CINXE.COM

<!DOCTYPE html>    <html>  <head><script type="text/javascript" src="https://web-static.archive.org/_static/js/bundle-playback.js?v=7YQSqjSh" charset="utf-8"></script> <script type="text/javascript" src="https://web-static.archive.org/_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="https://web-static.archive.org/_static/js/ruffle/ruffle.js"></script> <script type="text/javascript"> __wm.init("https://web.archive.org/web"); __wm.wombat("http://n-t.ru/tp/rz/an.htm","20210420123154","https://web.archive.org/","web","https://web-static.archive.org/_static/", "1618921914"); </script> <link rel="stylesheet" type="text/css" href="https://web-static.archive.org/_static/css/banner-styles.css?v=p7PEIJWi" /> <link rel="stylesheet" type="text/css" href="https://web-static.archive.org/_static/css/iconochive.css?v=3PDvdIFv" />  <title>Аналоги из живой и неживой природы в ячеистых литых металлоконструкциях. 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="Аналоги из живой и неживой природы в ячеистых литых металлоконструкциях"> <meta property="og:url" content="https://web.archive.org/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/rz/an.htm"> <meta property="og:image" content="https://web.archive.org/web/20210420123154im_/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="В статье приведены примеры создания методом литейного производства новых каркасно-ячеистых металлических конструкций, которые повторяют закономерно ресурсосберегающие «решения» живой и неживой природы – конструкции с чрезвычайно высокой стабильностью пространственно-временных характеристик. "> <link rel="icon" href="/web/20210420123154im_/http://n-t.ru/favicon.ico" type="image/x-icon"> <link href="/web/20210420123154cs_/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/20210420123154/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/20210420123154/http://n-t.ru/"> <img class="il1" style="float: left;" src="/web/20210420123154im_/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/20210420123154im_/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/20210420123154/http://n-t.ru/">Начало сайта</a> / <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/">Cтатьи</a> / <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/rz/">Разное</a></div> <div class="nv nv2"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/">Начало сайта</a> / <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/">Cтатьи</a> / <a href="/web/20210420123154/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/20210420123154/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/20210420123154/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/20210420123154/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/20210420123154/http://n-t.ru/ns/" class="arz">Научные статьи</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ns/fz/" class="arb">Физика звёзд</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ns/fm/" class="arb">Физика микромира</a></p> <p class="rz"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nj/" class="arz">Журналы</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nj/pr/" class="arb">Природа</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nj/nz/" class="arb">Наука и жизнь</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nj/pl/" class="arb">Природа и люди</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nj/tm/" class="arb">Техника – молодёжи</a></p> <p class="rz"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nl/" class="arz">Нобелевские лауреаты</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nl/fz/" class="arb">Премия по физике</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nl/hm/" class="arb">Премия по химии</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nl/lt/" class="arb">Премия по литературе</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nl/mf/" class="arb">Премия по медицине</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nl/ek/" class="arb">Премия по экономике</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nl/mr/" class="arb">Премия мира</a></p> <p class="rz"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ri/" class="arz">Книги</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ri/ks/bt.htm" id="rb">Бермудский треугольник: мифы и реальность</a> </p><p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ri/dm/vh.htm" id="rb">Время, хранимое как драгоценность</a> </p><p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ri/kr/mg.htm" id="rb">Магнит за три тысячелетия</a> </p><p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ri/gr/pav.htm" id="rb">Пионеры атомного века</a> </p><p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ri/mn/sc.htm" id="rb">Сын человеческий</a> </p><p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ri/kk/hm.htm" id="rb">Химия вокруг нас</a> </p> <p class="rz"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ii/" class="arz">Издания НиТ</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ii/ba/" class="arb">Батарейки и аккумуляторы</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ii/os/" class="arb">Охранные системы</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ii/ie/" class="arb">Источники энергии</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ii/st/" class="arb">Свет и тепло</a></p> <p class="rz"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/" class="arz">Научно-популярные статьи</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/ns/" class="arb">Наука сегодня</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/ng/" class="arb">Научные гипотезы</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/to/" class="arb">Теория относительности</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/in/" class="arb">История науки</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/nr/" class="arb">Научные развлечения</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/ts/" class="arb">Техника сегодня</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/it/" class="arb">История техники</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/iz/" class="arb">Измерения в технике</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/ie/" class="arb">Источники энергии</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/rn/" class="arb">Наука и религия</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/mr/" class="arb">Мир, в котором мы живём</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/lt/" class="arb">Лит. творчество ученых</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/br/" class="arb">Человек и общество</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/ob/" class="arb">Образование</a></p> <p class="rb"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/rz/" class="arb">Разное</a></p> </div> <div class="plp plpm"> <h1>Аналоги из живой и неживой природы в ячеистых литых металлоконструкциях</h1> <p class="ate"><a href="/web/20210420123154/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">Воображение важнее знания.</p> <p class="sm"><i>А. Эйнштейн</i></p> </div></div> <p>Ресурсосбережение в конкурентной экономике приобретает особую важность, в этой связи одним из результатов понимания такого положения отечественными промышленниками является, в частности, создание министерством промышленности и торговли Российской Федерации в октябре 2009 г. проблемного совета «Lean-технологии» (технологии бережливого производства). В этой статье приведены примеры создания методом литейного производства новых каркасно-ячеистых металлических конструкций, которые повторяют закономерность ресурсосберегающих «решений» живой и неживой природы.</p> <p>Проектирование литой металлоконструкции при получении её из металлического расплава в литейной форме для большинства видов литейных форм, назовём их традиционными, предполагает размещение отливки в плоскости (очень редко, поверхности) разъёма этой формы. Наличие разъёма формы в технологии литья металлов создало стойкий стереотип, формирующий представление о том, как должна выглядеть отливка. Эта тема, находящаяся на стыке сфер деятельности конструктора-механика и литейщика-технолога, в традиционной её трактовке постоянно присутствует практически на всех вузовских курсах, затрагивающих технологию литейной формы, а также в технологических отделах заводов и КБ, где проектируют литые металлические детали. В результате в общем случае руководствуются сложившемся мнением, что отливка – это то, что войдёт в разъём формы, часто с песчаными стержнями, которые в свою очередь предполагают разъём стержневого ящика.</p> <p>Технология литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) [1], переступая через этот стереотип, позволяет разместить отливку или блок отливок в пространстве песка неразъёмной (контейнерной, одноопочной) формы и тем самым предполагает или выдвигает проблему оптимизации конструирования отливки как объёмного пространственного изделия, что практически «не по плечу» другим литейным технологиям и представляется новой многообещающей темой теории литейных процессов и конструирования деталей машин и механизмов. Вместо старой задачи «как разместить отливку в плоскости?» для ЛГМ актуально «как разместить её в объёме?» сыпучего песка, по своим свойствам во время виброуплотнения напоминающего «псевдожидкость». Решение этой задачи упрощает следующее: 1) особая лёгкость обработки пенопластов резанием (фрезой, особенно с появлением 3D-фрезеров, или термоэлементом), чему способствует их низкая плотность 25...30 кг/м<sup>3</sup>, а также 2) высокая производительность получения изделий из них на пластавтоматах. Эти условия минимизируют ограничения на размеры, форму и темп изготовления пенопластовых моделей.</p> <p>Указанные возможности ЛГМ перехода к проектированию литых металлоизделий отливок в объёме песка формы значительно расширяют спектр их вероятных конфигураций, и, в частности, открывают новое направление литья сотовых, объёмно-ячеистых, скелетно-решётчатых конструкций, материалов и блоков отливок [1], расширяя известные свойства традиционно применяемых не только литых, но и получаемых с их привлечением армированных и композиционных изделий. Отливки такого вида имеют потенциал для применения как облегчённые несущие, армирующие, изолирующие, ограждающие, демпфирующие удары конструкции, способные находиться в среде, пропуская (полностью или частично) через себя поток вещества или энергии, применимы для отделения отходов при очистке газов, жидкостей, а также для глушителей шума, взрыво- и пламяпреградителей, теплообменных, адсорбционных, акустических устройств, элементов источников тока, катализаторов, кристаллизаторов, электродов и как костяк для композиционных материалов.</p> <p>Разработка таких литых конструкций и поиск путей оптимизации их конфигураций с точки зрения ресурсосбережения неизбежно приводят к одному из выводов о выполнении их путём копирования по аналогам из живой и неживой природы (включая структуры микромира), поскольку природой «уже решены вопросы» покорения пространства конструкциями с чрезвычайно высокой стабильностью их пространственно-временных характеристик. Для этого, в частности, предложено [1] использовать принципы строения: 1) кристаллических решёток как их изображают в кристаллографии; 2) спиралевидного расположения листьев (филлотаксис) из ботаники; 3) пены со сквозными порами и ячейками преимущественно в виде пентагонального додекаэдра, описанной в области физико-химии. В институте ФТИМС НАН Украины (отдел формообразования под рук. проф. Шинского О.И.), где создание разновидностей ЛГМ-процесса является профильной темой, на эти литые конструкции получен ряд патентов и опубликованы заявки на изобретения по этой теме, а в её развитие ниже описаны ещё три типа каркасных отливок, для которых довольно несложно изготовить сборные одноразовые пенопластовые модели.</p> <p>При создании объёмных структур, по аналогии с биологическими, распространяющимися в пространстве, естественно обратить внимание на конструкции веток деревьев, которые развиваются от толстых к тонким разветвлениям, очевидно, такое изменение сечения предпочтительнее для течения металла, чем равностенные конструкции. На рис. 1 показан пример предлагаемой литой древовидной конструкции, состоящей из ствола <i>1</i> и веток <i>2</i>.</p> <p align="center"><img src="/web/20210420123154im_/http://n-t.ru/tp/rz/an1.gif" width="215" height="267" alt="Литая металлическая древовидная конструкция" title="Литая металлическая древовидная конструкция" vspace="10" border="0"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 1.</b> Литая металлическая древовидная конструкция:<br> <i>1</i> – ствол, <i>2</i> – ветви, <i>3</i> – контуры стенок изложницы, <i>4</i> – остаток воронки</p> <p>При использовании её в качестве внутреннего холодильника-кристаллизатора для литья слитков ветви <i>2</i> целесообразно расположить перпендикулярно поверхностям <i>3</i> стенок изложницы (показаны её контуры), то есть навстречу наиболее вероятному направлению роста кристаллов слитка, которые также растут перпендикулярно стенке изложницы после заливки в неё металлического расплава. Аналогично могут быть учтены конструктивные особенности и расположение ветвей для армирования бетонных конструкций и др. Изготовление древовидной конструкции способом ЛГМ состоит в заливке расплавленного металла по соответствующей модели через воронку, остаток <i>4</i>, которой сохранился на стволе. Если при этом модель выполняют из пенопласта, то изготовление её сборных элементов состоит в засыпании гранул этого материала и их спекании в пресс-форме, или в вырезании элементов из блочного пенополистирола. Элементы модели ветки и трубчатые участки ствола можно собирать (склеивать) на направляющем штыре (пунктиром показаны линии стыка).</p> <p>В древовидных литых конструкциях желательно учитывать некоторые общие закономерности строения деревьев, прослеживаемые в живой природе. Важнейшее требование ко всем такому строению – прочность, в этом плане конструкция дерева, отшлифована эволюционным отбором, безупречна. Как указано в монографии Бенуа Мандельброта [2], Леонардо да Винчи эмпирическим путём пришёл к выводу о таком соотношении толщин ствола и всех ветвей дерева на любой высоте, что диаметры ствола и ветвей <i>d</i> до ветвления и диаметры <i>d</i><sub>1</sub>, <i>d</i><sub>2 </sub>после разветвления удовлетворяют соотношению: <i>d</i><sup>Δ</sup> = <i>d</i><sub>1</sub><sup>Δ</sup> + <i>d</i><sub>2</sub><sup>Δ</sup>, где диаметрический показатель Δ = 2. Это подтверждено на практике. В этой же книге указано, что показатель «дерева» кровеносных артерий млекопитающих близок к Δ = 2,7, а для «дерева» бронхов Δ = 3. С точки зрения гидродинамики система каналов при Δ = 3 имеет минимальное сопротивление, это значение наилучшее достигаемое как целенаправленным конструированием, так и селективной эволюцией. Отсюда, если важны прочностные свойства конструкции, то показатель Δ принимают близким к 2, если важно условие заполнения расплавленным металлом литейной формы, то – близким к 3, что также полезно учесть в литейной гидравлике при конструировании разветвлённых литниковых систем.</p> <p>Согласно той же монографии, установлено опытным путём, что вес ветви пропорционален её диаметру, возведённому в степень <i>M</i> = 2,5, а также по мнению автора, может зависеть от значения Δ в виде <i>M</i> = 2 + Δ/3. Значения величин <i>M</i> = 2,5 и <i>M</i>, полученного по последнему выражению при подстановке Δ = 2 будут отличаться меньше, чем на 6,7%, что приемлемо для технических расчётов. Можно пользоваться обоими значениями для оценки веса ветви из модельного материала или литого металла (с поправками на их плотность относительно плотности дерева), а при 2 < Δ ≤ 3 – подставлять конкретное значение Δ в выражение для <i>M</i>.</p> <p>Изготовление литой конструкции так, что ветви отходят от ствола перпендикулярно его оси, удобно при литье по разовой модели тем, что для изготовления пенопластовой модели можно применить простую пресс-форму с отверстием в модели, ось которого перпендикулярна ветви. Такую модель нетрудно получать на пластавтоматах, а затем собирать, подобно нанизыванию бумажных снежинок на нитку или изготовлению пластмассовых новогодних ёлок. Литая дендроидная конструкция внутреннего холодильника при литье массивных отливок или слитков может быть из одинакового или разного металла с заливаемым в форму. При затвердевании металла таких слитков растущие кристаллы от стенки изложницы конкурируют с дендритами, растущими навстречу им от ветвей холодильника, что даёт измельчение зерна слитка равномерно по всему объёму.</p> <p>Литая древовидная конструкция, применяемая как армирующая (например, в бетоне) для сопротивления направленной нагрузке перпендикулярно оси ствола, рекомендуется со стволом в форме эллипса при отношении диаметров эллипса по направлению нагрузки и поперёк неё как 1,26 к 1,0. Это соответствует измерениям стволов деревьев, на которые преобладающий ветер дул перпендикулярно в однородной лесной полосе [3].</p> <p>Такие пространственные литые конструкции, аналоги которых взяты из ботаники, не сложны для конструирования и технологичны для литья методом ЛГМ в действующих литейных цехах, модель можно смонтировать по повторяющимся элементам, в том числе получаемым на пластавтоматах. Пространственные древовидные отливки приближаются по виду к ячеистым или сотовым (например, к литым пенам), которые всё чаще называют «материалами будущего».</p> <p>Если в работе [1] использовано строение кристаллов, то в описанных ниже конструкциях моделей использована аналогия с микроструктурой таких конденсированных сред, для которых характерно неупорядоченное расположение атомов в пространстве, в частности, аморфных металлических сплавов (АМС) [4]. Они имеют более или менее чётко определяемый на расстоянии двух-трёх соседних атомов так называемый ближний порядок. В кристаллах структура решётки образуется в результате многократного повторения в трёх направлениях единичной элементарной ячейки с расположением атомов в «бесконечных» рядах, называемым дальним порядком. Аморфные структуры элементарные ячейки сохраняют, но при стыковке ячеек в пространстве порядок их нарушается, и стройность рядов, присущая дальнему порядку, отсутствует.</p> <p>Несмотря на то, что плотность АМС на 1...2% ниже плотности кристаллических аналогов, прочность их выше в 5...10 раз с характерной изотропией многих свойств, что связано в основном с отсутствием в структуре АМС дислокаций и границ зёрен, свойственных кристаллическому состоянию. Трёхмерные связи в структуре АМС представляют в виде многогранников [5], в частности, из 5 типов правильных полиэдров Бернала: тетраэдр, октаэдр, тригональная призма, архимедова антипризма, тетрагональный додекаэдр, показанных слева направо в верхнем ряду на рис. 2а. Кроме того, атомные конфигурации описывают в виде полиэдров Вороного (иногда называют «Дирихле-Вороного»), часто с пятиугольными гранями в виде икосаэдров, 3 примера таких полиэдров представлены в нижнем ряду слева направо на рис. 2б: икосаэдр, полиэдр о.ц.к. структуры, полиэдр г.ц.к. структуры. По данным кристаллографии многогранники Бернала и Вороного заполняют оптимально пространство структуры без пропусков. В общем случае аморфная структура представляет собой непрерывный ряд, мозаичный узор, составленный из чередующихся многогранников, характерных для кристаллических и некристаллических структур, что и взято за основу принципа построения нижеприведённой одноразовой литейной модели.</p> <p align="center"><img src="/web/20210420123154im_/http://n-t.ru/tp/rz/an2.gif" width="499" height="280" alt="5 типов правильных полиэдров Бернала; полиэдры Вороного" title="5 типов правильных полиэдров Бернала; полиэдры Вороного" vspace="10" border="0"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 2.</b> Полиэдры: а) 5 типов правильных полиэдров Бернала (слева направо): тетраэдр, октаэдр, тригональная призма, архимедова антипризма, тетрагональный додекаэдр; б) полиэдры Вороного (слева направо): икосаэдр, полиэдр о.ц.к. структуры, полиэдр г.ц.к. структуры</p> <p>На рис. 3а показан пример простейшего повторяющегося элемента пенопластовой модели в виде тетраэдра, который можно получать на пластавтоматах, а на рис. 3б – пример использования этих элементов. Все или отдельные грани этого многогранника выполняют с отверстиями, которые образуют открытую сквозную полость.</p> <p align="center"><img src="/web/20210420123154im_/http://n-t.ru/tp/rz/an3.gif" width="426" height="228" alt="Элемент модели в виде тетраэдра и схема получения фасонной модели" title="Элемент модели в виде тетраэдра и схема получения фасонной модели" vspace="10" border="0"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 3.</b> Элемент модели в виде тетраэдра и схема получения фасонной модели:<br> а) тетраэдр; б) схема сборки модели: <i>1</i> – модель из повторяющихся элементов, <span id="nb"><i>2</i> – формообразующая</span> ёмкость, <i>3</i> – синтетическая плёнка в виде мешка, <i>4</i> – груз, <span id="nb"><i>5</i> – зажим,</span> <i>6</i> – патрубок</p> <p>Схема изготовления модели <i>1</i> в виде фасонного каркаса, состоящего из многогранников (тетраэдров) представляет собой операцию их помещения в формообразующую ёмкость <i>2</i>, в частности, в виде песчаной формы, полость которой покрывают синтетической плёнкой <i>3</i> в виде мешка. Модель <i>1</i> из повторяющихся элементов нагружена грузом <i>4</i>, а полость мешка герметично сообщена с помощью зажима <i>5</i> через патрубок <i>6</i> с вакуумным насосом.</p> <p>Один из вариантов сборки такой модели из элементов в многоразовой форме состоит в следующем. Предварительно изготовленные многогранники, подобные показанным на рис. 2 и 3, размерами от нескольких до десятков миллиметров и более с открытыми сквозными полостями как на рис. 3а засыпают или укладывают вручную в формообразующую ёмкость <i>2</i> (рис. 3б). Предварительно туда помещают не пропускающий воздуха мешок из синтетической плёнки <i>3</i>, после засыпки этих элементов вакумируют полость мешка, тем самым фиксируя многогранники в единой модели путём прижимания их друг к другу перепадом давления воздуха снаружи и внутри мешка. В таком виде собранную модель, облицованную плёнкой мешка, можно извлечь из формы, по ней изготовить форму из самотвердеющей наливной или насыпной смеси путём подачи и отверждения смеси сначала снаружи мешка, а затем подачи и отверждения смеси внутри мешка. Из такой формы пенопластовую модели следует выжечь при температуре выше 400...500°C по методу литья по выжигаемым моделям, т.к. плёнка мешка ухудшит газопроницаемость формы для ЛГМ.</p> <p>Существуют варианты сборки без вакуумирования мешка, когда после загрузки многогранников внутрь мешка в форме <i>2</i> (рис. 3б) туда же подают самотвердеющую формовочную смесь, которая удерживает их в сборе, а плёнка мешка служит разделительным покрытием. После извлечения из многоразовой формы <i>2</i> собранную модель в коме затвердевшей песчаной смеси извлекают из мешка и формуют обычными способами методом ЛГМ, что приемлемо для многогранников с толщиной перегородок свыше 6...10 мм.</p> <p>Ещё проще выполнить сборную модель в одноразовой песчаной форме <i>2</i> без извлечения и без применения мешка <i>3</i>. Эту форму выполняют из смеси со связующим по деревянной модели, в полученную полость засыпают модельные многогранники, их уплотнение во всех случаях возможно путём применения съёмного груза <i>4</i> и (или) вибрации, что способствует их оптимальному размещению, плотному прижиму рёбер граней с частичным врезанием кромок рёбер и вершин в рядом расположенные многогранники. После уплотнения модели в сквозные отверстия многогранников подают формовочную смесь и завершают изготовление формы известными способами формовки, сочетая модель с литниковой системой и выполняя форму со слоем формовочной смеси выше модели.</p> <p>Как вариант, каркас из модельных многогранников можно сочетать со сплошной газифицируемой моделью, либо с отдельными многогранниками, покрытыми синтетической плёнкой без доступа в их поры песчаной смеси (такая упаковка плёнкой части каркаса возможна и для других видов каркасных отливок), и получать каркасную отливку с монолитными частями или вставками в заданном месте. Аналогия каркасных конструкций с микроструктурой аморфных металлов, атомная конфигурация которых по данным кристаллографии выглядит в виде указанных многогранников как наиболее плотной упаковки, даёт возможность перенести некоторые свойства, например, изотопию, на литые металлические ячеистые конструкции.</p> <p>Рассмотрим ещё один вариант каркасного литья. В последнее время ряд перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии связывают с фуллеренами и обнаруженными в 1991 г. длинными, цилиндрическими углеродными образованиями, получившими название нанотрубок. Эти и другие похожие структуры называют термином «углеродные каркасные структуры» [6]. Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность нанотрубки оказались на редкость прочным материалом каркасной ячеистой конструкции, получать аналогии которых предлагается и в макромире, в частности, способом ЛГМ, изготавливая модели методом сворачивания из плоских элементов.</p> <p>Для получения трубчатых и криволинейных моделей использовали ту особенность многих пенопластов, спечённых (склеенных) из мелких гранул, в частности, пенополистирола, что изделия из них в тонких сечениях толщиной 0,1...4 мм могут при изгибании не ломаться, а обладают при этом ограниченной способностью к деформации без разрушения. В более толстых сечениях при изгибе возникает трещина по стыку гранул, указанная предельная толщина зависит от величины спечённых гранул, качества спекания и материала гранул. Если плоский элемент получать в пресс-форме с клинообразными выборками, то толщина 0,1 мм заполнится мелкими гранулами пенополистирола, а толщина до 4 мм быстро пропекается и прочно склеивается, позволяя изгибать элемент, смещая от плоскости на небольшой острый угол. Превышение этого размера ведёт к появлению трещин, которые могут появиться при складировании, транспортировке или монтировании свёрнутого элемента с другими деталями модели. Прочность на изгиб элемента возрастает в 2...3 раза при оклеивании плёнкой или сеткой, например при помощи клея ПВА, со стороны, которая становится выпуклой при сворачивании элемента, что позволяет увеличить указанную толщину примерно до 5 мм. Повышенные возможности к изгибанию имеют изделия из пенополиуретана.</p> <p align="center"><img src="/web/20210420123154im_/http://n-t.ru/tp/rz/an4.gif" width="184" height="126" alt="Плоский элемент при виде сбоку при изгибании с правой стороны" title="Плоский элемент при виде сбоку при изгибании с правой стороны" vspace="10" border="0"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 4.</b> Плоский элемент при виде сбоку при изгибании с правой стороны: <i>1</i> – сегмент пластины, <i>2</i> – клиновые выборки (надрезы), <i>3</i> – замок</p> <p>На рис. 4 показан при виде сбоку вариант изгибания плоского элемента с правой стороны. Этот элемент в виде пластины с сегментами <i>1</i> и надрезами <i>2</i> при сворачивании закрепляют замком <i>3</i>, например, по системе «шип-паз». Если сумма углов клинообразных выборок равна 360°, то при сворачивании в замкнутую систему стороны всех клиновых выборок смыкаются так, что в сборе образуют сплошное тело на толщину сегмента <i>1</i>, и уменьшение толщины плоского элемента за счёт выборок не уменьшает толщину стенки элемента в свёрнутом виде.</p> <p>Плоский элемент газифицируемой модели могут изготавливать непрерывно, например, по версии способа [7] путём составления из частей и наращивания его в процессе формовки в облицовочный слой движущегося кристаллизатора в виде песчаной вакуумируемой формы, следует лишь перед формовкой его сворачивать в непрерывную трубчатую конструкцию, которую также можно скреплять вышеуказанным замком вдоль оси, вокруг которой выполняют сворачивание.</p> <p align="center"><img src="/web/20210420123154im_/http://n-t.ru/tp/rz/an5.gif" width="302" height="173" alt="Часть конструкции модели, изготовленной по аналогии со структурой углеродных нанотрубок" title="Часть конструкции модели, изготовленной по аналогии со структурой углеродных нанотрубок" vspace="10" border="0"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 5.</b> Часть конструкции модели, изготовленной по аналогии со структурой углеродных нанотрубок: <i>1</i> – перегородка ячеек – правильных шестиугольников, <span id="nb"><i>2</i> – сетчатая</span> перегородка (окончание) трубки</p> <p>Копируя структуру углеродных нанотрубок, на рис. 5 показан элемент конструкции модели, изготовленный по аналогии с ними (ближняя изогнутая стенка сетчатой трубки показана двойными линиями, а дальняя – одной линией). Нанотрубка при увеличении выглядит как свёрнутый в трубку плоский слой атомов графита, называемый графеном, который является слоем атомов углерода, соединённых посредством sp<sup>–2</sup> связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку (тема получения графенов в виде тонких слоёв напыления широко известна после Нобелевской премии – 2010). Модель сетчатой пенопластовой трубки состоит из повторяющихся перегородок <i>1</i> (взамен отрезков прямой линии, изображающих связей между атомами) в виде свёрнутой решётки с ячейками из правильных шестиугольников. Толщина этих перегородок определяется возможностью их замещения расплавленным металлом и способом питания, обычно она составляет 5 мм и выше. Справа на рис. 5 показана сетчатая перегородка <i>2</i> изогнутой формы, напоминающая по виду окончание нанотрубки, а сама сетчатая трубка выполнена в форме близкой к цилиндру.</p> <p>Если сворачивание подобных графену плоских элементов производят так, что две перегородки каждой шестиугольной ячейки гексагональных двумерных решёток располагают перпендикулярно оси, вокруг которой производят сворачивание, как показано на рис. 5 (эта ось проходит вдоль трубки горизонтально), то такая конструкция сетчатой трубки будет в 1,5 раза прочнее на разрыв вдоль этой оси, чем в случае, если две перегородки каждой ячейки расположат параллельно этой оси [6].</p> <p>Помещением внутрь трубчатой конструкции перегородки могут распирать или стягивать перегородкой изнутри трубчатую конструкцию, изменяя её внешний размер, при этом деформируют и изгибают части стенок, в месте изгиба на них выполняя клинообразные выборки со стороны образования вогнутой поверхности. Так можно изменить форму и размер поперечного сечения трубчатой конструкции. В отличие от нанотрубок из микромира плоские модельные элементы можно сворачивать в более сложные формы, в частности, так, что в поперечном разрезе при S-образном изгибе можно получить конструкцию из двух стыкующихся труб в поперечном разрезе в виде цифры «8».</p> <p>Пространственные решётчатые конструкции (в том числе из сеток с различной формой ячеек) в зависимости от вариантов сворачивания плоских элементов с использованием облегчающих сворачивание клиновых выборок могут выполняться не только трубчатыми близкими к форме цилиндра, но и других геометрических форм, например, в форме многогранника, или подобной к конфигурации фуллеренов, близкой к эллипсоидо- или шарообразной.</p> <p>Утолщение на модели, выполненное в виде замка <i>3</i> (рис. 4) в сборе и размещённое вдоль всей модели, можно использовать в пенопластовой газифицируемой модели в качестве стояка или коллектора литниковой системы для заливания по этой модели расплавленного металла и с этой целью выполнять его по расчётному диаметру литниковой системы. Это утолщение при формовке трубчатой модели в вертикальном положении её оси следует продлить участком стояка, который сверху завершить заливочной чашей или воронкой.</p> <p>Рассматриваемый способ сворачивания плоских элементов в трубки уместно использовать для выполнения моделей стояков, применяемых для большинства видов отливок. Для этого стенки трубчатой конструкции из свёрнутых элементов выполняют непроницаемыми для формовочной смеси, а торцы трубчатой конструкции закрывают крышками или стенки и торцы обматывают синтетической плёнкой, не допускающей попадания формовочной смеси внутрь трубчатой конструкции. Так формируют близкую по форме к цилиндру модель стояка или коллектора литниковой системы, к которой могут крепить мелкие модели отливок при сборке их в блоки или кусты.</p> <p>Способ сворачивания плоских модельных элементов при предварительном получении их в пресс-формах с плоским разъёмом, или из плоских блоков пенопласта позволит получать трубчатые и другие фасонные, каркасные и пространственные ячеистые модели, что упрощает конструкции модельной оснастки для их получения по сравнению с оснасткой, в которой формировались бы эти модели без сворачивания. Это ещё один способ, который расширяет возможности изготовления литьём ячеистых конструкций с изогнутой поверхностью, в частности по аналогам в виде углеродных каркасных структур из физики наномира. Для монолитных модельных конструкций он применяется во ФТИМС, примером чего может служить выполненная с использованием этого способа и показанная на рис. 6 пенопластовая модель для получения методом ЛГМ отливки корпуса насоса (для перекачивания горнорудной пульпы) из износостойкой стали. А также модель (окрашенная) каркасной отливки (рис. 7).</p> <p align="center"><img src="/web/20210420123154im_/http://n-t.ru/tp/rz/an6.jpg" width="403" height="308" alt="Пенополистироловая модель отливки корпуса насоса" title="Пенополистироловая модель отливки корпуса насоса" vspace="10" border="1"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 6.</b> Пенополистироловая модель отливки корпуса насоса (для перекачивания горнорудной пульпы) из износостойкой стали</p> <p align="center"><img src="/web/20210420123154im_/http://n-t.ru/tp/rz/an7.jpg" width="205" height="221" alt="Отливка детали внутреннего привода клапана из нержавеющей стали" title="Отливка детали внутреннего привода клапана из нержавеющей стали" vspace="5" border="1"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 7.</b> 50-фунтовая отливка детали внутреннего привода клапана из нержавеющей стали</p> <p align="center"><img src="/web/20210420123154im_/http://n-t.ru/tp/rz/an8.jpg" width="229" height="390" alt="Пример модели каркасного изделия, отлитой в литейном цехе ФТИМС" title="Пример модели каркасного изделия, отлитой в литейном цехе ФТИМС" vspace="5" border="1"></p> <p class="sm mb"><b>Рис. 8.</b> Пример модели каркасного изделия, отлитой в литейном цехе ФТИМС</p> <p>В мировой практике для каркасного литья типично использование ЛГМ-процесса, примером чего служьит показанная на рис. 7 50-фунтовая отливка детали внутреннего привода клапана из нержавеющей стали (фото с сайта American Foundrymen’s Society, Division 11: Lost Foam Casting), которую также можно отнести к ячеистым изделиям [8]. Часто отливают каркасные изделия в литейном цехе ФТИМС, пример модели (окрашенной) показан на рис. 8. Проектирование компьютерными программами (включая 3D- и объектно-ориентированный подход) литых ячеистых материалов в зависимости от прогнозируемых их свойств, а также армируемых ими изделий, облегчит расширение разновидностей их строения и спектр функционального применения. В частности, подобные решения предлагаются для литья двухслойных армированных и биметаллических контейнеров, деталей конструкций для захоронения радиоактивных отходов, включая выполнение их стенок из композитов с оксидами различных металлов, тяжёлых бетонов из шлаков, как наполнителей.</p> <p>В заключение снова подчеркнём, что описанное проектирование каркасно-ячеистых металлоотливок в объёме песка выполнено на основе практического воплощения инновационных возможностей ЛГМ-процесса (который, хотя и достиг своего 50-летнего «возраста» с даты публикации первого изобретения (1958, Г. Шроер), остаётся весьма наукоёмким процессом и по эффективности производства) по нераскрытому потенциалу относится к высоким технологиям литейного производства, сохраняя значительные возможности своего развития и расширения сложившихся представлений о возможностях литья. Предложенными в статье конструкциями мы пытаемся копировать природу, используя результаты исследований прежде всего в области фундаментальных наук. Литьё как одно из древнейших ремёсел здесь опережает другие виды обработки металлов, как бы бросая им вызов посостязаться в технологическом воплощении науки.</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>Mandelbrot B.B. The fractal geometry of nature. – New York: Freеman and Co., 1983. – 540 p.</li> <li>Ковалёв Ю. <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nj/nz/1988/1201.htm">Архитектура деревьев</a> // Наука и жизнь, 1988, №12. – С. 147...150.</li> <li>Патент UA 90494 МПК В22D 7/00, В22D 23/00, В22D 25/00. Пространственная металлическая отливка. Шинский О.Й., Дорошенко В.С. – Опубл. 11.05.2010, Бюл. №9.</li> <li>Судзуки К. и др. Аморфные металлы. – М.: Металлургия, 1989. – С. 81.</li> <li>Иванов И.П. <a href="https://web.archive.org/web/20210420123154/https://rc.nsu.ru/text/metodics/ivanov5.html">Современная физика в задачах (факультативный курс)</a>. <a href="https://web.archive.org/web/20210420123154/http://rc.nsu.ru/">Научная лаборатория школьников</a>.</li> <li>Пат. 2029653 России, В22С 9/02. Способ непрерывного литья. Дорошенко В.С., Шейко Н.И. – Опубл. 1995, Бюл. №6.</li> <li>Сайт <a href="https://web.archive.org/web/20210420123154/http://www.afsinc.org/">American Foundrymen’s Society</a>.</li> </ol> <p class="data">См. также:</p> <ol class="sm"> <li>Дорошенко В.С. <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/rz/dl.htm">Давайте лить металл, копируя структуры Вселенной!</a> – <a href="https://web.archive.org/web/20210420123154/http://n-t.ru/">НиТ</a>, 2015.</li> <li>Дорошенко В.С. <a href="/web/20210420123154/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/20210420123154/http://n-t.ru/">НиТ</a>, 2014.</li> <li>Дорошенко В.С. <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/rz/lkm.htm">Ледяные конструкции в машиностроении</a>. <a href="https://web.archive.org/web/20210420123154/http://n-t.ru/">НиТ</a>, 2014.</li> </ol>  <div class="dk"> <div class="dp"> <p class="data nb">Дата публикации:</p> <p class="sm nb">12 ноября 2014 года</p> </div> <div class="ev"> <p class="data">Электронная версия:</p> <p class="sm nb">© <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/">НиТ</a>. <a href="/web/20210420123154/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/20210420123154/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/20210420123154/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/20210420123154/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/20210420123154/http://n-t.ru/">В начало сайта</a> | <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ri/">Книги</a> | <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/tp/">Статьи</a> | <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nj/">Журналы</a> | <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/nl/">Нобелевские лауреаты</a> | <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ii/">Издания НиТ</a> <br> <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ks.htm#n-t">Карта сайта</a> | <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/sp/">Cовместные проекты</a> | <a href="https://web.archive.org/web/20210420123154/http://smbr.n-t.ru/">Журнал «Сумбур»</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/20210420123154/http://n-t.ru/">МОО «Наука и техника»</a>, 1997...2021</div></div> <div style="padding: 4px 0 6px 0; background: #f0faff; border-top: 1px solid #99D8FF;"><div class="fp2"><a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/md.htm">Об организации</a> • <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ad.htm">Аудитория</a> • <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/ki.htm">Связаться с нами</a> • <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/rr.htm">Разместить рекламу</a> • <a href="/web/20210420123154/http://n-t.ru/pi.htm">Правовая информация</a> </div></div> </div> </body></html>