Jak vyrobit formy pro odlévání kovů?

Odlévání umožňuje vyrábět kovové součásti od drobných šperků až po rozměrné průmyslové díly. Roztavený kov se přivádí do dutiny formy, ve které ztuhne a získá požadovaný tvar.

Neexistuje však jeden univerzální druh formy. Písková forma, keramická skořepina pro přesné lití a trvalá kovová forma se liší přesností, cenou, životností i vhodným objemem výroby. Do přípravy forem navíc stále více vstupuje 3D tisk, který může vytvářet modely, vytavitelné voskové modely, jádra i samotné pískové formy.

Co je slévárenská forma

Slévárenská forma obsahuje dutinu odpovídající tvaru budoucího odlitku. Do této dutiny se přivede roztavený kov, který následně ztuhne.

Forma musí:

• odolat teplotě použité slitiny,
• zachovat požadovaný tvar a rozměry,
• umožnit správné naplnění dutiny,
• odvádět plyny vznikající během odlévání,
• podporovat řízené tuhnutí kovu,
• umožnit vyjmutí hotového odlitku.

Některé formy jsou jednorázové a po odlití se rozbijí. Jiné jsou kovové a lze je používat opakovaně.

Co rozhoduje o volbě formy

Vhodný výrobní postup závisí na několika vzájemně propojených požadavcích:

• druhu kovu nebo slitiny,
• velikosti a hmotnosti odlitku,
• složitosti geometrie,
• přítomnosti dutin a podříznutí,
• požadované přesnosti,
• kvalitě povrchu,
• počtu vyráběných kusů,
• ceně přípravy nástrojů,
• požadované rychlosti výroby,
• možnostech následného obrábění a dokončování.

Metoda vhodná pro jeden prototyp nemusí být ekonomická při výrobě tisíců kusů. Stejně tak forma určená pro hliníkový díl nemusí vyhovovat při odlévání oceli.

Základní druhy forem pro odlévání kovů

Pískové formy

Písková forma se vytváří ze slévárenské směsi složené z vhodného písku, pojiva a případných dalších přísad. Dutina vzniká pomocí fyzického modelu nebo lze formu vyrobit přímo z digitálních dat 3D tiskem.

Pískové formy jsou zpravidla jednorázové. Uplatňují se u prototypů, malosériové výroby i velkých průmyslových odlitků.

Mezi jejich výhody patří:

• možnost výroby rozměrných dílů,
• široký výběr odlévaných slitin,
• nižší počáteční náklady na nástroje,
• možnost použití jader pro vnitřní dutiny,
• vhodnost pro menší i větší výrobní série.

Ve srovnání s přesným litím bývá povrch hrubší a rozměrové tolerance širší. Výsledek ale výrazně ovlivňuje typ písku, pojivo, zhutnění, kvalita modelu a správný návrh celé formy.

Formy pro přesné lití

Přesné lití na vytavitelný model používá jednorázový model, nejčastěji z vosku. Kolem něj se vytvoří žáruvzdorná forma nebo keramická skořepina. Po odstranění vosku zůstane dutina, do které se odlije kov.

Tato metoda je vhodná pro:

• složité geometrie,
• jemné povrchové detaily,
• přesné rozměry,
• tenké stěny,
• menší díly s omezeným přístupem pro obrábění,
• šperky, přesné průmyslové součásti a zdravotnické komponenty.

Příprava je delší a nákladnější než u jednoduché pískové formy, ale výsledný odlitek může vyžadovat méně následného obrábění a povrchových úprav.

Trvalé kovové formy

Trvalá kovová forma, často označovaná jako kokila, se vyrábí z materiálu schopného opakovaně odolávat tepelnému a mechanickému namáhání. Po ztuhnutí se forma otevře a odlitek se vyjme.

Kokily se používají především tam, kde se vyrábí větší počet stejných dílů. Vyšší počáteční náklady na konstrukci a obrábění formy se rozloží do celé série.

Výhody zahrnují:

• opakovatelnou výrobu,
• kratší výrobní cyklus,
• konzistentní rozměry,
• obvykle lepší povrch než u běžného pískového lití,
• možnost automatizace.

Omezením je vysoká cena nástroje, složitější úpravy konstrukce a omezení geometrie potřebou odlitek z formy vyjmout.

Formy pro tlakové lití

Tlakové lití také používá opakovaně použitelnou kovovou formu, ale roztavený kov je do ní vstřikován pod tlakem.

Metoda je vhodná zejména pro velké série menších a středně velkých dílů. Umožňuje rychlou výrobu, tenké stěny a dobrou opakovatelnost, ale vyžaduje nákladné zařízení i přesně zhotovený nástroj.

Tlakové lití proto není pouze variantou ručního lití do kokily. Jde o samostatný průmyslový proces s vlastními požadavky na konstrukci formy, slitinu a výrobní zařízení.

Jak vzniká písková forma

Pískové formování začíná konstrukcí odlitku a návrhem modelu. Model musí zohlednit nejen výsledný tvar součásti, ale také vlastnosti slévárenského procesu.

Příprava modelu

Model může být vyroben ze dřeva, kovu, plastu nebo pomocí 3D tisku. Podle požadavků se do jeho rozměrů započítává:

• smrštění slitiny během chladnutí,
• přídavek na následné obrábění,
• úkos potřebný pro vyjmutí modelu,
• dělicí rovina formy,
• umístění jader,
• navázání vtokové soustavy.

Konstrukce modelu proto nemusí přesně odpovídat konečným rozměrům hotového dílu.

Návrh dělicí roviny a jader

Forma bývá rozdělena na dvě nebo více částí. Dělicí rovina musí umožnit vyjmutí modelu bez poškození vytvořené dutiny.

Pokud má odlitek obsahovat vnitřní dutiny nebo otvory, používají se slévárenská jádra. Jejich poloha musí být ve formě přesně zajištěna.

Vytvoření dutiny formy

Model se umístí do formovacího rámu a obklopí připravenou slévárenskou směsí. Směs se zhutní tak, aby zachovala tvar a současně umožnila potřebný odvod plynů.

Po zpevnění se model vyjme. Ve formě zůstane dutina odpovídající jeho tvaru.

Vtoky, zářezy a nálitky

Vtoková soustava přivádí kov do dutiny formy. Skládá se z několika částí, které řídí rychlost a směr proudění.

Nálitky obsahují zásobu tekutého kovu, která doplňuje odlitek během tuhnutí a pomáhá omezit vznik staženin. K odvodu vzduchu a plynů slouží vhodně navržené odvzdušnění a propustnost formovacího materiálu.

Návrh těchto prvků zásadně ovlivňuje kvalitu odlitku a musí vycházet z geometrie dílu, slitiny a průběhu tuhnutí.

Uzavření a kontrola formy

Po odstranění modelu, vložení jader a dokončení vtokové soustavy se jednotlivé části formy sestaví a zajistí.

Před odléváním je potřeba zkontrolovat čistotu dutiny, polohu jader, slícování částí a stav vtokové soustavy.

Jak vzniká forma pro přesné lití

Při přesném lití vytváří budoucí tvar odlitku jednorázový voskový nebo jiný vytavitelný model.

Výroba vytavitelného modelu

Voskový model lze vyrobit vstřikováním vosku do opakovaně použitelné formy nebo přímo voskovým 3D tiskem.

Přímý 3D tisk dává smysl zejména u prototypů, zakázkové výroby, často upravovaných modelů a složitých geometrií, pro které by byla výroba samostatného nástroje neekonomická.

Sestavení modelů

Jeden nebo více voskových modelů se připojí k vtokové soustavě. U menších dílů tím může vzniknout sestava označovaná jako voskový stromek.

Rozmístění modelů musí umožnit vytvoření formy, odstranění vosku, úplné naplnění dutin a správné tuhnutí odlitků.

Vytvoření keramické formy

Sestava se obalí vhodným žáruvzdorným materiálem. Podle velikosti dílů a používaného procesu může jít o keramickou skořepinu nebo formovací hmotu v licím válci.

První vrstva zachycuje jemné povrchové detaily. Další vrstvy dodávají formě potřebnou pevnost.

Odstranění vosku

Po vytvrzení formy se voskový model řízeným procesem odstraní. Uvnitř zůstane dutina odpovídající budoucímu kovovému dílu.

Forma se následně připraví podle požadavků použitého materiálu a slitiny. Správné odstranění modelu je důležité pro omezení zbytků a poškození formy.

Odlití a odstranění formy

Do připravené formy se odlije kov. Po jeho ztuhnutí se jednorázová keramická forma rozbije a odlitek se oddělí od vtokové soustavy.

Následuje čištění, kontrola, případné obrábění a požadovaná povrchová úprava.

Jak se vyrábí trvalá kovová forma

Výroba kokily nebo formy pro tlakové lití je samostatný konstrukční a nástrojařský projekt.

Nejprve se připraví návrh odlitku a forma se rozdělí na části tak, aby bylo možné hotový výrobek vyjmout. Konstrukce musí řešit:

• dělicí rovinu,
• vtokovou soustavu,
• odvzdušnění,
• vyhazování odlitku,
• případná pohyblivá jádra,
• chlazení a řízení teploty,
• tepelné deformace,
• životnost nástroje,
• přístup pro čištění a údržbu.

Jednotlivé části formy se následně vyrobí přesným obráběním a podle potřeby tepelně a povrchově upraví. Před sériovou výrobou se nástroj testuje, měří a dolaďuje.

Jak 3D tisk pomáhá při výrobě forem

3D tisk může do slévárenského procesu vstupovat několika různými způsoby. Není proto přesné mluvit pouze o jedné kategorii „3D tištěných forem“.

3D tištěný model pro pískovou formu

FDM, SLA nebo jiná technologie může vytvořit fyzický model, kolem kterého se následně připraví písková forma.

Výhodou je rychlá výroba modelu bez obrábění složitého nástroje. Tento postup je vhodný pro prototypy, náhradní díly a menší série.

Přímo vytištěná písková forma

Technologie binder jetting dokáže z digitálních dat vyrobit přímo pískovou formu nebo jádro. Není potřeba fyzický model a lze realizovat dutiny a geometrie, které by se tradičně formovaly obtížně.

Výroba ale stále vyžaduje správný návrh vtoků, nálitků, jader a dalších slévárenských prvků.

3D tištěný voskový model

Vosková MJP tiskárna vytváří jednorázový model pro přesné lití. Model se následně obalí žáruvzdorným materiálem a při přípravě formy odstraní.

Výhodou je přesná výroba složitých modelů přímo z digitálních dat bez samostatné vstřikovací formy.

3D tištěná předloha pro výrobu nástroje

3D tisk lze využít také k vytvoření hlavního modelu, ze kterého se vyrobí silikonová, pryžová nebo jiná pomocná forma. Ta může následně sloužit k opakované výrobě voskových modelů.

Jak vybrat vhodný typ formy

Písková forma je vhodná pro prototypy, menší série, rozměrné díly a široké spektrum slitin. Její výhodou jsou nižší náklady na nástroje, nevýhodou obvykle hrubší povrch a širší tolerance.

Přesné lití se hodí pro detailní a složité součásti, které vyžadují kvalitní povrch a přesné rozměry. Proces je delší, ale může omezit množství následného obrábění.

Trvalá kovová forma je vhodná pro opakovanou výrobu většího počtu stejných dílů. Vyžaduje vyšší počáteční investici, kterou musí ospravedlnit velikost série.

Přímo vytištěná písková forma nebo 3D tištěný model mohou urychlit vývoj, výrobu prototypů a zavádění složitých nebo zakázkových dílů.

Nejčastější chyby při návrhu formy

K vadám odlitků mohou přispívat například:

• nevhodně navržená vtoková soustava,
• nedostatečné doplňování kovu při tuhnutí,
• zachycený vzduch nebo plyny,
• nesprávná poloha jader,
• nedostatečná pevnost formy,
• nevhodná propustnost formovacího materiálu,
• nečistoty v dutině,
• špatně zvolená dělicí rovina,
• nezohledněné smrštění slitiny,
• nevhodný průběh chladnutí.

Kvalitu a pevnost výsledného dílu neurčuje pouze forma. Důležitá je také slitina, čistota kovu, způsob plnění, průběh tuhnutí, tepelné zpracování a následné obrábění.

Bezpečnost při odlévání kovů

Roztavený kov, předehřáté formy, pece a některé formovací materiály představují závažná rizika. Nebezpečná může být také vlhkost ve formě, která při kontaktu s roztaveným kovem způsobí prudkou tvorbu páry.

Výrobu forem i samotné odlévání musí provádět odborně způsobilá obsluha na pracovišti vybaveném pro konkrétní proces. Obecný popis výrobního postupu nenahrazuje provozní dokumentaci, školení ani bezpečnostní pokyny dodavatele zařízení a materiálů.

Správná forma vychází z celého výrobního procesu

Výběr formy nezačíná samotným formováním, ale požadavky na budoucí odlitek. Je potřeba posoudit geometrii, slitinu, počet kusů, tolerance, povrch, výrobní čas i možnosti slévárny.

3D tisk rozšiřuje možnosti výroby modelů, jader a forem, ale nenahrazuje správný slévárenský návrh. Nejlepšího výsledku lze dosáhnout propojením digitálních dat, vhodné výrobní technologie a zkušeností slévárenského technologa.