Лед и пламень

Производить металлические отливки по ледяным моделям предлагают киевские ученые.

Материалоемкость и себестоимость литейного производства во многом определяют cостояние машиностроительной отрасли. Заменить органические материалы для изготовления разовых литейных моделей позволяет ресурсосберегающая и экологически безопасная криотехнология, разработанная учеными Физико-технологического института металлов и сплавов НАН Украины (ФТИМС, Киев).

Просто добавь воды

Группа специалистов под руководством профессора О.И. Шинского предложила три способа изготовления песчаных оболочковых форм по ледяным моделям путем получения твердеющих композиций «связующее + отвердитель». Первый вариант: ледяная модель служит носителем связующего, а сухая песчаная облицовочная смесь содержит отвердитель. Во втором ледяная модель является носителем отвердителя, а облицовочный слой песка — связующего. Наиболее экологически благоприятный вариант — третий: модель замораживается из чистой воды, которая не вступает в реакции отвердения формовочной смеси с добавками реагентов отвердителя и связующего, но без воды эти реакции не идут. Во всех трех способах подбирали составы с максимальной скоростью твердения.

При изготовлении оболочковой формы путем засыпки песка в контейнер с ледяной моделью, виброуплотнения, таяния модели и пропитки песка получают песчаную корку толщиной 3-8 мм. При этом в состав оболочки достаточно вводить 0,3-0,4% связующего от массы песка в контейнере, что на порядок меньше, чем требуется в традиционных формах из холоднотвердеющих песчаных смесей.

Разработка составов замораживаемых водных композиций, в которых один компонент связующего находится в модели, а другой — в окружающей ее песчаной смеси, показала достаточно хорошую технологичность получения оболочковых форм путем пропитки водным составом от тающей модели. В одном из таких примеров мы использовали ледяные модели из вод­ного раствора жидкого стекла плотностью 1,08 г/см3 при содержании в песчаной смеси быстротвердеющего цемента. Продолжительность твердения оболочки от начала таяния модели массой 0,2—0,5 кг составляла 6 минут и более, после полного расплавления остаток модельной композиции, не пропитавший окружающий песок, выливали из затвердевшей оболочки, а оболочковую форму направляли на подсушку или заливку металлом с небольшим вакуумированием.

Также во ФТИМСе разработаны способы вакуумной упаковки ледяных моделей в синтетическую пленку для последующего использования технологии вакуумно-пленочной формовки. Способы получения оболочковых форм с противопригарными свойствами вокруг разовой ледяной модели сформировали новую крио­технологию литья деталей из металлов для машиностроения. Она исключает или сводит к минимуму использование полимеров, связующего для песка литейной формы, заменяет органические — пенопластовые или парафино-стеариновые — модели на ледяные. Такой процесс производства отливок полностью соответствует экологически чистым безотходным технологиям по принципу «просто добавь воды».

Так вот в чем соль!

По мере развития своей технологии киевские ученые намерены осваивать программы намораживания моделей в трехмерных принтерах, которые, используя в холодильной камере капли не чернил, а воды, постепенно создают ледяные фигурные изделия. Сегодня интерес в этой области представляют разработанные канадскими специалистами роботы.

Профессор Питер Сайдж­пкес из школы архитектуры Университета Макгилла, Хорхе Анджелес, глава лаборатории робототехнических систем университета, и их коллеги потратили три года на разработку, постройку и отладку необычных систем быстрого прототипирования, названных New Architecture of Phase Change.

Обычно в таких системах в качестве «чернил» используют различные полимеры, твердеющие после распыления. Канадцы же задействовали обычную воду. Она способна радикально снизить стоимость готовых изделий, упростить и ускорить получение нужных деталей.

Первый робот, превратившийся в аппарат для создания «цифровых ледяных скульп­тур», — Fab@Home, или FAH. Изначально он и предназначен для прототипирования, но управлялся с обычными полимерами и смолами. Потому «инструментальную» часть его пришлось полностью заменить. Ввели авторы системы и другие новшества. Так, чтобы вода, поступающая в манипулятор машины, не замерзла до выпуска через сопла, ученым и инженерам пришлось со­орудить подогрев магистралей, удерживающий их температуру при плюс 10°С. Такой робот оказался способным выращивать слой за слоем изо льда разнообразные вещи, нарисованные в компьютере.

Но главная находка канадцев – способ формирования тонкостенных ледяных деталей с ажурными частями. Чтобы они не ломались раньше времени и не стекали в стороны, пока не замерзнут, требовались некие подпорки, строительные леса, которые нужно было встроить прямо в растущую ледяную форму, а затем убрать. Ученые решили делать леса также из воды. Но не обычной, а соленой. Добавили к манипулятору робота второе сопло – для вод­ного раствора хлорида калия. Именно им, словно вторым цветом, водно-ледяной «принтер» и вычерчивает контуры подпорок одновременно с элементами модели.

При 20-30° мороза и чистая вода, и рассол замерзают одинаково хорошо. А вот чтобы из получившейся заготовки извлечь окончательное изделие, его следует аккуратно подогреть до минус 4°. Рассол тает и уходит прочь, а деталь из чистого льда остается.

Справка «УТГ»

Криотехнология машиностроения — литье из черных и цветных металлов по ледяным моделям — позволяет получать отливки из чугуна, стали, алюминия, медных и других сплавов. Технология защищена десятками патентов на изобретения. Сегодня ученые ФТИМСа ищут научных и инженерных партнеров для дальнейших совместных исследований и внедрения такого вида литья в производство.