ЭКОТОК Альтернативная энергетика ветряки солнечные батареи тепловые насосы электромобили биотопливо энергосбережение  спецтехника автомобили строительство выставки eco technology
 
 

ДНК в металле или новые технологии в каркасно-ячеистом литье

ДНК в металле или новые технологии в каркасно-ячеистом литье

Технология литья по газифицируемым моделям (ЛГМ или Lost Foam Casting Process), используя размещение отливки или блока отливок в пространстве песка контейнерной песчаной формы, дает основание поставить вопрос: «какие пространственные конструкции литейщик может получать в объеме песка?». В противовес распространенной традиционной задаче «как разместить отливку в плоскости литейной формы?», когда литейщик следует за конструктором, сегодня литейщик с помощью технологии ЛГМ может изготовить литые изделия, копируя природу в том, как она распространяет свои твердотелые конструкции в объеме газообразной или жидкой среды.


 



  Эта статья продолжает освещать проблематику разработки литых каркасно-ячеистых изделий и поиска путей оптимизации их конфигураций путем заимствования «технических решений» у природы, поскольку природой «уже решены вопросы» покорения пространства конструкциями с чрезвычайно высоким уровнем ресурсосбережения. Переход к проектированию литых металлоизделий в объеме песка формы значительно расширяют спектр их конфигураций, и, в частности, открывают новое направление литья сотовых, объемно-ячеистых, скелетно-решетчатых конструкций, материалов и блоков отливок, 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 облегченные 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 (в т. ч. заземления) и как костяк для композиционных материалов.

  В первых статьях  в частности, предложено в конструкциях отливок использовать принципы строения:

1) кристаллических решеток как их изображают в кристаллографии;

2) спиралевидного расположения листьев - филлотаксис из ботаники;

3) пены со сквозными порами и ячейками из физико-химии, а также закономерности

4) конструкций деревьев, включая «деревья» бронхов и кровеносных сосудов млекопитающих,

5) микроструктуры аморфных металлов 

6) структуру углеродных нанотрубок.

  Аналогичные проблемы относятся к сфере исследований подраздела бионики - биомимметики (bios - жизнь, и mimesis — подражание) как подхода к созданию технических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы. Кроме того, часто в русле таких заимствованных идей создаются новые конструкции, в природе не существующие. Классическим примером метода биомимметики служит Эйфелева башня, при конструировании которой автор использовал описание костной структуры головки бедренной кости, выполненное швейцарским профессором анатомии Х. фон Мейером. Создавая конструкции одноразовых моделей для получения пространственных отливок, среди отобранных эволюцией конструкций живой природы заметно нередкое использование спиральных элементов с наличием таких закономерностей, как повторяемость и комбинаторность (фрактальность) форм природы.

 Известно использование указанных свойств в новых архитектурных строениях, в которых одним из конструктивных стилеобразующих элементов служит спиральная конструкция модели ДНК, предложенная Уотсоном-Криком и относящаяся к «морфологическим стандартам структур различных систем природы» . В ряду рукотворных примеров заимствования этой конструкции есть автомобильный музей Mercedes - Benz (построенный в Штутгарте, Германия, проект UN Studio van Berkel & Bos). В нем экспонаты расположены на двух спиралевидных пандусах, имитирующих цепь ДНК: они вьются, пересекая друг друга, сквозь восемь уровней здания. Архитекторы называют это здание «ДНК в бетоне». Каркасное строительство показало, что спиральный каркас сетчатой оболочки здания значительно легче традиционного из прямых прутьев, его трудно сломать, т.к. он подобен пространственной пружине и отвечает на деформирующие нагрузки обратимым восстановлением формы.

  Закономерности формообразования ДНК как конструктивного стилеобразующего элемента на микро уровне, отобранного эволюцией и несущего разнообразие форм и функций органических существ, целесообразно копировать в металле для получения пространственных каркасных конструкций, арматуры композиционных материалов и армированных отливок. При конструировании литейной модели полный виток двойной спирали с шагом l можно рассматривать как ячейку. Ячеистые материалы удобно собирать при изготовлении пенополистироловой модели из повторяющихся элементов. Эти материалы обычно в несколько раз легче компактных материалов. В настоящее время появилась информация об обнаружении трехспиральной ДНК, .  Число спиральных остовов может соответствовать количеству лучей распорок или углов многоугольников при произвольным количестве перекладин на полный виток. Элементы модели могут быть выполнены из различных материалов для удаляемых одноразовых литейных моделей, а модельные конструкции могут состоять из элементов с размерами от нескольких до сотен миллиметров. Простая конструкция элементов дает возможность получения их на пластавтоматах, что упростит конструирование каркасных ячеистых материалов и деталей, которые обычно называют материалами будущего.

  Заложенная в конструкции модели возможность закручивания в спираль или сборки в спираль упрощает литье новых облегченных, механически и эстетически совершенных спиралевидных конструкций. Одноразовые литейные модели, по конструкции подобные единой для всех клеточных организмов базовой матрице-прототипу взятой из биофизики наномира в виде конструкции ДНК, расширяют возможности литья и номенклатуру литых каркасно-ячеистых конструкций для использования в технических и декоративных целях.  Также известны другие отличающиеся особыми свойствами пространственные структуры с расположением стыкующихся ребер под указанным углом, в какой то мере к ним можно отнести кристаллическую решетку алмаза - самого твёрдого природного материала, атомы углерода в структуре которого связаны прочной ковалентной связью с четырьмя соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра , что является одной из основных причин его уникальных свойств. Все углы между связями атомов равны тетраэдрическому углу 109,47°, что соответствует наименьшей энергии отталкивания электронов, и эта протяженная пространственная структура отличается таким внутренним единством, что весь кристалл представляет как бы одну молекулу.

  Энергетически выгодную, обладающую высокой прочностью практически во всех направлениях конструкцию атомной решетки алмаза используют в строительстве, например, в конструкции мобильного павильона Yorkshire Diamond размерами 20х26х10 м. Он имеет несущий каркас из надувных склеенных из синтетического полотна сообщающихся труб , в которые постоянно нагнетается воздух с помощью вентилятора. При взгляде на павильон с несущим надувным каркасом в виде решетки подобной структуре алмаза ,  литейщик занимающийся ЛГМ, сразу подумает «вот бы мне такую пенопластовую модель…». Однако изготавливать одноразовые литейные модели из полимерных материалов в виде таких надувных трубчатых пространственных конструкций будет слишком дорого из-за высокой трудоемкости герметичного склеивания этих труб в систему с единой полостью, а также весьма затруднительно поддерживать газовое давление в трубах при засыпке их формовочным песком с последующим уплотнением. Поэтому для изготовления ячеистых моделей,  решили задействовать такие новые материалы как воздушно-пузырчатую синтетическую пленку (ВПСП). В отличие от пенопласта, который не гнется, изготовленные из нее плоские решетки можно изгибать под требуемым углом. Эта пленка служит прекрасным наполнителем, создавая объем модели. Из нее нетрудно изготовить плоские решетки с шестигранными отверстиями путем выполнения надрезов по выкройке или картонному шаблону и скручивания пленки в рулоны для выполнения перегородок таких решеток с шестигранными ячейками как в решетке алмаза. Затем путем изгибания этих решеток в месте стыка перегородок сшивали их в пространственную стопочную конструкцию литейной модели перемычками из пенопласта.

  Применяли ВПСП российского производства по ТУ2245-006-18425183-2001 из пищевого полиэтилена и производства Украины - по ТУ У 25.2-30920106-001-2003 из пленки толщиной по основе от 45 до 300 мкм в зависимости от требуемой прочности. Большая номенклатура пленок включает двух и трехслойные ВПСП из полиэтилена высокого давления для применения в диапазоне от –60…+80°С. ВПСП с диаметром пузырька 10 мм имеет общую толщину 4 мм, с диаметром пузырька 30 мм - 10 мм. Также в продаже имеется пленка с размерами пузырька (диаметр х высота, мм) 6х3,2; 10х3,2…4,8; 25х8…10. Номенклатура отечественных производителей, как ВПСП, так и установок для ее производства с каждым годом растет, цена по отношению к другим полимерам имеет тенденцию к снижению. Плотность в рулоне пленки с пузырьками 30 мм составляет около 7,5 кг/м3, а вес 1 м2 пленки с пузырьком диаметром 10 мм составляет: двухслойной 63...75 г, трехслойной 90...150 г. Цены 1 кг ВПСП и наиболее дешевого и массово применяемого для литейных моделей пенопласта сегодня на отечественном рынке сравнимы, однако плотность рулонных изделий из ВПСП обычно в три раза меньше с учетом того, что для литья по газифицируемым моделям традиционно применяют пенопласт с плотностью не ниже 22...25 кг/м3, иначе модель может деформироваться при формовке. Регулировать толщины рулонных перегородок из ВПСП можно проколами нескольких пузырей.

  Для крупногабаритных решеток для увеличения жесткости рулонных перегородок и повышения их прочности на изгиб применили другие нетрадиционные для моделей углеводородные материалы - тонкостенные полипропиленовые трубки, располагая их в виде каркаса внутри и/или снаружи рулонной перегородки. Внутреннее расположение трубок облегчило скручивание рулонов ВПСП, повысило их толщину и прочность на изгиб, применяли трубки диаметром 3...8 толщиной 0,1 мм, которые массово выпускаются и применяются в качестве соломок для питья напитков. Также пригодны для каркаса трубки и других диаметров, которые с продольным разрезом достаточно просто надеть поверх рулонных перегородок, упругости трубок достаточно, чтобы полностью сомкнуться по линии разреза, образуя гладкую цилиндрическую поверхность. Полипропилен - продукт полимеризации пропилена С3Н6, термопластичный углеводородный полимер, в последнее время в промышленности теснит такие углеводороды, как полистирол и другие пластики, обладая более высокой механической прочностью и упругостью, меньшей токсичностью.

  Сочетание в конструкциях литейных моделей полезных свойств указанных широко производимых легковесных материалов упрощало их изготовление.  Эти примерыявляются лишь частными случаями ответа на поставленный в начале статьи вопрос о возможных конфигурациях пространственных отливок, получаемых в объеме сухого песка. Ячеистые литые изделия пока являются редкостью, однако такие конструкции отливок уже сегодня все чаще появляются на рынке затребованной металлопродукции. Известным примером ячеистых декоративных отливок из медных сплавов может служить одно из изделий скульптора из Венеции Gianfranco Meggiato 

  Предложенными в статье литейными моделями мы пытаемся копировать природу в нашем поиске границ возможных конфигураций пространственных металлоотливок. Литье как одно из древнейших ремесел (а отливки отечественных мастеров еще со времен Киевской Руси поражали своей искусностью) в этом опережает другие виды обработки металлов, шаг за шагом раскрывая свои возможности технологического воплощения науки. А замечательные чаще всего ажурные ячеисто-каркасные конструкции природы неизбежно будут перенесены технологами в новые металлоизделия с необходимыми преобразованиями под решение наших технических задач. 

Дорошенко В. С.

Статьи автора на данную тему:

   Ячеисто-каркасное литье – путь к новым материалам // Энергетика и промышленность России. - Санкт-Петербург. -2009. -№7.- С. 42 2. Дорошенко В. С. Пространственные литые конструкции, получаемые в объеме песка // Металл и литье Украины. – 2009.- № 7-8. – С. 45-52. 3. Патент UA 83447 МПК В22С7/00, В22С 9/00.- Опубл. 2008, бюл. № 13. Ливарна одноразова модель / О. Й. Шинский, В. С. Дорошенко. 4. Архитектурная бионика /Ю. С. Лебедев, В. И. Рабинович, Е. Д. Положай и др.; под. ред. Ю. С. Лебедева,- М.: Стройиздат, 1990, с. 89, 91. 5. Патент UA 87782 МПК В22С 7/00, опубл. 2009, бюл. № 15. Ливарна одноразова модель / О. Й. Шинский, В. С. Дорошенко. 6. Физический энциклопедический словарь./ Гл. ред. А. М. Прохоров.- М.: Сов. Энциклопедия, 1984, с. 18. 7. Сайт журнала Design magazine: www.dezeen.com/2009/02/28/ 8. Сайт дизайнера George W. Hart http://www.georgehart.com/rp/rp.html Каркасные и ячеистые металлические конструкции предложено отливать по газифицируемым моделям. Описан ряд примеров таких отливок, выполненных по аналогам из живой и неживой природы. Эти изделия относят к материалам будущего, они расширяют существующий спектр свойств металлопродукции и имеют потенциал применения в конструкциях, взаимодействующих с объемом или потоком вещества или энергии, а также как костяк для армированных, композиционных материалов и внутренних холодильников для слитков и фасонных отливок.

ДНК в металле или новые технологии в каркасно-ячеистом литье

 
 
Добавление комментариев временно отключено!