Проектування адитивного виготовлення моделей з відходів пінополістиролу для їх газифікації металом в ливарній формі

Створено метод, що поєднує адитивне виробництво (АВ) разових ливарних полімерних моделей з утилізацією відходів пінополістиролу (ППС), для переходу на спосіб лиття металу за моделями, що газифікуються (ЛГМ), від нинішнього способу лиття за друкованими моделями, що випалюються. Сучасні друковані моделі мають високу густину і зольність, це погіршує якість металевих виливків при застосуванні їх для ЛГМ, тому їх випалюють з форми перед заливанням у неї металу. Утилізація ППС дає екологічний ефект, а АВ моделей є кроком до цифровізації і автоматизації ливарного виробництва. Описано методи утилізації ППС та приклади виливків за випалюваними адитивно виготовленими моделями, а також 3D-принтера для друку з застосуванням подрібненого пластику або пластикових гранул. Якщо питома вага друкованої моделі надто висока, то застосовують нові способи ЛГМ з виведенням надлишку газів від газифікації моделі крізь вентиляційний канал у моделі і трубчастий випор за межі форми і з окисленням цих газів. Така нейтралізація газоподібних відходів при ЛГМ доповнює утилізацію твердих відходів ППС, як сировини для АВ ливарних моделей, сприяючи екологічному збереженню довкілля.

Ключові слова: лиття за моделями, що газифікуються; 3D-друк; адитивне виробництво; разові моделі; моделі, що випалюються; пінополістирол; утилізація відходів полімерів.

Виробничі підприємства сприймають нові знання та прагнуть втілити їх в додану вартість на товари і послуги, пропонуючи їх ринку. Цьому сприяють цифрові інновації, що формують новий вигляд, зокрема, ливарного виробництва. Розглянемо варіанти застосування методу адитивного виробництва (АВ), як складової новітніх цифрових 3D-технологій, для утилізації полімерних відходів, зокрема, шляхом виготовлення ливарних моделей методом АВ із відходів пінополістиролу (ППС, EPS). Такі крупнотонажні відходи у світі включають відходи від упаковки і теплоізоляційних матеріалів в будівництві тощо, переробка яких дає позитивний екологічний ефект і відповідає завданням численних природоохоронних заходів та захисту довкілля.

Спробуємо поєднати методи переробки відходів ППС і можливість їх застосування для АВ разових моделей для виробництва точних виливків. Такі моделі видаляються з ливарної форми випалюванням, розчиненням, витоплюванням чи газифікацією у ливарній формі розплавом металу. Останні відносяться до способу ЛГМ. Здебільшого, для моделей, застосовуваних в процесі ЛГМ, описаний нижче спосіб виробництва дасть найбільший корисний ефект. Для інших полістирольних виробів цим способом АВ можна друкувати декоративні, технічні чи побутові вироби, подібні до тих, що широко виробляють з полістиролу чи ППС.

Серед патентів за темою утилізації відходів ППС шляхом виготовлення конструкцій відомий спосіб застосування відходів ППС при їх подрібненні до часток 1-3 мм, змішуванні з відходами фібри у об’ємному відношенні 3 : 7 - 7 : 3 та виготовленні конструкційних виробів з використанням операції нагрівання [1]. Також в результаті наших досліджень створено технологію використання відходів ППС після їх термокомпактування [2, 3]. Таке компактування дає дисперсний сипкий матеріал підвищеної насипної густини (порівняно з ППС) для зручного його дозування при змішуванні з мінеральною сировиною та виробництва з такого композиту плитки для підлоги громадських будівель, панельної облицювальної плитки, тротуарної плитки, кришок люків та водозливних решіток тощо.

Застосування відходів ППС за такими способами сприяє збереженню навколишнього середовища, бо в теперішній час, як зазначено [2, 3], відходи ППС мало застосовуються, тому вони прогресивно накопичуються, створюючи серйозну загрозу екології довкілля. У 2016 р. світове виробництво полістиролу становило близько 14,7 і ППС - 6,6 млн метричних тонн на рік [4], при чому понад 40 % його застосовували для упаковки, яка йшла у відходи, часто розосереджені за численними потоками побутового походження [3]. Серед методів ліквідації твердих побутових відходів в даний час найпоширенішим вважають складування на полігонах, на які вивозиться 85-90 % відходів, ~10 % утилізується шляхом спалювання і не більше 5 % утилізується іншими методами [5]. Проте ППС не гниє, як природні органічні відходи, і його не дозволено спалювати без дії каталізаторів із-за утворення шкідливих речовин [3], які виносять гарячі гази з не зовсім окисленими (до СО₂ і Н₂О) органічними сполуками.

Значна кількість відходів утворюється в ливарних цехах ЛГМ при виготовленні моделей з ППС (˃10 % [4]), особливо для разового та дрібносерійного лиття при вирізанні моделей з блочного ППС. Нині все більше поширюється механічне вирізання моделей на верстатах з числовим програмним керуванням (ЧПК), які ще називають 3D-фрезерами. Цей процес, як і процес 3D-друкування, пов'язаний з цифровізацією виробництва, що дозволяє без паперових креслень з цифрової моделі за комп’ютерними програмами автоматично виготовляти полімерні моделі, як приклад перетворення цифрового (інформаційного файла) у фізичне (матеріальне утворення, термін: digital-to-physical conversion) у вигляді ливарної моделі.

При цьому відходи ППС не можна знищити на ливарних підприємствах, як зазначено вище [3], ці відходи легковагі, тому мають значний об’єм, нерозчинні для води і не піддаються біологічному розкладенню, тому повинні складуватись, пакуватись і вивозитись сторонніми організаціями для захоронення чи утилізації. Це збільшує собівартість литої металопродукції, а виготовляти вироби за способами [1, 2] ливарникам не вигідно, бо це притаманно заводам іншої галузі - з випуску будматеріалів чи продукції з полімерів.

В окремих публікаціях ставиться завдання навчитися переробляти 3D-пластик, що відпрацював свій «життєвий» термін, або полімерні 3D-моделі з дефектами, недоліками чи невдалі копії виробів, що моделюються. До проектування пропонується така схема установки для отримання філаменту (нитки для  3D-друку) з відходів такого пластику (рис. 1) [6]. Але 3D-пластик, що нині застосовується, зарубіжного виробництва і здебільшого не призначений для повторного застосування для 3D-друку (за гарантійними умовами експлуатації 3D-принтерів). Крім того, для разових ливарних моделей, як описано нижче, необхідний пластик зі  спеціальними властивостями.

Рис. 1. Схема установки для переробки пластику, як технічне завдання для проектування

Серед прикладів застосування АВ в ливарному виробництві відомий 3D-друк полімерних моделей, що випалюються з виготовлених по ним разових оболонкових форм [7, 8]. Терміни «АВ» і «3D-друк» використовуються як синоніми. Для лиття металу за моделями, що випалюються, аналогічно методу Replicast-CS (Shell molding refractory) [9], виготовляють піщану чи керамічну вогнетривку оболонкову форму (4-5 шарів зі зв'язувальним матеріалом) по типу лиття за моделями, що витоплюються. Для цього типу лиття характерна висока собівартість виливків, бо оболонкові форми, як правило, наносять на разову модель пошарово з тривалими сушкою і наступним випалюванням з них полімерних моделей.

Складність випалювання пластикової моделі виливка, як описано в роботі [8], пов'язана з небезпекою руйнування керамічної ливарної оболонки. Теоретично можна підібрати режим нагрівання, при якому пластик моделі втратить міцність раніше, ніж зруйнує оболонку. У зарубіжних звітах вказується, що при випалюванні FDM-моделей фірми використовують різні режими нагрівання, відпрацьовані у своєму виробництві. Однак такий підхід потребує зміни температури залежно від часу за певним законом, що пред'являє певні вимоги до виконання операції та обладнання.

Для спрощення процесу випалювання моделі та гарантованої зі зберігання оболонки в роботі [8] було застосовано виконання моделі пустотілою, тонкостінною. Перед формуванням у ливарну оболонку на короткий час заливали розчинник (ацетон), що послаблює пластикову модель. Потім розчинник зливали, а оболонку наповнювали негорючим газом, зокрема, використовували аргон. Після такої операції модель, що втратила міцність, мала меншу можливість зашкодити ливарній оболонці. Випалювання проводили в печі при  температурі 920…950 °С.

В результаті експериментів встановлено, що при відносно великій масі випалюваного матеріалу після багатогодинного процесу у формі залишалася велика кількість золи [8]. Оскільки точний склад ABS-пластика, що застосовується у FDM (Fused deposition patterning) - технології АВ невідомий, зольний залишок піддали рентгеноструктурному якісному фазовому аналізу та виявили в ньому лише вуглець (рис. 2, а) [8]. Зменшення маси матеріалу, що випалюється, і продування форми після прожарювання стисненим повітрям підвищують чистоту ливарної форми. Однак найкращі результати дало охолодження форми після випалювання та її промивання водою. У цьому випадку перед заливанням форму знов прожарювали по традиційному циклу. Отримані виливки мали хорошу якість поверхні (рис. 2, б) [8].

             а                                               б

Рис. 2. Зольний залишок (а) та виливки, отримані з використанням випалюваних FDM-моделей (б) [8]

Спроба лиття методом ЛГМ також була виконана вітчизняними ливарниками [10]. Для друку було обрано три різні пластики ABS, HIPS, PLA. Експериментальні моделі роздруковували з товщиною стінок 1 мм та внутрішньою матрицею (рис. 3, а, б). Елементи ливникової системи виготовляли з ППС окремо. Заливання проводили алюмінієм в піщану вакуумовану форму. На жаль, ні один із проведених експериментів не мав успіху. Всі з перерахованих вище пластиків мають занадто щільну структуру, яка повністю не газифікується під впливом рідкого металу. Найбільш близькою до газифікації, була модель, виготовлена з нитки HIPS [10]. Незважаючи на точно отриману конфігурацію експериментальної моделі, верхній шар пластику розплавився та пригорів до поверхні форми. Найбільш вдалий отриманий виливок показано на рис. 3, в.

           а                                                б                                                    в

Рис. 3. Ливарна модель, створена в CAD-системі (а), 3D-друкована полімерна модель (б), найбільш вдалий отриманий виливок методом ЛГМ (в)

З проведеного експерименту зроблено висновок, що необхідно підібрати або ж розробити нитку-філамент для друку, яка б повністю газифікувалась при контакті з розплавом. Це дозволить значно зменшити газовиділення та скоротити цикл отримання виливків.

Серед прикладів АВ при відпрацюванні конструкцій полімерних моделей у ФТІМС НАНУ показано моделі на рис. 4, де 1 – лопатка (лопать) ГТД, 2 – її комірчаста серцевина, 3 – повздовжній канал. Також показано результати тестування 3D-принтера і якості виробів при друкуванні зразків різними матеріалами (рис. 5).

Рис. 4. Приклади друку ливарних моделей лопаток ГТД на 3D-принтері, де 1 – зовнішній вигляд лопатки, 2 – її комірчаста серцевина, 3 – повздовжній канал.

Рис. 5. Приклади друкування різними матеріалами зразків складної геометрії

З розглянутих експериментів очевидно, що значно нижчою була б собівартість виливків за полімерними друкованими моделями при ЛГМ, ніж за моделями, що випалюються. Але, на жаль, маса друкованих моделей на одиницю об’єму вища від моделей з ППС, відповідно, і газотвірність з ростом пікових тисків утворюваного газу від спроб їх газифікації у формі. Також друковані моделі мають більші твердий залишок і зольність, що покриває поверхню форми, ніж моделі з ППС, що погіршує якість виливків і є перешкодою того, що друковані моделі практично не застосовують для ЛГМ за традиційною технологією, описаною в класичній монографії [9].

Зарубіжні компанії зараз роблять лише окремі перші спроби створення легкоплавких матеріалів для 3D-друку разових моделей, газифікація яких могла б наближатись до відпрацьованих моделей з ППС. Моделі прагнуть адитивно виготовити якомога більш порожнистими, щоб скоротити розходи матеріалу і зменшити витрати на нього [7]. За описами [10, 11], моделі друкують із спеціально виготовленої нитки (філамента) товщиною 1,75 мм, потім після тривалого виготовлення керамічних форм такі моделі з них випалюють прожарюванням у печах з видаленням випалених газів з цеху.

Друк моделей з імпортного ниткового матеріалу дорогої вартості, що не випускається серійно в Україні, разом з операцією випалювання підвищує вартість виливків в кілька разів, порівняно з традиційним способом ЛГМ. Крім філаменту, також відомий початок застосовування плавкого гранульованого матеріалу, що має незначно меншу вартість і не випускається в Україні. Та інформацію про його застосування для друку ливарних моделей (з їх специфікою) не виявлено, бо таке АВ тривимірних об'єктів часто є лише на рівні експерименту. Також на даному етапі йде лише дослідження АВ моделей з філаменту, що включає добавку ППС [11] чи механічну вставку з нього в конструкцію моделі як опору (для здешевлення), для способу лиття за моделями, що випалюються з оболонкових форм [11].

З метою створення способу АВ ливарних моделей (та будь-яких тривимірних об'єктів) для переведення з процесу лиття за 3D-друкованими моделями, що випалюються, на більш економну технологію ЛГМ у вакуумованих формах з сипкого піску нами запропоновано використання відходів ППС від виробництва моделей для ЛГМ за місцем їх утворення як метод їх утилізації. Це науково-технологічне рішення обґрунтувано результатами наших досліджень і полягає в тому, що в способі АВ ливарних моделей, який включає процес витікання формотвірного матеріалу із сопла, переміщуваного в просторі за заданою програмою траєкторією, в якості формотвірного матеріалу застосовують розплав подрібнених відходів ППС. Також в якості таких подрібнених відходів можливо застосувати відходи чи стружку при виготовленні ППС-виробів на верстатах з ЧПУ (3D-фрезерах). Крім того, в якості подрібнених відходів ППС доцільно застосовувати його термокомпактовані відходи [12].

Матеріал ППС давно відпрацьований для ЛГМ, його відходи мають невеликі показники міцності і твердості, тому їх легко дробити чи молоти. В дослідному варіанті, для подрібнення, застосовували млин лабораторний Bizon 850 з об'ємом циліндричного бункера 850 мл, потужністю 1500 Вт, виробництва КНР, що є в продажу на українському ринку. Подрібнення кускових відходів ППС, що поміщали у цей бункер, прискорювали притисканням зверху оправкою чи плунжером (відповідного розміру до діаметра бункера) цих відходів без торкання оправки чи плунжера до подрібнювальних лез, що обертаються.

При відпрацюванні в лабораторії режимів отримання з сипких подрібнених відходів ППС тонкого струменя розплаву в найпростішому варіанті застосували клейовий пістолет, що серійно випускається для з'єднання деталей розплавом полімеру з температурою 120–150 °C, в який заправляють клейові стрижні діаметром 11,2 мм і нагрівають їх подачею електроживлення на ТЕН в нагрівальній камері поряд з соплом. Серійно випускаються також пістолети для клейових стрижнів ø12 мм та з нагріванням до 200 °C. Замість такого стрижня вставляли металеву трубку, по якій під тиском подавали подрібнені відходи ППС. При цьому з термопістолета при нагріванні з сопла виходив струмінь розплаву полістиролу ø3 мм відповідно до швидкості подання крізь трубку подрібнених відходів ППС. Це експериментально довело придатність подрібнених відходів ППС для дозованого та регульованого витікання їх розплаву у вигляді формотвірного матеріалу із сопла.

Виготовлення ливарних моделей та інших виробів механічною обробкою блоків чи плит з ППС на верстатах з ЧПУ (3D-фрезерах для обробки полімерів, дерева чи легких сплавів), десятки різновидів яких є на ринку України, супроводжують відходи - дрібна розсипчаста стружка ППС, яку видаляють з зони фрезерування по трубопроводу місцевою витяжною вентиляцією на кшталт дії пилососа (пиловловлювача). Такі відходи часто не потребують додаткового подрібнення і придатні як матеріал для АВ ливарної моделі чи іншого тривимірного об'єкту, як технічного, так і декоративного чи моделей, що застосовують для макетування чи рекламних інсталяцій.

Термокомпактовані відходи ППС - це подрібнені до розмірів 15-20 мм відходи ППС, отримані температурним впливом (нагрівання при температурі  ~140 °С протягом 5 хв), що зменшує об'єм ППС у ~20 разів [2, 3] та дозволяє вводити їх в ємність для подачі в екструдер значно менших розмірів, ніж потрібні такі для подрібнених відходів ППС. Такі компактовані відходи (як аналоги грануляту) потребують значно меншого простору для складування і дозволяють збільшити (порівняно з типовими відходами ППС) масовий потік сировини в установках 3D-друку, який вимірюється в одиницях маси за одиницю часу.

Сипкі подрібнені відходи пластиків лише недавно почали вживати в пристроях адитивного формування крізь екструдер, у якому поєднують, аналогічно патенту [2], процеси дозування, пресування, нагрівання та витікання з сопла. В 3D-принтерах для друку із подрібненого пластику або пластикових гранул є бункер, куди завантажується сировина, що подається на гарячу головку 3D-принтера (рис. 6) [13], як це роблять з ниткою-філаментом.      

Рис. 6. 3D-принтер для друку з подрібненого пластику або пластикових гранул

Спосіб [12] відповідає тенденції поширення АВ у ливарному виробництві. З часом друковані полімерні моделі стануть все дешевшими, чистота поверхні їх вища ніж у моделей з ППС. 3D-друк дозволяє в автоматичному режимі виготовити цільними такі конструкції, які для моделей з ППС лише можна було б зібрати з кількох частин. Подвійна економія полягає в: 1) утилізації відходів ППС в ливарних цехах за місцем їх утворення одночасно з 2) АВ з них моделей при заміні лиття за моделями, що випалюються, на ЛГМ у формах з сипкого піску. Адже практично з того ж самого матеріалу, що і за традиційним ЛГМ-процесом (за величинами твердого залишку і зольності), – утилізованого ППС адитивно виготовляються моделі. Для ЛГМ моделі краще друкувати оболонковими з порожниною, заповненою тонкими (комірчастими) розпірками між протилежними стінками, лише аби пісок, що засипають у контейнер при виготовленні ливарної форми, не деформував стінки моделі. Цим наближають масу друкованої моделі до маси такої ж моделі з ППС, що відпрацьована для ЛГМ-процесу. Якщо питома вага друкованої моделі надто висока, то застосовують нові способи ЛГМ з виведенням надлишку газів від газифікації моделі крізь вентиляційний канал у моделі і трубчастий випор за межі форми і їх окисленням, як за способом [14]. Така нейтралізація газоподібних відходів при ЛГМ слушно доповнює утилізацію твердих відходів ППС, як сировини для АВ ливарних моделей. Воднораз ці способи дають синергічний ефект щодо екологічного збереження довкілля, покращення умов праці ливарників та зниження собівартості литої продукції разом з підвищенням її якості.

                                                                Список літератури

1. Патент 2024558 РФ, C1, C08J 11/12. Способ получения композиционного материала / А.Б. Корженевский, В.А. Бурмистров, И.А. Овечкин. Опубл. 15.12.1994.
2. Патент 82838 Україна, МПК С08J 11/04. Спосіб одержання полімерного композиційного матеріалу / О.Й. Шинський, А. О. Стрюченко, В.С. Дорошенко та ін. - Опубл. 12.08.2013, Бюл. 15.
3. Шинский О. И., Тихонова О. А., Стрюченко А. А., Дорошенко В. С. Исследование процессов термокомпактирования отходов пенополистирола. Твердые бытовые отходы. 2011.  № 4. С. 48-50.
4. Uttaravalli A.N., Dinda S. & Gidla B.R. (2020). Scientific and Engineering Aspects of Recycling and Reuse of Expanded Polystyrene Waste for Various Potential Applications: A Review. Process Safety and Environmental Protection, 137, 140–148.
5. Трунилина А. В., Баурова Н. И. Полимерные композиты со свойствами биодеградации // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2019. № 1. С. 9-13.
6. Винниченко А. В., Назаревич С. А. Разработка технического решения для итеративной филаментизации 3D-пластика // Материалы ІІ всеросс. научн. конф. Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем. 19-23.04.2021 г. Сб. докл. СПб.: ГУАП, 2021. С. 107-111.
7. Митраков Г. Н., Евдокимов С. Н., Лаврик Е. Г., Сазонов В. С. Использование аддитивных технологий при литье по выжигаемым моделям. Омский научный вестник. 2015. № 2. С. 80-84.
8. Литье стали по выжигаемым аддитивным моделям / П.А. Андрианов, А.Е. Колмаков, М.М. Уткин / Известия ТулГУ. Техн. науки. - 2019. - Вып. 4. - С. 346-344.
9. Шуляк В. С. Литье по газифицируемым моделям. СПб.: НПО «Профессионал», 2007. 408 с.
10. Цифровые технологии в литейном производстве / Ю. И. Гутько, А. Н. Голофаев, Н. А. Тараненко, В. С. Мирошниченко. Инновационные технологии в литейном производстве: Сб. трудов Междун. научно-техн. конф., (22–23 апр. 2019 г., Москва) / под ред. К. А. Батышева, К. Г. Семенова. – М.: ИИУ МГОУ, 2019. – С. 330-333.
11. Прохорчук Е. А., Трапезников А. В., Ларионов С. А., Соколов А. В. Исследование и выбор оптимального состава филамента для 3D-печати литейной выжигаемой модели. Литейное производство. 2021. № 4. С. 23-27.
12. Патент 151359 Україна, МПК B22C 9/02, B22C 15/02. Спосіб адитивного виробництва полістирольної ливарної моделі чи іншого тривимірного об'єкту складної конфігурації / О.Й. Шинський, В.С. Дорошенко та ін. Опубл. 13.07.2022. Бюл. № 28.
13. Ile Kauppila. 3D Printing From Plastic Waste: 10 Successful Projects. Sep 20, 2021. URL: https://all3dp.com/1/3d-printing-from-plastic-waste/
14. Патент 147217 Україна, МПК B22C 7/02, B22C 9/04. Спосіб лиття металу за моделями, що газифікуються, з окисленням продуктів газифікації / О.Й. Шинський, В.С. Дорошенко. Опубл. 24.04.2021, Бюл. 16.

Авторы:

Дорошенко В.С., Нейма О.В.

Литье Украины, 2022, №12, с. 10-17