Параметры прочности и газопроницаемости полимерно-песчаных форм изготовленных на принтере FHZL PCM1200

Благодарности.

Дмитрию Хилкову, МГТУ, организовавшему процесс измерения и анализа и соавтору данной статьи.

Станиславу Пашкевичу, компания «Промхимтех», оказавшему неоценимую помощь в анализе результатов замеров по газопроницаемости

Исходные данные.

Для сравнения были взяты замеры прочности :

Образцы, напечатанные на принтере X-One:

Среднее значение прочности 73 Нсм2, при этом разброс прочности между образцами существенный – от 59 до 94 Нсм2.

Образцы, полученные традиционным формованием:

Состав:

• Кварцевый песок
• Кислотный отвердитель для фурановых смол ActivEX
• Связующее – фурановая смола с высоким содержанием фурфурилового спирта для No-Bake процесса FuranEX

Среднее значение прочности 48 Нсм2, при этом разброс прочности между образцами существенный – от 31 до 62 Нсм2.

Образцы, полученные на принтере FHZL PCM 1200

Измерения производились со следующими материалами:

Песок производства Сибелко с карьера в Неболчи, фракция 0,16 (паспорт в приложении)

Смола производства Промхимтех для принтеров FHZL

Катализатор оригинальный поставки FHZL.

Печать производилась при температуре 20-24С и влажности менее 40% при включённой вытяжке из принтера и помещения с подогревом в принтере ИК излучателями.

Наиболее детальные измерения производились для двух постоянных рабочих режимов – для чистого песка и для смеси 25% чистого и 75% вторичного (с катализатором).

При печати устанавливались внутренние  настройки принтера для использования катализатора - 4% для чистого и 2% для вторичного.

Подача смолы для печати - 75% от максимума

Режим 25% чистого 75% вторичного песка.

Изготовлены тестовые образцы для замера прочности и газопроницаемости со следующими параметрами:

1. Диаметр канала 1,2 и 3 мм
2. % заполнения поверхности каналами 5-10-20-30%
3. Направление каналов вдоль и поперёк оси замера

Таким образом, мы можем получить информацию о зависимости прочности и газопроницаемости формы от диаметра и количества каналов как наружу, так и по стенке формы стержня.

Результаты по прочности.

Зависимость набора прочности от времени.

Зависимость от микса песка новый - бу.

Прочность форм, напечатанных только на новом песке, примерно на 40% больше, чем напечатанных миксом 75% бу - 25% нового песка.

Зависимость от толщины слоя песка  - 0,3 и 0,5 мм

При печати слоем 0,5 мм прочность формы снижается примерно в 2 раза.

Зависимость от количества смолы при печати 70%-75%-80%.

Прочность на разрешении 300 dpi и толщине слоя 0,3 мм  практически не меняется.

Для сплошного образца средний показатель прочности был 52 Нсм2 через 6 дней от даты производства.

Результаты замеров:

Зависимость прочности от диаметра газовых пор и процента заполнения порами стенок формы.

Прочность вдоль пор (наружу из формы стержня, поперёк их стенок) при заполнении порами на 30% падает примерно в 2 раза относительно сплошной стенки, при этом существенной зависимости от диаметра поры нет.

Прочность поперёк пор (прочность вдоль стенки формы стержня) при заполнении на 30% падает примерно на 10%, и зависит от размера пор. Так, поры диаметром 1 мм практически не влияют на поперечную прочность, поры диаметром 3 мм снижают прочность на 30%. Таким образом, при заполнении в 30% порами диаметром 3 мм прочность формы снижается примерно на 40%.

Результаты по газопроницаемости.

Зависимость газопроницаемости от диаметра пор и процента заполнения порами поверхности формы.

Замеры показали, что  при бОльшем диаметре каналов и % заполнения порами газопроницаемость улучшается от 20% до 50-100%. Нестабильность в результатах замера говорит о том, что на газопроницаемость начинает влиять другой фактор – газопроницаемость песка в смеси с катализатором, оставшегося в порах. В 3Д печати используется самая мелкая фракция песка. Из-за этого плотность укладки его гораздо больше и соответственно газопроницаемость хуже. Дополнительный вклад вносит добавка кислотного катализатора, который дополнительно скрепляет песчинки.

Подтверждением может быть результат вывода образцов на песке от Ильменит (Томск), у которого фракция немного крупнее чем Сибелко. В результате газопроницаемость образцов из этого песка оказалась в 1,5 раза лучше (от 150 до 200 единиц). Тем не менее, возможности маневрировать фракцией чаще всего нет.

Предварительно видно, что уже 20% пористость увеличивает газопроницаемость формы в 2 раза, особенно чётко это работает для пор диаметром 1 мм. Причём газопроницаемость улучшается как наружу формы  (вдоль пор), так и вверх вдоль стенок формы, для 20% заполнения примерно в 1,5 раза.

Таким образом, предварительный вывод – оптимальное сочетание для отливок с повышенным газовыделением (высокотемпературные сплавы, медь) – газоотводящие каналы диаметром 1 мм с 20% или 30% заполнения поверхности порами.

Снижение прочности формы компенсировать заформовкой в опоку и обсыпкой песком.

Режим 100% чистого песка.

Тестовые образцы из чистого песка практически в 1,5 раза прочнее образов с миксом 25% чистого и 75% вторичного.

Средняя прочность - 73,7 Нсм2 через 6 дней от даты производства.

Снижение прочности вдоль и поперёк газовыводных каналов кореллирует с миксовым вариантом с поправкой на бОльшую начальную прочность. Результаты для чистого песка имеют бОльшую валидность, так как, с учетом опыта 1 этапа, все замеры были произведены в один день, что позволило исключить погрешность  от набора прочности.

Таким образом:

Прочность при пористости в 30% падает примерно на 40% в продольном и на 20...50% в поперечном сечении.

Дополнительное снижение прочности в поперечном сечении в зависимости от диаметра каналов:

1 мм - 10%

2 мм - 40%

3 мм - 30%

Вывод: Чистый песок имеет смысл использовать для сложных отливок с мелкой детализацией, при этом можно запроектировать бОльшую пористость с учетом запаса по прочности. При 30% пористости прочность формы по всем направлениям будет примерно одинаковой для пор диаметром от 1 до 3 мм.

Автор: Алексей Банников, 3d-fab.ru