Какие продукты производятся методом литья по выплавляемым моделям и почему отрасли выбирают его

Литье по выплавляемым моделям представляет собой усовершенствованный процесс литья методом испарения, при котором модель пенопласта — точная копия желаемой детали — упаковывается в несвязанный песок, а затем заполняется расплавленным металлом, который испаряет пену и принимает ее точную форму. Продукция, изготовленная с использованием литье по выплавляемым моделям охватывают блоки автомобильных двигателей, сложные коллекторы, корпуса промышленных насосов, корпуса клапанов, железнодорожные компоненты и художественные скульптуры — любую деталь, требующую жестких допусков на размеры, сложную внутреннюю геометрию или почти готовую форму, обработка или сборка которой из нескольких частей будет непомерно дорогой. Согласно Американское общество литейщиков (AFS, 2023 г.) глобальный рынок литья по выплавляемым моделям оценивался примерно в 1,68 млрд долларов США в 2022 году и, согласно прогнозам, среднегодовой темп роста составит 6,1% до 2030 года, в первую очередь благодаря требованиям по облегчению веса автомобилей и отказу от стержней и связующих веществ, которые требуются для традиционного литья в песчаные формы. В этой статье рассматривается, какие именно изделия отливаются с использованием этого процесса, почему он превосходит альтернативы для конкретной геометрии, а также какие материалы и отраслевые ограничения определяют, когда потерянная пена является — или нет — правильным выбором.

Как работает литье по выплавляемым моделям: процесс создания продуктов

Литье по выплавляемым моделям производит металлические детали сетчатой формы, заменяя традиционную песчаную форму и стержни на пенопластовый рисунок, который разрушается — «теряется» — когда расплавленный металл заполняет полость формы. Последовательность процесса определяет, какая геометрия изделия достижима и почему этот метод открывает возможности для создания конструкций, которые обычное литье не может производить экономично:

1. Изготовление узора из пенопласта: Шарики вспенивающегося полистирола (EPS) впрыскиваются в алюминиевый инструмент и расширяются паром, чтобы сформировать шаблон конечной детали, включая все внутренние проходы, выступы и подрезы. В случае сложных сборок несколько частей пенопласта склеиваются водорастворимым клеем, чтобы создать единый шаблон отливки. Точность размеров рисунка пенопласта напрямую определяет точность размеров отливки — допуски ±0,005 дюйма на дюйм (±0,127 мм/мм) достижимы за Рекомендации ASTM E2349/AFS .
2. Огнеупорное покрытие: Собранную модель из пенопласта покрывают погружением в керамическую огнеупорную суспензию (обычно на основе оксида алюминия или циркона) толщиной от 1 до 3 мм, а затем сушат. Это покрытие выполняет две функции: обеспечивает жесткость для сохранения размеров модели под давлением уплотнения песка и контролирует скорость проникновения газов разложения пены из формы — параметр, который напрямую влияет на качество поверхности и пористость готовой отливки.
3. Уплотнение песка: Модель с покрытием помещается в сухой несвязанный кварцевый песок в стальной опоке, и опока подвергается вибрации для равномерного уплотнения песка вокруг всех элементов модели. Никакие связующие вещества, смолы или добавки к сырому песку не используются — песок можно использовать повторно практически без кондиционирования, что является значительным преимуществом в стоимости процесса.
4. Заливка и узорное испарение: Расплавленный металл выливается непосредственно на литник пенопластовой модели. Под воздействием тепла металла пенополистирол испаряется примерно со скоростью 2600 ° F (1427 ° C) при заливке алюминия создается фронт горения, который продвигается по образцу по мере того, как металл заполняет полость позади него. Газы разложения выходят через проницаемое огнеупорное покрытие и несвязанный песок.
5. Нокаут и завершение: После затвердевания опоку переворачивают, и отливка освобождается от рыхлого песка с минимальными усилиями — для большинства геометрий не требуются выбивные молотки, удаление стержня и режущие инструменты. Восстановленный песок охлаждается и используется повторно.

Какие автомобильные изделия производятся с использованием литья по выплавляемым моделям?

Автомобильная промышленность является крупнейшим конечным потребителем литье по выплавляемым моделям , что составляет примерно 65–70% мирового объема производства пенопласта (Источник: Журнал Global Casting, 2022 г. ). Этот процесс был принят автопроизводителями в конце 1980-х годов именно потому, что он позволяет производить сложные многопроходные алюминиевые и чугунные отливки, которые ранее были либо невозможны за одну заливку, либо требовали многократной обработки и сборки компонентов.

Блоки двигателей и головки цилиндров

Алюминиевые блоки цилиндров и железные головки цилиндров являются наиболее объемной областью применения. литье по выплавляемым моделям в автомобилестроении. Блок двигателя содержит водяные рубашки, масляные каналы, отверстия цилиндров и бобышки болтов — все в одной геометрически сложной отливке, которая при обычном литье в песчаные формы требует от 6 до 14 стержней из песка для образования внутренних каналов. В литье по выплавляемым моделям , вся модель блока, включая все внутренние проходы, изготавливается как единая сборка из пенопласта, исключая все сердцевины и вносимые ими изменения размеров. В результате получается отливка чистой формы с более гладкими стенками внутренних каналов (уменьшающими насосные потери в водяных рубашках) и меньшим расстоянием между отверстиями, чем позволяют альтернативы со стержневым набором, что позволяет уменьшить габариты двигателя и снизить его вес. Типичный алюминиевый блок рядного четырехцилиндрового двигателя производства компании литье по выплавляемым моделям весит примерно на 20–25% меньше чем эквивалентное чугунное литье, и требует На 40 % меньше операций механической обработки по сравнению с той же деталью, полученной обычным литьем в сырые песчаные формы (Источник: Международный технический документ SAE 2021-01-0428 ).

Впускные коллекторы

Впускные коллекторы — компоненты, которые распределяют воздух или воздушно-топливную смесь от корпуса дроссельной заслонки к впускному отверстию каждого цилиндра — относятся к числу наиболее геометрически сложных отливок в двигателе. Их длинные, изогнутые, разветвленные внутренние направляющие должны иметь точные размеры для равномерного распределения воздушного потока по всем цилиндрам; Любое изменение между бегунками напрямую ухудшает равномерность сгорания и выходную мощность. Литье по выплавляемым моделям производит цельные алюминиевые впускные коллекторы с гладкими направляющими точной формы за одну операцию, тогда как обычное литье требует сборки из нескольких частей с секциями, соединенными прокладками, которые создают ступенчатые разрывы в каждом соединении. Пер Бумага SAE 2019-01-1083 , цельный литой пенопласт алюминиевые коллекторы демонстрируют изменение расхода между бегунками менее чем 1,5% по сравнению с вариацией в 3–5% в сборных многокомпонентных коллекторах.

Выпускные коллекторы

Для выпускных коллекторов требуются жаропрочные железные сплавы (обычно ковкий чугун D5S или ковкий чугун SiMo для температур до 1650°F / 900°C) со сложной изогнутой геометрией, которые должны иметь гладкие внутренние стенки, чтобы минимизировать противодавление. Литье по выплавляемым моделям производит эту геометрию без стержней, достигая чистоты внутренней поверхности Ra 250–500 микродюймов (6,3–12,5 мкм) в литом состоянии, что достаточно для эксплуатации выхлопных газов без вторичной обработки внутренних поверхностей.

Дифференциальные держатели и корпуса трансмиссии

Корпуса дифференциалов и корпуса трансмиссий сочетают в себе сложную внешнюю геометрию (посадочные бобышки, седла подшипников, расположение ребер) с точно рассчитанными внутренними отверстиями подшипников, что делает их идеальными кандидатами для литье по выплавляемым моделям . Способность процесса поддерживать размерный допуск ±0,005 дюйма/дюйма в местах расположения отверстий подшипников снижает требуемый станок и, в некоторых случаях, позволяет использовать отверстия подшипников в литом состоянии только с чистовым хонингованием, а не с полной расточкой.

Тормозные суппорты и поворотные кулаки

Алюминиевые тормозные суппорты и поворотные кулаки производятся литье по выплавляемым моделям минимизировать неподрессоренную массу — важнейший фактор динамики управляемости автомобиля. А литой пенопласт Алюминиевый передний кулак весит примерно 3,5–4,5 фунта по сравнению с 7–9 фунтами для эквивалентного чугунного литья в песчаные формы с эквивалентными структурными характеристиками при нагрузках, определенных в Стандарты усталости колес и поворотных кулаков SAE J328 .

Какие промышленные и инженерные изделия отливаются с использованием литья по выплавляемым моделям?

Помимо автомобилестроения, литье по выплавляемым моделям Это процесс выбора для широкого спектра промышленных изделий, где сложность конструкции, внутренние каналы или жесткие допуски делают альтернативные методы литья неэкономичными. На промышленное применение приходится около 20–25% мирового производства потерянного пенопласта (Источник: Комитет AFS по литью из пенопласта, 2022 г. ).

Корпуса насосов и рабочие колеса

Корпуса и рабочие колеса центробежных насосов требуют гладких, точно изогнутых внутренних спиральных каналов, которые непосредственно определяют гидравлический КПД. Литье по выплавляемым моделям производит корпуса насосов из чугуна и нержавеющей стали со спиральной поверхностью, более гладкой, чем обычное литье в песчаные формы, что снижает гидравлические потери и повышает эффективность насоса на 2–5 процентных пунктов при эквивалентной скорости потока — измеримая экономия энергии за миллионы часов промышленной перекачки в год. Согласно Стандарты Гидравлического института (HI 1.3, 2020 г.) значения Ra внутренней улитки ниже 500 микродюймов (12,5 мкм) заметно повышают эффективность центробежных насосов со скоростью более 500 галлонов в минуту; литье по выплавляемым моделям достигается это в литом состоянии без вторичной обработки поверхности улитки.

Корпуса клапанов

Сложные корпуса клапанов для управления промышленными процессами, нефтегазовыми и гидравлическими системами содержат множество внутренних каналов для потока, перфорированные порты и отверстия седла точного размера — комбинация, которая требует нескольких стержней при обычном литье или обширной механической обработке заготовки. Литье по выплавляемым моделям производит эти сети внутренних каналов за одну заливку, устраняя заусенцы линий разъема на внутренних посадочных поверхностях и снижая требования к механической обработке на 30–50 % по сравнению с обработкой заготовок для корпусов клапанов среднего и большого размера (Источник: Международная выставка Кастинговых технологий, 2021 г. ).

Корпуса компрессоров и спиральные компоненты

Корпуса спиральных компрессоров, используемые в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, холодильном оборудовании и пневматических инструментах, содержат эвольвентные спиральные поверхности, которые относятся к числу наиболее геометрически сложных форм, которые можно получить методом литья. Литье по выплавляемым моделям воспроизводит эту спиральную геометрию из рисунка пенопласта с размерной точностью, недостижимой при обычном литье в песчаные формы, что позволяет производить продукцию почти готовой формы, требующую только чистовой обработки сопрягаемых поверхностей спиралей, а не черновой обработки необработанной отливки со значительным съемом материала.

Редукторы и корпуса редукторов

Корпуса промышленных редукторов должны обеспечивать точное выравнивание отверстий подшипников сложной многоплоскостной геометрии, часто с ребрами, охлаждающими ребрами, масляными каналами и монтажными площадками, изготовленными из одной и той же отливки. Литье по выплавляемым моделям создает эти сложные геометрические формы с толщиной ребер всего 3 мм и угловые радиусы такие же узкие, как 1,5 мм , что позволяет создавать редукторы с более тонкими стенками, которые позволяют снизить вес без ущерба для жесткости корпуса.

Какие другие отрасли и продукты используют литье по выплавляемым моделям?

Помимо автомобилестроения и тяжелой промышленности, литье по выплавляемым моделям обслуживает широкий спектр специализированных категорий продуктов, где уникальное сочетание свободы дизайна и точности размеров дает особые преимущества.

Компоненты железной дороги и железнодорожной инфраструктуры

Железнодорожные тормозные колодки, рамы тележек и компоненты сцепок требуют высокопрочного ковкого чугуна или марганцевой стали сложной геометрии, которые должны соответствовать строгим стандартам усталости и ударной нагрузки. Литье по выплавляемым моделям используется для корпусов тормозных колодок и корпусов фрикционных вставок, обеспечивая получение однородных отливок без пористости, соответствующих требованиям Спецификация AAR (Ассоциация американских железных дорог) М-215 для железнодорожных отливок. Устранение линий разъема и сердечников снижает точки концентрации напряжений в отливках железнодорожных конструкций, увеличивая усталостную долговечность по сравнению с обычными отливками из песчаных форм той же геометрии.

Компоненты сельскохозяйственной техники

Корпуса гидрораспределителей тракторов, корпуса дозаторов семян сеялок и вогнутые рамы зерноуборочных комбайнов изготавливаются с помощью литье по выплавляемым моделям в ковком чугуне и алюминии. Сельскохозяйственное оборудование требует сложной геометрии подачи жидкости при низких и средних объемах производства — именно в таких условиях литье по выплавляемым моделям's Преимущество стоимости оснастки по сравнению с литьем под давлением является наиболее значительным. А литье по выплавляемым моделям инструмент для гидрораспределителя трактора стоит примерно 15 000–40 000 долларов США по сравнению с 80 000–250 000 долларов США за эквивалентный инструмент для литья под высоким давлением, что делает его экономичным при ежегодных объемах производства 500–10 000 единиц в год.

Компоненты судовых двигателей и силовых установок

Блоки судовых подвесных двигателей, корпуса кормовых приводов и рабочие колеса морских насосов производятся с помощью литье по выплавляемым моделям в алюминиевых сплавах благодаря сочетанию коррозионной стойкости, легкого веса и геометрической сложности. Нижние части подвесного двигателя, которые содержат корпус коробки передач, каналы водяного насоса и крепление триммера, относятся к числу наиболее геометрически сложных небольших отливок в морском производстве, с пересекающимися каналами, для формирования которых при обычной отливке требуется от 3 до 5 стержней.

Художественное литье и архитектурные металлообработки

Художники и архитекторы используют литье по выплавляемым моделям (часто называемое «литьем по полной форме» в контексте искусства) для производства бронзовых и алюминиевых скульптур, архитектурных декоративных панелей и нестандартной фурнитуры с полной текстурой поверхности и деталями оригинальной резной модели из пенопласта. В отличие от литья по выплавляемым моделям, для которого требуется восковая модель и керамическая оболочка, литье по выплавляемым моделям позволяет художникам вырезать непосредственно из пенопласта EPS с помощью обычных инструментов (горячая проволока, ножи, рашпили) и отливать напрямую без промежуточного переноса модели, сохраняя спонтанную текстуру поверхности, которая была бы потеряна в многоэтапном процессе воспроизведения.

Литье по выплавляемым моделям по сравнению с другими методами литья: какой из продуктов лучше всего подходит?

Литье по выплавляемым моделям не заменяет все другие методы литья — избирательно превосходит по конкретным характеристикам продукта. В таблице ниже он сравнивается с литьем в сырые пески, литьем по выплавляемым моделям и литьем под высоким давлением по критериям, определяющим выбор процесса для типичных промышленных продуктов:

Таблица 1. Сравнение литья по выплавляемым моделям с сырым песком, литья по выплавляемым моделям и литья под высоким давлением по размерным допускам, качеству поверхности, способности внутреннего прохода, стоимости оснастки и типичным продуктам. Источники: AFS, SAE International, Casting Technology International (2021–2023 гг.).

Какие материалы используются в изделиях для литья по выплавляемым моделям?

Выбор литого металла в литье по выплавляемым моделям определяет, какие изделия можно изготовить и какие условия эксплуатации выдерживает отливка. Этот процесс совместим с более широким спектром сплавов, чем литье под высоким давлением, а его способность обрабатывать ферросплавы отличает его от многих других вариантов точного литья:

Таблица 2. Литые материалы, используемые при литье по выплавляемым моделям, по доле рынка, температуре заливки и типичным применениям продукта. Источник: Годовой отчет Комитета по литью из пенопласта AFS (2022 г.).

Почему литье по выплавляемым моделям предпочтительнее альтернатив для сложных продуктов

Инженеры и отделы закупок выбирают литье по выплавляемым моделям для конкретных продуктов, когда одновременно присутствуют три или более из следующих условий — условий, которые либо делают альтернативные процессы технически неадекватными, либо экономически невозможными:

• Сложные внутренние проходы, для которых потребуется 3 или более песчаных кернов: Каждый стержень при обычном литье в песчаные формы увеличивает стоимость оснастки, трудозатраты на сборку, изменение размеров отпечатков стержня и возможность смещения стержня во время заливки. Продукт, требующий 8 стержней при обычном литье, обычно становится конкурентоспособным по цене, если литье по выплавляемым моделям при годовых объемах более 2000 единиц и превосходящих по стоимости и качеству более 5000 единиц (Источник: Международная выставка Кастинговых технологий, 2021 г. ).
• Требование к форме, близкой к чистой, что сводит к минимуму механическую обработку: Для продуктов, в которых стоимость удаления необработанной отливки превышает 25% от общей стоимости детали, литье по выплавляемым моделям's Точность размеров и изготовление внутренних проходов без стержня значительно сокращают время обработки. Суммарное преимущество в производственных затратах по сравнению с обычным литьем в песчаные формы составляет 15–35 % для сложных алюминиевых деталей трансмиссии в расчете на единицу продукции. САЭ Интернешнл (2020) .
• Внешняя геометрия без линий разъема: Традиционное литье требует наличия углов уклона и залегания линий разъема на каждой внешней поверхности. Литье по выплавляемым моделям создает нулевую линию разъема, позволяя создавать внешние геометрические формы — подрезы, входящие поверхности, сложные кривые — которые физически невозможны в песчаной форме, состоящей из двух частей. Эта свобода позволяет использовать структурные ребра, оптимизированные по соотношению жесткости к весу без увеличения угла уклона.
• Средний объем производства средней и высокой сложности: Литье по выплавляемым моделям занимает золотую середину эффективности производства между 500 и 500 000 деталей в год для сложных деталей - за пределами экономического диапазона литья по выплавляемым моделям (слишком медленно) и ниже необходимого объема, который оправдывает инвестиции в инструменты для литья под высоким давлением.
• Экологические требования: Литье по выплавляемым моделям не использует химических связующих и не производит выбросов при разложении связующего (бензола, толуола, фенола) при разливке, что является значительным преимуществом в регионах с жесткими нормами по содержанию летучих органических соединений. Сухой песок также на 95–98% пригоден для вторичной переработки без термической регенерации, что значительно снижает количество отходов литейного производства по сравнению с системами химически связанного песка.

Часто задаваемые вопросы о продуктах для литья по выплавляемым моделям