Что такое инвестиционное литье?

Большинство покупателей интересуются литьем по выплавляемым моделям не потому, что им нравится изучать литейные процессы. Обычно они обращаются к нам с какой-то проблемой.

Изготовление сварной сборки занимает слишком много времени. Затраты на механическую обработку постоянно растут. Деталь имеет сложную кривую форму, которую трудно обработать на фрезерном станке. Или, возможно, нынешний поставщик может изготовить эту деталь, но качество продукции нестабильно.

Именно в этом контексте стоит поговорить о литье по выплавляемым моделям.

Инвестиционное литье, также известный как литье по выплавляемым моделям, представляет собой процесс металлообработки, применяемый для изготовления деталей сложной формы, с мелкими деталями, относительно узкими допусками и гладкой поверхностью. Она широко применяется для изготовления клапанов из нержавеющей стали, рабочих колес насосов, автомобильных кронштейнов, медицинских инструментов, деталей турбин, судового оборудования, компонентов промышленного оборудования и многих других изделий, производство которых в противном случае потребовало бы нескольких этапов обработки.

Краткий ответ прост: изготавливается восковая модель, покрывается керамикой, выплавляется, а на её место заливается расплавленный металл.

Звучит просто.

Нет.

Конечное качество зависит от десятков мелких решений — от температуры воска и времени сушки формы до химического состава сплава, температуры разливки, конструкции литникового канала, скорости охлаждения и окончательной обработки. Хороший литейный цех делает эти переменные незаметными. Плохой же, как правило, знакомит заказчика с ними по одному дефекту за раз.

Как работает литье по выплавке?

Процесс начинается с изготовления восковой модели.

При серийном производстве расплавленный воск впрыскивается в металлическую форму. Полученная восковая деталь по форме практически идентична конечному литому изделию, хотя необходимо предусмотреть допуски на усадку металла и последующую отделку.

Затем несколько восковых моделей креплятся к центральному восковому литнику. Работники литейного цеха часто называют эту сборку “деревом”, поскольку отдельные детали отходят от главного литника, как ветви.

Это один из тех этапов, которые при посещении завода кажутся на удивление простыми. Рабочие вручную собирают детали из воска, проверяют стыки, регулируют расстояния и устраняют мелкие повреждения поверхности. В этом нет ничего особо высокотехнологичного.

Однако плохо собранное восковое дерево может впоследствии вызвать проблемы с кормлением.

Дерево погружают в жидкую керамическую суспензию, а затем покрывают огнеупорным песком. После высыхания одного слоя наносят следующий. Процесс повторяют до тех пор, пока оболочка не станет достаточно прочной, чтобы удерживать расплавленный металл.

А сушка занимает время.

Это то, что сотрудникам отделов закупок порой не хочется слышать, особенно когда проект и так уже отстает от графика. Процесс изготовления керамической оболочки не всегда можно ускорить. Температура и влажность влияют на процесс высыхания слоев, и, казалось бы, незначительная трещина может превратиться в серьезный дефект отливки во время заливки.

Однажды мы стали свидетелями задержки проекта из-за того, что заказчик утвердил инструмент, но после первых испытаний корпуса изменил толщину стенки. На чертеже это изменение казалось незначительным. Однако в процессе производства оно повлияло на течение металла, характер охлаждения и оптимальное расположение литникового канала. Конструкторской группе потребовался еще один цикл испытаний.

Клиент остался недоволен.

Литейный цех тоже не был.

Но это всё равно обошлось дешевле, чем обнаружить проблему уже после выпуска нескольких тысяч деталей.

После изготовления оболочки её нагревают, чтобы воск расплавился и стек. Затем пустую керамическую полость обжигают при высокой температуре для удаления остатков и повышения прочности оболочки.

Расплавленный металл заливается в раскаленную оболочку либо под действием силы тяжести, либо с помощью вакуума, либо под действием центробежной силы, либо другим контролируемым способом в зависимости от материала и детали.

После остывания металла керамическая оболочка удаляется. Отливки отрезаются от литниковой формы, шлифуются, подвергаются дробеструйной обработке, термообработке, правке, механической обработке, полировке, пассивации, нанесению покрытия или контролю в соответствии с требованиями.

На данном этапе некоторые детали уже практически готовы.

Другим же предстоит пройти ещё долгий путь.

Это зависит от чертежа.

Какие материалы можно использовать для литья по выплавляемым моделям?

Одной из причин столь широкого применения литья по выплавляемым моделям является то, что эта технология позволяет работать со многими различными сплавами, в том числе с материалами, которые сложно обрабатывать методом литья под давлением.

Нержавеющая сталь по-прежнему остается одним из наиболее популярных материалов. Она отличается коррозионной стойкостью, прочностью и эстетичным внешним видом, что делает её подходящей для производства пищевого оборудования, насосов, клапанов, судовой арматуры, архитектурной фурнитуры и медицинских изделий.

Углеродистая сталь часто используется для изготовления деталей общепромышленного назначения, где прочность имеет большее значение, чем коррозионная стойкость. Легированные стали могут обладать более высокой износостойкостью, вязкостью или термостойкостью.

Алюминий применяется в тех случаях, когда важно снизить вес.

Сплавы на основе никеля и кобальта находят применение в высокотемпературных, медицинских, аэрокосмических и энергетических отраслях, хотя их производство требует гораздо более строгого контроля технологического процесса. Эти материалы дорогостоящие, и никому не хочется превращать дорогой сплав в лом.

Материал	Распространенные причины его использования	Типичные продукты
Нержавеющая сталь	Коррозионная стойкость, прочность, внешний вид	Клапаны, рабочие колеса, пищевое оборудование, судовое снаряжение
Углеродистая сталь	Оптимальное соотношение цены и прочности	Детали машин, кронштейны, рычаги, конструктивные элементы
Легированная сталь	Износостойкость, ударная вязкость, усталостная прочность	Шестерни, детали для тяжелых условий эксплуатации, горнодобывающая техника
Алюминиевый сплав	Небольшой вес, хорошая коррозионная стойкость	Корпуса, кронштейны, автомобильные детали
Латунь и бронза	Внешний вид, проводимость, устойчивость к воздействию морской воды	Декоративная фурнитура, сантехника и судовые детали
Сплав на основе никеля	Устойчивость к высоким температурам и коррозии	Детали для турбин, энергетики и химической промышленности
Сплав на основе кобальта	Износостойкость и термостойкость	Медицина, аэрокосмическая отрасль и технологии резки

Выбор материала не должен основываться исключительно на том, что можно отлить.

Более важный вопрос заключается в том, какую функцию должна выполнять эта деталь.

Заказчик может запросить нержавеющую сталь марки 316 просто потому, что она звучит лучше, чем 304. Однако это не означает, что такой выбор автоматически является правильным. В некоторых случаях марки 304 вполне достаточно. В других же даже марка 316 может не обеспечить достаточной стойкости к воздействию высоких температур, хлоридов, кислот или износу.

С инженерной точки зрения лучший материал — это не самый дорогой сплав. Это тот сплав, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики, не приводя при этом к ненужным затратам или сложностям в производстве.

Это звучит очевидно.

Об этом удивительно легко забыть в процессе разработки продукта.

Каковы преимущества и недостатки литья по выплавляемым моделям?

Главным преимуществом литья по выплавляемым моделям является свобода проектирования.

С его помощью можно создавать кривые, тонкие секции, внутренние каналы, подрезы, надписи, логотипы, сплайны и сложные переходы, обработка которых из цельного материала была бы дорогостоящей или нецелесообразной.

Кроме того, он может объединять несколько деталей в один узел.

Например, производитель насосов может заменить сварной узел рабочего колеса на изделие, изготовленное методом литья по выплавляемым моделям. Само литое изделие может стоить дороже, чем одна штампованная или обработанная на станке деталь, но ситуация кардинально меняется, если учесть затраты на сварку, центрирование, шлифовку, проверку герметичности, осмотр и доработку.

Именно в этом случае цитаты могут вводить в заблуждение.

Более низкая цена на компоненты не всегда означает более низкую себестоимость производства.

В одном из проектов в секторе насосного оборудования сборка изначально состояла из нескольких деталей из нержавеющей стали, приваренных к центральному втулку. Процесс сварки был медленным, а тепловые деформации негативно сказывались на качестве конечной механической обработки. Переработанная конструкция, изготовленная методом литья по выплавляемым моделям, позволила сократить количество этапов производства и упростить контроль размеров.

Первые литейные образцы оказались неидеальными. Пришлось скорректировать толщину лезвия, а в одном месте в ходе ранних испытаний было обнаружено неполное заполнение.

После внесения этих исправлений процесс стал гораздо более стабильным, чем в случае сварной конструкции.

Это и есть менее привлекательная сторона историй из сферы производства. Для успешной модернизации часто требуется два или три этапа инженерных работ, прежде чем станет видна экономия.

Литье по выплавляемым моделям также обеспечивает хорошую качество поверхности и относительно точный контроль размеров по сравнению с литьем в песчаные формы. Во многих случаях механическую обработку можно ограничить только уплотнительными поверхностями, местами установки подшипников, прецизионными отверстиями или критически важными элементами сборки.

Тем не менее у литья по выплавляемым моделям есть свои недостатки.

Затраты на изготовление пресс-форм выше, чем при некоторых малосерийных технологиях. Сроки изготовления могут быть более длительными, поскольку впрыск воска, формирование оболочки, сушка, заливка, термообработка и контроль качества требуют времени. Изготовление очень крупных или очень простых деталей может оказаться более экономичным с использованием песчаного литья, сварки, ковки, штамповки или непосредственной механической обработки.

Лично мы считаем, что литье по выплавляемым моделям иногда переоценивают.

Если деталь представляет собой простой прямоугольный блок с тремя просверленными отверстиями, то, вероятно, нет смысла изготавливать вокруг нее восковую форму и керамическую оболочку. Механическая обработка может оказаться быстрее и дешевле.

Этот процесс оправдан в тех случаях, когда сложность конструкции, эксплуатационные характеристики материала, повторяемость результатов, сокращение объема механической обработки или объединение деталей обеспечивают достаточную выгоду, чтобы оправдать его применение.

Литье по выплавляемым моделям часто является оптимальным решением, когда…	Другой процесс может оказаться более подходящим, если…
Геометрия сложная	Эта деталь чрезвычайно проста
Несколько деталей можно соединить в одну	Объем производства очень невелик
Качество поверхности имеет значение	Компонент имеет очень большие размеры
Обработка привела бы к потере дорогостоящего материала	В любом случае, соблюдение допусков требует значительного объема механической обработки
Требуется нержавеющая сталь или высокотемпературные сплавы	Требуется производство алюминия в очень больших объемах

Идеального производственного процесса не существует.

Есть только более подходящий или менее подходящий вариант.

Литье по выплавляемым моделям и литье под давлением: в чём разница?

Как литье по выплавляемым моделям, так и литье под давлением позволяют изготавливать детали с высокой степенью детализации и привлекательной поверхностью, однако их экономические показатели и ограничения, связанные с материалами, различаются.

Литье под давлением под высоким давлением закачивает расплавленный металл в многоразовую стальную форму. Этот процесс отличается высокой скоростью и отлично подходит для производства больших партий продукции. Он широко применяется для изготовления деталей из алюминия, цинка и магния, таких как корпуса, крышки, кронштейны, автомобильные конструкции, товары широкого потребления и корпуса электронных устройств.

При литье по выплавляемым моделям для каждого цикла заливки используется одноразовая керамическая форма. Это замедляет процесс, но при этом позволяет использовать нержавеющую сталь, углеродистую сталь, легированную сталь, никелевые сплавы и другие высокотемпературные металлы, которые, как правило, не подходят для традиционного литья под давлением.

Оборудование для литья под давлением, как правило, обходится дороже. Однако при достижении очень больших объемов производства его короткое время цикла позволяет значительно снизить себестоимость единицы продукции.

Литье по выплавляемым моделям более универсально при производстве небольших и средних партий, особенно если деталь имеет сложную форму или сплав обладает высокой температурой плавления.

Фактор	Инвестиционное литье	Литье под давлением
Плесень	Одноразовая керамическая оболочка	Многоразовая стальная матрица
Распространенные материалы	Сталь, нержавеющая сталь, никель, кобальт, алюминий, бронза	Алюминий, цинк, магний
Типичный объем	От низкого до среднего, иногда высокий	От среднего до очень высокого
Затраты на инструментарий	Умеренный	Высокий
Скорость вращения	Относительно медленно	Очень быстро
Сложность конструкции	Отлично	Очень хорошо
Высокотемпературные сплавы	Подходящий	Как правило, не подходит

Многие производители электромобилей используют литье под давлением для изготовления крупных алюминиевых несущих деталей, поскольку здесь важны скорость, вес и объем. Хорошим примером служит широко известная тенденция к созданию крупных интегрированных алюминиевых отливок.

Однако в электромобиле по-прежнему используется множество мелких деталей из стали или нержавеющей стали.

Для таких деталей может оказаться более подходящим литье по выплавляемым моделям, ковка, механическая обработка, штамповка или литье металла под давлением. Выбор подходящего технологического процесса зависит от размеров детали, сплава, годового объема заказов, допусков, механических нагрузок и объема дополнительных операций.

“Какой процесс лучше?” — это, как правило, неверно сформулированный вопрос.

“Какой процесс лучше подходит для этой детали?” — такой вопрос гораздо полезнее.

Какие изделия изготавливаются методом литья по выплавляемым моделям?

Ассортимент шире, чем думает большинство людей.

Литье по выплавляемым моделям применяется для изготовления корпусов клапанов, трубной арматуры, корпусов насосов, рабочих колес, коромысел, вилок переключения передач, деталей турбокомпрессоров, фиксирующих элементов, хирургических инструментов, ортопедических компонентов, деталей огнестрельного оружия, деталей для пищевой промышленности, лопаток турбин, судовой фурнитуры, деталей ручного инструмента, деталей текстильного оборудования, дверной фурнитуры, железнодорожной арматуры и сельскохозяйственная техника детали.

Даже головки гольф-клюшек обычно изготавливаются именно таким способом.

В некоторых областях применения важна прочность. В других требуется коррозионная стойкость, аккуратный внешний вид, сложная внутренняя форма или сокращение объема механической обработки.

Хорошим примером являются медицинские инструменты. Их размеры могут быть небольшими, но качество поверхности и повторяемость имеют огромное значение. Неровный край, который не имел бы значения на сельскохозяйственном кронштейне, может оказаться недопустимым на хирургическом инструменте.

Морская фурнитура создаёт иную проблему. Изделие может выглядеть декоративно, но при этом оно должно выдерживать воздействие воды, соли, нагрузки и многократного использования. Химический состав материала и обработка поверхности становятся не менее важными, чем форма отливки.

Еще одной важной областью являются промышленные клапаны и насосы. Их проходные каналы могут иметь сложную конструкцию, а убытки в случае выхода из строя зачастую значительно превышают стоимость самого узла.

Это меняет ход разговора.

Заказчики из этих отраслей, как правило, уделяют внимание сертификатам на материалы, испытаниям под давлением, протоколам измерений, контролю дефектов и прослеживаемости. Они не просто покупают кусок металла.

Они покупают предсказуемую производительность.

Как выбрать подходящего производителя изделий, изготовленных методом литья по выплавляемым моделям

Красивая заводская брошюра не даст вам ответа на вопрос, сможет ли литейный завод стабильно производить вашу деталь.

Низкая цена тоже не помогает.

Начните с материала. Убедитесь, что поставщик регулярно производит литье необходимого вам сплава и при необходимости может предоставить протоколы химического состава, результаты механических испытаний и номера партий.

Затем обратите внимание на его технологические возможности.

Осуществляет ли производитель собственными силами контроль за процессами впрыска воска, изготовления форм, плавки, разливки, термообработки, механической обработки и контроля качества? Привлечение сторонних подрядчиков не всегда является плохим решением, однако наличие слишком большого числа неподконтрольных поставщиков может затруднить выявление причин проблем с качеством.

Немаловажное значение имеет и контрольно-измерительное оборудование. Координатно-измерительная машина (КИМ) — это полезный инструмент, но ее наличие не означает, что производитель знает, какие размеры необходимо контролировать. Производитель должен разбираться в системах отсчета, припусках на обработку, геометрических допусках, допусках на литье, а также понимать разницу между критическими и декоративными элементами.

Узнайте, как поставщик работает с новыми продуктами.

Проводится ли проверка чертежа перед составлением коммерческого предложения? Обсуждаются ли такие вопросы, как толщина стенок, скругления, острые углы, подача материала, усадка, следы литника, правка, опорные точки для механической обработки и методы контроля?

Или он просто отправляет цену?

Мы пришли к выводу, что качество вопросов, которые задает поставщик на этапе подготовки коммерческого предложения, зачастую позволяет составить представление о том, как будет складываться сотрудничество в дальнейшем.

Компетентный производитель может выразить сомнения по поводу отдельных частей чертежа. Это может показаться неудобным, особенно если проект уже прошел через несколько внутренних подразделений. Однако поставщик, который выявляет риски, связанные с литьем, ещё до изготовления пресс-форм, как правило, более ценен, чем тот, кто со всем соглашается, а о проблемах сообщает уже после начала производства.

Вам также следует реалистично оценить свои возможности.

Литейное производство может выпускать образцы высочайшего качества, но сталкиваться с трудностями, когда объем заказа увеличивается со 100 до 5 000 штук в месяц. Для обеспечения стабильного производства требуется не только квалифицированный технический персонал. Необходимы: контроль качества сырья, стандартизированная подготовка форм, управление печами, планы контроля качества, техническое обслуживание, обученные операторы и тщательно ведение документации.

И, наконец, уделите внимание общению.

Этот момент может показаться второстепенным по сравнению с химическим составом сплава и рентгеновским контролем, но он затрагивает практически каждый проект. Чертежи меняются. Сроки поставки сдвигаются. Размеры для механической обработки интерпретируются неверно. Требования к упаковке появляются с опозданием. Иногда заказчик присылает устаревшую версию чертежа, и никто этого не замечает, пока детали не поступят на завод.

Такое бывает.

Надежный производитель не обещает, что никогда не возникнет никаких проблем. Он налаживает процесс раннего выявления проблем, четкого информирования о них и их устранения, не превращая каждую проблему в спор.

По нашему мнению, именно в этом заключается реальное отличие между поставщиком литых изделий и долгосрочным партнером по производству.

Литье по выплавляемым моделям — это старинный процесс, но он по-прежнему позволяет решать весьма актуальные производственные задачи. Если деталь имеет сложную форму, требует использования сложного сплава, а затраты на механическую обработку или сборку становится трудно контролировать, этот метод заслуживает серьезного внимания.

Не для всех товаров.

Однако при выборе подходящего продукта он может значительно упростить не только сам процесс литья.

ПОСЛЕДНИЕ ПОСТЫ