Крига і полум’я

Виробляти металеві виливки за крижаними моделями пропонують київські вчені.

Матеріалоємність і собівартість ливарного виробництва багато в чому визначають стан машинобудівної галузі. Замінити органічні матеріали для виготовлення разових ливарних моделей дозволяє ресурсозбережна й екологічно безпечна кріотехнологія, розроблена вченими Фізико-технологічного інституту металів і сплавів НАН України (ФТІМС, Київ).

Просто додай води!

Група фахівців під ке­рівництвом професора О.І. Шинського запропонувала три способи виготовлення піщаних оболонкових форм за крижаними моделями шляхом одержання композицій, які твердіють, — «зв’язуюче + затвердівач». Перший варіант: крижана модель є носієм зв’язуючого, а суха піщана лицювальна суміш містить затвердівач. У другому крижана модель є носієм затвердівача, а лицювальний шар піску — зв’язуючого. Найбільш екологічно сприятливий варіант — третій: модель заморожується із чистої води, яка не вступає в реакції отвердіння формувальної суміші з домішками реагентів затвердівача й зв’язуючого, але без води ці реакції не відбуваються. У всіх трьох способах добирали суміші з максимальною швидкістю твердіння.

Під час виготовлення оболонкової форми шляхом засипання піску в контейнер із крижаною моделлю, віброущільнення, танення моделі й просочення піску одержують піщану кірку товщиною 3—8 мм. При цьому до складу оболонки досить уводити 0,3—0,4% зв’язуючого від маси піску в контейнері, що на порядок менше, ніж потрібно в традиційних формах із холоднотвердіючих піщаних сумішей.

Розробка водних композицій, що заморожуються,­ у яких один компонент зв’язуючого перебуває в моделі, а інший — у піщаній суміші, яка оточує її, показала досить добру технологічність одержання оболонкових форм шляхом просочення водною сумішшю від моделі, що тане. В одному з таких прикладів ми використовували крижані моделі з водяного розчину рідкого скла щільністю 1,08 г/см3 за вмісту в піщаній суміші швидкотвердіючого цементу. Тривалість твердіння оболонки від початку танення моделі масою 0,2—0,5 кг становила 6 хвилин і більше, після повного розплавлення залишок модельної композиції, який не просочив навколишній пісок, виливали із затверділої оболонки, а оболонкову форму підсушували або заливали металом із невеликим вакуумуванням.

Також у ФТІМСі розроб­лено способи вакуумного упакування крижаних моделей у синтетичну плівку для подальшого використання технології вакуумно-плівкового формування. Способи одержання оболонкових форм із протипригарними властивостями навколо разової крижаної моделі сформували нову кріотехнологію лиття деталей із металів для машинобудування. Вона виключає або мінімізує використання полімерів, зв’язуючого для піску ливарної форми, заміняє органічні — пінопластові або парафіно-стеаринові — моделі на крижані. Такий процес виробництва виливків цілком відповідає екологічно чистим безвідхідним технологіям за принципом «просто додай води».

То от у чому сіль!

У міру розвитку своєї технології київські вчені мають намір освоювати програми наморожування моделей у тривимірних принтерах, які, використовуючи в холодильній камері краплі не чорнила, а води, поступово створюють крижані фігурні вироби. Сьогодні інтерес у цій сфері становлять розроблені канадськими фахівцями роботи.

Професор Пітер Сайджпкес­ зі школи архітектури Університету Макгілла, Хорхе Анджелес, голова лабораторії робототехнічних систем університету, і їхні колеги витратили три роки на розробку, будівництво та налагодження незвичайних систем швидкого прото­типування, названих New Architecture of Phase Change.

Звичайно в таких системах «чорнилом» є різні полі­мери, які твердіють після розпилення. Канадці ж задіяли звичайну воду. Вона здатна радикально знизити вартість готових виробів, спростити й прискорити одержання потрібних деталей.

Перший робот, який перетворився на апарат для створення «цифрових крижаних скульптур», — Fab@Home, або FAH. Від самого початку він саме й був призначений для прототипування, але управлявся зі звичайними полімерами та смолами. Тому «інструментальну» частину його довелося цілком замінити. Застосували автори системи й інші ново­­введення. Так, щоб вода, яка надходить у маніпулятор машини, не замерзла до випуску через сопла, ученим та інженерам довелося спорудити підігрів магістралей, який утримує їхню температуру за плюс 10°С. Такий робот здатен вирощувати шар за шаром із криги різноманітні речі, намальовані в комп’ютері.

Але головна знахідка канадців — спосіб формування тонкостінних крижаних деталей з ажурними частинами. Щоб вони не ламалися завчасно й не стікали в різні боки, поки не замерзнуть, були потрібні якісь підпірки, будівельні риштовання, які необхідно було вмонтувати безпосередньо в крижану форму, а потім прибрати. Учені вирішили робити риштовання також із води. Але не звичайної, а солоної. Додали до маніпулятора робота друге сопло — для водяного розчину хлориду калію. Саме ним, немов іншим кольором, водно-крижаний «принтер» і накреслює контури підпірок одночасно з елементами моделі.

За 20-30° морозу і чиста вода, і розсіл замерзають однаково добре. А от щоб із заготівки витягти остаточний виріб, його треба акуратно підігріти до мінус 4° . Розсіл тане, а деталь із чистої криги залишається.

Довідка «УТГ»

Кріотехнологія машинобудування — лиття із чорних і кольорових металів за крижаними моделями — дозволяє одержувати виливки із чавуну, сталі, алюмінію, мідних та інших сплавів. Технологія захищена десятками патентів на винаходи. Сьогодні вчені ФТІМСу шукають наукових та інженерних партнерів для подальших спільних досліджень і впровадження такого виду лиття у ­виробництво.