Давайте лить металл, копируя конструкции природы!

Воображение важнее знания.

                                                                                                                    А. Эйнштейн

Ресурсосбережение в конкурентной экономике приобретает особую важность. Следуя этому направлению, отечественные литейщики разработали и запатентовали ряд каркасно-ячеистых металлоконструкций, которые повторяют ресурсосберегающие «решения» живой и неживой природы. Использовали технологию литья по газифицируемым моделям (ЛГМ, Lost Foam Casting Process) [1]. В этом способе литья металла модель из пенополистирола (пенопласта) засыпают песком в контейнере, а затем замещают ее заливаемым металлом, который испаряет модель и дает точно такую же по конфигурации конструкцию, какой была заформованная модель. Размещение модели, а затем отливки в пространстве сыпучего песка позволяет поставить вопрос об оптимизации конструирования отливки как объемного пространственного изделия. Ответ на этот вопрос упрощают следующие преимущества моделей из пенопластов: 1) легкость обработки пенопластов резанием фрезой (особенно на 3D фрезерах с компьютерным управлением) и нагретой струной, а также 2) высокая производительность получения деталей моделей на пластавтоматах. Это сводит до минимума ограничения на размеры, форму и темп изготовления пенопластовых моделей.

Также возможности проектирования литых металлоизделий в объеме песка значительно расширяют спектр их вероятных конфигураций и открывают новое направление литья сотовых, объемно-ячеистых, скелетно-решетчатых конструкций и материалов. Отливки такого вида имеют потенциал для применения как облегченные несущие, армирующие, изолирующие, ограждающие, демпфирующие удары конструкции. Они применимы на предприятиях и очистных станциях для фильтрации отходов при очистке газов, жидкостей, а также для глушителей шума, взрыво- и пламяпреградителей, пригодны для теплообменных устройств, элементов источников тока, кристаллизаторов, электродов (заземления зданий) и как костяк для композиционных материалов.   

Разработка таких литых конструкций с точки зрения ресурсосбережения неизбежно приводит к варианту их копирования по аналогам из живой и неживой природы (включая структуры микромира), поскольку природой «уже решены вопросы» покорения пространства конструкциями с чрезвычайно высокой стабильностью их пространственно-временных характеристик. Для этого, в частности, использовали принципы строения: 1) кристаллических решеток как их изображает в кристаллография; 2) спиралевидного расположения листьев (филлотаксис) из ботаники; 3) пены со сквозными порами и ячейками из физикохимии.

При создании объемных структур по аналогии с растениями обратили внимание на распространяющиеся в пространстве ветки деревьев. Их отобранные эволюцией конструкции развиваются от толстых к тонким разветвлениям. Очевидно, такое изменение диаметров предпочтительнее для течения металла, чем равностенные конструкции. На рис. 1 а показан пример предложенной литой древовидной металлоконструкции, состоящей из ствола 1 и веток 2, а на рис. 1 б – подобная конструкция из металла, изготовленная на 3D принтере. Используя такие отливки в качестве внутреннего холодильника-кристаллизатора при литье металлических слитков (для проката или ковки) ветви 2 целесообразно расположить перпендикулярно поверхностям 3 стенок изложницы (показаны ее контуры), то есть навстречу наиболее вероятному направлению роста кристаллов слитка. Кристаллы также растут перпендикулярно стенке изложницы после заливки в нее металлического расплава. Аналогично могут быть учтены конструктивные особенности и расположение ветвей для армирования бетонных конструкций и др.

Изготовление древовидной конструкции способом ЛГМ состоит в заливке расплавленного металла по соответствующей модели через воронку, остаток 4, которой сохранился на стволе. Если при этом модель выполняют из пенопласта, то изготовление ее сборных элементов состоит в засыпании гранул этого материала и их спекании в пресс-форме, или в вырезании элементов из блочного пенопласта. Элементы модели ветки и трубчатые участки ствола можно собирать (склеивать) на направляющем штыре (пунктиром показаны линии стыка).

В древовидных литых конструкциях учитывали общие закономерности строения деревьев, прослеживаемые в живой природе. Важнейшее требование к таким строениям – прочность, в этом плане конструкция дерева, отшлифованная эволюционным отбором, безупречна. Как указано в монографии Бенуа Мандельброта [2], Леонардо да Винчи эмпирическим путем пришел к выводу о таком соотношении толщин ствола и всех ветвей дерева на любой высоте, что диаметры ствола и ветвей d до ветвления и диаметры d1, d2 после разветвления удовлетворяют соотношению: dΔ = d1Δ + d2Δ, где диаметрический показатель Δ = 2. Это подтверждено на практике. В этой же книге указано, что показатель «дерева» кровеносных артерий млекопитающих близок к Δ = 2,7, а  для «дерева» бронхов Δ = 3. С точки зрения гидродинамики система каналов при Δ = 3 имеет минимальное сопротивление, это значение наилучшее достигаемое как целенаправленным конструированием, так и селективной эволюцией. Отсюда, если важны прочностные свойства конструкции, то показатель Δ принимают близким к 2, если важно условие заполнения расплавленным металлом литейной формы, то - близким к 3, что, как правило, учитывают в литейной гидравлике при конструировании разветвленных литниковых систем или проектировании трубопроводов.

Согласно той же монографии, установлено опытным путем, что вес ветви пропорционален ее диаметру, возведенному в степень М = 2,5, а также может зависеть от значения Δ в виде М = 2 + Δ/3. Значения величин М = 2,5 и М, полученного по последнему выражению при подстановке Δ = 2 будут отличаться меньше, чем на 6,7%, что приемлемо для технических расчетов. Можно пользоваться обоими значениями для оценки веса ветви из модельного материала или литого металла (с поправками на их плотность относительно плотности дерева), а при 2 < Δ ≤ 3 - подставлять конкретное значение Δ в выражение для М.

Изготовление литой конструкции так, что ветви отходят от ствола перпендикулярно его оси, удобно при литье по разовой модели тем, что для изготовления пенопластовой модели можно применить простую пресс-форму с отверстием в модели, ось которого перпендикулярна ветви. Такую модель нетрудно получать на пластавтоматах, а затем собирать, подобно нанизыванию бумажных снежинок на нитку или изготовлению пластмассовых новогодних елок. Литая дендроидная конструкция внутреннего холодильника при литье массивных отливок или слитков может быть из одинакового или разного металла с заливаемым в форму. При затвердевании металла таких слитков растущие кристаллы от стенки изложницы конкурируют с дендритами, растущими навстречу им от ветвей холодильника, что дает измельчение зерна слитка равномерно по всему объему, значительно повышая качество его металла и уменьшая отрезную приливную часть.

Такая древовидная конструкция, применяемая как армирующая (например, в бетоне) для сопротивления направленной нагрузке перпендикулярно оси ствола, рекомендуется со стволом в форме эллипса при отношении диаметров эллипса по направлению нагрузки и поперек нее как 1,26 к 1,0. Это соответствует измерениям стволов деревьев, на которые преобладающий ветер дул перпендикулярно в однородной лесной полосе [3].

Пространственные литые конструкции, аналоги которых взяты из ботаники, не сложны для конструирования и технологичны для литья методом ЛГМ в действующих литейных цехах, модель можно смонтировать по повторяющимся элементам, в том числе получаемым серийно. Пространственные древовидные отливки приближаются по виду к ячеистым или сотовым (например, к литым пенам), которые все чаще называют «материалами будущего».

Если на рис. 1 изображены отливки по аналогии со строением дендритов, а также ранее описаны отливки, наследующие структуру кристаллов, то в изображенных ниже конструкциях моделей использовано наследование микроструктуры таких твердых веществ, для которых характерно неупорядоченное расположение атомов в пространстве, - аморфных металлических сплавов (АМС) [4]. Они имеют более или менее четко определяемый на расстоянии двух-трех соседних атомов так называемый ближний порядок.

В кристаллах структура решетки образуется в результате многократного повторения в трех направлениях единичной элементарной ячейки с расположением атомов в «бесконечных» рядах, называемым дальним порядком. Аморфные структуры элементарные ячейки сохраняют, но при стыковке ячеек в пространстве порядок их нарушается, и стройность рядов, присущая дальнему порядку, отсутствует. Несмотря на то, что плотность АМС на 1-2 % ниже плотности кристаллических аналогов, прочность их выше в 5-10 раз с характерной изотропией многих свойств, что связано в основном с отсутствием в структуре АМС дислокаций и границ зерен, свойственных кристаллическому состоянию.

Трехмерные связи в структуре АМС представляют в виде многогранников [5], в частности, из 5 типов правильных полиэдров Бернала: тетраэдр, октаэдр, тригональная призма, архимедова антипризма, тетрагональный додекаэдр, показанных слева направо в верхнем ряду на рис. 2 а. Кроме того, атомные конфигурации описывают в виде полиэдров Вороного часто с пятиугольными гранями в виде икосаэдров, 3 примера таких полиэдров представлены в нижнем ряду слева направо на рис. 2 б: икосаэдр, полиэдр о.ц.к. структуры, полиэдр г.ц.к. структуры.

По данным кристаллографии многогранники Бернала и Вороного заполняют оптимально пространство структуры без пропусков. Также такие многогранники называют самозаклинивающимися структурами. В общем случае аморфная структура представляет собой непрерывный ряд, мозаичный узор, составленный из чередующихся многогранников, характерных для кристаллических и некристаллических структур, что и взято за основу принципа построения нижеприведенной пенопластовой литейной модели.

На рис. 3 а показан пример простейшего повторяющегося элемента пенопластовой модели в виде тетраэдра, который можно получать на пластавтоматах, а на рис. 3 б – пример использования этих элементов, а на рис 3 в – фрагмент самозаклинивающихся тетраэдров. Все или отдельные грани этого многогранника выполняют с отверстиями, которые образуют открытую сквозную полость.

Схема изготовления модели 1 в виде фасонного каркаса, состоящего из многогранников (тетраэдров) представляет собой операцию их помещения в формообразующую емкость 2, в частности, в виде песчаной формы, полость которой покрывают синтетической пленкой 3 в виде мешка. Модель 1 из повторяющихся элементов нагружена грузом 4, а полость мешка герметично сообщена с помощью зажима 5 через патрубок 6 с вакуумным насосом.  

Один из вариантов сборки такой модели из элементов в многоразовой форме состоит в следующем. Предварительно изготовленные многогранники (рис. 2 и 3), размерами от нескольких до десятков миллиметров и более с открытыми сквозными полостями как на рис. 3а засыпают или укладывают вручную в формообразующую емкость 2 (рис. 3 б). Предварительно туда помещают не пропускающий воздуха мешок из синтетической пленки 3, после засыпки этих элементов вакумируют полость мешка, тем самым фиксируя многогранники в единой модели путем прижимания их друг к другу за счет разницы давления воздуха снаружи и внутри мешка. В таком виде собранную модель  в мешке из пленки извлекают из формы, по ней изготавливают другую форму путем засыпания песка сначала снаружи мешка, а затем внутри мешка. Из такой формы пенопластовую модели выжигают при температуре выше 400-500 0С по методу литья по выжигаемым моделям, подобному способу ЛГМ. 

Еще проще выполнить сборную модель в обычной песчаной форме 2 без извлечения и без применения мешка 3. Эту форму выполняют из смеси со связующим по деревянной модели. В полученную полость засыпают модельные многогранники, их уплотняют путем применения съемного груза 4 и вибрации для оптимального размещения, плотного прижима ребер граней с частичным врезанием кромок ребер в рядом расположенные многогранники. После уплотнения модели в сквозные отверстия многогранников подают формовочную смесь и завершают изготовление формы, сочетая модель с литниковой системой и дополняя форму слоем формовочной смеси выше модели. 

Как вариант, каркас из модельных многогранников сочетают со сплошной газифицируемой моделью и получают каркасную отливку с монолитными частями или вставками в заданном месте. Аналогия каркасных конструкций с микроструктурой аморфных металлов, атомная конфигурация которых по данным кристаллографии выглядит в виде указанных многогранников как наиболее плотной упаковки, дает возможность перенести некоторые свойства, например, изотопию, на литые металлические ячеистые конструкции.

Рассмотрим еще один способ каркасного литья. В последнее время ряд перспективных направлений в материаловедении и нанотехнологии связывают с фуллеренами иобнаруженными в 1991 г. цилиндрическими образованиями - углеродными нанотрубками. Такие структуры называют термином «углеродные каркасные структуры» [6]. Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность нанотрубки оказались на редкость прочным материалом каркасной ячеистой конструкции, получать аналогии которых предлложено и в макромире способом ЛГМ, изготавливая модели методом сворачивания из плоских элементов.

Для получения трубчатых и криволинейных моделей использовали ту особенность многих пенопластов, спеченных (спаянных) из мелких гранул, в частности, пенополистирола, что изделия из них в тонких сечениях толщиной 0,1-4 мм при изгибании не ломаются, а имеют ограниченную способность к деформации без разрушения. В более толстых сечениях при изгибе возникает трещина по стыку гранул. Если плоский элемент получать в пресс-форме с клинообразными выборками, то элемент, смещая от плоскости на небольшой острый угол можно изгибать. Прочность на изгиб элемента возрастает в 2-3 раза при оклеивании пленкой или сеткой со стороны, которая становится выпуклой при сворачивании элемента, что позволяет увеличить указанную толщину примерно до 5 мм. Повышенные возможности к изгибанию имеют изделия из пенополиуретана.

На рис. 4 показан при виде сбоку вариант изгибания плоского элемента с правой стороны. Этот элемент в виде пластины с сегментами 1 и надрезами 2 при сворачивании закрепляют замком 3 по системе «шип-паз». Если сумма углов клинообразных выборок равна 360°, то при сворачивании в замкнутую систему стороны всех клиновых выборок смыкаются и в сборе образуют сплошное тело на толщину сегмента 1, а уменьшение толщины плоского элемента за счет выборок не уменьшает толщину стенки элемента в свернутом виде.

Плоский элемент модели могут изготавливать непрерывно путем составления из частей [7] и наращивания его в процессе формовки в облицовочный слой движущегося кристаллизатора в виде песчаной формы, следует лишь перед формовкой его сворачивать в непрерывную трубчатую конструкцию, которую также скрепляют вышеуказанным замком вдоль оси, вокруг которой выполняют сворачивание.

Так предложено отливать сетчатую трубчатую конструкцию, копируя структуру углеродных нанотрубок. На рис. 5 показан элемент конструкции модели, изготовленный по аналогии с ними (ближняя изогнутая стенка сетчатой трубки показана двойными линиями, а дальняя – одной линией). Нанотрубка при увеличении выглядит как свернутый в трубку плоский слой атомов углерода (графита), называемый графеном, в котором атомы соединены в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Модель сетчатой пенопластовой трубки состоит из повторяющихся перегородок 1 в виде свернутой решетки с ячейками из правильных шестиугольников. Толщина этих перегородок определяется возможностью их замещения расплавленным металлом и способом его заливки, обычно она составляет 5 мм и выше. Справа на рис. 5 показана сетчатая перегородка 2 изогнутой формы, напоминающая по виду окончание нанотрубки, а сама сетчатая трубка выполнена цилиндрической.

Если плоские элементы сворачивают так, что две перегородки каждой шестиугольной ячейки двумерных решеток располагают перпендикулярно оси, вокруг которой производят сворачивание (на рис. 5 ось изображена вдоль трубки горизонтально), то такая конструкция сетчатой трубки будет в 1,5 раза прочнее на разрыв вдоль этой оси, чем в случае, если две перегородки каждой ячейки расположат параллельно этой оси [6].

Помещением внутрь трубчатой конструкции перегородки могут распирать или стягивать перегородкой изнутри трубчатую конструкцию, изменяя ее внешний размер, при этом деформируют и изгибают части стенок, выполняя клинообразные выборки со стороны образования вогнутой поверхности. Так изменяют форму и размер поперечного сечения трубчатой конструкции. В отличие от нанотрубок из микромира плоские модельные элементы также предложено сворачивать в более сложные формы, в частности, при S-образном изгибе получают конструкцию из двух стыкующихся труб в поперечном разрезе в виде цифры 8.

Пространственные решетчатые конструкции (из сеток с различной формой ячеек) в зависимости от вариантов сворачивания плоских элементов с использованием клиновых выборок могут выполняться не только трубчатыми близкими к форме цилиндра, но и других геометрических форм, например, в форме многогранника, или подобной к конфигурации фуллеренов, близкой к эллипсоиду или шару. Утолщение на модели в виде замка 3 (рис. 4) в сборе и размещенное вдоль всей модели используют в качестве коллектора литниковой системы для заливания по нему расплавленного металла и с этой целью выполняют его по расчетному диаметру литниковой системы. Это утолщение при формовке трубчатой модели в вертикальном положении ее оси дополняют участком литника, который сверху завершают заливочной воронкой.

Таким же сворачиванием плоских элементов в трубки целесообразно выполнять модели литников, комплектуя ими модели для большинства видов отливок. Торцы трубок закрывают или обматывают синтетической пленкой, не допускающей попадания формовочной смеси внутрь трубчатой конструкции. К модели трубки в виде литниковой системы также крепят мелкие модели при сборке их в кластеры или кусты.

Способ сворачивания модельных элементов, предварительно изготовленных в пресс-формах с плоским разъемом, или из плоских блоков пенопласта, позволяет получать трубчатые и другие фасонные, каркасные и пространственные ячеистые модели, что упрощает конструкции модельной оснастки для их получения по сравнению с оснасткой, в которой формировались бы эти модели без сворачивания. Это еще один способ, который расширяет возможности изготовления литьем ячеистых конструкций с изогнутой поверхностью, в частности по аналогам в виде углеродных каркасных структур из физики наномира. Для монолитных модельных конструкций он применен при сборке пенопластовой модели (рис. 6) для получения методом ЛГМ отливки корпуса насоса (для перекачивания горнорудной пульпы) из износостойкой стали, а также для модели крупной каркасной отливки (рис. 7).

Рисунок 7. Модель крупной каркасной отливки высотой 1,2 м

Рисунок 8. 50-фунтовая отливка детали внутреннего привода клапана из нержавеющей стали

В мировой практике для каркасного литья типично использование ЛГМ-процесса, примером чего служит 50-фунтовая ячеистая отливка детали внутреннего привода клапана из нержавеющей стали (рис. 8, фото с сайта American Foundrymen's Society, Division 11: Lost Foam Casting) [8]. Проектирование компьютерными программами (включая 3D или объектно-ориентированный подход) литых ячеистых материалов в зависимости от прогнозируемых их свойств, а также армируемых ими изделий, расширяет разновидности их строения и спектр функционального применения. В частности, таким методом отливают двухслойные армированные и биметаллические контейнеры для захоронения радиоактивных отходов, включая выполнение их стенок из композитов с оксидами различных металлов, тяжелых бетонов из шлаков, как наполнителей.

Главные отличия предложенных человеком инженерных конструкций от созданных природой состоят в высокой ресурсоэффективности последних, а также в наличии таких свойств, как повторяемость в различных направлениях одинаковых элементов, комбинаторность (фрактальность) и ячеистость. Производство отливок по традиционной схеме «печь-ковш-песчаная форма» сегодня столкнулось с конкуренцией с аддитивным производством на 3D принтерах, которые выполняют функцию микро-литейных цехов. При 3D печатании металлошихту подают в микро-плавильную ванну, которую компьютер, управляя принтером с источником энергии, продвигает вдоль всего тела отливки, послойно его наплавляя; либо из порошка металла послойно формуют изделие, затем спекают порошок в печи до монолитной конструкции.

Развитие процесса песчаной формовки в традиционном литейном производстве и компьютерной техники в направлении ресурсоэффективности привело к схожим очертаниям отливок. Если в первом случае ячеистость наследовалась из сотовых конструкций органической и неорганической природы, как их описывает наука, то во втором случае «эволюцию» в направлении металлосбережения и оптимизации конструкции выполняет компьютер.

Ячеистые металлоконструкции, полученные аддитивным производством, показаны (рис. 9) из открытых источников Интернета. Металлический мост, который роботы-принтеры будут наращивать с двух берегов канала в Амстердаме [9], имеет вполне «растительную» конструкцию.

Рисунок 9. Примеры металлоконструкций, изготовленных на 3D принтерах.

Проектирование литых каркасно-ячеистых металлоконструкций на основе инновационных решений относится к наукоемким процессам, которые по эффективности производства и потенциалу являются отечественными примерами высоких технологий. Рукотворными конструкциями мы копируем природу, используя, прежде всего, достижения естествознания. Литье, как одно из древнейших ремесел, здесь опережает другие виды обработки металлов, как бы бросая им вызов посостязаться в технологическом воплощении науки. Конструирование ячеистых отливок, получаемых в литейных цехах по схеме «формовка – плавка - заливка», также вызвано потребностью конкурентного состязания традиционного литейного производства с бурно развивающимися технологиями получения металлоизделий на 3D принтерах, особенно это заметно в транспортном машиностроении и авиационной отрасли [10].  

Литература:

1. Дорошенко В.С. Ресурсосберегающая технология производства металлических отливок для специальной техники и боеприпасов. - Экология предприятия - 2017. - № 3. - С. 36 - 45.
2. Mandelbrot B. B. The fractal geometry of nature.- New York: Freеman and Co., 1983. -540 p.
3. Ковалев Ю. Архитектура деревьев // Наука и жизнь.-1988. - № 12. - С. 147-150.
4. Патент UA 90494 МПК В22D 7/00, В22D 23/00, В22D 25/00/ Пространственная металлическая отливка. Шинский О. Й., Дорошенко В. С. - Опубл. 11.05.2010, Бюл. № 9.
5. Судзуки К. и др. Аморфные металлы. - М.: Металлургия, 1989. - С. 81.
6. Иванов И. П. Современная физика в задачах. http://rc.nsu.ru/text/metodics/ivanov5.html
7. Пат. 2029653 России, В22С 9/02. Способ непрерывного литья. / Дорошенко В. С. Шейко Н.И. - Опубл. 1995, Бюл. №6.
8. Сайт American Foundrymen's Society: http://web.mst.edu/~foundry/.
9. "Антигравитационный" 3D-принтер MX3D-Metal распечатает металлический мост над одним из каналов Амстердама. http://scisne.net/t-2577.
10. О некоторых вопросах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в авиационной отрасли / В. Ю. Корчак и др. // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2017. - Т. 16, № 2. - С. 60-64.