдает за другой тенденцией: металлические детали, которые вообще не нуждаются в оснастке. В настоящее время компания обрабатывает и проверяет некоторые детали от клиентов из аэрокосмической отрасли, которые изготавливаются непосредственно с помощью металлической 3D-печати, что дает ей особое представление о качестве и перспективности этих компонентов. «Придет время, когда клиенты будут проектировать детали, которые можно будет изготовить только с помощью 3D-печати», — говорит Джонсон. Если это так, цифровой рабочий процесс TEI позволит ему, возможно, еще раз преобразиться.

 

Хотите узнать как применить технологию 3D печати песком voxeljet и неразрушающий контроль в вашем бизнесе? Свяжитесь с нашими специалистами для бесплатной консультации для вашей компании.

 

 

Tags:
,
No Comments

Post A Comment

Подпишитесь на рассылку новостей
Аддитивного Производства, чтобы быть
профессионалом в современных
промышленных технологиях

Вы успешно подписались на рассылку.

There was an error while trying to send your request. Please try again.

СМАРТПРИНТ - Прямое Цифровое Производство will use the information you provide on this form to be in touch with you and to provide updates and marketing.