Литьё в силиконовые формы и вакуумное литьё: как делают серию из 10–50 деталей

Что такое вакуумное литьё

Название сбивает с толку. «Вакуумное литьё металлов» и «вакуумное литьё алюминия» относятся к другой технологии: металл плавят и разливают в вакуумной печи. Здесь речь о мягкой оснастке для пластика.

Метод входит в набор приёмов, которые называют быстрым прототипированием.

Сравнение с печатью и ЧПУ на тиражах 1, 10, 100 и 1000 штук есть в разборе прототипа и серии. Здесь подробнее про сам процесс.

Этапы процесса

Мастер-модель и форма готовятся за 3–7 дней, затем отливают 1–10 деталей в сутки (оценки Wevolver). Весь заказ занимает 10–20 дней: Wevolver называет такой срок, Rapiddirect 15–20. Сроки у подрядчиков отличаются в основном очередью на SLA и загрузкой вакуумной камеры.

Мастер-модель: на чём экономить нельзя

Силикон снимает отпечаток очень точно, поэтому шероховатость отливки равна шероховатости мастера. Мастер со слоем печати 0,1 мм без обработки даст ступенчатую отливку, а после шлифовки и грунта поверхность получается гладкой. Значения Ra и Rz сопоставляют по таблице шероховатости.

Фрезерованный мастер берут, когда нужна точность выше, чем у печати, или деталь большая: Machine Design пишет о размерах до 30 дюймов, то есть 762 мм. Стенкам мастера дают уклоны 3–5°: уклон не обязателен, но, как пишут авторы, продлевает жизнь форме и снижает напряжение при выемке детали.

Мастер печатают по файлу STL или STEP, сетка без дыр, с учётом усадки смолы.

Сколько отливок выдерживает форма

Силикон рвётся и стареет, поэтому форма изнашивается быстрее, чем стальная. Цифры в источниках расходятся.

Для расчёта берут около 20 и называют цифру осторожной: сайты сервисов описывают лучший случай. Реальное число зависит от сложности формы, жёсткости смолы и числа подрезов. Мягкая смола с простой геометрией даёт верхнюю границу, жёсткая с тонкими рёбрами и глубокими карманами обрывает форму на десятой отливке. Поэтому на серию из 50 деталей закладывают три формы, а не две.

Форма портится постепенно: размеры уходят, на разъёме растёт облой. Исследователи из Билефельдского университета связывают износ с тем, что изоцианат из смолы проникает в поверхностный слой силикона. Поэтому детали с жёстким допуском берут из первых отливок.

Смолы и их свойства

Смолы поставляют двухкомпонентными наборами: полиол и изоцианат смешивают в заданном весовом соотношении. Подрядчики делят их на группы: жёсткие, ударопрочные, термостойкие, гибкие и прозрачные (классификацию приводит Machine Design).

Значения для жёстких групп взяты у Rapiddirect, диапазон резиноподобных смол Shore A 25–95 у Xometry. Шкала Шора A применяется для мягких материалов, D для жёстких: числа из разных шкал напрямую не сравнивают. Свойства отливки близки к литьевому пластику, но не равны ему, и если деталь ставят под нагрузку, образцы смолы испытывают отдельно.

Цвет вводят в смолу красителем или красят готовую деталь. У цветных и прозрачных смол есть предел светостойкости, его сообщает поставщик, и для деталей на улице или под ультрафиолетом его проверяют заранее.

Точность и усадка

Сервисы называют допуск в виде ±0,3 % от номинала. Xometry уточняет: ±0,010 дюйма или ±0,003 дюйма на дюйм, смотря что больше. Первое значение равно 0,254 мм, второе даёт те же 0,3 %. Граница между ними проходит около 85 мм.

Отдельные поставщики заявляют ±0,05 мм на малых деталях, но рассчитывать надёжнее на ±0,25 мм: по квалитетам это примерно IT13–IT14, точнее метод не даёт. Если деталь входит в сопряжение с натягом или зазором H7/g6, посадочные места лучше довести после литья или заказать отдельную механическую обработку (см. допуски и посадки).

Усадка у полиуретанов около 0,15 % (оценка Xometry): жидкая смола расширяется от нагрева, затвердевает и сжимается в гибкой форме. Силикон ещё немного дышит и сам меняет размер полости. Поэтому размеры сопряжений проверяют на первых отливках и при необходимости правят модель мастера.

Толщины стенок и проектирование

Тонкая стена не заполняется, толстая коробится. Рекомендации сервисов:

• Wevolver: минимум 0,75 мм, комфортно от 1,5 мм;
• Machine Design: от 1 мм, на малых деталях возможно 0,5 мм;
• Rapiddirect: 1,5–2,5 мм.

Для корпуса размером с ладонь выбирают 2–3 мм, ребра делают не толще 60 % соседней стенки (правило Rapiddirect), а толщину по всей детали держат одинаковой. Резкий переход от толстого к тонкому коробит деталь: смола в массивном месте усаживается сильнее и тянет за собой тонкую стенку.

Сколько стоит на 5, 20, 50 и 200 штук

Цены ниже считаны на условных допущениях, которые взяты из разбора прототипа и серии: пластиковый корпус размером с ладонь. Это не прайс, а способ увидеть, как ведёт себя цена штуки.

На 50 штук литьё требует трёх форм и обходится в 72 000 ₽ против 60 000 ₽ за FDM. FDM дешевле литья на всех тиражах таблицы, SLA уступает литью начиная с двадцати штук, а ЧПУ дороже на каждом тираже. Литьё занимает своё место, когда нужны гладкая окрашиваемая поверхность, прозрачность, резиноподобные участки или одинаковые свойства всей партии. Напечатанные на FDM детали анизотропны, отливки из одной формы одинаковы во всех направлениях.

На двухстах штуках десять форм стоят 120 000 ₽, это половина общей суммы. Пресс-форма из алюминия по цене штуки ещё дороже (2 330 ₽ против 1 230 ₽), но разрыв сокращается с каждой следующей сотней.

Типичный брак

Wevolver отдельно упоминает воздушные карманы в полости, которые мешают заполнению, и разделительную смазку, без которой появляются липкость и дефекты поверхности. 3ERP называет главной причиной пузырей воздух в литниках и вязкую смолу, а смещение половин формы объясняет видимый след разъёма. Влияние влаги следует из химии процесса: изоцианаты реагируют с водой с выделением газа, и сырая смола вспенивается.

Литьё в силикон воска, гипса и оловянных сплавов

Силиконовые формы используют и для воска (ювелирные модели), гипса (декор) и легкоплавких сплавов (сувениры, макеты). Воск и гипс не требуют особых мер, расплавленный металл требует.

Если нужна серия металлических деталей, отливку лучше заказывать в литейной: самодельная заливка из тигля не даёт ни воспроизводимого качества, ни безопасности.

Когда переходить на пресс-форму

Формулу выбора проще всего записать так: стоимость формы делят на разницу цены детали в литье и в пресс-форме. Для условного корпуса из таблицы выше разница на сотнях деталей составляет около 1 100 ₽ (1 230 ₽ против 80 ₽ плюс форма), значит алюминиевая форма за 450 000 ₽ окупается примерно на четырёхстах штуках, а не раньше.

Алюминиевая и стальная формы отличаются стойкостью и ценой. В статье пресс-форма из алюминия или стали разобрано, сколько циклов выдерживает каждая и когда нужна сталь, а устройство оснастки описано в материале про пресс-формы, штампы, матрицы и пуансоны.

Принтер для мастер-модели помогает выбрать сравнение FDM и фотополимерной печати, а о том, какие объёмы считают серией, написано в статье про мелкосерийное производство.