Projektowanie
wytwarzania odlewanych
części maszyn (2)

Dr hab.inż. Andrzej

Modrzyński

prof. nadzw. PP

Schemat procesu

wykonywania odlewów

Projektowanie

Odlewy posiadają określony kształt ,
wymiary, skład chemiczny i strukturę
które są wyznaczone przez decyzje
inżynierskie podejmowane przez :



A. Projektanta (Mechanical Engineers)



B. Modelarza (Skilled craftsman, CAD)



C. Odlewnika ( Metallurgical Engineers)



D. Szefa Produkcji (Mechanical,
Metallurgical Engineers)

Warunki wytworzenia dobrego

odlewu

(I)

Należy zaprojektować:



1. Prawidłowy układ wlewowy , aby w sposób właściwy
dostarczyć ciekły metal do wnęki formy bez
zanieczyszczenia cząstkami żużla, masy i gazami.



2. Zaprojektować prawidłowy układ nadlewowy ,który
pozwoli uzupełnić ubytki ciekłego metalu w formie
podczas studzenia do temperatury likwidus i zakresie
temperatury krzepnięcia ( T

l

– T

s

).

Warunki wytworzenia dobrego
odlewu(II)



3. Kontrola procesu odprowadzenia ciepła z
powstającego odlewu w celu zapewnienia skutecznego
działania układu nadlewowego



4. Kontrola szybkości odprowadzenia ciepła, która ma
istotny wpływ na strukturę pierwotną odlewu.
Ważny jest dobór:
- Rodzaju materiału formy ( masa, forma trwała)
- Sposób wprowadzenia ciekłego metalu do formy
( grawitacyjne, pod ciśnieniem, zasysanie próżniowe



5. Stanu metalu ( ciekły, odlewanie tixotropowe)



6. Wypełnienia wnęki formy ( powietrze, próżnia,gaz
ochronny, ciało stałe – Proces Pełnej Formy )

Kolejne etapy w projektowaniu

(1)

1.Model fizyczny części przeznaczonej do wykonania :

propozycja kształtu, tolerancje wykonania, zmiany

wymiarów w czasie procesu, relacje z innymi

częściami wyrobu finalnego (Concurrent Engineering ).

2. Dobór tworzywa odlewniczego do wytworzenia

odlewu – właściwości mechaniczne i fizyczne, zdolność

do odwzorowania kształtu odlewu, zdolność do

płynięcia w formie.

3. Zaprojektowanie kształtu i wymiarów modeli i

rdzennic- uwzględnia się przy tym układ wlewowy i

nadlewowy, wypełnienie formy ciekłym metalem i

szybkość odprowadzania ciepła.

Kolejne etapy w projektowaniu

(2)

4.Wybór procesu wykonania odlewów –

ograniczenia w wytwarzaniu, waga odlewu,
wymiary odlewu, wymagania
wymiarowe( tolerancje ) i jakoścć powierzchni
odlewu, analiza kosztów wytwarzania

5. Planowane zabiegi po wytworzeniu odlewu-

obróbka mechaniczna i cieplna, spawanie
elementów.

6. Ocena kosztów wytwarzania

UWAGA !



Projektowanie procesów
odlewniczych jest procesem
interaktywnym wymagającym
doskonałej komunikacji na wszystkich
etapach procesu projektowania.



Te interaktywne oddziaływania są
zilustrowane na poniższym
schemacie strzałkami

UWAGA!



Projektant odlewów (bardzo często inżynier budowy maszyn )

powinien doskonale się orientować w podstawowych

właściwościach materiałów ( stopów ), ograniczenia w ich

stosowaniu oraz ograniczenia w stosowaniu do wykonywania

odlewów poszczególnych technologii.



Podstwowa wiedza projektanta powinna obejmować:
- zmiany w grubości ścian odlewów, eliminacje ostrych

krawędzi
- wymagania stawiane materiałom na odlewy,
- projektowanie procesów obróbki mechanicznej (bazy )
-możliwe do osiągnięcia tolerancje wymiarowe parametry

powierzchni,
- ograniczenia przy wytwarzaniu odlewów,
- warunki kontroli procsu i warunki odbioru odlewów.

Projekt przechodzi przez

pięć etapów



Etapy wstępne

1.Podjęcie decyzji o wykonywaniu

elementu metodą odlewania

2. Szczegółowy projekt CAD –

geometria 3-D

3. Kontakty komercyjne ; zapytania

ofertowe, uzgodnienia warunków
odbioru oraz redakcja zamówienia

Projekt przechodzi przez
pięć etapów



Etapy produkcyjne

4. Wytwarzanie niezbędnego

oprzyrządowania,

5. Proces odlewania i wykańczania

Inne ważne czynniki



Idealny i bardzo ścisły kontakt
zamawiającego z z projektantem i wytwórcą
(odlewnią ),



Posiadanie przez projektanta wiedzy z
zakresu z zakresu projektowania odlewów i
powstania odlewu w formie odlewniczej,



Dostosowanie metody wytwarzania do ilości
zamawianych odlewów w celu uzyskania
ekonomiczne uzasadnionej ceny odlewu

CAD/CAM i Rapid

Prototyping techniqes



CAD wymaga stworzenia geometrii
3D kształtu wyrobu,



Pozwala to na kolejnych etapach
wizualizację rozkładu naprężeń w
pracującym elemencie, modelowanie
procesu wypełniania formy ciekłym
metalem, budowę odlewu po
procesie krystalizacji i krzepnięcia

CAD/CAM i Rapid

Prototyping techniqes



CAD ogranicza konieczność wykonywania
serii prototypowej i umożliwia realizację
tego etapu na ekranie komputera przy
wykorzystaniu programów symulujących
proces odlewania,



Technika Rapid Prototyping umożliwia
szybką kreację kształtu modelu dla
ukształtowania wnęki formy dla odlewu
próbnego

Rapid Prototyping



Technika ta jest oparta w swej
zasadzie na kształtowaniu modelu
metodą nakładania kolejnych
warstw,



Powstający z tworzyw sztucznych
lub innych materiałów model jest
kształtowany bezpośrednio przy
wykorzystaniu geometrii 3-D

Rapid prototyping

Dlaczego używamy RP?

Projektant woli mieć do dyspozycji model

fizyczny nowej części niż model

komputerowy w formie rysunku lub

rysunek techniczny

-

bardzo często stworzenie prototypu jest

integralną częścią procesu projektowania,

-

model wirtualny nie we wszystkich

przypadkach pozwalana pełną wizualizację

wyglądu projektowanej części,

-

możliwość weryfikacji fizycznej dzieła

Rapid Prototyping



Stosowane techniki:

-

usuwanie materiału przy

wykorzystaniu maszyn CNC
- materiał wyjściowy często wosk
- Maszyna CNC wyposażona w

przystawkę do mikroobróbki

- Dodawanie materiału – nakładanie

warstw materiału

Rapid Prototyping

Podział ze względu na materiał

wyjściowy:



Z materiału ciekłego,



Z materiału stałego,



Z proszków

Oparte na cieczach
systemy RP



Materiałem wyjściowym jest
ciekły monomer



Przykłady rozwiązań

-

Stereolitografia,

-

Metoda kroplowa

-

Spiekanie na ciało stałe

STEREOLITOGRAFIA



Stereolitografia jest jednym z częściej

stosowanych procesów addytywnej produkcji

elementów prototypowych w przemyśle

(

Rapid prototyping

) ,



Proces produkcji części z wykorzystaniem

stereolitografii opiera się na stopniowym

obrysowywaniu kolejnych przekrojów

poziomych produkowanej części za pomocą

lasera

na sukcesywnie zanurzanej platformie

w wannie z

fotopolimerem

.



STEREOLITOGRAFIA



Pod wpływem światła laserowego,
dochodzi do

polimeryzacji

i zestalenia

substancji blisko powierzchni roztworu,



Po obrysowaniu warstwy, platforma
jest obniżana dokładnie o grubość
wytworzonej warstwy, a cały proces
powtarza się ,aż do uzyskania całego
produkowanego elementu

STEREOLITIGRAPHY

STEREOLITIGRAPHY



Zasada – wytwarzanie stałych modeli
z tworzyw sztucznych wskutek
zjawiska fotosyntezy ciekłego polimeru
wskutek oddziaływania
bezpośredniego wiązki laserowej na
ciecz ,aby wywołać zjawisko
polimeryzacji



Pierwszy proces został wprowadzony
w 1988 r. do zastosowań technicznych

STEREOLITIGRAPHY
(ETAPY)

ETAPY:
A. Dane uzyskane z plików CAD-wskich są

przetwarzane na cienkie przekroje poprzeczne

B. Następnie sterowany przez oprogramowanie laser

( typu HeCd ) rysuje promieniem ultrafioletowym

pierwszy przekrój wygenerowany z pliku CAD-

owskiego na powierzchni ciekłego fotopolimeru

czułego na promieniowanie ultrafiletowe lub

ciekłego tworzywa sztucznego umieszczonego na

zaprojektowanej podstawie. Gdy promień laserowy

dotyka powierzchni ciekłego fotopolimeru

przechodzi on w stan stały i precyzyjnie otwarza

kształt przekroju.

STEREOLITIGRAPHY
(ETAPY)



C. Kiedy zakończy się proces utwardzania pierwszej

warstwy dźwignia z zamocowaną do niej podstawką

opuszcza się

i następna warstwa jest tworzona z ciekłego

fotopolimeru zgodnie z geometrią przekroju modelu



D. Grubość każdej warstwy waha się w granicach od 0.003-

- 0.015 cala.



E. Proces jest kontynuowany tak długo, aż cały kształt

zawarty w pliku CAD zostanie przetworzony w stały

model, prototyp lub model odlewniczy



F. Następnie jest on usuwany z podstawki i rozpoczyna się

obróbka wykańczająca ostateczne spieczenie i

wykańczanie powierzchni

Fused Deposition Modeling -
FDM

Proces wytwarzania trójwymiarowego prototypu przez
nanoszenie przez specjalną głowicę tworzywa
termoplastycznego w postaci cienkiej warstwy.

Etapy:



A. Pliki CAD są przekształcane w poziome powierzchnie



B. Głowica wyposażona w programowany regulator
temperatury sterowana przez pliki wygenerowane z rys. CAD
podaje jednorazowo pierwszą warstwę termoplastyczny
materiału (ABS, wosk lub poliamid). Termoplastyczne medium
modelujące ma grubość około 0.070 cala i jest podawane z
głowicy maszyny modelującej wyposażone w urządzenie do
termoregulacji. Ten fakt umożliwia wyciskanie tworzywa z
głowicy w stanie stało-ciekłym .

Fused Deposition Modeling -
FDM

C. Głowica podaje i starannie układa na

postawie w postaci cienkiej warstwy .
Ruch głowicy jest sterowany przez pliki
kierunkowe , które są wprowadzane do
systemu FDM , który steruje
przemieszczeniami wzdłuż osi x,y i z.

D. Kiedy materiał przechodzi w stan stały

łączy się z poprzednią warstwą.

FDM

FDM

Solid Ground Curing

(SGS)



Spiekanie polimerów na drodze

fotosyntezy warstwa po warstwie na

podstawie wykreowanej geometrii CAD,



Zamiast zastosowania promienia

laserowego do spiekania może być

zastosowana wiązka promieniowania

UV skierowana na ciekły polimer,



proces utwardzenia warstwy trwa 2-3 s

SGS (Stage I)

SGS ( Stage II)

SGS ( Stage III )

Selective Laser Sintering

Solid-Based RP Systems

Materiał wyjściowy jest w stanie

stałym.

Wyróżnia się dwa systemy tej

metody RP należące do tej
grupy :



Laminated object manufacturing
(LOM)



Fused deposition modelling

LOM



Stały model fizyczny jest budowany
poprzez nakładanie kolejnych
warstw przy wykorzystaniu CAD -
owskiego modelu części



Materiał wyjściowy w formie arkuszy
takich materiałów jak papier,
tworzywo sztuczne, celuloza,
metale oraz zbrojona guma

LOM



Zrolowany materiał pokryty z
jednej strony adhezyjną powłoką –
materiał podstawowy.



Po przecięciu promieniem
laserowym materiał nadmiarowy
pozostaje na podstawie i stanowi
ochronę budowanego modelu

LOM

Metoda LOM polega na wytwarzaniu przez

wycinanie elementów z papieru czułego na

oddziaływanie promienia laserowego:

A. Promień lasera wycina kształt przekroju wyrobu na

podstawie geometrii pobranej z pliku CAD-

owskiego na warstwie papieru czułego na

promieniowanie termiczne

B. Kiedy pierwszy przekrój jest zakończony , następna

warstwa papieru jest umieszczana na tej

powierzchni i następna warstwa jest odtwarzana

przez laser. W wyniku oddziaływania ciepła

warstwy ulegają połączeniu (powstaje laminat )

Sand Casting Core -LOM

Powder-Based RP Systems

Materiałem wyjściowym jest

proszek.

Wyróżnia się dwa podstawowe

systemy :



Selective laser sintering



Three dimensional printing

Selective laser sintering

Zasada:



Przemieszczający się laser spieka specjalnie
przygotowany proszek warstwami wykorzystując
geometrię CAD



Po utwardzaniu warstwy kolejna warstwa jest
spiekana po naprowadzeniu nowej warstwy proszku,



Kolejno warstwa na warstwie jest stopniowo
spiekana formując geometrię modelu zapisaną w
formie 3-D



Strefy nie spieczone przez promień lasera po
usunięciu odkrywają kształt modelu.

SLA

Technologia
A. Niezbędne dane kształtu z pliku CAD - wskiego
B. Cienka warstwa utwardzającego się pod wpływem ciepła

proszku ( jak polistyren, poliwęglan lub poliamid ) jest

umieszczana na platformie roboczej.

C. Pierwszy przekrój modelu jest odtwarzany przez

poddanie proszku działaniu Lasera CO

2

wytwarzającego

strumień ciepła .Temperatura proszku pod wpływem

promienia lasera osiąga temperaturę spiekania i jego

cząstki tworzą stały zarys kształtu modelu

D. Następnie nanoszona jest kolejna warstwa i proces się

powtarza- aż do ukończenia odwzorowania kształtu

modelu( prototypu )

Three Dimensional

Printing (3DP)



W

metodzie 3DP, model części jest budowany

warstwa po warstwie przy wykorzystaniu drukarki

atramentowej w celu wprowadzenia materiału

wiążącego do proszku



Spoiwo rozkłada na powierzchni odpowiadającej

przekrojowi części modelowanej zgodnie z

geometrią CAD



Spoiwo łączy cząsteczki proszku i kreuje kształt

części , podczas gdy nie spieczony proszek jest

usuwany z urządzenia



W celu ostatecznego nadania modelowanej części

odpowiedniej wytrzymałości podlega ona spiekaniu

Three Dimensional
Printing (3DP)

3DP

3DP

Drukowanie modeli z wosku

WAX PRINTING

SLA

Direct Shell Production

Casting

DSPC

DSPC jest to proces w którym wytwarzana jest

ceramiczna forma na drodze nanoszenia na

podstawę kolejnych warstw materiału

ceramicznego, przez co eliminuje się koniczność

wytworzenia modelu. A. mold is generated in a

CAD file.

Procedura:
A. Forma ceramiczna jest budowana krok po kroku przez

nanoszenie kolejnych warstw ceramicznego

sproszkowanego materiału ceramic wg procedury

opracowanej na podstawie pliku CAD- wskiego formy

odlewniczej – przekształconego w pliki opisujące

kształt kolejnych przekrojów..

Direct Shell Production

Casting

DSPC

B.

Następnie powłoka ceramiczna jest utwardzana

przez głowicę drukarki podającej ciekły
utwardzacz na podstawie danych opisujących
kształtu przekroju modelu formy.

C.W ten sposób są nakładane kolejne warstwy , aż

do pełnego udtworzenia kształtu formy
odlewniczej,

D. Kiedy forma jest odwzorowana , może być

wypełniona ciekłym metalem w celu wytworzenia
prototypowego odlewu ( bez konieczności
przygotowania modelu )

Etap 1

Rys. CAD Zamawiającego

Etap 2

Dodanie układu wlewowego i nadlewowego

Etap 3

Rys. formy

Etap 3.1-3.2

Budowa Formy RP

Etap 4 i 5

Gotowa forma

Zalewanie