ریخته گری

فرآيند ريخته‌گري با مدل از بين‌رونده در كشورهاي صنعتي به نام‌هاي Full mold casting، Expandable pattern casting (EPC)، Evaporative pattern castingEPC) وLost foam casting (LFC) در ايران به نام‌هاي فرآيند ريخته‌گري توپر، ريخته‌گري با مدل از بين‌رونده و يا ريخته‌گري با مدل تبخيرشونده شناخته شده است ]4[.

در اين روش مدل از جنس پلي‌استيرن منبسط شده (expanded polystyrene) EPS يا پلي متيل متاكريلات منبسط شده(expanded polymethyl methacrylate) EPMIMA ساخته مي شود ]5[. مدل فومي سپس توسط يك دوغاب حاوي مواد ديرگداز پوشش داده شده و خشك مي‌گردد و در درون يك جفت درجه توسط ماسه بدون چسب قالب‌گيري مي‌شود. براي افزايش استحكام خام معمولاً درجه را در حين پر كردن از ماسه تحت ارتعاش مكانيكي قرار مي‌دهند. مدل فومي به مجرد ورود مذاب شروع به تجزيه شدن كرده و مواد حاصل از تجزيه به درون ماسه بدون چسب نفوذ كرده و از محفظه قالب خارج مي‌شوند. در روش ريخته‌گري توپر سرعت پر شدن قالب، سرعت و نحوه انتقال حرارت درون محفظه به محيط اطراف، نحوه انجماد و احتمال ايجاد انواع عيوب ريختگي، به نحوه تجزيه فوم پليمري و خروج مواد حاصل از تجزيه بستگي دارد ]6[.

اگرچه تمام فلزات را مي‌توان از اين روش ريخته‌گري نمود اما از آن اكثراً براي ريخته‌گري آلياژهاي آلومينيوم و چدن استفاده مي‌گردد ]6[ و تقريباً تمامي مطالعات انجام شده نيز بر روي اين دو دسته از آلياژها صورت پذيرفته است.

مهم‌ترين مزاياي روش ريخته‌گري توپر در مقايسه با روش ريخته‌گري معمولي در ماسه را مي‌توان چنين خلاصه نمود ]4 و6 و 7[:

1) حذف سطح جدايش و قابليت توليد قطعات پيچيده (عدم نياز به خارج كردن مدل).

2) فرآيند قالب‌گيري بسيار ساده‌تر است.

3) كاهش اتلاف مواد اوليه و كاهش توليد مواد آلوده‌كننده محيط‌زيست: در اين روش به چسب نيازي نيست و تقريباً تمام ماسه مصرف شده به سهولت و بدون هيچ فرآيند اضافي قابل بازيابي است.

4) وجود پوشان بر سطح مدل فومي باعث افزايش دقت ابعادي، كاهش سرعت سرد شدن قطعه (و در نتيجه كاهش تاب برداشتن و ترك گرم) و افزايش قابل ملاحظه كيفيت سطحي مي‌گردد.

5) ساخت مدل فومي بسيار ساده، سريع و ارزان است. بنابراين در صورت نياز به توليد قطعاتي به صورت تك‌ريزي، كه مدل‌سازي معمولي براي آن‌ها توجيه اقتصادي ندارد، به آساني مي‌توان از اين روش استفاده نمود.

 

مدل فومي

پلي استيرن منبسط شده (EPS) ماده‌اي ترمو پلاستيك و مركب از 92% كربن و 8% هيدروژن است ]8[. اين ماده شامل يك عامل فرار و پف‌كننده هيدروكربني مانند پنتان (C₅H₁₂) است كه باعث مي‌شود ذرات پلي استيرن در اثر حرارت تا چگالي 15 كيلوگرم بر مترمكعب منبسط شود و با اين چگالي كم بتوانند علاوه بر حفظ صلبيت لازم، قالب‌هاي پيچيده را به راحتي پر نمايند.

تبديل ذرات جامد و متراكم EPS به مدل منبسط شده داراي دانسيته كم طي دو مرحله اصلي انجام مي‌شود: انبساط اوليه و قالب‌گيري. در خلال مرحله انبساط اوليه، دانه‌هاي EPS حرارت داده مي‌شوند و در نتيجه پلي استيرن ترموپلاست، نرم مي‌شود و مواد فرار موجود در دانه‌هاي پليمر تبخير شده و به تدريج در اثر افزايش درجه حرارت منبسط مي‌شوند. در اين مرحله چگالي حجمي دانه‌ها به اندازه موردنظر براي مدل نهائي مي‌رسد. سپس دانه‌هائي كه انبساط اوليه را گذرانده‌اند در داخل محفظه‌اي كه شكل نهائي مدل موردنظر را دارد وارد مي‌شوند، به طوري كه دانه‌هاي كروي تمامي زوايا و گوشه‌هاي محفظه را پر نمايند. در اثر حرارت (معمولاً ناشي از بخار آب)، دانه‌هاي كروي بيشتر منبسط شده و فضاي بين خود و همچنين گوشه‌ها را به طور كامل پر مي‌كنند. بخار آب ابتدا از يك قسمت قالب دميده شده و از منافذ سمت ديگر قالب خارج مي‌شود. سپس اين كار به طور معكوس انجام مي‌گيرد ]5[. در اثر حرارت ذرات پلاستيكي شده و به يكديگر جوش مي‌خورند و توده‌اي كفي شكل را تشكيل مي‌دهند كه تمامي محفظه قالب را پر نموده است. پس از آن مدل توسط دمش آب به ديواره‌هاي قالب يا اعمال خلاء به درون منافذ ديواره‌هاي قالب خنك شده تا فشار گاز داخل هر ذره كاهش يابد و ديواره آن سخت گردد و شكل نهائي مدل در اثر خروج از محفظه ثابت باقي بماند.

مدل‌هاي ساخته شده از EPS به مرور زمان منقبض مي‌شوند و كارخانه‌اي كه از مدل‌هاي از بين‌رونده استفاده مي‌كند بايد هنگام ساخت قالب مدل، به انقباض مدل نيز در كنار انقباض ناشي از انجماد توجه داشته باشد. مقدار و سرعت انقباض مدل‌هاي فومي به ابعاد و چگالي ذرات EPS مورد استفاده بستگي دارد. عمر دانه‌ها قبل از انبساط اوليه و قالب ‌گيري نيز ممكن است بر شدت و ميزان انقباض تأثير بگذارد ]8[. بيشتر انقباض در خلال 30 روز اول توليد مدل ايجاد مي‌گردد ]5[ و ميزان آن مي‌تواند در حدود 8/0% انقباض خطي باشد. مدل‌هاي EPMIMA داراي انقباض كمتري (25/0% انقباض خطي) هستند.

عوامل بسياري بر دقت ابعادي مدل فومي تأثير مي‌گذارد ]5[ كه از جمله آن مي‌توان به نوع پليمر مورد استفاده، مقدار و نوع مواد منبسط‌كننده، دماي بخار آب، زمان بخاردهي، سيكل سرد كردن قالب، زمان خارج كردن مدل از قالب، دماي مدل در حين خروج و زمان و دماي پايدارسازي اشاره نمود. LittLeton و همكارانش ]5[ براي انجام آزمايش‌هاي خود در اين مورد دو دستگاه براي اندازه‌گيري دقيق ابعاد فوم‌هاي توليد شده ابداع نموده‌اند.

مدل‌هاي فومي داراي چگالي‌هاي متفاوت، مقادير متفاوتي گاز در اثر تجزيه توليد مي‌كنند. هر چه چگالي مدل بيشتر باشد، حجم گاز حاصل از تجزيه فوم بيشتر خواهد بود. علاوه بر آن مدل‌هاي ساخته شده از EPMIMA گاز بيشتري نسبت به مدل‌هاي EPS در حين تجزيه توليد مي‌كنند ]9[. حجم گاز توليد شده سرعت خروج فرآورده‌هاي تجزيه از قالب و در نتيجه بر سرعت حركت مذاب در درون قالب تأثير زيادي دارد.