Piese turnate pentru motoare, semnificativ mai ieftine datorită imprimării 3D

Imprimantele 3D moderne de tip desktop au utilizări surprinzător de variate. Acest lucru este demonstrat de proiectul lui Martin Tobiáš – turnarea hibridă a unor piese de motor cu geometrie complexă. El a reușit să reducă semnificativ durata procesului de la scanarea 3D și proiectarea CAD până la turnarea finală. În practică, se dovedește că, datorită imprimării 3D cu polimeri, nu mai este necesară realizarea unui model permanent foarte scump, cu forme și miezuri complexe. Fiecare turnare poate fi unică. Acest aspect este deosebit de avantajos, de exemplu, în fazele de dezvoltare a prototipurilor de piese mecanice complexe. În plus, modelul 3D pregătit pentru turnare este imprimat direct, inclusiv sistemul de alimentare, fără a mai fi necesară elaborarea unei documentații tehnice. Astfel, procesul de producție este accelerat considerabil și devine mai puțin costisitor, în special în cazul producției de serie mică sau unicat.

La alma mater-ul său – Universitatea Tehnică din Brno – Martin Tobiáš se ocupă de mult timp de proiectare, inginerie inversă, prototipare rapidă, măsurători și testare în industria auto. Utilizează imprimantele UltiMaker S3 (și S5) furnizate de 3Dwiser, precum și tehnologia ulterioară de turnare hibridă. Pasiunea și munca sa s-au concentrat pe producerea de motoare prototip pentru sporturile cu motor, dar și pe realizarea unor replici tot mai căutate ale pieselor istorice pentru vehicule, fără de care numeroase automobile de epocă nu ar mai putea circula. Pe lângă fidelitatea și funcționalitatea pieselor, prețul de producție joacă aici un rol esențial.

 

Proiectul de dezvoltare și producție a unui motor prototip pentru motociclete de curse nu ar fi fost posibil fără sprijinul companiei C.S.O., specializată în producția de precizie pentru industrii exigente. Tehnologia de turnare a fost pusă la dispoziție de Departamentul de Turnătorie al Universității Tehnice din Brno și de compania Alucast s.r.o. Experiența dobândită în utilizarea practică a turnării hibride l-a determinat pe Martin Tobiáš să înființeze compania MTA Engineering, care se va specializa în continuare în această tehnologie, în colaborare cu entitățile menționate anterior.

Aplicarea imprimării 3D – de la prototipare la producția de replici

Imprimarea 3D cu polimeri (FFF), realizată cu imprimante desktop UltiMaker cu două materiale, a fost utilizată încă din faza de proiectare a acestui proiect, când anumite componente au fost tipărite pentru a verifica potrivirea corectă la montaj. Ulterior, întregul motor a fost imprimat pentru a-i verifica integrarea în cadrul șasiului. În timpul procesului de dezvoltare, au fost imprimate și cilindri speciali pentru măsurarea eficienței și funcției de curgere de către conf. univ. dr. Karl Jaroš. Pentru imprimarea acestor piese a fost necesară utilizarea unor suporturi temporare solubile în apă, ceea ce a dus în mod avantajos la producerea pieselor turnate prin metoda de turnare hibridă.

Producția prototipului de cilindru de motor

Cilindrul unui motor modern, cu doi timpi și răcire cu apă, are o geometrie complexă. În plus, necesită o precizie ridicată de fabricație pentru funcționarea optimă și conține cavități complicate pentru circuitul de răcire. Prin urmare, cea mai potrivită metodă de producție este turnarea.

 

„Metoda de turnare hibridă pe care o folosim în forme ceramice permite trecerea rapidă și ieftină de la modelul CAD 3D la un produs dimensional exact. Aceasta oferă proiectantului posibilitatea de a realiza forme complicate și de a alege dintr-o gamă largă de materiale. În combinație cu imprimarea 3D utilizând suporturi solubile, se pot realiza structuri cu cavități complexe – menținând totodată o calitate ridicată a suprafeței,” menționează Martin Tobiáš.

 

Imprimarea directă din materiale metalice este adesea costisitoare și complicată, necesitând tehnologii specializate. De asemenea, fabricarea matrițelor permanente pentru turnare este extrem de scumpă, iar modificările ulterioare sunt fie foarte costisitoare, fie imposibile.

 

„Metoda noastră presupune imprimarea unui model separat pentru fiecare piesă turnată, ceea ce face ușoară personalizarea fiecărei piese. În combinație cu simulările de turnare, putem proiecta procesul tehnologic astfel încât să obținem rezultate impecabile. În cazul prototipurilor și mostrelor funcționale, unde sunt posibile modificări ulterioare de proiectare, aceste schimbări nu implică costuri suplimentare ridicate,” adaugă Martin Tobiáš.

Chiulasă pentru o motocicletă cehă din perioada interbelică

Aceeași abordare s-a dovedit eficientă și pentru alte piese turnate obținute cu ajutorul imprimării 3D. În cazul chiulasei, s-a urmărit ca suprafața rezultată să imite fidel forma piesei originale și să poată fi turnată în nisip. Pentru turnarea în forme de nisip este necesar un model de turnătorie permanent, realizat tradițional din lemn pe baza unei documentații tehnice. În cazul pieselor cu cavități interne, trebuie create și miezuri de nisip – un proces consumator de timp.

 

Astăzi, această metodă clasică este adesea neeconomică, în special în condiții de producție locală. Totuși, se pot obține rezultate excelente utilizând tehnologii moderne 3D. Piesa originală poate fi reconstituită prin scanare 3D, se pot aplica modificările tehnologice necesare, iar apoi poate fi imprimată. În cazuri simple, imprimarea poate fi folosită direct pentru crearea formei de nisip. În cazuri mai complexe, aceasta servește la realizarea unui negativ dintr-o rășină specială rezistentă mecanic, care poate fi turnată în nisip. În acest caz, trebuie luată în considerare dublă contracție a materialului.

 

„În cazul replicilor de piese istorice, turnarea în nisip rămâne o soluție viabilă din mai multe motive. Imprimarea 3D ne oferă o modalitate eficientă de a realiza echipamentele de model,” subliniază Martin Tobiáš. „Procesul de producție începe, de regulă, cu reconstrucția piesei originale pe baza unei scanări 3D. Documentația tehnică inițială nu mai este disponibilă, iar respectarea imperfecțiunilor originale contribuie la păstrarea autenticității.”

Imprimarea 3D de înaltă fiabilitate – un element esențial

Imprimarea modelelor complexe, cu suporturi temporare (din materiale solubile), nu ar fi posibilă fără soluții fiabile și precise. Imprimantele desktop UltiMaker S3 și S5 s-au dovedit eficiente în numeroase proiecte și sunt deja utilizate în industria auto de mari producători europeni.

 

Revenind la Martin Tobiáš, acesta se gândește să își extindă capacitatea de imprimare prin achiziționarea unor noi imprimante UltiMaker.

 

„Pentru mine sunt esențiale coeziunea straturilor, stabilitatea dimensională și fiabilitatea generală a procesului de imprimare. De exemplu, imprimarea unei singure piese pentru prototipul unui cilindru cu doi timpi poate dura între trei și șase zile, în funcție de calitatea suprafeței. Orice eșec în imprimare afectează negativ programul etapelor următoare de producție. De asemenea, este importantă asistența pentru imprimantele în funcțiune și aprovizionarea cu filamente originale. Consultările privind noutățile în domeniul tehnologiei 3D sunt de asemenea binevenite,” declară Martin Tobiáš. „Colaborăm cu 3Dwiser atât pentru mentenanță, cât și pentru planurile de extindere a capacităților de imprimare.”

 

În ceea ce privește materialele utilizate, dispozitivele de fixare, suporturile pentru instrumentele de măsurare pe vehicule și alte piese similare sunt cel mai frecvent imprimate din PLA, PETG, ABS și fire de Nylon. Pentru aceste aplicații, Martin Tobiáš este interesat și de imprimarea compozitelor foarte durabile cu fibre continue, oferită de Markforged. Polymaker PolyCast, combinat cu suporturi PVA pe UltiMaker, s-a dovedit a fi cea mai bună alegere pentru realizarea pieselor turnate.

Turnare hibridă – de la model la piesa turnată

Dacă există un model CAD al piesei, acesta trebuie adaptat din punct de vedere al tehnologiei de turnare, luând în calcul adaosurile pentru prelucrare, contracția materialului, proiectarea sistemului de alimentare etc. De aceea, obiectele scanate 3D trebuie mai întâi reconstruite într-un model CAD.

 

În turnarea hibridă cu forme ceramice, modelul și sistemul de alimentare sunt mai întâi imprimate din modelul 3D, apoi asamblate (dacă sunt din mai multe părți). Urmează învelirea în formă, arderea modelului, turnarea gravitațională, răcirea controlată și îndepărtarea formei. În paralel, formele de nisip sunt produse prin proceduri standard bine cunoscute.

 

Etapele de finisare joacă un rol esențial, în special tratamentul termic, sablarea, tratamentul de suprafață cu bile (shot peening) și prelucrarea de precizie realizată de partenerul C.S.O. În cazul cilindrului, a fost aplicată și o acoperire a suprafeței de lucru cu tehnologia Nikasil.

 

„Exemple de piese obținute prin această metodă pentru aplicații solicitante sunt pistoanele, cilindrii, chiulasele și carcasele motoarelor cu ardere internă. Nu ne limităm doar la aliaje ușoare – putem folosi și diferite tipuri de oțel sau fontă. Ca dimensiuni, ne concentrăm pe piese mici și mijlocii. Principial, utilizăm turnarea gravitațională, cu rezultate excelente grație simulărilor și testelor realizate,” amintește Martin Tobiáš. „Este important de menționat că, fără prelucrări suplimentare, calitatea suprafeței piesei turnate depinde direct de calitatea imprimării modelului.”

Turnare hibridă vs. metode tradiționale

Care sunt principalele avantaje ale producției prin turnare hibridă cu imprimare 3D, comparativ cu metodele tradiționale? În primul rând, viteza și costurile mai reduse ale întregului proces, precum și eliminarea necesității de a construi și produce matrițe permanente. Acest avantaj crește proporțional cu complexitatea formei piesei, în special în cazul producției unicat sau de serie mică.

 

„Metoda tradițională de turnare în formă ceramică, în care modelul se obține prin injectarea cerii într-o matriță metalică, este potrivită pentru producția de masă. În schimb, imprimanta 3D permite realizarea unui model arsabil fără necesitatea unei matrițe metalice permanente. Metoda pe care o folosim ne permite să realizăm ambalarea modelului manual, fără a fi nevoie de miezuri ceramice pentru formarea cavităților complexe. La tehnologia standard de injectare a modelelor cerate, trebuie utilizate miezuri solubile sau ceramice, ceea ce duce la costuri de producție semnificativ mai mari,” rezumă Martin Tobiáš, fondatorul MTA Engineering.

 

„Pentru piesele cu forme extrem de complexe, unde nu se poate realiza o matriță demontabilă, tehnologia hibridă poate fi singura soluție posibilă. În cazul replicilor turnate în nisip, folosirea imprimării 3D accelerează considerabil procesul, proporțional cu complexitatea piesei fabricate.”

 

Un exemplu al avantajului financiar al acestei metode este reprezentat de prototipul cilindrului pentru un motor în doi timpi de capacitate mare – prețul piesei a fost redus de aproximativ zece ori datorită imprimării 3D. Iar acest lucru poate reprezenta un argument decisiv nu doar pentru replici de piese pentru vehicule istorice.

Pentru mai multe informații:

Contactați-ne