CINXE.COM

<!DOCTYPE html>    <html>  <head><script type="text/javascript" src="/_static/js/bundle-playback.js?v=HxkREWBo" charset="utf-8"></script> <script type="text/javascript" src="/_static/js/wombat.js?v=txqj7nKC" charset="utf-8"></script> <script>window.RufflePlayer=window.RufflePlayer||{};window.RufflePlayer.config={"autoplay":"on","unmuteOverlay":"hidden"};</script> <script type="text/javascript" src="/_static/js/ruffle/ruffle.js"></script> <script type="text/javascript"> __wm.init("https://web.archive.org/web"); __wm.wombat("http://n-t.ru:80/tp/rz/dl.htm","20181123191906","https://web.archive.org/","web","/_static/", "1543000746"); </script> <link rel="stylesheet" type="text/css" href="/_static/css/banner-styles.css?v=S1zqJCYt" /> <link rel="stylesheet" type="text/css" href="/_static/css/iconochive.css?v=3PDvdIFv" />  <title>Давайте лить металл, копируя структуры Вселенной!. Cтатьи. Наука и техника</title> <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge,chrome=1"/> <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1"> <meta name="SKYPE_TOOLBAR" content="SKYPE_TOOLBAR_PARSER_COMPATIBLE"/>  <meta property="og:title" content="Давайте лить металл, копируя структуры Вселенной!"> <meta property="og:url" content="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/rz/dl.htm"> <meta property="og:image" content="https://web.archive.org/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/n-t158.png"> <meta property="og:image:width" content="316"> <meta property="og:image:height" content="316"> <meta property="og:description" content="Каркасные и ячеистые металлические конструкции и материалы предложено отливать по газифицируемым пенопластовым моделям, выполняя их по аналогам из живой и неживой природы. Такие изделия относят к материалам будущего, они расширят существующий спектр свойств металлопродукции, поскольку на 50...90% легче компактных материалов, имеют потенциал применения в конструкциях, взаимодействующих с объёмом или потоком вещества или энергии, летательных и космических аппаратов, а также как костяк для армированных и композиционных материалов. "> <link rel="icon" href="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/favicon.ico" type="image/x-icon"> <link href="/web/20181123191906cs_/http://n-t.ru/dz/nit.css" rel="stylesheet" type="text/css"> </head> <body> <script type="text/javascript"></script> <div id="fb-root"></div> <script>(function(d, s, id) { var js, fjs = d.getElementsByTagName(s)[0]; if (d.getElementById(id)) return; js = d.createElement(s); js.id = id; js.src = "//web.archive.org/web/20181123191906/http://connect.facebook.net/ru_RU/sdk.js#xfbml=1&version=v2.4&appId=1615304618725556"; fjs.parentNode.insertBefore(js, fjs); }(document, 'script', 'facebook-jssdk'));</script> <div class="vk vkm">  <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/"> <img class="il1" style="float: left;" src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/dz/1024-logo.gif" border="0" width="208" height="72" alt="Перейти в начало сайта" title="Перейти в начало сайта"> <img class="il2" style="float: left;" src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/dz/480-800-logo.gif" border="0" width="50" height="50" alt="Перейти в начало сайта" title="Перейти в начало сайта"> </a>  <div class="nv nm1">Электронная библиотека «Наука и техника»</div> <div class="nv nm2">n-t.ru: Наука и техника</div>  <div class="nv nv1"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/">Начало сайта</a> / <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/">Cтатьи</a> / <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/rz/">Разное</a></div> <div class="nv nv2"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/">Начало сайта</a> / <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/">Cтатьи</a> / <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/rz/">Разное</a></div> <div class="fp1"><div class="ya-site-form ya-site-form_inited_no" onclick="return {'action':'https://web.archive.org/web/20181123191906/http://n-t.ru/sy.htm','arrow':false,'bg':'transparent','fontsize':14,'fg':'#000000','language':'ru','logo':'rb','publicname':'Поиск по n-t.ru','suggest':false,'target':'_self','tld':'ru','type':3,'usebigdictionary':true,'searchid':149297,'webopt':false,'websearch':false,'input_fg':'#a1aab3','input_bg':'#ffffff','input_fontStyle':'normal','input_fontWeight':'normal','input_placeholder':'Поиск по n-t.ru:','input_placeholderColor':'#a1aab3','input_borderColor':'#B8D9B8'}"><form action="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://yandex.ru/sitesearch" method="get" target="_self"><input type="hidden" name="searchid" value="149297"/><input type="hidden" name="l10n" value="ru"/><input type="hidden" name="reqenc" value=""/><input type="search" name="text" value=""/><input type="submit" value="Найти"/></form></div><style type="text/css">.ya-page_js_yes .ya-site-form_inited_no { display: none; }</style><script type="text/javascript">(function(w,d,c){var s=d.createElement('script'),h=d.getElementsByTagName('script')[0],e=d.documentElement;if((' '+e.className+' ').indexOf(' ya-page_js_yes ')===-1){e.className+=' ya-page_js_yes';}s.type='text/javascript';s.async=true;s.charset='utf-8';s.src=(d.location.protocol==='https:'?'https:':'http:')+'//web.archive.org/web/20181123191906/http://site.yandex.net/v2.0/js/all.js';h.parentNode.insertBefore(s,h);(w[c]||(w[c]=[])).push(function(){Ya.Site.Form.init()})})(window,document,'yandex_site_callbacks');</script></div> </div> <div class="pl plm"> <div class="pll"> <p class="rz"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ns/" class="arz">Научные статьи</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ns/fz/" class="arb">Физика звёзд</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ns/fm/" class="arb">Физика микромира</a></p> <p class="rz"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nj/" class="arz">Журналы</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nj/pr/" class="arb">Природа</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nj/nz/" class="arb">Наука и жизнь</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nj/pl/" class="arb">Природа и люди</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nj/tm/" class="arb">Техника – молодёжи</a></p> <p class="rz"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nl/" class="arz">Нобелевские лауреаты</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nl/fz/" class="arb">Премия по физике</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nl/hm/" class="arb">Премия по химии</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nl/lt/" class="arb">Премия по литературе</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nl/mf/" class="arb">Премия по медицине</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nl/ek/" class="arb">Премия по экономике</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nl/mr/" class="arb">Премия мира</a></p> <p class="rz"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/" class="arz">Книги</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/lz/da.htm" id="rb">Во главе двух академий</a> </p><p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/og/gg.htm" id="rb">Грюндеры и грюндерство</a> </p><p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/mz/on.htm" id="rb">Обычное в необычном (Энциклопедия чудес. Книга первая)</a> </p><p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/sh/pn.htm" id="rb">Парадоксы науки</a> </p><p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/pl/zz.htm" id="rb">Среди запахов и звуков</a> </p><p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/kk/hm.htm" id="rb">Химия вокруг нас</a> </p> <p class="rz"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ii/" class="arz">Издания НиТ</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ii/ba/" class="arb">Батарейки и аккумуляторы</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ii/os/" class="arb">Охранные системы</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ii/ie/" class="arb">Источники энергии</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ii/st/" class="arb">Свет и тепло</a></p> <p class="rz"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/" class="arz">Научно-популярные статьи</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/ns/" class="arb">Наука сегодня</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/ng/" class="arb">Научные гипотезы</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/to/" class="arb">Теория относительности</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/in/" class="arb">История науки</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/nr/" class="arb">Научные развлечения</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/ts/" class="arb">Техника сегодня</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/it/" class="arb">История техники</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/iz/" class="arb">Измерения в технике</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/ie/" class="arb">Источники энергии</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/rn/" class="arb">Наука и религия</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/mr/" class="arb">Мир, в котором мы живём</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/lt/" class="arb">Лит. творчество ученых</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/br/" class="arb">Человек и общество</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/ob/" class="arb">Образование</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/rz/" class="arb">Разное</a></p> </div> <div class="plp plpm"> <h1>Давайте лить металл, копируя структуры Вселенной!</h1> <p class="ate"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ac/ap.htm#D08">Владимир Дорошенко</a></p> <div style="overflow: hidden; margin: 0px 0px 20px 40%;"> <div style="float: right;"> <p class="sm">Всякое искусство есть подражание природе.</p> <p class="sm"><i>Сенека Луций Анней младший</i></p> </div></div> <p>Современное литейное производство как древнейший вид обработки металлов ориентируется на существенное снижение металлоёмкости изделий. В свете этой тенденции наблюдается динамичное распространение в мировой практике способа литья по газифицируемым моделям (ЛГМ-процесс), когда пенопластовая модель в форме из сухого песка замещается расплавленным металлом и образует высокоточную отливку. При ЛГМ исключается применение связующих для песка, а прочность формы достигается за счёт вакуумирования – перепад атмосферного давления и внутриформенного разрежения прессует форму, отводя газы из формы без выделения дыма в атмосферу цеха.</p> <p>Институт ФТИМС НАН Украины (отдел формообразования под рук. проф. Шинского О.И.) в течение последних десятилетий совершенствует технологию ЛГМ в её различных разновидностях, а также поставляет комплекс базового технологического оборудования для организации литейных цехов производительностью 100...5000 т/год [1]. Институт ФТИМС спроектировал и запустил ряд цехов в России, поставил и внедрил такое оборудование в Польше и Вьетнаме, реконструировал несколько цехов в Киеве.</p> <p>Производственный потенциал технологии ЛГМ относительно создания новых материалов и конструкций далеко не исчерпан: сотни патентов компаний (чаще всего мировых лидеров машиностроения) ежегодно пополняют сайты с патентной документацией. Исключительная лёгкость обработки пенопластов, особенно с совершенствованием и удешевлением 3D-фрезеров (вплоть до настольных), которые с экрана компьютера вырезают из плиты пенопласта всё, что изображено на экране монитора (аналогично принтеру, только для объёмного «изображения»). Это позволяет не только быстро получить модель отливки, но сразу и модель пресс-формы с автоматическим учётом припусков и размеров нескольких технологических переделов. Другими словами, нарисовал на экране компьютера металлическое изделие (деталь) – получил модель пресс-формы, по этой модели – отлил пресс-форму, по ней получай тысячи моделей и лей из металла тысячи деталей. Если отливку пресс-формы из алюминия поставить на 3D-фрезер, он проверит её размеры и механообработкой доведёт до требуемой точности и чистоты поверхности.</p> <p>С другой стороны машиностроение для упаковочной промышленности создало большую гамму высокопроизводительных пластавтоматов для получения по указанным пресс-формам любых серий пенопластовых моделей. В то же время быстрое изготовление модели сочетается с высокой текучестью сухого песка, который при формовке во время уплотнения вокруг модели вибрацией или пневмопотоком подобно псевдожидкости заполняет мельчайшие фигурные её каналы и поверхности. Причём такое уплотнение во время изготовления песчаной литейной формы обычно занимает 1...2 минуты.</p> <p>В последние годы ЛГМ открывает такой спектр своих возможностей (и это является основной темой этой статьи), которые расширяют возможности литейного производства. Таким примером может быть проведённые в Германии работы по изготовлению стальной пены литьём по выжигаемым моделям в формах со связующим [2], о чём также указано в ежегодном отчёте института (Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Applied Materials Research (IFAM), Dresden) за 2005 г.</p> <p>На сайте <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://www.ifam.fraunhofer.de/de/Dresden.html">Fraunhofer IFAM</a> показаны фотографии пенополиуретановой пены с открытыми порами размерами до 2,5 мм (рис. 1а), которая служит выжигаемой моделью для литья стальной пены, а также образцы литой пены из нержавеющей стали 316L с размером ячейки 20, 45 и 60 ppi (рис. 1б) и трубчатые теплообменники со стальной пеной (сталь 316L) с ячейкой размером 20 ppi (рис. 1в).</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl1a.jpg" width="414" height="290" style="margin: 10px 0px 10px 0px;" alt="Пенополиуретановая пена со сквозными порами" title="Пенополиуретановая пена со сквозными порами" border="1"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 1а.</b> Пенополиуретановая пена со сквозными порами (увеличено), размер ячейки до 2,5 мм</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl1b.jpg" width="420" height="273" style="margin: 10px 0px 10px 0px;" alt="Образцы литой пены из нержавеющей стали 316L" title="Образцы литой пены из нержавеющей стали 316L" border="1"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 1б.</b> Образцы литой пены из нержавеющей стали 316L с размером ячейки 20, 45 и 60 ppi</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl1c.jpg" width="420" height="308" style="margin: 10px 0px 10px 0px;" alt="Трубчатые теплообменники со стальной пеной, сталь 316L" title="Трубчатые теплообменники со стальной пеной, сталь 316L" border="1"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 1в.</b> Трубчатые теплообменники со стальной пеной (сталь 316L, ячейка шириной 20 ppi)</p> <p>В этих работах отмечается, что ячеистые материалы расширяют существующий спектр свойств, так как они на 50...90% легче компактных материалов, а стальная пена имеет минимальную пористость около 80% и высокую для данного уровня пористости конструкционную прочность и жёсткость. Однако, промышленное использование полиуретановой пены, как указано в работе [2], в качестве модели с размером пор не выше 2,5 мм, по нашему мнению, ограничивает размеры получаемой металлической пены как ячеистого материала, кроме того, на ней трудно стабильно получать одинаковые функциональные свойства (проницаемость двух одинаковых образцов различна).</p> <p>Оценив технические возможности изготовления такой пены и сотовых конструкций в отечественных условиях, разработали ряд новых конструкций моделей для ЛГМ, поскольку описанный в указанной работе [2] процесс её получения имеет длительные энергоёмкие операции (выжигание модели, прокаливание формы), подобные литью по выплавляемым моделям. Получение полиуретановой пены со стабильными размерами ячеек, толщиной перегородок затруднительно, так же, как пролить тонкие перегородки пены без спекания металла с формировочной смесью со связующим, что может нарушить однородность структуры металлической пены. Во ФТИМС ранее получали образцы медной пены методом нанесения меди на гранулы полистирола с последующим их выжиганием, но производство металлической пены и сотовых материалов литьём предпочтительнее с точки зрения промышленного внедрения.</p> <p>Такие материалы имеют потенциал для применения как несущие, армирующие, изолирующие, ограждающие, демпфирующие удары конструкции, способные взаимодействовать с объёмом или потоком вещества или энергии. Они применимы для очистки газов, жидкостей, глушителей шума, датчиков систем давлений, взрыво- и пламяпреградителей, адсорбционных, акустических, отопительных, теплообменных устройств, элементов источников тока, катализаторов, электродов, для сверхлёгких конструкций, в том числе для летательных и космических аппаратов, и как костяк для композиционных материалов.</p> <p>В отличие от указанной технологии [2] во ФТИМС в настоящее время созданы и патентуются варианты литья металлов с открытой пористостью в вакуумируемые формы из сухого песка без связующего по пенопластовым моделям. Модели выполнены в виде пространственных решёток, в частности, напоминающих изображение кристаллических решёток в кристаллографии (рис. 2). При этом участки между узлами ячеек литейной модели заполнили перемычками (перегородками), а сами узлы стали служить соединениями или скрещиваниями перемычек.</p> <p>Для кристаллических решёток по канонам кристаллографии характерна трёхмерная периодичность, определив структуру одной элементарной ячейки, можно построить всю решётку, например, используя простую геометрическую операцию параллельного переноса.</p> <p>Модель участка двумерной «сетки» таких решёток с одним рядом вертикальных перемычек удобно выполнить в пресс-форме с плоским разъёмом. При этом получаются элементы одной конструкции, из которых путём склеивания в стопке (повторением в решётке) набирают пространственную решётчатую конструкцию. Выполнение модели по указанному методу гарантирует получения сквозных одинаковых пор или полостей, минимальные размеры которых ограничены лишь возможностью их заполнения сухим песком на участках ЛГМ. Размеры пор-отверстий получаемого литого материала могут быть до десятков и больше миллиметров, тогда как размеры ячеек решёток кристаллов, используемых как прообразы для пенопластовых моделей, составляют порядка десятых нанометра.</p> <p>Для литого ячеистого материала, составленного из указанных плоских решёток, полученных в пресс-формах, целесообразно применить все требования литейной технологии, например, выполнить на модели литейные радиусы, что позволит плавно залить металлом форму и увеличит жёсткость конструкции, а лучшая заполняемость расплавом достигается по перемычкам цилиндрической формы, где минимизирована площадь теплоотдачи. Если размеры ячеек позволяют, то можно ввести в пространство между перегородками пористые непроницаемые для песка трубопроводы. Подключение этих трубопроводов к вакуумному насосу улучшает заполнение формы металлом, стимулируя эффект вакуумного всасывания расплава, который предотвратит недоливы формы и позволит значительно увеличить размер литой конструкции, даже тонкостенной.</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl2.gif" width="348" height="323" style="margin: 20px 0px 10px 0px;" alt="Модель пространственной решётки" title="Модель пространственной решётки" border="0"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 2.</b> Модель пространственной решётки: <i>1</i>, <i>2</i> и <i>3</i> – перемычки <i>a</i>, <i>b</i>, <i>c</i>; <i>4</i> – выпор, <i>5</i> – пористый трубопровод, <i>6</i> – шлакоуловитель, <i>7</i> – стояк</p> <p>Пример такой модели (рис. 2) показан в виде пространственной решётки, где есть одинаковые элементарные три детали – перемычки <i>1</i>, <i>2</i> и <i>3</i>, которые обозначаются буквами <i>a</i>, <i>b</i>, <i>c</i>. Они составляют элементарную ячейку как трёхмерное образование, углы между ними обозначаются α, β, γ. Путём продолжения одного из рядов перемычек выполнен выпор <i>4</i>. На определённом расстоянии от перемычек при последующей засыпке песком может быть установлен пористый трубопровод <i>5</i>, ряд утолщённых перемычек может служить шлакоуловителем <i>6</i> при запертой литниковой системе, а другой ряд утолщённых перемычек – стояком <i>7</i> (место установки литейной воронки показано пунктиром).</p> <p>Обращаясь к теме конструирования указанного ячеистого материала, отметим, что изображать внутреннюю структуру кристалла в виде пространственной сетки, узлы которой совпадают с центрами частиц в кристалле (то есть решётками), начал с 1848-го года <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/https://ru.wikipedia.org/wiki/Браве,_Огюст">О. Браве</a>. Он предложил 14 <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/https://ru.wikipedia.org/wiki/Решётка_Браве">решёток Браве</a>, которые легли в основу кристаллографии и отличаются один от другого набором элементов симметрии, или сингонией, и типом центрирования. В таблице указанны параметры, которые в совокупности с элементами симметрии, определяют элементарную ячейку для каждой кристаллографической системы. Эти 14 типов структур являются основными, но не исчерпывают всего многообразия пространственных решёток, описанных в кристаллографии. В примитивных кубических решётках атомы занимают позиции по вершинах куба. Элементарная ячейка кубической сингонии описывается параметром <i>a</i> (<i>a</i> = <i>b</i> = <i>c</i>, все углы между перемычками равны 90°).</p> <p class="data" id="r">Таблица 1</p> <p class="tab">Параметры решёток Браве</p> <table class="t0" style="text-align: center;"> <tr><th>Система решётки</th><th>Параметры элементарной ячейки</th></tr> <tr><td>Кубическая</td><td><i>a</i> = <i>b</i> = <i>c</i>; α = β = γ = 90°</td></tr> <tr><td>Тетрагональная</td><td><i>a</i> = <i>b</i> ≠ <i>c</i>; α = β = γ = 90°</td></tr> <tr><td>Ромбическая</td><td><i>a</i> ≠ <i>b</i> ≠ <i>c</i>; α = β = γ = 90°</td></tr> <tr><td>Гексагональная</td><td><i>a</i> = <i>b</i> ≠ <i>c</i>; α = β = 90°, γ = 120°</td></tr> <tr><td>Тригональная</td><td>1) <i>a</i> = <i>b</i> ≠ <i>c</i>; α = β = 90°, γ = 120°<br> 2) <i>a</i> = <i>b</i> = <i>c</i>; α = β = γ ≠ 90°</td></tr> <tr><td>Моноклинная</td><td><i>a</i> ≠ <i>b</i> ≠ <i>c</i>; α = γ = 90°, β ≠ 90°</td></tr> <tr><td>Триклинная</td><td>a ≠ <i>b</i> ≠ <i>c</i>; α ≠ β ≠ γ ≠ 90°</td></tr> </table> <p>При изготовлении модели решётки, подобной изображению на рис. 2, повторяющиеся элементы из пенополистирола получают спеканием в пресс-форме, или вырезанием из блока (в единичном производстве). Такое выполнение модели гарантирует получение сквозных пор или полостей, которые заполняют сухим песком при формовке. Для изготовления в заданном месте пористой модели монолитного участка или стенки этот участок или несколько перемычек обматывают синтетической плёнкой, предотвращая доступ песка в эту зону модели, заполняемую впоследствии металлом.</p> <p>Каждая из пор литого материала, полученного по таким моделям, имеет точные стабильные размеры, форму, пространственную ориентацию в материале, периодичность повторения, толщины стенок и перемычек (в отличие от полиуретановой пены), поскольку модель выполняется по чертежам и изготовляется в чаще всего в точной металлической пресс-форме предпочтительно на пластавтоматах. Расширению служебных свойств материала будет способствовать, например, введение в его поры при сборке модели вставок из другого материала, которые остаются в литой конструкции. Полости и перемычки литого материала могут выполняться различных размеров и форм, с разным их чередованием. Прочностные характеристики материала будут иметь некоторую корреляцию с параметрами кристалла, кристаллическая решётка которого копируются, а металл литых тонких (3...8 мм) перемычек, как правило, в 1,2...1,4 раза прочнее, чем толстостенных (15...40 мм), из-за образования в тонких телах преимущественно мелкозернистой структуры.</p> <p>В отдельных случаях, во избежание образования трещин от напряжений, вызванных усадкой металла, некоторые или все перемычки литого материала могут выполнять криволинейными, например S-образными, а стенки неплоскими. Такое «улучшение структуры» копируемых природных конструкций при создании наших материалов повышает служебные свойства последних, когда важно достичь большой удельной площади поверхности при применении их для электродов, теплообменников, катализаторов, и т.п. Для сборки нескольких литых каркасных деталей в одну конструкцию на свободных концах перемычек этих деталей могут быть выполнены литьём средства монтажа либо предусмотрена возможность сваривания, в том числе, с изделиями из проката. А литейную модель фасонного изделия из ячеистых материалов можно формировать при её сборке из элементов, либо вырезать из собранного ячеистого пенопластового блока, например, нихромовой проволокой.</p> <p>Оптимизация пространственных литых конструкций и размещения одноразовых моделей в объёме песка – один из резервов новых возможностей, свойственных «объёмной» формовке при ЛГМ, в отличие от формовки с плоскостью разъёма в парных опоках, присущей традиционным видам литья, для которых рассматриваемые в этой статье конструкции отливок будут отвергнуты как нетехнологичные. Это преимущество ЛГМ прежде всего используют для мелких отливок при сборке одноразовых моделей из элементов в стопки или «кусты» с одновременным формированием коллектора литника как несущей конструкции, чем в 1,5...2 раза увеличивают металлоёмкость формы.</p> <p>С целью повышения качества и служебных возможностей пространственных отливок, а также отливок, заливаемых в виде блоков или «кустов», предложено модельные конструкции собирать по принципу ботанического явления филлотаксиса (буквально – листорасположения) [3]. Это явление изучает раздел морфологии растений, согласно данному признаку листья размещаются на стебле в строго заданной последовательности. Наиболее распространён спиральный филлотаксис с одним листком на узле, когда одинаковый угол между соседними листками, близкий к значению 137,5°, создаёт структуру, когда ни один листок не затеняет других. При этом природные, созданные из повторяемых элементов симметричные структуры, в которых чётко прослеживаются числовые закономерности [4], подтверждают слова <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/https://ru.wikipedia.org/wiki/Вернадский,_Владимир_Иванович">В.И. Вернадского</a> о неевклидовой геометрии живой природы [5].</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl3.gif" width="190" height="242" style="margin: 10px 0px 10px 0px;" alt="Пример модели в виде отдельных элементов, закреплённых на стояке (коллекторе литника)" title="Пример модели в виде отдельных элементов, закреплённых на стояке (коллекторе литника)" border="0"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 3.</b> Модель: <i>1</i> – элемент (модель детали), <i>2</i> – стояк (коллектор литника)</p> <p>На рис. 3 показан пример модели в виде отдельных элементов <i>1</i> (или моделей отдельных деталей), закреплённых на стояке <i>2</i> (коллекторе литника). Стояк <i>2</i> и элементы <i>1</i> выполняются из пенопласта. Модель на рис. 3 может представлять конструкцию, которую в литом виде используют целой, например, как армирующую, или быть блоком из отдельных, закреплённых на стояке деталей, которые после отливания из металла отделяют от стояка. Воронка стояка показана пунктиром.</p> <p>Подобно образованию в пространстве листовой мозаики, призванной улавливать растением как можно больше света, наиболее рациональное размещение модельных элементов <i>1</i> (рис. 3), как в целостной пространственной конструкции, так и деталей на коллекторе, позволит равномерно расположить элементы модели в вакуумированном песке формы. Равномерность вакуумирования повысит качество отливок при улучшении режима эвакуации из формы продуктов газификации моделей, оптимизирует газовое давление, как в песке, так и над зеркалом металла во время его заполнения формы, уменьшит вероятность образования дефектов при скоплении углеродсодержащих продуктов на полученной отливке. Охлаждение равномерно размещённых в объёме песка отливок или их частей также способствует повышению стабильности их свойств.</p> <p>Возвращаясь к теме литья сотовых металлических пространственных структур в виде крупноячеистой пены, включая изготовление подобных пене материалов с регулируемой структурой и свойствами, рассмотрим конструкцию модели для них из повторяемых элементов, разработанную во ФТИМС. В этой конструкции использованы геометрические правила, описанные бельгийским учёным <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/https://ru.wikipedia.org/wiki/Плато,_Жозеф">Ж. Плато</a> и определяющие структуру пены как самопроизвольно образуемой природной структуры [6].</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl4.gif" width="287" height="238" style="margin: 10px 0px 10px 0px;" alt="Модель в виде пентагонального додекаэдра" title="Модель в виде пентагонального додекаэдра" border="0"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 4.</b> Модель в виде пентагонального додекаэдра: <i>1</i> – открытые сквозные полости, <i>2</i> – ребро, <i>3</i> – точка соединения четырёх рёбер</p> <p>На рис. 4 показан пример участка литейной одноразовой (пенополистироловой) модели подобной типичной ячейке монодисперсной пены в виде многогранника пентагонального додекаэдра с открытыми сквозными полостями <i>1</i>, расположенными в каркасе из рёбер <i>2</i> этих ячеек. Эта ячейка модели аналогична мелкоячеистой модели из пенополиуретана (рис. 1а). Рёбра представляют собой взаимосвязанную систему, в которой в одной точке <i>3</i> сходятся по четыре ребра. Если в каждом ребре многогранника-ячейки пены сходятся три плёнки, углы между которыми равны и составляют 120°, то при построении модели в базовом варианте на гранях многогранника плёнку не выполняют, оставив одни рёбра и получив из них каркас.</p> <p>Согласно правилам Плато рёбра представляют собой взаимосвязанную систему, пронизывают весь каркас пены и при схождении четырёх рёбер в одной точке образуют по всей пене одинаковые углы 109°28'. Площадь поперечного сечения треугольного ребра (канала Плато) определяется как:</p> <p align="center"><i>S</i> = <i>r</i><sup>2</sup>(3<sup>1/2</sup> – π/2),</p> <p>где <i>r</i> – средний радиус пузырька газа (в наших расчётах – шара, вписанного в многогранник-ячейку модели).</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl5.gif" width="342" height="274" style="margin: 10px 0px 10px 0px;" alt="Повторяющийся элемент модели для сборки каркаса рёбер" title="Повторяющийся элемент модели для сборки каркаса рёбер" border="0"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 5.</b> Повторяющийся элемент модели для сборки каркаса рёбер: <i>1</i> – шип, <i>2</i> – паз</p> <p>На рис. 5 показан пример повторяющегося элемента для сборки каркаса из треугольных рёбер с использованием соединения «шип – паз» (шип <i>1</i> и паз <i>2</i>). Этот элемент, как и другие части модели может быть выполнен из пенополистирола, других пористых пенопластов, льда, парафина и других материалов для удаляемых одноразовых литейных моделей. Для засыпки формовочного песка по крайней мере одно отверстие пятиугольного сечения в каждом или в некоторых из ячеек выполняют открытым, а остальные или по крайней мере одно при сборке модели могут закрывать пластинами 3 или плёнками, расположенными между угловыми рёбрами треугольных в сечении рёбер.</p> <p>На рис. 5 рядом с элементом-ребром показана плоская пластина <i>3</i>, которая крепится к рёбрам и закрывает пятиугольное отверстие (грань ячейки) или может быть выполнена для использования в качестве шаблона, вокруг которого смыкаются в пятиугольник рёбра. В торце пластина <i>3</i> может иметь по периметру клинообразную борозду, по которой удобно ориентировать рёбра или крепить её к рёбрам, а также может иметь отверстие <i>4</i> круглой или дугой формы и в заданном количестве. Аналогично пластине может использоваться плёнка для закупоривания пятигранного отверстия.</p> <p>Таким выборочным закрыванием граней при сборке модели можно регулировать проницаемость конструкции. Если требуется продувать, например, воздухом ячеистую конструкцию в одном прямолинейном направлении (а в других направлениях проход не желателен), то по две (противоположные) грани в каждой ячейке, имеющие в этом направления наибольшее проходное сечение, должны быть открытыми, а все остальные закрытыми. Полным или частичным закрыванием отдельных граней можно создавать различную траекторию движения вещества в порах ячеистого материала. Причём закрываться грани ячеек могут пластинками из металла, частично вставленными в тела рёбер модели. После заливки и замещения металлом модели или полости от модели металл рёбер охватывает металл пластинок или сплавляется с ним.</p> <p>Завершая тему о пенообразных конструкциях, процитируем информацию из <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/https://ru.wikipedia.org/">Википедии</a>:</p> <p>В 2003 году, при анализе данных космического аппарата WMAP, была выдвинута гипотеза, что Вселенная представляет собой додекаэдрическое пространство Пуанкаре (<a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/https://ru.wikipedia.org/wiki/Додекаэдр">статья «Додекаэдр»</a>) [7]. Если галактики обладают пеноподобной структурой, о чём также писал в журнале «Nature» Джеффри Викс, то и нам не грех «взять на вооружение» подобные конструкции, которые удобно получать литьём из металлов и сплавов.</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl6.jpg" width="356" height="328" style="margin: 20px 0px 10px 0px;" alt="Модель детали колосника печи" title="Модель детали колосника печи" border="1"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 6.</b> Модель детали колосника печи</p> <p>Предложенные новые модельные конструкции из элементов допустимых размеров от нескольких до сотен миллиметров и более с возможностью получения их деталей на пластавтоматах упростят конструирование ячеистых материалов, которые обычно называют материалами будущего и в описанном случае подобны пенным конструкциям, в том числе твёрдой пене с регулируемой структурой. На фотографии (рис. 6) в качестве примера применения пористых отливок показана модель кольцеобразной детали диаметром около 600 мм, которая имеет сквозные отверстия конусной формы по всему своему телу, тем самым представляя собой относительно простой вариант пористой конструкции. Диаметры одинаковых конусных отверстий имеют размеры: максимальный 5 мм, минимальный 2 мм. Эта деталь служит колосником промышленной печи для сжигания сухой соломы и камыша как альтернативных источников энергии. Выливание таких деталей другими способами, кроме ЛГМ, со сравнимой экономичностью, практически невозможно.</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl7.jpg" width="356" height="328" style="margin: 20px 0px 10px 0px;" alt="Решётки ливнеприёмников и канализационных систем, которые льют в стопках" title="Решётки ливнеприёмников и канализационных систем, которые льют в стопках" border="1"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 7.</b> Решётки ливнеприёмников и канализационных систем, которые льют в стопках</p> <p>На рис. 7 показана слева решётчатая конструкция отливки, которую удобно собирать в пространственную решётку из моделей, 4 модели из пенополистирола показаны справа. Такую отливку из легированного чугуна получают в виде единой стопки решёток из десятка штук, стопка имеет высокую жёсткость и даёт при литье стабильные размера отдельных плоских решёток, а также оптимально заполняет литейную форму по объёму до максимального числа отливок в ней. Затем стопку разрезают на отдельные плоские решётки, которые служат решётками ливнеприёмников и канализационных систем.</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl8.gif" width="192" height="211" style="margin: 20px 0px 10px 0px;" alt="Рисунок Леонардо да Винчи (пространственная решётчатая конструкция)" title="Рисунок Леонардо да Винчи (пространственная решётчатая конструкция)" border="1"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 8.</b> Рисунок Леонардо да Винчи</p> <p>Пространственные решётчатые конструкции имеют «магнетическую способность» притягивать внимание многих конструкторов и архитекторов. Может быть, для того и рисовали ещё <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/https://ru.wikipedia.org/wiki/Леонардо_да_Винчи">Леонардо да Винчи</a> (рис. 8), а также голландский художник-график <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/https://ru.wikipedia.org/wiki/Эшер,_Мауриц_Корнелис">Мауриц Эшер</a> (рис. 9) свои «завораживающие» воображение пространственные решётки, чтобы мы могли разработать технологию их изготовления, причём наиболее пригодным из многих способов создания конструкций является литьё, обладающее возможностью «объёмной» формовки.</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl9.gif" width="310" height="306" style="margin: 20px 0px 10px 0px;" alt="Рисунок художника Эшера (пространственная решётчатая конструкция)" title="Рисунок художника Эшера (пространственная решётчатая конструкция)" border="1"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 9.</b> Рисунок художника Эшера</p> <p>Ячеистые пространственные материалы, полученные методом ЛГМ, расширят существующий спектр свойств по сравнению с компактными материалами. А литые решётчатые материалы, в частности, аналоги которых взяты из макро- и микромира живой и неживой природы, из сборных модельных элементов упростят конструирование и позволят наладить выпуск ячеистых материалов и каркасных легковесных изделий, которые часто называют «материалам будущего». Также и ЛГМ по его потенциалу можно отнести к технологиям будущего, особенно полезных для немногочисленных стран с замкнутым металлургическим циклом, среди которых находится Украина и Россия, получающих металл из собственных руд и способных перевести его в высокотехнологичный наукоёмкий товар в виде машин и механизмов. Развитие подобных технологий открывает пути заимствования известных нам конструкционных закономерностей природных материалов не только для их копирования, но и для получения новых материалов и конструкций, в природе не существующих.</p> <h4>Приложение</h4> <p>Ниже показаны ряд ячеистых конструкций, изображения которых найдены в интернете и которые можно получить в металле по описанной технологии литья.</p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl10.jpg" width="444" height="467" style="margin: 20px 0px 10px 0px;" alt="Ячеистые конструкции, которые можно получить в металле методом литья по газифицируемым моделям (ЛГМ-процесс)" title="Ячеистые конструкции, которые можно получить в металле методом литья по газифицируемым моделям (ЛГМ-процесс)" border="0"></p> <p align="center"><img src="/web/20181123191906im_/http://n-t.ru/tp/rz/dl10a.jpg" width="472" height="445" style="margin: 10px 0px 10px 0px;" alt="Ячеистые конструкции, которые можно получить в металле методом литья по газифицируемым моделям (ЛГМ-процесс)" title="Ячеистые конструкции, которые можно получить в металле методом литья по газифицируемым моделям (ЛГМ-процесс)" border="0"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 10.</b> Ячеистые конструкции, которые можно получить в металле методом литья по газифицируемым моделям (ЛГМ-процесс)</p> <p>Автор приводит их без ссылки на зарубежных авторов, о чём приносит им свои извинения и выражает благодарность за свободный доступ к ним в интернете, читатели могут найти эти рисунки самостоятельно поисковиками и подробнее узнать об авторах и их творчестве.</p> <p> </p> <p class="data">Литература:</p> <ol class="sm"> <li>Дорошенко В.С. Способы получения каркасных и ячеистых литых материалов и деталей по газифицируемым моделям. – Литейное производство. – 2008, №9. – С. 28...32.</li> <li>Моуала Х. и др. Стальная пена с открытыми порами – изготовление и свойства. Металлургия машиностроения, 2006, №6. С. 29...33.</li> <li>Патент Украины 83447 МПК В22С7/00, В22С 9/00. – Опубл.: 2008, Бюл. №13. Литейная одноразовая модель / Шинский О.И., Дорошенко В.С.</li> <li>Боднар О.Я. Геометрія філотаксиса. – Доповіді АН України. – 1992. – №9. С. 9...14.</li> <li>Вернадский В.И. Размышления натуралиста. Пространство и время в неживой и живой природе. – М.: Наука, 1975. – 220 с.</li> <li>Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. – М.: Химия, 1983. С. 6...7.</li> <li><a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/https://ru.wikipedia.org/wiki/Додекаэдр">Додекаэдр</a>. Материал из <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/https://ru.wikipedia.org/">Википедии</a> – свободной энциклопедии.</li> </ol> <p class="data">См. также:</p> <ol class="sm"> <li>Дорошенко В.С. <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/rz/an.htm">Аналоги из живой и неживой природы в ячеистых литых металлоконструкциях</a>. <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://n-t.ru/">НиТ</a>, 2014.</li> <li>Дорошенко В.С. <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/rz/dnk.htm">ДНК и снежинки в металле как прообразы металлоизделий будущего</a>. <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://n-t.ru/">НиТ</a>, 2014.</li> <li>Дорошенко В.С. <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/rz/lkm.htm">Ледяные конструкции в машиностроении</a>. <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://n-t.ru/">НиТ</a>, 2014.</li> <li>Горбацевич Ф.Ф. <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/ng/ote.htm">Основы теории непустого эфира (вакуума)</a>. <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://n-t.ru/">НиТ</a>, 2001.</li> <li>Гернек Ф. <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/gr/pav.htm">Пионеры атомного века</a>. <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/gr/pav10.htm">Макс Фон Лауэ</a>. Открытие интерференции рентгеновских лучей. <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://n-t.ru/">НиТ</a>, 2001.</li> <li>Демидов В.Е. <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/dm/km0v.htm">Как мы видим то, что видим</a>. <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://n-t.ru/">НиТ</a>, 2010.</li> </ol>  <div class="dk"> <div class="dp"> <p class="data nb">Дата публикации:</p> <p class="sm nb">6 мая 2015 года</p> </div> <div class="ev"> <p class="data">Электронная версия:</p> <p class="sm nb">© <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/">НиТ</a>. <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/">Cтатьи</a>, 1997</p> </div> </div> </div>  </div>  <div class="nk nkm"> <div class="fp2"><div class="ya-site-form ya-site-form_inited_no" onclick="return {'action':'https://web.archive.org/web/20181123191906/http://n-t.ru/sy.htm','arrow':false,'bg':'transparent','fontsize':14,'fg':'#000000','language':'ru','logo':'rb','publicname':'Поиск по n-t.ru','suggest':false,'target':'_self','tld':'ru','type':3,'usebigdictionary':true,'searchid':149297,'webopt':false,'websearch':false,'input_fg':'#a1aab3','input_bg':'#ffffff','input_fontStyle':'normal','input_fontWeight':'normal','input_placeholder':'Поиск по n-t.ru:','input_placeholderColor':'#a1aab3','input_borderColor':'#B8D9B8'}"><form action="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://yandex.ru/sitesearch" method="get" target="_self"><input type="hidden" name="searchid" value="149297"/><input type="hidden" name="l10n" value="ru"/><input type="hidden" name="reqenc" value=""/><input type="search" name="text" value=""/><input type="submit" value="Найти"/></form></div><style type="text/css">.ya-page_js_yes .ya-site-form_inited_no { display: none; }</style><script type="text/javascript">(function(w,d,c){var s=d.createElement('script'),h=d.getElementsByTagName('script')[0],e=d.documentElement;if((' '+e.className+' ').indexOf(' ya-page_js_yes ')===-1){e.className+=' ya-page_js_yes';}s.type='text/javascript';s.async=true;s.charset='utf-8';s.src=(d.location.protocol==='https:'?'https:':'http:')+'//web.archive.org/web/20181123191906/http://site.yandex.net/v2.0/js/all.js';h.parentNode.insertBefore(s,h);(w[c]||(w[c]=[])).push(function(){Ya.Site.Form.init()})})(window,document,'yandex_site_callbacks');</script></div> <div style="padding: 4px 0 6px 0; background: #f0faff;"><div class="fp2"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/">В начало сайта</a> | <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ri/">Книги</a> | <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/tp/">Статьи</a> | <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nj/">Журналы</a> | <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/nl/">Нобелевские лауреаты</a> | <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ii/">Издания НиТ</a> <br> <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ks.htm#n-t">Карта сайта</a> | <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/sp/">Cовместные проекты</a> | <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://smbr.ru/">Журнал «Сумбур»</a> | <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://o-val.ru/">Игумен Валериан</a> </div></div> <div style="padding: 4px 0 6px 0; background: #fffceb; border-top: 1px solid #99D8FF;"><div class="fp2">© <a href="https://web.archive.org/web/20181123191906/http://n-t.ru/">МОО «Наука и техника»</a>, 1997...2018</div></div> <div style="padding: 4px 0 6px 0; background: #f0faff; border-top: 1px solid #99D8FF;"><div class="fp2"><a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/md.htm">Об организации</a> • <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ad.htm">Аудитория</a> • <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/ki.htm">Связаться с нами</a> • <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/rr.htm">Разместить рекламу</a> • <a href="/web/20181123191906/http://n-t.ru/pi.htm">Правовая информация</a> </div></div> </div> </body></html>