3D-s nyomtatott minták microcastinghoz

A fejlett nyugati világban egyre növekszik a gyors prototípusgyártás, illetve azon belül a háromdimenziós nyomtatás felhasználásának köre. A microcasting olyan mikroöntészeti fémfeldolgozási eljárás, amelyet normál méretek esetén precíziós öntésnek, esetleg elvesző mintás, illetve elvesző viaszmintás öntésnek neveznek. Microcasting esetén az önteni kívánt alkatrészek méreteit tizedmilliméterben lehet megadni, illetve ezen az öntvényeken vannak olyan részletek, amelyek mérete kisebb 0,1 mm-nél.

A mai korszerű háromdimenziós nyomtatási technológiák lehetővé teszik a tizedmilliméteres pontosság elérését, azaz egy kinyomtatott modellt fel lehetne használni mintaként a precíziós öntésnél még a microcasting mérettartományában is. A legfontosabb kihívás a nyomtatott modellek felhasználásánál azok „elvesztése” a formázás során. Ennek jobb megértéséhez nézzük meg az ékszerkészítésnél bevált, hagyományos viaszkészítésen alapuló mikroöntészeti eljárást.  

Nyomtatott minták jelentősége

Egy gyűrű nemesfémből, öntéssel történő gyártása tipikus microcasting feladat. A folyamat röviden: kinyomtatjuk a kívánt gyűrű modelljét, majd azt körbeöntjük, illetve „besütjük” szilikongumiba. A kivulkanizálódott gumitömböt az osztófelület mentén szétvágjuk, kivesszük a kinyomtatott mestermodellt. A szilikongumi szerszámot összezárjuk, és folyékony viaszt préselünk a formaüregbe, amely megegyezik a kinyomtatott mestermodellel. A viaszmodellt szokásos módon felbokrosítjuk, kerámiába ágyazzuk, majd kiolvasztjuk és az így kialakított formaüregbe beleöntjük a nemesfémet.

Az ábrán nem látszik a préselt viaszmodell, viszont a nyers és a felpolírozott ezüstgyűrű igen. A leírt szerszámkészítési megközelítés legnagyobb hátránya, hogy összetett geometriai alakzatok esetén nem lehet egyszerűen kétfelé vágni a szilikongumi tömböt, sőt vannak olyan geometriák, amelyek szerszámban nem képezhetők le. Ezekben az esetekben van nagy jelentősége a rétegről rétegre történő modellépítésnek, hiszen ilyenkor nincs geometriai korlát, azaz ezért van kitüntetett szerepe a 3D-s nyomtatással előállított mintáknak a microcasting eljárásnál is.

Megtalálták a megoldást

A 3D-s nyomtatással készített modellt azonban nem lehet kiolvasztani, viszont el lehet égetni, és így mégiscsak van esély a korszerű, gyors és egyben pontos nyomtatás eredményeit mintaként felhasználni. Az égetésre a kerámiaforma kiizzításánál van lehetőség – ekkor a kerámia hőmérséklete a választott alapanyagtól függően 800–1100 ºC között változhat. Az Objet/PolyJet modelljeinek alapanyag-összetétele nem ismert pontosan, csak annyit lehet tudni, hogy a fő összetevő egy UV fényre szilárduló, akrilbázisú műgyanta. Az alapanyagok elégetése számos problémát vet fel.

Az első és legfontosabb az a tény, hogy az akrilbázisú műgyanta hő hatására kitágul, és még az égés előtt megrepesztheti a kerámiaformát. A probléma megoldása érdekében meg kellett határozni a legfontosabb Objet alapanyagok lineáris hőtágulási tényezőjét, amelynek értéke 1,28×10-4 1/K-re adódott a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Polimertechnika Tanszékén lefolytatott vizsgálatok alapján. A folyamat következő lépésében kidolgozták a microcasting eljárásnál használható elvesző, 3D-s nyomtatással készíthető minták tervezési módszertanát.

Megvizsgálták az Objet/PolyJet nyomtatási eljárás alapanyagait a teljes kiégethetőség mellett a kiégetés során keletkező hamu mértékének szempontjából és egyéb mechanikai paraméterek figyelembevételével. Kiválasztották, illetve kifejlesztették a formázás alapanyagait, a minták kialakításának optimális variációit. A formázás alapanyagaival próbaégetéseket és próbaöntéseket végeztek az optimalizált, háromdimenziós nyomtatással előállított minták felhasználásával. A próbaöntéseket úgy hajtották végre, hogy a microcasting eljárás biztonságosan ismételhető legyen.

A technológiai fejlesztés részletei

A microcasting eljárásnál használható elvesző, háromdimenziós nyomtatással készíthető minták gipszkerámiás formázási technológiáját is kidolgozták, és elkészültek a formázáshoz, illetve a differenciálnyomásos öntéstechnológia kialakításához szükséges eszközök prototípusai. A prototípusokat tesztelték a formázás kifejlesztett anyagaival, újabb próbaöntések lefolytatásával. Ezután egyedi, nagy bonyolultságú fémöntvényeket készítettek a microcasting rendszerrel.

A microcasting eljárásnál használható, 3D-s nyomtatással készíthető elvesző minták tervezési módszertanának kidolgozásánál – amelyet az Autodesk Inventor 3D-s CAD szoftverrel és a Materialise Magics RP szoftverével valósították meg – kialakították azt az eljárást, amelynek segítségével minimalizálni lehet az Objet/PolyJet 3D-s nyomtatással előállítható akrilbázisú modellek elégetéséhez szükséges oxigént. A módszert úgy alakították ki, hogy egyúttal elkerülhetővé válik a kerámiaformának a műgyanta lineáris hőtágulásából fakadó megrepedése.

Mindezt úgy hozták létre, hogy a precíziós öntésnél megszokott kerámia héjképzés megfelelő fázisainál minimális változtatásokat kell csak alkalmazni. Az eredmények ismeretében egy speciális héjképzési módszert hoztak létre (Varinex Shell Approach, VSA). A héjképzés optimális falvastagságának kialakítása érdekében tovább vizsgálták az Objet/PolyJet nyomtatási eljárás alapanyagait. A vizsgálatok lefolytatásánál támaszkodtak a BME említett tanszékének tudásbázisára és az akkreditált labor eszközeire is.

A formázás alapanyagaival próbaégetéseket és próbaöntéseket végeztek az optimalizált, háromdimenziós nyomtatással előállított elvesző minták segítségével. Ezekhez a FullCure720-as alapanyag mellett a Vero család alapanyagaiból is készítettek elvesző mintákat. Próbaöntéseket is végrehajtottak és az eredményeket prezentációkban, videofelvételeken rögzítették. 

Eredmények több területre

A microcasting eljárás legfontosabb felhasználási területei a kisméretű, precíz alkatrészek öntéssel történő előállítása a finommechanikai és mechatronikai ipar számára. Ezen a területen is sikeres öntéseket hajtottak végre. E fejlesztés során derült ki, hogy fogpótlás során az úgynevezett fogvázak fémből történő előállításánál is kiválóan lehet használni a kifejlesztett mikroöntészeti eljárást. A körhidak fémvázait a fogtechnikában elfogadott kobaltkróm ötvözésű acélból öntötték, minőségi kifogás nélkül.

A microcasting projekt eredményei támogatják a fejlesztések piacra viteli idejének (time-to-market) csökkentését azzal, hogy egyszerű eszközökkel gyorsan és költséghatékonyan lehet a kívánt nagy pontosságú öntvényeket elkészíteni egyedi és akár kissorozatú megvalósítás mellett. A microcasting projekt a KMOP-1.1.4-09-2009-0066 pályázat keretében került megvalósításra.