Физика и техника » Нетрадиционные технологии » Пространственные каркасно – ячеистые металлоотливки по аналогам из живой и неживой природы

Пространственные каркасно – ячеистые металлоотливки по аналогам из живой и неживой природы
.: Дата публикации: 20.06.2011 13:08 :: Просмотров: 3742 :.
В. С. Дорошенко
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
Пространственные каркасно – ячеистые металлоотливки по аналогам из живой и неживой природы
Проектирование конструкции металлоотливки при получении ее в литейной форме для почти всех видов форм, назовем их традиционными, предполагает размещение отливки в плоскости (редко, поверхности) разъема формы. Наличие разъема формы в технологии литья создало стойкий стереотип, формирующий представление о том, как должна выглядеть отливка. Эта тема, находящаяся на пересечении сфер деятельности литейщика и конструктора-механика, в такой ее трактовке постоянно присутствует или подразумевается при проектировании конструктором отливок, начиная с занятий в вузах по технологии формы, курсовых проектов и НИР. В результате формируется представление, что отливка – это то, что войдет в разъем формы, часто со стержнями, которые в общем случае предполагают разъем стержневого ящика, ведь без этих разъемов отливку не получить.
Технология литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), пренебрегая этим стереотипом, позволяет разместить отливку или блок отливок в пространстве песка неразъемной формы, предполагая и выявляя проблему оптимизации объемного размещения и конструирования отливок, что практически недостижимо для других конкурирующих технологий. Вместо «что и как разместить в плоскости?» для ЛГМ актуально «что и как разместить в объеме?» текущего сухого песка, по своим свойствам во время виброуплотнения напоминающего «псевдожидкость».
Нетрадиционные возможности ЛГМ по проектированию отливок кардинально расширили их конструкционные возможности и открыли новое направление литья сотовых, объемно-ячеистых, скелетно-решетчатых конструкций, материалов и блоков отливок [1-3]. Ячеистые металлические материалы расширяют существующий спектр свойств традиционных материалов, они на ~50-90% легче монолитных материалов, в частности, образцы стальной пены имеют минимальную пористость ~80% и высокую для данного уровня пористости конструкционную прочность и жесткость. Эти материалы имеют потенциал для применения как несущие, армирующие, изолирующие, ограждающие, демпфирующие удары конструкции, способные взаимодействовать, в частности, с потоком вещества или энергии. Они применимы для отделения и удаления отходов, в т.ч., для очистки газов, жидкостей, а также для глушителей шума, взрыво- и пламяпреградителей, адсорбционных, акустических, отопительных, теплообменных устройств, элементов источников тока, катализаторов, электродов, в системах облегчения конструкций и как костяк для композиционных материалов.   
Возникновение нового направления ячеисто-каркасного литья и проблемы оптимизации конструкций таких отливок привели к решению выполнить их путем копирования по аналогам из живой и неживой природы, включая структуры микро- и наномира. Для этого использовали принципы строения: 1) кристаллических решеток по их изображению в кристаллографии; 2) веток деревьев, древо- или дендрито-образных каналов кровеносной и дыхательной систем млекопитающих, а также 3) спиралевидного расположения листьев (филлотаксис) из ботаники и биологии; 4) пены со сквозными порами и ячейками преимущественно в виде пентагонального додекаэдра, описанной в области физико-химии; 5) фуллеренов и углеродных трубок из физики наномира, как углеродных конструкций из такого «нобелевского» материала, как графен; 6) аморфных веществ с «регулярным беспорядком» ячеек их наноструктуры из кристаллографии; 7) молекулы ДНК по модели Уотсона-Крика; 8) молекулы алмаза как наиболее твердого природного материала. Получено 5 патентов на изобретения, 3 заявки - на рассмотрении патентного ведомства.
При этом стремились к созданию объемных структур с повторяющимися унифицированными элементами, пенопластовую модель которых можно серийно изготовить на пластавтоматах. Например, при проектировании пенопластовой модели, «по образу» кубической кристаллической решетки, использовали простую геометрическую операцию параллельного переноса, когда модель участка двумерной «сетки» таких решеток с рядом вертикальных перемычек удобно выполнить в пресс-форме с плоским разъемом и склеить в стопку с подобными плоскими решетками. Выполнение модели как стопки плоских решеток, разделенных вертикальными перемычками, дает сквозные одинаковые поры или полости, минимальные размеры которых ограничены лишь возможностью их заполнения сухим формовочным песком. Размеры пор-отверстий получаемого литого материала могут быть до десятков, сотен и больше миллиметров, тогда как размеры ячеек решеток кристаллов, используемых как прообразы для пенопластовых моделей, составляют порядка десятых нанометра. Проектирование компьютерными программами (с возможным использованием 3Д-фрезеров для изготовления моделей) литых ячеистых материалов с заимствованием свойств от их аналогов, а также использования этих свойств в армируемых ими композитах, расширит количество разновидностей их строения и спектр функционального применения.
Указанные решения использованы в реализации научно-технического проекта по разработки способов литья двухслойных армированных и биметаллических контейнеров для транспортировки и захоронения радиоактивных отходов, включая выполнение их стенок из композитов с оксидами различных металлов, в т.ч. тяжелых бетонов из шлаков, как наполнителей.
Список литературы
1. Дорошенко В. С. Способы получения каркасных и ячеистых литых материалов и деталей по газифицируемым моделям // Литейное производство. - 2008. - № 9. – С. 28-32.
Другие работы автора: