Литье алюминия по выплавляемым моделям (также известное как литье по выплавляемым моделям) позволяет получать компоненты почти идеальной формы с исключительной чистотой поверхности, точностью размеров и механической целостностью, что делает этот процесс подходящим для изготовления кронштейнов для аэрокосмической отрасли, медицинских корпусов и высокопроизводительных автомобильных деталей. При правильном проектировании алюминиевые отливки достигают допусков ±0,005 дюйма/дюйма (±0,13 мм/мм) и шероховатости поверхности всего 63–125 микродюймов Ra, что часто исключает необходимость вторичной механической обработки.
В отличие от литья в песок или литья под давлением, при литье по выплавляемым моделям используется керамическая оболочка, построенная вокруг воскового рисунка, что позволяет создавать сложную геометрию, тонкие стенки (всего 0,060 дюйма / 1,5 мм) и мелкие детали, такие как надписи или внутренние проходы. Этот процесс идеально подходит для производства с малыми и средними объемами, где точность перевешивает проблемы стоимости оснастки.
Пошаговый процесс литья по выплавляемым моделям
Процесс начинается с впрыскивания расплавленного воска в алюминиевую форму для формирования рисунка, идентичного конечной детали. Затем несколько узоров собираются на центральном восковом литнике, чтобы создать «дерево». Эту сборку неоднократно погружают в раствор на основе диоксида кремния и покрывают мелкой штукатуркой, образуя керамическую оболочку из 6–12 слоев.
После высыхания скорлупа депарафинируется в автоклаве (обычно при 180–200 ° C), оставляя полость. Затем скорлупу обжигают при температуре 870–1000°C, чтобы удалить остатки воска и укрепить керамику. Расплавленный алюминий — обычно такие сплавы, как A356, A360 или 380 — заливают в горячую оболочку под действием силы тяжести или вакуума. После затвердевания оболочка удаляется гидроструйной обработкой или механической вибрацией, а из литника вырезаются отдельные отливки.
Распространенные алюминиевые сплавы и их свойства
Не все алюминиевые сплавы подходят для литья по выплавляемым моделям. Наиболее широко используемые из них обладают превосходной текучестью, устойчивостью к разрыву при высоких температурах и возможностью термообработки после отливки:
| Сплав | Кремний (%) | Предел прочности (тысячи фунтов на квадратный дюйм) | Основное использование |
|---|---|---|---|
| А356.0 | 7.0 | 30–35 (в актерском составе) 40–45 (Т6) | Аэрокосмическая, медицинская |
| А360.0 | 9.0 | 30–33 (в актерском составе) | Коррозионностойкие корпуса |
| 380.0 | 8.5 | 44–48 (в актерском составе) | Высокопрочные детали конструкции |
A356-T6 — отраслевой стандарт для критически важных приложений. благодаря отличной реакции на термообработку и усталостной стойкости.
Преимущества конструкции перед другими методами литья
Литье по выплавляемым моделям превосходно сочетается со сложностью и производительностью. По сравнению с литьем под давлением, это позволяет избежать высоких затрат на инструменты (10–50 тысяч долларов против 50–500 тысяч долларов за штампы) и позволяет создавать более сложные внутренние элементы без углов уклона. По сравнению с литьем в песчаные формы, оно обеспечивает превосходное качество поверхности и более жесткие допуски, сокращая объем механической обработки до 70%.
- Никаких разделительных линий и заусенцев, что обеспечивает бесшовную эстетику.
- Превосходное воспроизведение мелких деталей (например, 0,010 на гравюрах)
- Совместим с HIP (горячим изостатическим прессованием) для устранения внутренней пористости.
Ограничения и соображения стоимости
Несмотря на свою точность, литье алюминия по выплавляемым моделям имеет ограничения. Сроки выполнения заказа увеличиваются (4–8 недель) из-за многоэтапного построения корпуса. Размер детали обычно ограничен 30–40 фунтами (14–18 кг), хотя некоторые литейные заводы выдерживают нагрузку до 100 фунтов. Этот процесс также проблематичен при очень больших объемах производства (> 50 000 единиц в год), когда литье под давлением становится более экономичным.
Стоимость одной детали колеблется от 15 до 200 долларов США и сильно зависит от веса, сложности и постобработки. Однако, Если принять во внимание общую стоимость жизненного цикла, включая механическую обработку, сборку и лом, литье по выплавляемым моделям часто оказывается более экономичным для сложных деталей небольшого объема.
Критический контроль качества и протоколы тестирования
Литейные заводы с хорошей репутацией проводят строгий контроль на каждом этапе: метрология восковой модели, проверка толщины оболочки, спектрографический анализ сплавов и окончательные проверки отливки на КИМ. Неразрушающий контроль (NDT) является стандартным для деталей, важных для безопасности:
- Рентгеновское или компьютерное сканирование внутренней пористости (в соответствии с ASTM E1742)
- Капиллярный контроль (ASTM E165) на наличие поверхностных трещин.
- Механические испытания образцов-свидетелей на растяжение и удлинение
Отливки в аэрокосмической отрасли часто требуют аккредитации Nadcap и полной прослеживаемости от партии расплава до готовой детали.
Реальные приложения в разных отраслях
Алюминиевые отливки по выплавляемым моделям повсеместно распространены в секторах с высокой добавленной стоимостью. В аэрокосмической отрасли они формируют топливные коллекторы, корпуса приводов и рамы дронов, где экономия веса и надежность не подлежат обсуждению. В медицинской промышленности они используются для изготовления компонентов МРТ и ручек хирургических инструментов, требующих совместимости с стерилизацией. Оборонные применения включают в себя кронштейны систем наведения и детали БПЛА, которые должны выдерживать сильную вибрацию.
Яркий пример: ведущий производитель электромобилей перешел с механической обработки заготовок на отливки по выплавляемым моделям A356 для торцевых крышек двигателей, что позволило снизить вес детали на 35 % и стоимость на 22 % при сохранении жесткости.
Будущие тенденции и устойчивые инновации
Отрасль движется в сторону большей устойчивости и автоматизации. Жидкости на водной основе заменяют этилсиликат для сокращения выбросов ЛОС. Роботизированная сборка восковых моделей и керамические сердечники, напечатанные на 3D-принтере, обеспечивают более быстрое прототипирование и конформные каналы охлаждения. Некоторые литейные заводы теперь используют переработанный алюминий, содержание которого превышает 80%, без ущерба для механических свойств.
По мере того как аддитивное производство гибридизируется с традиционным литьем по выплавляемым моделям (с использованием восковых или полимерных моделей, напечатанных на 3D-принтере), этот процесс становится быстрее, экологичнее и обеспечивает еще большую геометрическую свободу. Для инженеров, которым нужна точность, целостность и гибкость конструкции алюминиевых компонентов, литье по выплавляемым моделям остается непревзойденным.
