автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование и разработка технологических режимов изготовления отливок по выжигаемым моделям, полученных методом лазерной стереолитографии

На правах рукописи УДК 621.74.04

Морозов Вячеслав Вячеславович

Исследование и разработка технологических режимов изготовления отливок по выжигаемым моделям, полученных методом лазерной стереолитографии

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Васильев Валерий Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Матвиенко Иван Владимирович; кандидат технических наук, доцент Ершов Михаил Юрьевич

Ведущая организация -

Национальный Институт Авиационных Технологий (НИАТ)

Защита диссертации состоится « у>Л6(^>/н4с 2005 в - часов на заседании диссертационного Д.212.141.01 в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.

Телефон для справок 267 - 09 - 63

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан «■/

2005

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В. И. Семенов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Развитие технологии с применением методов быстрого прототипирования (в англоязычной литературе получило название Rapid prototyping, сокращенно RP) неуклонно растет и становится неотъемлемой частью производства. Данные системы проектирования на базе компьютерного моделирования ориентированы на подготовку производства и помощь инженеру по следующим направлениям: отработка отдельных элементов конструкции; исследованиях (использование моделей для проверки механических напряжений, деформации, газодинамических характеристик изделий, узлов и т.д.); модельно-стержневая оснастка; изготовление отливок; макетирование и дизайн.

На сегодняшний день модели, полученные по технологии RP, находят свое применение в литейном производстве в двух основных направлениях: многоразовом и одноразовом использовании.

Отечественный и зарубежный опыт многоразового использования RP моделей зарекомендовал себя при литье в песчаные формы (как при ручной формовке, так и на автоматических формовочных линиях), а так же при изготовлении форм и стержней для литья в ХТС.

Одноразовое использование RP моделей нашло большее развитие при изготовлении силиконовых форм (на базе RTV - резин) и тиражирования по ним восковых моделей для технологии литья по выплавляемым моделям (ЛВМ). Так же развивается направление применения выжигаемых моделей, полученных методами RP, в литейном производстве. Использование данного направления обосновано в опытно - экспериментальном производстве, когда геометрическая форма будущей отливки является достаточно сложной. Изготовление силиконовой формы по такой модели достаточно трудоемко или невозможно, а в большинстве случаев экономически невыгодно (при серийности 1-2 шт.).

Изготовление отливок по выжигаемой модели (техпроцесс основан на выжигании модели непосредственно из полости литейной формы в прокалочной печи) позволяет в условиях опытно-экспериментального производства ускорить процесс изготовления «первой» отливки входящей в новый прибор, узел, изде -

лие для выполнения проверки работоспособности, оценки выдаваемых характеристик. В последующем, при запуске в серию, изготовление этого изделия будет выполняться по отработанным технологиям, с применением модельных масс и металлических пресс-форм (например, технология ЛВМ).

Существующие промышленные комплексы быстрого прототипирования достаточно дороги в эксплуатации и изготавливаемые на них модели не могут удовлетворять всему диапазону описанных выше задач. Поэтому встает вопрос о рациональных границах применения таких моделей в литейном производстве, изучении свойств материалов, разработке новых материалов для изготовления 3D — моделей методами RP, учитывающих специфику технологии литейного производства. Комплекс лазерной стереолитографии уже сегодня позволяет получать модели со сложной геометрией - причем пустотелыми, что особенно ценно в процессе выжигания.

Развитие техники ведет к усложнению узлов и агрегатов, что усложняет конструкции литых деталей и требования к ним. Производству необходимы технологии, позволяющие изготавливать сложные изделия, в том числе и по технологии выжигания.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является разработка технологии изготовления отливок повышенной сложности по выжигаемым фотополимерным моделям (ФПМ) непосредственно в полостях литейной формы.

Объектом исследования является отвержденный фотополимерный композиционный материал, используемый в технологии SLA, а также процесс изменения его размеров и термодинамических параметров при нагревании.

В соответствии с поставленной целью потребовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние скорости и времени нагрева на изменение размеров фотополимерных композиционных материалов (ФПКМ);

2. Исследовать факторы, влияющие на процессы деструкции ФПМ при нагревании. Предложить на основе исследований математическую модель состояния материала, необходимую для корректировки режима выжигания;

3. Разработать методику расчета технологических параметров для изготовления отливок методом выжигания;

4. Повысить выход годного при изготовлении отливок разной сложности из материалов по выжигаемым фото полимерным моделям.

Научная новизна работы:

1. Установлены фазы поведения ФПКМ в форме при нагревании, которые оказывают формирование качества литейной формы, что определяет ее качество.

2. Научно обоснованы рациональные условия терморазложения фотополимерного композиционного материала в литейной форме.

3. Определен порядок химической реакции разложения фотополимерного материала в условиях термоокислительной деструкции.

Практическая значимость работы:

1. Предложены варианты режимов нагрева литейной формы и влияние термовременных выдержек, приводящих к снижению силового воздействия со стороны фотополимерной модели на литейную форму, с учетом заливаемого сплава.

2. Изготовлен компьютеризированный стенд для определения изменения размеров при нагревании образцов из ФПКМ. Так же компьютеризирована установка для исследования процессов разложения в условиях по термо- И термоокислительной деструкциях (ТД и ТОД)

3. Накоплен и обобщен экспериментальный материал ТД и ТОД, позволивший определить термодинамические параметры процесса разложения: энтальпия, энтропия, энергия Гиббса.

4. Предложен способ принудительной подачи воздушной смеси (окислительной) в реакционную зону терморазложения фотополимерного материала для ускоренного и полного разрушения и удаления пиролитического остатка.

5. Разработана технология изготовления сложных и особо сложных отливок по выжигаемым фотополимерным моделям.

Получены результаты: кинетика теплового расширения ФПКМ, термодинамические параметры терморазложения позволили определить основные этапы разложения и определить технологические режимы выжигания. Это позволило

выполнить работу по изготовлению отливки «Колесо турбины» и тем самым сократить время от разработки чертежа до получения первой отливки до 10 раз.

Применение данной технологии изготовления сложных отливок по выжигаемой ФПМ позволяет: сократить цикл разработки, улучшить дизайн, повысить качество, уменьшить цену продукта, ускорить внесение изменений в конструкцию при изготовлении опытных образцов изделий.

Апробация работы. Основное содержание работы, а также ее отдельные положения докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры МТ-5 MFIY им. Н.Э. Баумана 1999 - 2004 г; на научном семинаре кафедры МТ-12 МГТУ им. Н.Э. Баумана 2002г; на выездной сессии РАН май 2000г; на выставке «Высокие технологии оборонного комплекса» г. Москва, 2001 г, «Экспоцентр»; на семинаре «Баландинские чтения» декабрь 2001г. МГТУ им. Н.Э. Баумана; на 2 -х международных выставках МГТУ им. Н.Э. Баумана; на 7ой конференции по лазерным технологиям ILLA 2001, г. Суздаль 2001 г.

На защиту выносится:

- физико-математические модели, описывающие поведение изменения размеров, состояния ФГЖМ в условиях термо - и термоокислительной деструкции;

- компьютеризированные методики исследований кинетики изменения размеров ФПКМ при нагревании и термодинамического поведения ФПК в условиях ТД и ТОД;

- метод и режимы удаления ФПКМ из литейной формы;

- разработанный технологический процесс изготовления отливок по выжигаемым фотополимерным моделям.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Поведение ФПКМ при нагревании аналогично поведению полимерных композиционных материалов на эпоксидной основе, фенольной и акриловой основах.

2. Для полного разрушения ФПКМ при нагревании необходимо управление газовой атмосферой в процессе выжигания модели в литейной форме.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ: статьи - 3, тезисов - 4, а также участие в 10 хоздоговорных работах в качестве соисполнителя.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 56 наименований, приложений, содержит 161 страниц машинописного текста, в том числе 68 рисунков и 18 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность диссертации.

В первой главе представлен обзор современных основных комплексов быстрого прототипирования, способы изготовления 3D моделей на основе компьютерных данных. Выполнен анализ применения моделей изготовленных по технологии RP в литейном производстве. Обоснован выбор базовой технологии -лазерной стереолитографии (в англоязычной литературе - Stereo Lithography Apparatus - SLA). Последовательно рассмотрен механизм изготовления фотополимерной модели от ее создания на ЭВМ, конвертации в STL - файл. Рассмотрены свойства ряда фотополимерных композиционных материалов как импортных (SL 5149, SL 5170, SL 5177), так и отечественных (НИЦТЛ 1, ИПЛИТ 1, ИПЛИТ 2, ЗИЛ), приведен химический состав базовых марок отечественных ФПКМ. Определены основные виды дефектов, возникающие при изготовлении отливок по технологии выжигаемых фотополимерных моделей, такие как: растрескивание керамических литейных форм, большой пиролитический остаток оставшийся от продуктов разложения при сжигании ФПКМ. Это потребовало исследовать процессы поведения фотополимерного материала, ее кинетики и природу образования пиролитического остатка при нагревании. Определение термодинамических параметров (изменения энтальпии, энтропии и энергии Гиббса) в дальнейшем определило условия разрушения ФПКМ.

Разработка вышеописанной технологии выполнялась в рамках совместных работ НИИ КМ и ТП с привлечением специалистов из института физической химии им. Н.Н. Семенова, ИПЛИТ РАН (г. Шатура), МГТУ им. Н.Э. Баумана (кафедры МТ-1, МТ-5, МТ-12) . Совместная работа по разработке данной технологии, цели и задачи каждой из групп представлены в краткой форме.

На основании анализа, обобщения литературных данных, проведенных предварительных экспериментов по изготовлению отливок с применением выжигаемых фотополимерных моделей позволило сформулировать цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию процессов деформации при нагревании фотополимерных композиций разных марок. Приведена схема разработанной и сконструированной компьютеризированной установки по определению теплового расширения. Она позволяет исследовать изменения объемного расширения при разных скоростях нагрева и выполнять термо-временные выдержки при нагреве до 627 К. Описана методика проведения исследований и обработки полученных результатов. Экспериментальные кривые, описывающие расширение и начало разрушения, представлены на рисунке 1. Проведенные исследования показали, что наименьшее значение расширения при нагревании имеют образцы ФПКМ марки «ИПЛИТ- 1». Анализ результатов экспериментов (рис. 1) показывает, что применение моделей, выполненных по технологии Quick Cast (Quick Cast - технология изготовления пустотелых моделей с варьируемой толщиной оболочки) имеют меньшее значение расширения (от 1 до 1,4%), чем при монолитной структуре образца (от 2,4 до 3,2%). Проведенный литературный анализ по расширению и разрушению показывает, что керамическая оболочка при нагревании не способна расширится на величину максимального значения расширения ФПКМ, поэтому возникает напряжененное состояние между оболочкой и моделью. Выявлен дополнительный фактор, влияющий на появление дефектов в литейной оболочке на начальной стадии нагрева. Комплексное проявление этих факторов приводит к образованию трещин, поломке и отслоений в оболочке литейной формы. Это требует дополнительных меро -

приятий, способствующих укреплению оболочки и учитывающих такие факты: первое - сложная фотополимерная модель не может быть выполнена только по технологии Quick Cast, в ней обязательно будут присутствовать цельные области, где расширение может достигать до 2,4%; второе - прочность оболочки выше на сжатие, чем на расширение.

Исследована кинетика поведения ФПКМ при нагревании с использованием термо-временных выдержек и учетом разных скоростей нагрева представлены на рисунке 2 и 3.

Z5 §30

о. о S

31.5

(X о я £1,0

X 1>

I«5 0,0

0 373 473 573 673

Температура, К

Рис. 1 Типовая деформация ФПК марки ИПЛИТ-1:

1- деформация ФГЖ с цельной моделью; 2- характерная деформация ФГЖ, выполненной по технологии Quick Cast.

Проведенные эксперименты по исследованию изменения ФПКМ в процессе нагревания от комнатной температуры до 973 К позволили сравнить их с поведением полимерных материалов (на эпоксидной, фенольной основе). Данные сопоставления позволили определить общие моменты разрушения полимерных материалов с ФПКМ и принять математическую модель, изложенную Димитри-енко А.Ю. для расчета изменения полимерной, пиролитической и газовых фаз в процессе нагрева. Частично результаты расчета, по этой модели, представлены на рисунке 4. Представлены фотографии по состоянию данного материала при разных температурах.

Рис2 Влияние термо-временных выдержек на конечную деформацию ФПКМ марки «ИПЛИТ-1»:

а) зависимость деформации от температуры; б) зависимость деформации от времени нагрева и выдержек.

РисЗ Влияние скорости нагревана конечную деформацию:

а) Изменение деформации эпоксидной матрицы; б) изменение деформации ФП КМ мар ки «ИПЛИТ -1».

а

® О 373 473 573 673 773 873 973

Температура, К

Рис. 4. Изменение состояния ФПК при нагреве:

1- <Рь изменение полимерной фазы, 2— (рр изменение пиролитической фазы, 3 — изменение газовой фазы, 4—Г изменение коэффициента газификации ФПК.

В данной главе определена деформационная зависимость ФПКМ разных марок, а так же зависимость влияния скорости нагрева и временных выдержек на конечную деформацию. Использованная математическая модель позволила определить динамику разрушения ФПК и сравнить его с результатами эксперимента.

Третья глава посвящена исследованию удаления продуктов термо- и термоокислительных деструкции в условиях литейной формы, определению термодинамических параметров разрушения ФПК как импортных, так и отечественных. Описана экспериментальная установка, методика проведения исследований, а также обработка экспериментальных данных. Данное исследование основано на изменении давления парциальных паров газов, образовавшихся в результате деструкции ФПКМ при нагреве в замкнутой системе. Исследования проводились при разных начальных условиях: при - процесс «чис-

той» деструкции (соответствующий разложению при отсутствии кислорода) и при остаточном давлении воздуха 30 кПа - процесс термоокислительной деструкции. Второе начальное условие соответствует содержанию газов в литейной форме при нагревании и прокалке (где давление кислорода состовляет кПа.).

В исследовании были выявлены основные схемы разрушения и разложения ФПК. Их можно представить следующими схемами:

- твердая фаза —н*гря1—» газ + твердая новая фаза (термодеструкция);

- твердая фаза + О2 —"*гр"'-» газ + твердая новая фаза (термоокислительная деструкция).

Методика определения термодинамических параметров состояния основана на экспериментальном определении зависимости давления выделяющихся газов от температуры при постоянном объеме, которое описывается уравнением Кла-зиуса - Клаперона:

(1)пР = -Д Н/МЧ^/И.,

где АН - энтальпия, Дж/моль, АБ - энтропия процесса термодеструкции, Дж/(моль*К), R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль*К), Т - температура, К.

Характерная кривая разложения для всех ФГТКМ представлена на рисунке 4а. Согласно методики (описана в диссертации), выполняем обработку экспериментальных данных и выделяем прямолинейные участки (рис. 46). Это позволяет определить основные этапы разложения, найти фазовые точки перехода исследуемого материала, а также особенности его поведения.

У всех исследованных фотополимерных материалов можно выделить четыре этапа разложения: 1-й от комнатной температуры до 373 К - испарение растворителя, 2-ой от 373 до 593 К - начало разложения (деструкции), 3-й от 393 — 643 К — разложение ФГТКМ на макромолекулы с обильным выделением газовой фазы, 4-й от 643 до 973 К - образование пиролитического остатка с разложением на микромолекулы групп С3 ...С5.

Анализ результатов исследований процесса разложения ФГТК позволяет выбрать режимы выжигания и управлять этими процессами. В зависимости от конфигурации фотополимерной модели, типа ФПК, на этапе конструирования литниково-питающей системы необходимо закладывать конструктивные элементы (выпора, промывники) для эффективного достижения чистоты полости литейной формы после прокалки.

Проведенная работа по определению термодинамических параметров позволила определить наилучшие условия разложения с учетом выявленных этапов разложения. Выявить разницу при использовании ФПКМ с разной основой в изготовлении отливок по выжигаемым фотополимерным моделям. Подтвердила необходимость создания окислительных условий разложений на этапе выжигания. Полученные расчетные данные являются заделом по определению константы скорости разложения.

а)

Рис

4 Преобразование экспериментальных данных и определение термодинамических параметров:

а) выделение фазовых переходов; б) изменение энергии Гиббса при нагревании. 1- ФПК при ТД, 2 - ФПК при ТОД.

Четвертая глава посвящена определению порядка химической реакции. В диссертации представлены результаты определения порядка химической реакции по экспериментальным данным главы 2. Результатом данных расчета стала зависимость следующего вида:

где п — порядок химической реакции; Р - давление газов, образующихся при разложении ФПК в условия ТОД, Па; А/ - количество вещества (количество образования активных центров при нагревании); время образования активных центров, мин.

Анализ полученных результатов показывает, что разложение является сложной функцией скоростей разложения отдельных стадий на каждом участке. Это приводит к получению дробных и даже отрицательных значений кинетических порядков реакций рисуно 5. В итоге найти зависимость выжигания фото -12

полимерного материала на этапах разложения от времени не представляется возможным. В таких случаях решение проблемы возможно лишь обобщенным рассмотрением полученных результатов и поиском закономерностей (для участка выдержки

Рис. 5. Изменение порядка химической реакции ФПК при разложении

Пятая глава посвящена обобщенному изучению поведения материала ФПКМ в процессе нагрева. Исходными данными послужили результаты исследований глав 2, 3. Проведенный анализ разрушения фотополимерного материала, с учетом особенностей технологии изготовления SLA - моделей и поведения ФПКМ при нагреве, позволил определить рекомендации по подготовке модели и мерах ее выжигания в условиях литейной формы.

Сформулированы требования к перспективным фотополимерным материалам, которые ориентированны на данную технологию.

В шестой главе описано практическое приложение накопленных знаний в процессе изготовления отливок по выжигаемым фотополимерным моделям и других технологических литейных процессах с применением фотополимерных

моделей. На примере полупромышленного изготовления отливки «Колесо турбины» из сплава ВЖЛ12У показана возможность получения отливок из стальных и жаропрочных сплавов. Представлена принципиальная схема конструкции установки с помощью которой была выполнена данная работа. Также рассмотрены варианты изготовления отливок ювелирно-художественного направления в лабораторных условиях. Представлена принципиальная схемы устройства выжигания фотополимерных моделей непосредственно в прокалочных печах, описаны технологические режимы изготовления и подготовки литейных форм под заливку для широкого диапазона сплавов.

Общие выводы по работе

На основании проведенных исследований сделаны следующие основные выводы:

1. Анализ результатов исследования процессов расширения ФПК при нагревае-ии позволяет выделить три зоны прогрессивного объемного расширения: 1-до 453 К, где происходит расширение материла; на 2- участке нагревания скорость роста значительно снижается и в диапазоне от 553 до 603 К достигает своего максимального значения расширения и остается неизменным. На участке 3 происходит термодеструкция материала, которое сопровождается резким уменьшением размеров.

По результатам исследований предложена физико-математическая модель изменения размеров. Выполнены исследования и расчеты по определению полимерной, пиролитической и газовой фаз при нагревании, а так же изменение плотности материала, коэффициента газификации.

2. Изучено термодинамическое поведение моделей из ФПК, которое показало, что дополнительным фактором на разрушение керамических литейных оболочек оказывает газовая фаза, образующаяся в процессе разрушения ФПКМ. Это проявление становится существенным, когда температура нагрева достигает значений от 453 до 493 К.

Скорость нагрева оказывает влияние на прогрев ФПКМ (что характерно для литейной формы). Возникает объемная термодеструкция и при больших скоростях нагрева (свыше 0.1 К/с) формируется максимальное поровое давление в ячейках материала не на поверхности, а внутри полимерного материала. Это обстоятельство усиливает силовое воздействие со стороны фотополимерного материала на оболочку литейной формы и, как следствие, к ее деформации и разрушению.

3. Исследована кинетика нагрева ФПК. Показано влияние скорости нагрева и термо-временных выдержек на конечное значение расширения. Разработаны подходы управления процессом расширения ФПКМ, позволяющие снизить вероятность разрушения литейной формы.

4. Предложена математическая модель определения термодинамических параметров. По экспериментальным данным были определены термодинамические параметры (АН, Д8, ДО) процесса терморазложения. Проведенные исследования на ФПК позволили выделить четыре основных температурных этапа разложения: 1- от комнатной до 323 К удаление растворителя; 2- от 323 до 593 К начало разложения на макромолекулы; 3- от 593 до 653 К продолжение термодеструкции ФПК до микромолекул групп С3 ...С5; 4- от 653 до 973 К диссоциация с выделением пиролитического углерода. И выбрать лучший.

5. Определен порядок реакции разложения ФПКМ в термоокислительных условиях, который носит сложный знакопеременный вид и имеет дробные значения.

6. Предложен метод выжигания фотополимерных моделей из литейной формы. Основан на создание окислительной среды в реакционной зоне разложения, что приводит к интенсивному разложению и удалению остатков разложения.

7. Данный метод опробован в лабораторных и полупромышленных условиях, что позволило получить отливки сложной формы из алюминиевых, медных и жаропрочных сплавов.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Васильев ВА, Морозов В.В., Шиганов И.Н. Использование методов послойного формирования трехмерных объектов в литейном производстве // Вестник машиностроения. - 2001. - № 2. -С. 4—11.

2. Получение отливок по моделям из фотополимерного композита для ювелирно-художественных изделий / В.А Васильев, В.В. Морозов, А.В. Евсеев, М.М. Новиков //Литейное производство. —2000. -№8. - С. 46 - 47.

3. Васильев В А, Морозов В.В.. Использование SLA -технологии для изготовления ювелирных и художественных изделий // Лазеры в науке, технике, медицине: Тез. XI межд. Научно-технической конференции - Сочи, 2000. — С.61-62.

4. Васильев ВА, Морозов В.В., Горбунов А.И. Определение порядка химической реакции в процессе диссоциации фотополимерной композиции при нагревании // Производственные технологии - 2001: Материалы Всероссийской отчетной конф. - выставки - М., 2002.-С.169-172.

5. В.А Васильев, В.В. Морозов. Изготовление художественных и ювелирных изделий по моделям, полученным методом лазерной стереолитографии // Лазерные и лазерно - информационные технологии. 7я Международная конференция ПХА 2001: - Суздаль 2001. С.88.

6. Васильев ВА, Морозов В.В. Изготовление стальных отливок по фотополимерным моделям путем выжигания их в литейной форме // Современные проблемы металлургического производства: тез. межд. научно-техническая конференция - Волгоград, 2002.-С. 334-337.

7. Васильев ВА, Морозов В.В., Максимов Н.М. Теория и технология изготовления отливок методом RP // Литейное производство. - 2004. - № 4. - С. 5-9.

'495

щ „„^

Введние

Глава 1. Постановка задачи исследования.

1.1 Использование моделей, полученных методами быстрого прототипирования, в литейном производстве

1.2 Выбор технологии изготовления моделей.

1.2.1 Программное обеспечение для лазерной стереолитографии

1.2.2. Особенности изготовления фотополимерных моделей.

1.3 Выбор предмета и постановка задачи исследования.

Выводы по главе

Глава 2. Расширение моделей из фотополимерной композиции при

Нагревании

2.1 Оборудование для проведения исследований процессов деформации фотополимерных материалов при нагревании

2.2 Методика проведения и выполнение экспериментов по изучению изменения размеров образцов из ФПК при нагреве

2.2.1 Проведение эталонных исследований на алюминиевом образце

2.2.2 Исследование расширения и усадки ФПК при нагреве

2.3 Исследование влияния термо-временных выдержек на конечное значение деформации ФПК

2.4 Исследование влияния скорости нагрева на конечную деформацию ФПК

2.5 Теоретическое определение степени деформации ФПК при нагреве

2.5.1 Экспериментальное определение изменение плотности ФПК при нагреве

2.5.2 Расчет параметров тепловой деформации

Выводы по главе

Глава 3. Физико-химическое состояние фотополимерных материалов при выжигании

3.1 Оборудование для проведения исследования состояния ФПК при выжигании

3.2. Методика проведения экспериментов и определения термодинамических параметров :энтальпии, энтропии, энергии Гиббса

3.3. Проведение исследований на ФПК при термо - термоокислительной деструкции

Выводы по главе

Глава 4 Определение порядка химической реакции

4.1. Методика определения порядка химической реакции

4.2. Расчет порядка химической реакции

Ф Выводы по главе

Глава 5. Разработка методики расчета технологических параметров изготовления литых деталей по выжигаемым фотополимерным моделям

5.1. Требования к вновь разрабатываемым фотополимерам

5.2 Анализ экспериментальных и расчетных данных

5.3 Методика выбора технологических рекомендации по изготовлению отливок

Выводы по главе

Глава 6. Внедрение

6.1 Технология изготовления отливок из медных сплавов ювелирно-художественного направления

6.2 Требования к отливкам, изготавливаемых в ювелирно- художественном л направлении

6.3. Оборудование для изготовления отливок из медных сплавов

6.4 Технология изготовления стальных отливок

6.4.1. Требования приемки к стальной отливке «колесо турбины».

6.4.2. Основные геометрические параметры «колеса турбины».

6.4.3.Определение технологических параметров изготовления литейной формы

6.4.4. Изготовление отливки «Колесо турбины»

6.5. Изготовление отливок с применением моделей из ФПК в технологии выплавляемых моделей

6.5.1. Изготовление отливок с применением силиконовых форм.

6.5.2 Изготовление отливок с применением силоксановых форм.

Появление компьютерных систем, оснащенных трехмерной графикой и экспертными системами, позволяет значительно сократить затраты времени и средств на конструирование, технологическую проработку и изготовление деталей методами литейных технологий. С начала 80-х годов стали интенсивно развиваться методы формирования трехмерных объектов путем послойного наращивания материала в заданной области пространства. На базе данного принципа появились методы, которые в англоязычной литературе получили название Rapid prototyping (сокращенно RP - быстрое проектирование). Образованные системы сквозного проектирования на базе компьютерного моделирования носят абревиатуру CAD/CAM/CAE и ориентированы на подготовку производства.

Использование данной системы проектирования позволяет на ранних этапах проектирования проанализировать конструкцию узла, детали и отливки, ориентировать ее в пространстве под заливку и тем самым спрогнозировать ее будущие свойства (в структуре CAD\CAE). Возможность использования установок RP на ранних этапах проектирования, когда идет закладка будущих параметров разрабатываемых изделий, позволяет увидеть будущую деталь, ощутить ее руками, отработать конструкцию, решить вопросы дизайна и прочее. Поскольку требования опытного производства к точности будущих изделий постоянно возрастают, а рынок нуждается в оперативном воплощении идеи в изделие, то появляется необходимость использования полученных моделей по технологии RP непосредственно в производственном процессе.

Широко применяемые на Западе методы быстрого прототипирования в производстве находят применение в опытном, мелкосерийном и серийном производстве. Данные комплексы используют в своей работе такие фирмы как: Boeing, Caterpillar, Me. Donald Duglas, и др. Стоит отметить, что изготовляемые модели на данных комплексах находят наибольшее применение в литейном производстве: литье в песчаные формы, литье по выжигаемым моделям, изготовления гипсовых, силиконовых и металлополимерных пресс-форм, а так же литые штампы для опытного кузнечно-прессового производства. Актуальность работы. Увеличивающееся использование твёрдотельного моделирования обеспечивает распространение технологий быстрого получения прототипов; повышается точность прототипов и качество материалов. Всё это говорит о том, что технологии и системы быстрого прототипирования будут занимать всё большее место в автоматизированном проектировании. В недалёком будущем RP - системы будут доступны любому пользователю и станут привычным инструментом конструктора.

Уже сегодня Российские предприятия: АОЗТ ОКБ «Сухого», «ММПП Салют», КНАПО (г. Комсомольск на Амуре), НПО «Сатурн» (г. Рыбинск), ОАО «ГАЗ», «ВАЗ» и другие, приобрели и приобретают подобное оборудование. Однако отсутствует подробная информация по особенностям поведения материала моделей, большое разнообразие предлагаемых материалов не позволяет в полной мере использовать возможности технологий с применением быстрых методов прототипирования. Это вынуждает Российские предприятия обращаться за помощью к Западным специалистам.

Наибольший спектр применения моделей RP предлагает фирма 3D Systems на базе комплекса лазерной стереолитографии. Именно этот факт стал ключевым в распространении данной технологии как за рубежом, так и в России.

В данной работе за основу взята именно данная технология с уклоном по изготовлению отливок по выжигаемым фотополимерным моделям. Наибольший материально - экономический эффект при использовании технологии быстрого прототипирования может быть получен в изготовлении сложных литых изделий из широкой номенклатуры сплавов именно по выжигаемым фотополимерным моделям.

Сущность технологии выжигаемой модели заключается в том, что изготовленную методом быстрого прототипирования модель, формуют по стандартной технологии в керамическую оболочку, производят ее выжигание по специальному режиму совмещенной с прокалкой формы. Подготовленную таким образом форму заливают расплавом - отливка готова. Однако, на практике приходится сталкиваться со следующими технологическими проблемами - растрескиванием керамического блока в процессе нагрева до 320 - 350°С и засо-рами в отливках. Это накладывает ограничения по применяемым сплавам и геометрии, а также добавляет немало сложностей на этапах подготовки литейной формы под заливку.

В литературе на сегодняшний момент отсутствуют сведения технологического плана, позволяющие проводить нагрев и выжигания фотополимерных моделей. Предлагаемые режимы по удалению фотополимерных моделей не позволяет изготавливать отливки надлежащего качества. Некоторый прогресс достигнут благодаря возможности изготовления пустотелых моделей, который носит название Quick Cast, благодаря чему появилась возможность изготавливать фотополимерные модели с варьируемой толщиной оболочки и внутренней системой подпорок. Наилучшего качества, достигли при изготовлении крупных отливок с толщиной стенок более 15н-20 мм. Вместе с тем изготовление тонкостенных отливок с толщиной стенки менее 5 мм. вызывает наибольшие трудности и приводит как правило к 80 - 100 % браку литья. Стоит учесть, что модели из фотополимерной композиции, изготовленные по технологии Quick Cast образуют сложные геометрические поверхности, а их сочетание - к сложному поведению модели в процессе нагрева, выжигания и прокалки. Поэтому, разобравшись с формированием моделей в процессе их изготовления на сте-реолитографической установке, поведением моделей во времени, нагреве и разложения их в условиях литейной формы можно обеспечить: повышение качества, сокращение цикла разработки, изготовление пилотных образцов, ускорение внесения изменений в конструкцию, уменьшение цены продукта, улучшение дизайна.

В соответствии с выше изложенным - целью данной работы является исследование поведения фотополимерного материала при нагревании. Снижению брака при изготовлении отливок с применением выжигаемых ФПМ для широкого диапазона сплавов и разной сложности. Это позволит изготавливать отливки как из алюминиевых, бронзовых, так и жаропрочных сплавов.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является уменьшение брака при изготовлении отливок повышенной сложности по выжигаемым фотополимерным моделям (ФПМ), в условиях опытно-экспериментального производства.

Объектом исследования является отвержденный фотополимерный композиционный материал (ФПКМ), его процесс изменения размеров при нагревании, термодинамические параметры при изменении температуры.

В соответствии с поставленной целью потребовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние скорости и времени нагрева на изменение размеров фотополимерных композиционных материалов.

2. Исследовать факторы, влияющие на процессы деструкции ФПМ при нагревании. Предложить на основе исследований математическую модель состояния материала необходимую для корректировки режима выжигания.

3. Разработать методику расчета технологических параметров для изготовления отливок методом выжигания.

4. Повысить выход годного при изготовлении отливок разной сложности из материалов по выжигаемым фотополимерным моделям.

Научная новизна работы:

1. Установлены дополнительные факторы, влияющие на разрушение керамической литейной формы в процессе выжигания фотополимерных моделей.

2. Научно обоснованы рациональные условия разложения фотополимерного композиционного материала в литейной форме.

Разработаны требования к вновь разрабатываемым фотополимерным материалам, направленных на получение отливок по выжигаемым моделям.

Практические результаты работы:

1. Выявлено влияние термо-временных выдержек, а так же скорости нагрева на конечную деформацию ФПКМ.

2. Изготовлен стенд для определения деформационных характеристик ФПКМ и компьютеризирован, а также установка по определению термодинамических параметров при термо- и термоокислительной деструкци-ях.

3. Накоплен экспериментальный материал по термо- и термоокислительной деструкциях (ТД и ТОД) позволивший определить термодинамические параметры: энтальпия, энтропия, энергия Гиббса.

4. Разработана технология изготовления сложных и особо сложных отливок по выжигаемым фотополимерным моделям в литейной форме.

5. Предложенная технология опробована в лабораторных условиях кафедры МТ - 5 МГТУ Н.Э. Баумана, где получены отливки ювелирного и художественного направления. Так же данная технология опробована в производственных условиях, что позволило изготовить отливку типа «Колесо турбины».

Полученные научно-исследовательские результаты такие как: кинетика теплового расширения ФПКМ, термодинамические параметры разложения, порядок химической реакции позволили определить основные этапы разложения и определить технологические режимы выжигания. Это позволило выполнить работу по изготовлению отливки «Колесо турбины» и тем самым сократить время от разработки чертежа до получения первой отливки среднем от 10 до 100 раз.

Применение данной технологии изготовления сложных отливок по выжигаемой ФПМ позволяет: сократить цикл разработки, улучшить дизайн, повысить качество, уменьшить цену продукта, ускорить внесение изменений в конструкцию при изготовлении опытных образцов изделий. и

На защиту выносится:

- результаты исследований кинетики деформации ФПКМ при нагревании и термодинамического поведения ФПК в условиях ТД и ТОД, поведение фотополимера в результате нагрева, а так же физико-математические модели описывающие эти состояния.

- Метод удаления ФПКМ из литейной формы.

- Разработанный технологический процесс изготовления отливок по выжигаемым фотополимерным моделям.

Общие выводы по работе

На основании проведенных исследований сделаны следующие основные выводы:

1. Анализ результатов исследования процессов расширения ФПК при нагре-ваеии позволяет выделить три зоны прогрессивного объемного расширения: 1- до 453 К, где происходит расширение материла; на 2- участке нагревания скорость роста значительно снижается и в диапазоне от 553 до 603 К достигает своего максимального значения расширения и остается неизменным. На участке 3 происходит термодеструкция материала, которое сопровождается резким уменьшением размеров.

По результатам исследований предложена физико-математическая модель изменения размеров. Выполнены исследования и расчеты по определению полимерной, пиролитической и газовой фаз при нагревании, а так же изменение плотности материала, коэффициента газификации.

2. Изучено термодинамическое поведение моделей из ФПК, которое показало, что дополнительным фактором на разрушение керамических литейных оболочек оказывает газовая фаза, образующаяся в процессе разрушения ФПКМ. Это проявление становится существенным, когда температура нагрева достигает значений от 453 до 493 К.

Скорость нагрева оказывает влияние на прогрев ФПКМ (что характерно для литейной формы). Возникает объемная термодеструкция и при больших скоростях нагрева (свыше 0.1 К/с) формируется максимальное поровое давление в ячейках материала не на поверхности, а внутри полимерного материала. Это обстоятельство усиливает силовое воздействие со стороны фотополимерного материала на оболочку литейной формы и, как следствие, к ее деформации и разрушению.

3. Исследована кинетика нагрева ФПК. Показано влияние скорости нагрева и термо-временных выдержек на конечное значение расширения. Разработаны подходы управления процессом расширения ФПКМ, позволяющие снизить вероятность разрушения литейной формы.

4. Предложена математическая модель определения термодинамических параметров. По экспериментальным данным были определены термодинамические параметры (АН, А8, АО) процесса терморазложения. Проведенные исследования на ФПК позволили выделить четыре основных температурных этапа разложения: 1- от комнатной до 323 К удаление растворителя; 2- от 323 до 593 К начало разложения на макромолекулы; 3- от 593 до 653 К продолжение термодеструкции ФПК до микромолекул групп Сз .С5; 4- от 653 до 973 К диссоциация с выделением пиролитического углерода. И выбрать лучший.

5. Определен порядок реакции разложения ФПКМ в термоокислительных условиях, который носит сложный знакопеременный вид и имеет дробные значения.

6. Предложен метод выжигания фотополимерных моделей из литейной формы. Основан на создание окислительной среды в реакционной зоне разложения, что приводит к интенсивному разложению и удалению остатков разложения.

7. Данный метод опробован в лабораторных и полупромышленных условиях, что позволило получить отливки сложной формы из алюминиевых, медных и жаропрочных сплавов.

152

1. Аскадский A.A. Структура и свойства теплостойких полимеров. -М.:Химия, 1981.-320 с.

2. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией. Л.: Химия, Ле-нингр. отд-ие., 1971.-224 с.

3. Бенсон С. Термохимическая кинетика», издательство. Мир, Москва. -1971.-308с.

4. Воздвиженский В.М., Жуков A.A., Бастраков В.К. Контроль качества отливок. М.: Машиностроение, - 1990. - 273 с.

5. Теоретические основы общей химии / А.И. Горбунов, A.A. Гуров, Г.Г. Филиппов, В.Н. Шаповал. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001 - 720с.

6. Васильев В.А., Морозов В.В., Шиганов И.Н. Использование методов послойного формирования трехмерных объектов в литейном производстве// Вестник машиностроения. 2001. - №2 - С. 4-11.

7. Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства. — М.: МГТУ им Н.Э Баумана, 1994.- 320 с.

8. Васильев В.А., Сафонов А.Н. Технология послойного прототипирова-ния // Литейное производство. 1997. - №7 - С. 7-11.

9. Вильям Дж. Орвич. Exel для ученых, инженеров и студентов. Киев: Юниор, 1999. -528с.

10. Димитриенко Ю.И., Епифановский И.С. Деформирование и прочность деструктирующих теплозащитных материалов при высоких температурах // Механика композиционных материалов. 1990.- № 3 С. 460-468.

11. Димитриенко А.Ю. Механика полимерных материалов при высоких температурах. М.: Машиностроение, 1997.- 368с.

12. Еремин E.H. Основы химической кинетики. Москва: Высшая школа, 1976.-375с.

13. Иванов В.Н., Зарецкая Г.М. Литье в керамические формы по постоянным моделям. М.: Машиностроение, 1975. - 136с.

14. Информатика и машиностроение. 1996 - № 4. - 48с.

15. Каталоги и проспекты фирм 3D SYSTEMS, HELIUS, STRATUS и др.

16. Коваленко B.C. Лазерная технология. Киев: Высшая школа, 1989.-289с.

17. Колка И.А. Самый быстрый и недорогой способ построения моделей // САПР и графика. 2001.- №6. -С. 10-12.

18. Коршак В.В. Термостойкие полимеры. М.: Наука, 1969. - 390с.

19. Крестнер O.E., Бараданьяц В.К. Точное литье цветных сплавов в гип-содинасовые и керамические формы. М.: Машиностроение, 1968. -290с.

20. Кривалдин В.А. Керамические рекуператоры. Металлургиздат, 1962. -242с.

21. Литейное производство. 1998. - № 7. - 45с.

22. Степанова Ю.А. Литье по газифицируемым моделям. Инженерная монография. М.: Машиностроение, 1976. -224 с.

23. Мадорский С. Теоретическое разложение органических полимеров. — М.: Мир, 1967. 286с.

24. Мелан Э., Паркус Г. Температурные напряжения, вызываемые стационарными температурными полями. М.: Физматгиз, 1950. - 240с.

25. Мельников H.A. Быстрое прототипирование при литье в песчаные формы // Литейщик России. 2002. - №1. - С. 13-15.

26. Минаев A.A., Ноткин Е.Б., Сазонов В.А. Вакуумная формовка / М.: Машиностроение, 1984. 216с.

27. Мэтью Ж. Механическое растрескивание коксующихся разрушающихся материалов в высокотемпературном потоке // Ракетная техника и космонавтика. 1964. № 9. - С. 133 - 142.

28. Озеров В.А., Гаранин В.Ф. Литье повышенной точности по разовым моделям. М.: Высшая школа, 1988. - 288с.

29. Оптическая техника. 1998. - № 1. - 63с.

30. Писаренко Г.С. Вопросы высокотемпературной прочности в машиностроении. Киев, 1963. - 335с.

31. Писаренко Г.С., Третьяченко Г.Н., Грачева Л.И. Исследование влияния процессов термического расширения и усадки композиционных материалов на их разрушение при нагреве // Космические исследования на Украине (Киев). 1981. - Вып. 15. - С.З - 10.

32. Полежаев Ю.В. Михатулин Д.С. Эрозия поверхностей в гетерогенных потоках. М.: Изд-во ИВТАН, 1989. - 68с.

33. Розовский А.Я. Кинетика топохимических реакций. М.: Химия, 1974. - 386с.

34. Севастьянов Л., Понаморенко Г. Компьютерный анализ процессов литья металлов, экономия ресурсов // САПР и графика. 2001. -№4. - С. 97-99.

35. Скородумов C.B. Технологии послойного синтеза при создании объёмных моделей для заготовительного производства // Вестник машиностроения. 1998. - №1.- С.20-25.

36. Скородумов C.B., Гладков В.И. Лазерно коммпьютерные технологии для создания новой автомобильной техники.// Наука -производству. 1997. - № 2. - С.40-44.

37. Поликорбонат (мет) акрилаты/ Ю.М. Сивергин, Р.Я. Перникис, С.Н. Киреев. Рига: Зинатне, 1988.- 288 с.

38. Скворцова Н.В. Экспериментальные исследования влияния скорости нагрева и среды на модуль Юнга углепластиков в широком диапазоне темпернатур// Механика композиционных материалов. 1986. - № 1 -С.23-27.

39. Скородумов C.B. Особенности изготовления моделей по технологии RP// Вестник машиностроения. 1998.- №1 - С.20 - 28.

40. Специальные виды литья / Под ред. Г.Ф. Баландина и Л.С. Константинова. М.: Машиностроение, 1970. - 224с.

41. Стрельченя В. Современные технологии быстрого прототипирования // READ.ME. 1997. - №1. - С. 12-15.

42. Мастрюков Б.С. Теплотехнические расчеты промышленных печей. -М.: Металлургия, 1972, 368с.

43. Филиппов Г.Г., и др. Кинетика автокаталитических реакций с участием твердых тел// Докл. АН СССР.- 1986. -Т. 291, №5. -С. 1169-1172.

44. Жуковского С.С. Формовочные материалы и технология литейной формы. М.: Машиностроение, 1993. -432с.

45. Широков H.H., Чудецкий Ю.В. Исследование взаимодействия полимеров с высокотемпературным потоком // Тепло- и массоперенос. -Минск: Наука и техника, 1968. -Т.2. С. 116 - 123.

46. Терморазрушение материалов: полимеры и композиты при интенсивном нагреве: Учебное пособие для вузов/ О.Ф. Шленский, Н.В. Афанасьев, А.Г. Шаликов. Москва; Энергоатомиздат, 1996. - 287с.

47. Изучение кинетики терморазложения полимерных материалов при повышенных скоростях нагрева/ О.Ф. Шленский, Н.В. Минакова, Ю.В. Зеленев, А.Ю. Швелев // Пластические массы. 2000. - №5. - С.23-27.

48. Шленский О.Ф., Афанасьев Н.В., Шашков А.Г. Терморазрушение полимеров // М.: Энергоатомиздат, 1996. 288с.

49. Шленский О.Ф. Тепловые свойства стеклопластиков. -М.: Химия, 1973. 224с.

50. Штерн В.Я. Механизм окисления углеводородов в газовой фазе. М.: АН СССР, 1958.- 168с.

51. Юдин С.Б. Центробежное литье. М.: Машиностроение, 1972. - 280с.

52. Янг. Д. Кинетика разложения твёрдых веществ. М.: Мир, 1969.- 263с.

53. Photopolimerization Studies Using Visible Light Photoinitiators/ О. Valedes Aguiera, C.P. Pathak, J. Shi, D. Watson and D.C. Neckers // Macromolecules. - 1992. -№ 25. - P.541 - 547.

54. Kochan D. Solid Freeform Manufacturing Advanced Rapid Prototyping. / Elsevier Science Publishers B.V. - Amsterdam - London - New York -Tokyo, 1993.-68p.

55. Rapid Prototyping Report// CAD/CAM Publishing, Inc. San Diego,- 1995. Volume 4, Number 1. - 85p.

56. Jacobs P. Steriolithography and other RT&M Technologies. New York: Society of Manufacturing Engineers, 1996. - 392p.500 °С550 °С

57. АКТ СДАЧИ-ПРИЕМКИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ1. От « » июля 2002

58. Тема: «Разработка и участие во внедрении технология изготовления литейной формы колеса турбины изд. 64М по фотополимерной модели путем ее выжигания».

59. Краткое описание результатов научно-исследовательской работы по изготовлению колеса турбины в масштабе 1:1:1. НПО^САТУРН

60. О Открытое акционерное общество1. Научно-производственноеобъединение «Сатурн»152903, Россия. Ярославская обл.,г. Рыбинск, пр. Ленина, 1631. Факс (0855) 21-31-081. Телетайп Сатурн 217686

61. Телефон (0855) 29-61-00 (для справок)

62. E-mail: saturn@npo-satum.ruwww.npo-saturn.ru

63. Дата -//.¿POt Исх. № £#/£>£>'

64. В ходе исследований режимов выжигания фотополимерных моделей в условиях литейной формы было опробовано изготовление отливки «колесо , турбины», изделие 64 М, по моделям.изготовленных методом лазерной стерео-литографией.

65. Были выполнены следующие работы:

66. Подготовленные формы были залиты сплавом ВЖЛ 12У.

67. Исследование полученной отливки показало, что рекомендации по из. готовлению отливки от МГТУ им. Н.Э. Баумана по предложеннымтехнологическим режимам соответствуют требованиям ТУ 18-039 .

68. Результаты диссертационной работы использованы в разработке технологии изготовления отливки «колесо турбины» по выжигаемым фо1. Ю.В.Ласточкин