Jakie branże przemysłowe korzystają z form odlewniczych?
Do najczęściej wykorzystywanych technologii wytwarzania należą montaż z mniejszych części przy pomocy elementów złącznych np. śrub czy nitów, klejenia, lecz także używania rozmaitych technik spawania i zgrzewania. Popularna jest obróbka ubytkowa, która jest stosowana choćby w przypadku drewna, metalu i tworzyw sztucznych, a także kamienia naturalnego. Szczególnie cenioną technologią produkcji o ogromnym potencjale jest kształtowanie materiału za pomocą form odlewniczych. Przyjrzyjmy się bliżej zastosowaniom odlewnictwa, sprawdźmy, w jakich branżach jest wykorzystywane oraz w jaki sposób przygotowuje się formy odlewnicze.
Formy do odlewania elementów metalowych
Odlewnictwo jest jednym z najstarszych sposobów obróbki, wykorzystywanym pierwotnie do produkcji elementów z różnych stopów metali. Początki stosowania tej technologii wiążą się z wykonywaniem przedmiotów ze stopów miedzi – w pierwszych etapach różnych rodzajów brązów w postaci broni i ozdób oraz różnych narzędzi, a z czasem także żelaza i mosiądzu. Wielki rozwój odlewnictwa łączy się z wytwarzaniem wyrobów ze spiżu, będącego stopem miedzi i cyny, z którego wytwarzano posągi, a później także dzwony oraz armaty. Wraz z rozwojem techniki arsenał metod odlewniczych powiększył się o możliwość odlewania elementów z żeliwa i staliwa, a ponadto aluminium i innych metali lekkich, jak magnez czy tytan.
Mimo ogromnego postępu technicznego związanego z różnymi technologiami metalurgicznymi i odlewniczymi kształtowanie wyrobów metalowych odbywa się wciąż przy wykorzystaniu podobnych procesów. Stop metalu jest rozgrzewany do temperatury, w której staje się płynny, co pozwala na wypełnienie nim wcześniej przygotowanej formy, a po ostygnięciu i ewentualnej obróbce wykańczającej jest on gotowy do użytku. Żadna technika odlewnicza nie obejdzie się bez dopasowanych metod podgrzewania i ochładzania metalu, co pozwala na zachowanie właściwych cech użytkowych i wytrzymałościowych, ale także bez odpowiednich form. Każda forma jest precyzyjnym odwzorowaniem przedmiotu, jaki ma być w niej odlany, a dla umożliwienia przeprowadzenia całego procesu musi być wyposażona w otwory, przez które materiał może być wlany do wnętrza, a także mechanizm, który umożliwi jej późniejsze otwarcie.
We współczesnym odlewnictwie używa się różnych typów form, a ich rozróżnień można dokonywać zarówno ze względu na materiał, z jakiego są wykonane – może to być masa formierska albo odpowiedni stop metalu, mamy wówczas do czynienia z tzw. kokilą – jak i na trwałość – wytwarzane są formy jednorazowe, rozbijane podczas wydostawania odlewu, półtrwałe, w których tracona jest tylko część oraz trwałe, wykorzystywane wielokrotnie. Rodzaje form można też podzielić z uwagi na sposób, w jaki wprowadzany jest do nich metal na formy grawitacyjne, niskociśnieniowe oraz ciśnieniowe.
Budowa formy jest dość prosta – w przypadku formy trwałej lub półtrwałej składa się ona z dających się oddzielić części, których wewnętrzne powierzchnie odpowiadają kształtowi gotowego odlewu, a nierzadko także z rdzeni. Są to elementy, które pozwalają na uzyskanie wewnętrznych pustek (wnęk). Każda forma musi być wyposażona w układ wlewowy rozprowadzający metal, a także odprowadzający powstające gazy i wyrównujący ciśnienie.
Formy do produkcji elementów z tworzyw sztucznych
Formy są wykorzystywane nie tylko w przygotowywaniu wyrobów z metalu. Powszechnie używa się ich również przy produkcji przedmiotów wykonanych z tworzyw sztucznych. Mechanizm jest tu bardzo podobny – materiał jest rozgrzewany, co pozwala na osiągnięcie właściwej plastyczności i wypełnienie nim odpowiedniej formy. W przypadku tworzyw sztucznych w grę wchodzą jednak znacznie niższe temperatury, na ogół od kilkudziesięciu do około dwustu stopni Celsjusza.
Kształtowanie tworzyw sztucznych może być realizowane w różnych technologiach, jednak najbardziej rozpowszechnione jest wytłaczanie, termoformowanie, a także wtryskiwanie. W przypadku wytłaczania przedmiot nie jest umieszczany w formie, a jedynie przechodzi przez otwór w dyszy, który nadaje mu odpowiedni profil, co pozwala na produkcję elementów o dużej długości. Przy termoformowaniu forma ma najczęściej postać elementu, który odwzorowuje powierzchnię gotowego wyrobu, lecz tylko z jednej strony. Jest to możliwe, ponieważ w ten sposób powstają produkty z cienkich arkuszy tworzywa, grubość ich ścianek jest wiec uzależniona od samego materiału. Folia jest dociskana do formy za pomocą podciśnienia lub nadciśnienia, niekiedy jednak wykorzystywany jest również stempel – w takiej sytuacji jego powierzchnia odzwierciedla geometrię wyrobu.
Formy przeznaczone do wtryskiwania przypominają formy odlewnicze. Najczęściej składają się one z dwóch elementów – jeden z nich przemieszcza się, umożliwiając otwarcie formy i wydobycie gotowego wyrobu. W formach do wtryskiwania tworzywa znajdują się kanały, którymi przepływa uplastyczniony materiał, a także gniazdo, przez które się go podaje. Formy do wtryskiwania ze względu na niższe temperatury mogą być wykonywane z mniej odpornych na ciepło stopów, z uwagi na inną kinematykę inne są także zasady rozmieszczania wlewaków. Odmienne będą też tolerancje wymiarowe z powodu odmiennego zakresu skurczu występującego w tworzywie i metalu oraz rodzaju możliwych niedoskonałości np. jam skurczowych.
Powstawanie form odlewniczych i ich zastosowanie
Proces odlewania wymaga uprzedniego wykonania formy, która nada kształt gotowemu wyrobowi. Przygotowanie formy odlewniczej musi być poprzedzone stworzeniem modelu, który będzie odwzorowywał geometrię odlewu. Modele odlewnicze często obejmują nie tylko sam wyrób, ale również tzw. komplet modelowy, a zatem układ wlewowy z kanałami, wlewami i przelewami, a także rdzenie, jeśli będą potrzebne. Modele mogą być wykonywane z różnych materiałów np. drewna, metalu – głównie żeliwa, stopów miedzi albo aluminium – czy tworzywa sztucznego. W zależności od rodzaju i rozmiaru odlewu mogą one albo bezpośrednio odzwierciedlać kształt odlewu, albo stanowić jego uproszczoną wersję – w takiej sytuacji niektóre elementy formy będą odtwarzane ręcznie. Dokładne przygotowanie modelu, który musi uwzględniać rozmiar skurczu odlewniczego czy też konieczność wykonania naddatków przesądza o jakości gotowej formy.
Na podstawie przygotowanych kompletów modelowych, a zatem modelu w wersji dzielonej wraz z układem wlewowym powstaje gotowa forma odlewnicza. W zależności od przeznaczenia i wielkości produkcji formy mogą być przygotowywane z mas formierskich ręcznie, przez umieszczenie w skrzynce formierskiej elementów modelu i wypełnienie jej odpowiednim materiałem lub maszynowo. Masa formierska może składać się z różnych substancji, w zależności od wymaganej dokładności, co wiąże się z dopuszczalną wielkością ziaren, ale także temperaturą podczas odlewania. Formy wykonuje się m.in. z kwarcu, magnezytu, silimanity, cyrkonu czy chromitu, a w niektórych przypadkach także szamotu formierskiego. Do wiązania masy wykorzystywane są lepiszcza składające się ze specjalnych gatunków gliny oraz właściwych spoiw. Do odlewania wyrobów produkowanych seryjnie mogą być też wykorzystywane formy metalowe tzw. kokile przy użyciu maszyn odlewniczych zwanych kokilarkami.
Formy odlewnicze są używane w wielu branżach – głównie w przemyśle maszynowym, gdzie z ich pomocą wykonuje się części i podzespoły do różnych urządzeń od korpusów po niewielkie detale. Technologie odlewnicze są wykorzystywane w przemyśle samochodowym, stoczniowym i lotniczym, gdzie powszechnie stosowane są stopy metali lekkich. Formy odlewnicze będą też potrzebne przy produkcji sprzętu gospodarstwa domowego, wielu urządzeń elektrycznych, a nawet niektórych mebli – w ten sposób powstają np. podstawy foteli biurowych, czy wszelkiego rodzaju elementy stolików. Bez form nie może się obejść przemysł przetwórstwa tworzyw sztucznych. Będą one niezbędne przy wyrobie opakowań, pojemników, obudów oraz wszelkiego rodzaju elementów z plastiku lub elastomerów od uszczelek po profile okienne.
