بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله که با پشتیبانی شرکت گاز و همراهی سه دانشگاه بصورت همزمان انجام پذیرفته است، طراحی و ساخت قالب تزریق مدل مومی یک نمونه پره متحرك توربین گازي با استفاده از تکنولوژیهاي نمونه سازي سریع RP وابزارسازي سریع RT با هدف کاهش چشمگیر زمان و هزینه انجام عملیات تولید مدل مومی مورد استفاده در فرآیند ریخته گري دقیق، صورت پذیرفته است. در این راه تکنیک نمونه سازي سریع استریولیتوگرافی (Stereolithograthy) و دو تکنیک ابزارسازي سریع به نامهاي روش ابزارسازي اپوکسی (Epoxy Molding) و روش ابزارسازي RTV مورد استفاده قرار گرفتهاند. در نهایت نتایج حاصل از کاربرد این دو روش با نتایج کاربرد روش ساخت قالب فلزي براي تولید مدل مومی، بر اساس پارامترهاي زمان، هزینه و دیگر ویژگیهاي بدست آمده، مقایسه شدهاند.
-1 مقدمه
1-1 پیشزمینه
ریختهگريدقیقیکروشاقتصاديبرايتولیدانبوهقطعاتفلزيباشکلهايپیچیدهوازآلیاژهايگوناگونمیباشد. ازسويدیگرزمانوهزینهموردنیازبرايساختقالبهايفلزيجهتتولیدمدلمومیمورداستفادهدرفرآیندریختهگري
دقیق،میتواندباعثافزایشچشمگیرهزینههاشدهومزایاياستفادهازاینروشخصوصاًرادرموارديکهتولیدتعدادمعدوديقطعهموردنظرباشد،کاهشدهد. تکنولوژیهاينمونهسازيسریعRPوابزارسازيسریعRTکهدردودههاخیرمطرحگشتهاندمیتوانندبهطورموثريزمانوهزینهطراحیوتولیدمحصولاتراکاهشدهند. یککاربردموردانتظارازاینروشها،تولیدمستقیمیاغیرمستقیممدلهايمومیموردنیازصنایعریختهگريدقیقمیباشد.از سوي دیگر پرههاي ثابت و متحرك مورد استفاده در توربینهاي گازي قطعاتی استراتژیک و پراستفاده در صنایع مهم همچون نیرو، نفت و گاز ، پتروشیمی و صنایع دفاعی میباشند کهمعمولاٌ با بهرهگیري از روش مهندسی معکوس در کشور ساخته میشوند.
با توجه به شرایط کاري بسیار سخت این پرهها که ناشی از فعالیتشان در محیطی با دماي بالا حاوي ترکیبات خورنده و ساینده و همچنین اعمال تنشهاي گوناگون مکانیکی و حرارتی بر آنها میباشد، میبایستی از موادي ساخته شوند که قابلیتهاي مکانیکی و متالورژیکی لازم براي کار در چنین شرایطی را داشته باشند. این مواد اغلب سوپرآلیاژهایی هستند کهمعمولاً داراي قابلیت ماشینکاري ضعیفی بوده و انجام عملیات سنتی ماشینکاري همچون فرزکاري در مورد آنها بسیار سخت و غیراقتصادي میباشد.
از سوي دیگر با توجه به تلرانسهاي بسته اعمالشده بر پرههاي توربین نیاز به فرآیند تولیدي است که با استفاده از آن بتوان شکل نهایی قسمتهاي حساس قطعه را تا وضعیتی بسیار نزدیک به شکل نهایی تولید کرد به گونهاي که حداقل عملیات براي نهاییسازي آن لازم باشد. لذا امروزه اغلب پرههاي متحرك و ثابت توربینهاي گازي از طریق فرآیند ریخته گري دقیق تولید میگردند.[1] براي تولید مدل مومی مورد نیاز در فرآیند ریخته گري دقیق براي قطعات خاصعموماً از قالبهاي فلزي که به روش ماشینکاري ساخته میشوند، استفاده شده است. زمان و هزینههاي مورد نیاز براي ساخت چنین قالبهایی میتواند باعث افزایش زمان و هزینه کل فرآیند شده و مزایاي آنرا تا حد زیادي کاهش دهد.
-1-2 فرآیندهاي نمونه سازي سریع و ابزارسازيسریع مورد استفاده
کاربرد تکنولوژیهاي نمونه سازي سریع (RP) براي تولید مدلهاي مورد استفاده در ریخته گري دقیق را میتوان از دو طریق مورد بررسی قرار داد:
الف-روش مستقیم ب-روش غیرمستقیم
استفاده مستقیم از نمونه سازي سریع می تواند منجر به ایجاد مدلهایی از جنس پلاستیک، موم یا کاغذ شود که از آنها میتوان به طور مستقیم در فرآیند قالبگیري سرامیکیریخته گري دقیق بهره جست. اساس چنین فرآیندي بر ذوبشدن یا سوختن مواد سازنده این مدلها و خروج آنها از قالب پوستهاي سرامیکی بدون صدمه زدن به آن استوار است . [2 ] از سوي دیگر با استفاده از تکنولوژاي نمونه سازي سریع میتوان به طور غیرمستقیم نیز به تولید مدلهاي مومی پرداخت. در این راه، ساخت مستقیم قالب براي تولید مدل مومی با استفاده از دستگاه نمونه ساز سریع و داده هاي هندسی قطعه ساخته خواهد شد .
فعالیت صورتگرفته در این مقاله شامل استفاده از تکنولوژي نمونه سازي سریع استریولیتوگرافی (Stereolithograthy) براي ساخت مدل اصلی (Master Model) پره متحرك ردیف اول توربین گازيRuston Ta 1750 با توان 1/3 مگاوات مورد استفاده در صنعت صادرات نفت و سپس استفاده از این مدل اصلی براي ساخت قالب تولید مدل مومی پره مذکور به دو روش ابزارسازي سریع به نامهاي روش ابزارسازي اپوکسی (Epoxy Molding) و روش ابزارسازي RTVمیباشد. لازم به ذکر است که روش فوق الذکر با مشارکت دانشگاه و شرکت گاز براي اولین بار است که در کشور صورت میپذیرد.
-2 متدولوژي
براي ساخت مدل فیزیکی قطعه بوسیله دستگاه نمونه سازي سریع ابتدا مدل سه بعدي با استفاده از نرم افزار ( ( Power shape که دربردارنده همه اطلاعات لازم از قطعه میباشد به فرمت مناسبی ذخیره میگردد ، البته این مرحله بعد اندازه گیري بوسیله دستگاه CMMمیباشد (شکل . (1 مدل ایجاد شده در این مرحله ، مدل خالص (Pure Model) نام دارد. سپس ملاحظات و پارامترهاي ساخت بر مدل خالص اعمال ، به گونهاي که ابتدا اضافه اندازه ماشینکاري در نواحی موردنیاز منظور و سپس بزرگنماییهاي مورد نیاز به طور جداگانه و به اندازههاي 3/5 و 3/8 درصد اندازه اولیه بر مدل به ترتیب براي استفاده از آن در روشهاي قالبگیري اپوکسی و قالبگیري RTV اعمال شدند. علت اعمال این بزرگنماییها جبران انقباض موم تزریقی در قالب، انقباض آلیاژ ریختگی و همچنین انقباض احتمالی مواد سازندهقالب میباشد. در حین انجماد میباشد. مقادیر بزرگنمایی مذکور با استناد به منابع ارائه شده توسط شرکت گاز ، انتخاب شده است (شکل (2، . [3 ]
-3 عملیات نمونه سازي سریع (RP) وابزارسازي سریع (RT)
-3-1نمونه سازي سریع و کنترل ابعادي
مدلهاي کامپیوتري تهیهشده از قطعه که به فرمت STLذخیره شدهاند پس از انجام پارهاي عملیات تکمیلی نرمافزاري همچون بازبینی مجدد، ساپورتگذاري و تعیین راستاي ساخت، به دستگاه نمونه ساز سریع ارسال شدند.
فرمت STL یک فرمت بین سازمانی صنایع نمونه سازي سریع است که در آن سطوح مدل قطعه بوسیله مثلهاي کوچکی تقریب زده میشوند. از آنجا که مدل از رزین مایع ساخته میشود براي نگهداري و ممانعت از حرکت آن در محوطه پاتیل ساخت، نیاز به ایجاد ساپورتهاي نگهدارنده است(شکل .(3 ساخت مدلها در دستگاه نمونه ساز سریع SLA5000 و از رزین فتوپلیمر Cibatool 5195 صورت پذیرفت. ضخامت لایه هاي سازنده قطعه 100 میکرون در نظر گرفته شدند. پس از ساخت، عملیات تکمیلی شستشوي رزین اضافی، ساپورتزدایی، پخت نهایی در کوره UV و بهبود کیفیت سطحی بوسیله سندبلاست صورت پذیرفت(شکل .(4
در مرحله بعد و پیش از استفاده از مدل ساختهشده بوسیله نمونه سازي سریع در فرآیند ابزارسازي سریع، بدلیل تاثیر مستقیم صحت ابعادي مدل ساختهشده بر دقت نهایی قالب، بازرسی ابعادي قطعه بوسیله دستگاه اندازهگیري مختصاتی مجهز به نرمافزار مخصوص مقایسه صورت پذیرفت. نتایج بدستآمده در بازه تلرانسی 0/05میلیمتر مورد بررسی قرار گرفتند و در نهایت متوسط مقدار انحراف از اندازه اصلی در حدود +0/035 میلیمتر بدست آمد (شکل .(5
-3-2 ابزارسازي سریع
الف- ابزارسازي اپوکسی
در ابتدا مدل بدستآمده از نمونه سازي سریع در امتداد خطوط جدایش محصول و در درون یک کلاف آلومینیمی، جانمایی و تنظیم گردید. طراحی و ساخت کلاف مذکور به منظور تسهیل در عملیات قالبگیري و اطمینان از صحت کارکرد قالب صورت پذیرفت. مواد اپوکسی مورد استفاده از نوع EP310 و ساخت شرکت MCP HEK آلمان میباشند. پس از آمادهسازي مواد اپوکسی با انجام عملیاتی چون اختلاط و گاززدایی و محاسبه مقدار مواد مورد نیاز، این مواد بر روي قطعه جانماییشده در طول خط جدایش محصول در درون کلاف فلزي ریخته شده و آنرا پر کرد.
پس از انجام عملیات تکمیلی گاززدایی، مجموعه در محیط آزاد به مدت زمان کافی جهت تشکیل نیمه اول قالب قرار داده شد. پس از این مرحله نیمه دوم قالب هم بر روي نیمه اول و با روشی مشابه آنچه ذکر گردید آماده شد و در مرحله آخر عملیات پخت نهایی و پولیشینگ براي نهاییسازي قالب به اجرا درآمد(شکل .(6
ب- قالبگیري RTV
در این روش مدل اصلی بدستآمده از نمونه سازي سریع در امتداد خطوط جدایش محصول تنظیم شده و کل مجموعه در درون یک چارچوب ساختهشده از تکههاي مناسب چوبی محصور شد. میله راهگاهی نیز به مجموعه اضافه گردید و سپس مواد سیلیکونی VTV750 ساخت شرکت MCP HEK آلمان پس از آمادهسازي که مراحلی همچون توزین و گاززدایی را شامل میگردید به درون محفظه چوبی ریخته شد. نیمه اول قالب بدین ترتیب ساخته شده و گاززدایی گردید. سپس نیمه دوم قالب به طریقی شبیه آنچه در آمادهسازي نیمه اول صورت پذیرفت بر روي آن ساخته شد (شکل .(7
-4 عملیات تولید مدل مومی پره
-4-1 تولید نمونه مومی بوسیله قالب اپوکسی
در این مرحله قالب موردنظر بر روي یک دستگاه تزریق موم با نازل عمودي بسته شده و تعیین شرایط مناسب تزریق با انجام آزمایش صورت پذیرفت. سپس تعدادي نمونه با استفاده از موم مذاب با دماي حدود 65 درجهسانتیگراد و در فشار تزریق (bar) 40 تولید شدند (شکل.(8
-4-2 تولید نمونه بوسیله قالب RTV
در این عملیات ابتدا قالب به مدت 2 ساعت در کوره با دماي 70 درجه سانتیگراد پیشگرم شده و سپس مواد مذاب مومی در شرایط خلا، به داخل قالب ریخته شد(شکل .(9
-5 نتایج و بحث
-5-1 روش ابزارسازي اپوکسی
قالب تولید شده به روش ابزارسازي اپوکسی تمامی جزئیات مدل اصلی مورد استفاده در ساخت آنرا به خوبی بروز داد. نواحی باریک یا داراي گوشه هاي تیز قطعه به خوبی در قالب منعکس شدند. این موضوع مزیت مهمی در مقایسه با روش ساخت قالب فلزي میباشد. زیرا ماشینکاري چنین نواحی در ساخت قالبهاي فلزي مشکل بوده و نیازمند بکارگیري ترفندهاي خاص است. به عنوان مثال بدلیل وجود شعاع ابزار، در ماشینکاري گوشه ها نواحی فیلتدار ایجاد میشود. در این حالت براي ایجاد نواحی تیز بایستی از عملیات تکمیلی مانند ماشینکاريEDM بهره گرفت و یا اینکه با چندتکه کردن قالب به ماشینکاري آن پرداخت. چنین مسالهاي میتواند منجر به اعمال زمان و هزینه اضافی و در بسیاري موارد کاهش دقت ساخت شود. در ضمن ماشینکاري نواحی با شعاع فیلت کوچک نیاز به تهیه ابزاري با شعاع حداکثر همان اندازه دارد که چنین موضوعی نیز افزایش زمان و هزینهها را به جهت نیاز به تهیه ابزار مناسب در پی دارد. همراستایی (Alignment) اجزاي قالب نیز به دلیل ماهیت ریختنی مواد اپوکسی در اینگونه قالب به خوبی تامین شده است. چنین موضوعی در مورد قالبهاي فلزي بدلیل نصب و مونتاژ اجزاء بوسیله پیچ و پین با صرف زمان و هزینه بیشتري امکانپذیر است. ویژگیهاي کیفی قالب تولیدشده به روش ابزارسازي اپوکسی در جدول 1 ارائه شده است.
در هنگام تولید مدل مومی نیز با وجود تفاوت در ضریب انتقال حرارت مواد اپوکسی با مواد رایج در ساخت قالبهاي فلزي همچون فولادهاي ابزاري و آلیاژهاي آلومینیم، انتقال حرارت مواد تزریقی به اطراف بسیار خوب صورت گرفته و سیکل زمانی تزریق تفاوت بارزي با آنچه در مورد قالبهاي فلزي بکار میرود نداشت. مواد تزریق شده به طور کامل تمامی جوانب و زوایاي قالب را پر کرده و مدلی با سطح پرداخت خوب با خطوط جدایش یکنواخت در مناطق حساس بدست آمدند. صافی سطح میانگین، در روش قالب اپوکسی پیش از انجام پولیش بر روي آن با صافی سطح مدل مومی تولیدي از قالب پولیششده در جدول (2) ارائه شدهاست. عملیات مذکور بوسیله دستگاه زبريسنجی Taylor Hobson صورت پذیرفت. اعداد ارائهشده در این جدول مبین قابلیت پولیش پذیري بسیار خوب قالب اپوکسی هستند.
عملیات کنترل ابعادي مدل مومی تولیدشده بوسیله یک دستگاه ATOS 3D Scan III و به صورت غیرتماسی انجام شد (شکل .(10 نتایج بدستآمده حاکی از اختلاف میانگین +=0/04 میلیمتري در مقایسه با مدل کامپیوتري قطعه بود. ضمن اینکه اکثر نقاط اندازهگیري شده در بازه0/15 میلیمتري تلرانس تعیینشده قرار داشتند.
