Ливарне виробництво як організувати ливарний цех чи ливарну дільницю виробництва металопродукції

Сучасна технологія лиття металу: ключ до розширення виробництва в машинобудівній галузі

З огляду перспектив розбудови вітчизняного машинобудування розглянуто тип виробництва металопродукції і діючий приклад його реалізації, які рекомендуються для масштабування. Виробництво металовиробів широкої номенклатури і різної серійності, яке властиве технології лиття металу за моделями, що газифікуються (ЛГМ), може сприяти створенню і зміцненню промислових осередків росту на етапі відновлення машинобудування. Таке виробництво дозволяє оперативно реагувати на потреби ринку, потребує невеликого початкового інвестування зі значним потенціалом масштабування виробництва. Гнучкість такого виробництва полягає у швидкій зміні асортименту продукції, її індивідуалізації на вимоги замовників, а інноваційний потенціал пов'язаний зі спрощеним впровадженням нових технологій, включно з їх цифровізацією. В статті описано ливарний цех з процесом ЛГМ. Показано зразки його продукції, особливість та переваги ЛГМ-технології, невисокі інвестиційні потреби організації такого цеху завдяки можливості виготовлення більшості обладнання та оснастки для нього вітчизняними підприємствами. Міцність ливарної піщаної форми при ЛГМ зумовлена застосуванням передусім законів фізики за рахунок унікального використання в стінках форми градієнта газового тиску від випаровування разової ливарної моделі з пінополімеру. Це дозволяє виготовлення ливарної форми з сухого кварцового піску при обтіканні ним модельних конструкціій різноманітної геометричної конфігурації при формуванні з віброущільненням, а також багаторазовий обіг цього піску. Відмічено перспективи цифровізації ЛГМ-процесу з акцентом на 3D-друк ливарних моделей. Структуру впливу основних технологічних параметрів ЛГМ на якість виливків показано за допомогою діаграми Ішікави, на якій окремі фактори позначено з урахуванням останніх досліджень та значного досвіду удосконалення ЛГМ-процесу науковцями ФТІМС НАН України.
Ключові слова: машинобудування; дрібносерійне виробництво; ливарний цех; піщана форма; лиття за моделями, що газифікуються; металоконструкції.
Вступ
Машинобудівна промисловість в Україні є стратегічно важливою галуззю для підтримки обороноздатності країни, її технологічного та інноваційного розвитку, долучення до глобальних ланцюгів створення продукції [1]. Машинобудування в комплексі з інформаційними технологіями створює сектор економіки з найвищим рівнем потенціалу для створення та подальшої реалізації інновацій товарних, технічних і технологічних категорій, що в сучасних економічних умовах є вирішальними для досягнення високого рівня розвитку економіки та соціуму в будь якій державі. Стратегічну важливість машинобудування підтверджує його висока (із тенденцією до зростання) частка у переробній промисловості переважної більшості розвинених індустріальних країн ЄС.
Серед особливостей розвитку машинобудування в нашій країні наявне відставання від інших країн з розвиненим індустріальним сектором. Частка продукції галузі в загальному обсязі промислової переробки скорочується протягом періоду 2016-2022. Водночас, виробничий потенціал машинобудування наразі не повністю реалізовано в нашій країні, на що впливають загрозливі виклики, пов’язані з наслідками військового часу. Це незворотні втрати промислового потенціалу, які перевищують 30 %, руйнація виробничих потужностей і транспортних ланцюгів, втрата доступу до ресурсів (як сировинних, так і людських), ускладнення ведення господарської діяльності через перебої з енергопостачанням та комунікаціями тощо [2].
І хоч зараз українське машинобудування знаходиться в умовах невизначеності під час війни, перспективи його відновлення вимагають формування пропозицій майбутнього розвитку та стратегічного планування на основі європейських принципів зеленої економіки та цифрового переходу. Для цього важливо впровадити дієві заходи, націлені на відродження, реструктуризацію та модернізацію промисловості шляхом здійснення реконструктивних заходів із регіональної диверсифікації та розширення середньо- і високотехнологічного виробництва, що має ґрунтуватися на створенні раціональної структури нових промислових комплексів та відповідатиме поточним і перспективним потребам ринку, економічної, технологічної екологічної та військової безпеки і забезпечуватиме реалізацію конкурентних переваг. Це передбачає формування самодостатнього комплексу галузей для забезпечення стійкості локальної економіки до різноманітних внутрішніх і зовнішніх соціально-економічних і воєнно-політичних шоків [2]. Відсутність обґрунтування стратегічних ініціатив зі сприяння адаптації українського машинобудування до глобальних викликів майбутнього (військово-політичних, цифрових, фінансових, інвестиційних, екологічних, технологічних, соціальних тощо) нарощує розрив між Україною та розвинутими країнами світу й тільки посилює ефект деіндустріалізації економіки країни.
Аналіз типу виробництва, сприятливого для подальшого масштабування
В цій статті нами розглядається приклад ливарної технології для виробництва широкої номенклатури металопродукції як одне з джерел відновлення вітчизняного машинобудування, яке відносять до однієї з найбільш трудомістких і наукомістких галузей промисловості. Ця технологія придатна для початкових та невеликих виробництв, а також успішно застосовується на крупних заводах, розвиток потужності яких збільшить потенціал масштабного росту всього виробничого комплексу країни. Можливість почати з дрібносерійного виробництва металопродукції в невеликому обсязі зменшує фінансові ризики та дозволяє випробувати нові ідеї, технологічні тонкощі та продукцію на ринку. Такий підхід сприятиме розросту локального виробництва (зокрема ремонтних запчастин), місцевої економіки, створенню нових робочих місць з розвитком професійних навичок серед працівників. Крім того, цей підхід може допомогти залученню інвестицій, стимулюючи подальший розвиток машинобудування.
Зокрема, дрібносерійне виробництво малих і середніх підприємств широкого товарного асортименту дозволяє оперативно реагувати на потреби ринку, забезпечуючи достатню якість продукції при невеликих обсягах виробництва з урахуванням таких його переваг: 1) гнучкість: можливість швидко змінювати асортимент продукції, адаптуючись до змін попиту; 2) сприятливість до інновацій: полегшене впровадження нових технологій та інновацій у виробничий процес; 3) уважність до деталей, що підвищує якість продукції завдяки меншому обсягу виробництва; 4) оптимізація витрат на виробництво шляхом використання існуючого обладнання та меншої кількості матеріалів.
До ключових факторів сприяння успішності дрібносерійного виробництва відносяться: 1) модульні виробничі системи, які можна швидко переналаштувати під різні продукти, та технології з можливістю рознесення створюваних напівпродуктів та оснащення по різних приміщеннях, виробничих дільницях і без короткого терміну використання; 2) обладнання невисокої капіталоємності, плинні сировинні та технологічні матеріали, бажано з високим ступенем повторного циклічного використання (для екологічної стійкості і оптимальної ресурсомісткості) та невеликої густини; 3) нескладність автоматизації виробництва, впровадження адитивних технологій (3D-друку) для швидкого створення прототипів (зі скороченням часу виходу на ринок) і невеликих серій металовиробів; 4) сприятливість до інтеграції з цифровими технологіями для моделювання, проектування та оптимізації виробничих процесів.
Діюче, хоч і невелике виробництво більш привабливе для інвестицій з метою його розширення в процесі відбудови промисловості країни, ніж створюване з нуля, з огляду створення підґрунтя для відновлення машинобудування. Таким чином, виробництво металопродукції з технологією, придатною до різної серійності і широкого спектру виробів як за їх геометрією, габаритами, так і за масою може стати ефективним інструментом для відродження машинобудування, забезпечуючи його конкурентоспроможність та сталий розвиток.
Огляд і структурування ливарної технології на прикладі діючого ливарного цеху
Ключову роль у машинобудуванні відіграє ливарне виробництво, як його основна заготівельна база, оскільки не менше половини за масою промислова металопродукція складається з деталей та вузлів, виготовлених саме ливарними методами. Ливарне виробництво постачає продукцію з різних металів та сплавів для машин і механізмів, транспортної індустрії, енергетики, ВПК тощо, виготовляючи складні за геометричною конфігурацією і конструкцією деталі, які було б складно або неможливо виготовити іншими способами.
Створення виробництва металевих виливків в дослідно-промисловому цеху ФТІМС НАН України продуктивністю до 40 тонн на місяць, як здебільшого дрібносерійного та ремонтного виготовлення литва, є прикладом диверсифікації випуску продукції як за масою виробу (від 0,2 до 1100 кг), металевими сплавами (чорні та кольорові), так і за серійністю продукції. Такій варіативності виробництва досягнуто завдяки впровадженню в цеху технології лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ, Lost Foam Casting), яка відповідає практично всім наведеним вище показникам для успішного виробництва металовиробів значних діапазонів серійності і номенклатури [3].
В жодній ливарній технології, крім ЛГМ, метал не заливається в ливарну форму, порожнина якої заповнена твердим матеріалом, що є унікальною особливістю ЛГМ. Якщо типова ливарна порожнинна піщана форма під час заливання металу є носієм функції утримання і перенесення на метал геометрії (конфігурації) майбутнього виливка, то при ЛГМ ці функції виконує разова ливарна модель. В першому випадку міцність стінки форми зумовлена адгезійно-когезійними силами (з огляду фізико-хімії) між зернами формувального піску зі зв’язувальним компонентом, а в другому – градієнтом газового тиску завдяки різниці тиску в вакуумованому пористому середовищі сухого формувального піску і тиску газів від термодеструкції моделі, яка служить рухомим джерелом газовиділення по мірі заміщення її розплавом металу. Умовно кажучи, визначальна роль хімії в технології піщаної формовки поступилася місцем фізиці, що, зокрема, дало перевагу по екологічності: застосування меншої кількості хімічних речовин знижує негативний вплив на довкілля.
Застосування ливарних форм з сухого піску багаторазового обігу (без зв’язувальних компонентів) дозволяє без капіталоємного масивного обладнання (порівняно з типовими формувальними машинами пресування чи струшування) регулювати виробництво як за строками (з накопиченням разових моделей певних виливків протягом часу аж до місяця і більше), за металоємністю форми, розміщуючи від 1 до 20 модельних кущів чи кластерів з окремими стояками в одній контейнерній піщаній формі, так і за локацією виробничих дільниць, з можливістю винесення модельної дільниці в прибудові до цеху на поверхи вище першого чи в окремі легкої конструкції приміщення.
Циклічний обіг і охолодження формувального піску взагалі можливо проводити поза цехом вздовж зовнішньої його стіни, що реалізовано обладнанням модульного типу в цеху ФТІМС НАН України. Об’ємна комплектація ливарних моделей з пінополістиролу (ППС) у кластери чи кущі і застосування багатомісних ливарних форм (з окремими ливарними стояками для кожного куща моделей) суттєво економлять виробничі площі (на тонну продукції) для заливання і вистоювання форм або скорочують ливарні конвеєри порівняно з литтям у більш поширені традиційні форми в парних опоках. Застосування сухого піску для ливарних форм полегшує циклічний обіг піску, для чого застосовують обладнання практично аналогічне до типового для заводу підготовки будматеріалів, і яке нескладно комплектувати з окремих установок-модулів і виготовити в більшості вітчизняних механічних цехів. Останні розробки інституту ФТІМС НАН України щодо моделювання біонічних литих конструкцій з ППС [4], регулювання швидкості охолодження литва у піщаній формі, включно з варіантами його термообробки [5], застосування 3D-фрезерів та 3D-принтерів для виготовлення моделей, в тому числі з вентиляцією моделей і знешкодженням викидів газів [6] суттєво удосконалюють ЛГМ-процес з можливістю його комп’ютеризації, автоматизації, поліпшення екологічної безпеки та збільшення перспективних варіантів виготовлення легковагих тонкостінних виливків [7] складної геометрії.
Тривала практика показала вигідне застосування технології ЛГМ для ремонтного литва, зокрема для виробництва достатньо швидкозношуваних навісних робочих органів ґрунтообробного обладнання сільськогосподарського призначення, приклади яких показано на рис. 1 [8]. Виробництво таких деталей відноситься до надзвичайно важливого напряму, яким є аграрне машинобудування [1]. Послідовна реалізація аграрної реформи збільшуватиме попит на сільськогосподарські машини й устаткування – як для великих, так і для дрібних господарств, а також навісних робочих органів, що контактують з ґрунтом, зношуються, після чого потребують постійної заміни. Чинниками інвестиційної привабливості розбудови аграрного машинобудування в Україні є наявність стійкого внутрішнього попиту з потребою імпортозаміщення [1], а також потреба у подальшому розвитку ресурсної бази виробництва комплектувальних деталей як ґрунтообробного, так і землерийного та гірничодобувного обладнання [9], як імпортного, так і вітчизняного.
Також нині і у повоєнний період наявна значна потреба у виготовленні (за схожими способами до виливання землерийних зносостійких органів) тріщиностійких контактних (витратних) органів протимінних тралів [11] (коткових, ножових чи бойкових), оскільки потреба розмінування вимагатиме спеціальної техніки – машин для розмінування, для перевезення вибухонебезпечних предметів, міношукачів, іншої спецтехніки. Протягом багатьох років будуть актуальними потреби в ремонті цієї техніки й постачанні запчастин для неї [11].
Придатність ЛГМ-процесу до рентабельного дрібносерійного виробництва різноманітної номенклатури виливків особливо вигідна з огляду обставин, що склалися протягом останніх десятиліть, коли боротьба за конкурентну перевагу у виробництві продукції на основі збільшення продуктивності процесу призвела до того, що в деяких галузях майже досягнуто її максимум, а запити потенційного споживача інноваційної продукції змінилися у бік підвищення ступеня індивідуалізації зі збереженням доступного рівня цін [12]. У багатьох сферах економіки почалася масова кастомізація продукції, за якої замовник бере активну участь у процесі проектування необхідного йому товару, зокрема через NFC-систему (бездротової передачі даних та платежів). Така трансформація виробництва призводить до скорочення часу виходу товару на ринок, зменшення обсягів складських запасів, часу їх зберігання та кількості одиниць продукції, а загальна цифровізація технологічних процесів змушує компанії впроваджувати передові методи виробництва, щоб залишатися конкурентоспроможними [13].
У відповідь на вищезазначені потреби [12, 13], обнадійливі перспективи для дрібносерійного ЛГМ-процесу відкриває 3D-друк ливарних моделей [6], при якому без модельної оснастки з цифрового креслення на екрані монітора за допомогою принтера друкується модель протягом 5-10 годин (в ідеалі) та протягом наступних 1-2 днів по ній методом ЛГМ можливе виготовлення виливка. Така «матеріалізації» ливарної моделі з цифрового файлу в концепції «Ідустрія 4.0» називається «цифро-фізичним перетворенням», що значно скорочує процес від креслення до металопродукції та відповідає одному з перспективних кроків цифрової трансформації ливарної галузі як з огляду швидкої зміни асортименту продукції у відповідь на зміну потреб ринку, так і наближення до концепції «виробництво як послуга».
З метою пояснення структури процесу ЛГМ стосовно впливу основних технологічних параметрів на якість виливків, а також для оцінки масиву такої інформації в його кількісному (згідно числа чинників впливу) і якісному складі (за організаційно-технологічною сутністю впливу) застосували діаграму за методом Ішікави. Діаграма Ішікави, як «причинно-наслідкова» діаграма, або як діаграма «аналізу кореневих причин» була ним описана в 1968 р. в роботі «Guide to Quality Control», яку було перевидано кілька разів [14]. Для аналізу технології лиття ЛГМ вона також приведена в ряді публікацій про дослідження технології ЛГМ, зокрема в роботі [15].
Взявши за основу результати розробок і досліджень по розширенню технологічних можливостей ЛГМ-процесу, які описано в роботі [3], а також накопичений ґрунтовний досвід ФТІМС НАН України при тривалому удосконаленні виробничого використання ЛГМ, варіант діаграми Ішікави з роботи [15] нами доповнено та уточнено деякими чинниками. Структура діаграми Ішікави дозволяє встановити основні фактори впливу на ливарний об’єкт, технологічний процес чи кінцевий продукт, зокрема литу металеву конструкцію, а також встановити взаємозв’язок між основними чинниками та детермінований вплив другого (нижчого) рівня на основні параметри.
Оскільки основна задача ливарного виробництва – отримання виливка з конкурентоздатним відношенням його якості до собівартості, то цей показник вказали на діаграмі в якості кінцевого продукту (рис. 6). Основні гілки, які визначають якісні та експлуатаційні характеристики литого виробу позначено таким чином: сплав (виливка), вакуум (в ливарній формі), вібрація (форми при ущільненні піску), пісок (наповнювач ливарної форми), модель (її якісні характеристики), покриття (моделі) [15]. Для кожної з таких гілок встановлено визначальні чинники другого порядку.
Розглянемо наші доповнення серед чинників другого порядку на діаграмі до вказаних у роботі [15], застосувавши системний підхід з роботи [3]. Гілку діаграми щодо формувального піску, до трьох відомих показників нами доповнено новим - «ступінь освіження піску». В багаторазовому обороті формувального піску при ЛГМ регулярне додавання не менше 5 % свіжого, або регенерованого кварцового піску в кожному циклі формовки сприяє підтриманню належної газопроникності наповнювача ливарної форми без надмірного накопичення в ньому забруднень, що зменшує газотвірність піску і вірогідність попадання газів із ливарної форми в повітря цеху. Не регулярне освіження піску може призводити до надмірного його забруднення і місцевого обсипання форми та контакту металу з продуктами газифікації, що не повністю видалені з порожнини форми та спричиняють зниження якості виливків.
В гілці «модель» на якість виливка, крім пористості матеріалу моделі і його густини, може впливати тип ливникової системи, приклад комп’ютерного моделювання якої для ЛГМ описано в роботі [16]. За ґрунтовною монографією В.С. Шуляка (2007) перевагу віддають сифонним ливниковим системам. Також вказано фактор вентилювання друкованих чи комбінованих (з друкованими вставками) ливарних моделей, густина яких може бути вищою, ніж у типових пінополістирольних. Останнє дозволяє вивести надмірну кількість газів за межі форми через верхню її поверхню, або у вакуумований пісок форми по вентканалах [6].
Для гілки «покриття» додано показник – «газопроникність», як важливу характеристику, яка підбирається складом (рецептурою) рідкої фарби, що утворює покриття на поверхні моделі. Газопроникність покриття – один з чинників (наряду з величиною вакууму), які регулюють протитиск газів на розплав металу і впливають на його формозаповнюваність. Подвійне нанесення фарби зменшує газопроникність її покриття.
До гілки «вакуум» внесли чинники «діаметр вакуумпроводу» та «наявність вакуум-ресівера» в цеховій системі вакуумування, що впливають на стабільність режиму вакуумування форми, оскільки її вакуум може знижуватись під час заливання вакуумованої форми рідким металом, який може частково розгерметизовувати пісок форми (місцево пропалювати покривну синтетичну плівку на формі), особливо при заливанні багатомісних форм та кількох форм підряд. Наявність ресівера (газового акумулятора) з вакуумпроводом діаметром не нижче ДУ 50, «згладжує» можливі піки газовиділень і зниження рівня вакууму в порах піску при заливанні форм. Чинники гілок «сплав» і «вібрація» залишили на діаграмі без доповнень.
На завершення огляду доречно відзначити, що значне поширення технології ЛГМ відбулося останніми десятиліттями в Китаї, який за цей час став провідною ливарно-металургійною державою, виробляючи близько половини тоннажу виливків світу [17]. Хоча розповсюджений ваговий діапазон виливків для ЛГМ-процесу складає від 0,2 до 5000 кг, у Китаї швидкому нарощенню випуску литва, наряду з іншими чинниками, сприяла поява цехів ЛГМ для виробництва крупних і середніх виливків з типовими для Китаю автоматизованими конвеєрними лініями рядного руху контейнерів з габаритами нерідко понад 2 м [17]. При русі ливарного контейнера на таких конвеєрах в нього з першого (з початку формовки) бункера в засипають піщану «постіль», потім на неї встановлюють модельні кластери, з двох наступних бункерів засипають піском кластери з віброущільненням піску. Для вакуумування піску форми контейнери виконані з коробчастими каналами і сітчастими фільтрами, що газопроникні всередину порожнини контейнера. Нерідко в контейнерній формі поміщають 12-16 кластерів моделей і кожний заливають металом крізь окрему воронку, досягаючи високої металоємності форми, недоступної для форм у парних опоках для традиційних видів лиття.

Висновки

Технологія виготовлення широкої номенклатури металопродукції, що в нинішніх непростих вітчизняних умовах застосовується передусім для дрібносерійного (ремонтного) виробництва, має значний потенціал сприяння відновленні галузі машинобудування, особливо на початкових етапах шляхом розвитку невеликих підприємств. Серед переваг дрібносерійного виробництва описано такі: можливість невеликих початкових інвестицій, гнучкість виробництва зі швидкою адаптацією до ринкових змін зміною асортименту продукції, її індивідуалізація за специфічними потребами замовників, інноваційний потенціал зі спрощенням впровадження нових технологій, включно з цифровізацією. Стосовно регіонального впливу, розвиток таких підприємств стимулює створення нових робочих місць, сприяє зростанню зайнятості в регіоні, економічному зростанню регіону та підвищенню його інвестиційної привабливості. Як приклад перспективного виробництва широкої номенклатури металопродукції описано ливарний цех з процесом лиття за моделями, що газифікуються, показано зразки його продукції, особливість та гнучкість технології, невисокі інвестиційні потреби його організації завдяки можливості виготовлення більшості обладнання та оснастки вітчизняними підприємствами, а також цифровізації з акцентом на 3D-друк ливарних моделей. Візуалізацію структури процесу ЛГМ з описом впливу основних технологічних параметрів на якість виливків виконано за допомогою діаграми Ішікави, на якій окремі фактори позначено з урахуванням останніх досліджень та значного досвіду удосконалення ЛГМ-процесу у ФТІМС НАН України.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
[1] О. В. Собкевич. Напрями розбудови машинобудування в Україні як драйвера економічного розвитку під час війни та у повоєнний період. НІСД. 23.01.2024. URL: https://niss.gov.ua/doslidzhennya/ekonomika/napryamy-rozbudovy-mashynobuduvannya-v-ukrayini-yak-drayvera-ekonomichnoho.
[2] О. Kushnirenko & N. Gakhovich (2023). Стратегічні напрями повоєнного відновлення машинобудування в Україні. Економічний вісник університету, (56), 05-15. https://doi.org/10.31470/2306-546X-2023-56-05-15.
[3] О. Й. Шинський, І. А. Шалевська, В. О. Шинський, П. Б. Калюжний, Т. В. Шевчук, Т. В. Лисенко, В. А. Слюсарев, Є. В. Погребач, С. В. Коломійцев. Принципи побудови та ідентифікації багаторівневої системи контролю параметрів технологічного циклу одержання литих конструкцій. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. № 5/1. С. 25-32.
[4] О. Й. Шинський, П. Б. Калюжний, В. С. Дорошенко. Біонічний підхід до виготовлення литих легковагих металоконструкцій для будівництва споруд модульного типу. Процеси лиття. 2022. № 4. С. 53-64. https://doi.org/10.15407/plit2022.04.063.
[5] В. C. Дорошенко, П. Б. Калюжний. Ізотермічне гартування залізовуглецевих сплавів, що суміщене з їх виливанням. Металознавство та обробка металів. 2024. № 1. С. 47-59. https://doi.org/ 10.15407/mom2024.01.047.
[6] В. С. Дорошенко. Нейтралізація газів при литті металу за моделями, що газифікуються, та передумови застосування для цього 3D-друкованих моделей. Процеси лиття. 2021. № 3. С. 32 – 43. https://doi.org/10.15407/plit2021.03.032.
[7] В. C. Дорошенко, Ю. Ю. Ладарєва, С. І. Клименко. Тонкостінні виливки з високоміцного чавуну за моделями, що газифікуються. Процеси лиття. 2023. № 4. С. 69-77. https://doi.org/10.15407/plit2023.04.069.
[8] М .Г. Аскеров. Нові матеріали для виробництва змінних деталей ґрунтообробної сільгосптехніки. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. – Харків: НТУ «ХПІ». 2021. № 2 (8). С. 3-8. https://doi:10.20998/2413-4295.2021.02.01.
[9] В. C Дорошенко., П. Б. Калюжний. Сучасні технології зміцнення робочих органів ґрунтообробних машин. Металознавство та обробка металів. 2023. №1. С. 34-45. https://doi.org/10.15407/mom2023.01.034.
[10] The process sequence of Lost Foam casting process. Densen Group. 2020-09-24. URL: https://www.sydensen.com/The-process-sequence-of-Lost-Foam-casting-proces-id3630192.html.
[11] В. С. Дорошенко, О. Б. Янченко, М. В. Лисий. Литі модульні трали та перспективні методи виготовлення виливків для землерийної та ґрунтообробної техніки. ВМТ, вип. 16, вип. 2, с. 23–29, Січ 2023. https://doi.org/10.31649/2413-4503-2022-16-2-23-29.
[12] Baykasoglu A., Büyükozkan G., Dereli T. Technology oriented new product development in a rapidly changing world. Proceedings of the conference IMS-2004, 4th Int. Symposium on intelligent manufacturing systems. Sakarya, Turkey, 2004. P. 1040-1048.
[13] Natsir Ch. What is advanced manufacturing and its benefits for your company? Hashmicro. 2022. April 28. URL: https://www.hashmicro.com/blog/what-is-advanced-manufacturing/.
[14] Ishikawa K. What is Total Quality Control? The Japanese Way. – London: Prentice Hall, 1985. 215 р.
[15] Kumar S., Kumar P., Shan H. S. Effect of Process Parameters on the Solidification Time of Al7%Si Alloy Castings Produced by VAEPC Process. Materials and Manufacturing Processes. Sept. 2007. 22(7-8):879-886.
[16] В. С. Дорошенко. Нейтралізація газів при литті металу за моделями, що газифікуються, та передумови застосування для цього 3D-друкованих моделей. Процеси лиття. 2021. № 3. С. 32 – 43. https://doi.org/10.15407/plit2021.03.032.
[17] В. О. Шинський, В. C. Дорошенко, С. І. Клименко. Сучасний стан і перспективи розвитку процесу лиття металу за моделями, що газифікуються. Метал і лиття України. 2023. № 3. С. 29-38. https://doi.org/10.15407/steelcast2023.03.029.

Дорошенко В., doro55v@gmail.com

Сучасний стан і перспективи розвитку процесу лиття металу за моделями, що газифікуються

Збільшення потужності ливарного виробництва може зіграти вирішальну роль в відновленні машинобудівного і оборонного секторів промисловості України. Розглянуто сучасний стан і перспективи розвитку технології ливарного виробництва - лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ), а також її можливості для збільшення об’єму переробки металу до готових деталей на прикладі Китаю. Для ливарних цехів малосерійного лиття, яким необхідне швидке виготовлення ливарних моделей, метод ЛГМ сприяє мінімізації капітальних і поточних витрат. Процеси плавлення, лиття та обробки при ЛГМ такі ж, як і в типових ливарних процесах, за винятком потреби в вищій температурі заливки форм на 30-50 ℃. Процес виготовлення моделей з пінополістиролу (ППС) розроблено у кількох варіантах і початково може бути реалізований в невеликих масштабах для отримання пробних виливків. Існуюче ливарне підприємство після проведення успішних випробувань зі спрощеним процесом ЛГМ може збільшити розміри партій виливків разом з розширенням інвестицій в оснастку та обладнання для цього. Механічна обробка при отриманні піномоделей вигідна для обсягів менше 100 виливків, а для серії понад 1000 виливків (поширене використання ЛГМ) застосовують спікання гранульованого ППС в прес-формах, включно з використанням для цього автоматизованого обладнання. За кількістю твердих і газоподібних відходів ЛГМ в формах з сухим вакуумованим піском екологічно переважає більшість ливарних процесів. Процес ЛГМ постійно розвивається і вдосконалюється, легко включає в послідовність своїх операцій 3D-технології та піддається цифровізації, автоматизації, роботизації і масштабуванню, відноситься до високоточного лиття в піщані форми з застосуванням некапіталомісткого обладнання. Приклад Китаю показує можливість швидкого збільшення випуску виливків в широкому діапазоні їх ваги, номенклатури і виду застосовуваних металевих сплавів.
Ключові слова: лиття за моделями, що газифікуються; 3D-технології; 3D-друк; разова модель; ливарний цех; відновлення промисловості України.





V.S. Doroshenko, Dr. Sci. (Engin.), Senior Research Scientist, Leading Researcher,
e-mail: doro55v@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-0070-5663

Physico-technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine (Kyiv, Ukraine)

The current state and prospects for the development of the Lost Foam Casting process

Increasing the capacity of foundry production can play a decisive role in the recovery of the machine-building and defense sectors of the Ukrainian industry. The current state and prospects for the development of foundry technology - Lost Foam Casting (LFС) process, as well as its possibilities for increasing the volume of metal processing into finished parts on the example of China, are considered. For foundries of low-volume casting, which need fast production of foundry patterns, the LFС method contributes to the minimization of capital and current costs. The melting, casting and finishing processes in LFС are the same as in typical foundry processes, with the exception of the need for a 30-50℃ higher pour temperature. The process of making patterns from polystyrene foam (EPS) has been developed in several variants and can initially be implemented on a small scale to obtain trial castings. An existing foundry, after successful trials with a simplified LGM process, can increase batch sizes of castings along with increased investment in tooling and equipment to do so. Mechanical processing when obtaining foam patterns is beneficial for volumes of less than 100 castings, and for a series of more than 1000 castings (common use of LFС) sintering of granulated EPS in molds is used, including the use of automated equipment for this. In terms of the amount of solid and gaseous waste, LFС in forms with dry vacuumed sand is ecologically superior to most foundry processes. The LFС process is constantly developing and improving, easily includes 3D technologies in the sequence of its operations and is amenable to digitization, automation, robotization and scaling, refers to high-precision casting in sand molds using non-capital-intensive equipment. The example of China shows the possibility of a rapid increase in the production of castings in a wide range of their weight, nomenclature and type of used metal alloys.
Key words: Lost Foam Casting; 3D technologies; 3D printing; disposable pattern; foundry; restoration of Ukrainian industry.

За урядовими планами Україна має переробляти на метал більшість руди власного видобутку, а метали – на готову продукцію [1]. Україна дев’ята у світі за експортом металів (19 млн т на рік) та експортує велику кількість руди, яку за планом післявоєнного відновлення слід переробляти всередині країни. Адже тонна руди коштує 100-150 USD (доларів США), тонна металу – 500-1000 USD, а готові металеві вироби такої ж маси – 1,5-2 тис USD. Якщо з металевих виробів виготовляти енергетичні машини, то ціна доходить до 15-20 тис USD за тонну [1]. Заради безпеки Україна збільшить виробництво зброї на підприємствах військово-промислового комплексу (ВПК), а саме виробництво усіх основних видів озброєння: від протиповітряної оборони до бронетехніки, ракет, стрілецької зброї, боєприпасів, літаків та кораблів. Для цього слід сформувати потужний військово-промисловий комплекс з локалізацією виробництва не менше 60 %. Україна ставить за мету за десять років збільшити валовий внутрішній продукт (ВВП) до $1 трлн [2] і робитиме ставку на military-tech, наслідуючи приклад країн, що демонструють, як високі військові технології можуть стати двигуном цивільної економіки [1].
Ливарне виробництво, як основа заготівельної переробки металів в машинобудуванні і для виготовлення оборонної металопродукції може зіграти вирішальну роль в відновленні машинобудівного і оборонного секторів промисловості України. Метою статті є огляд сучасного стану і перспектив розвитку однієї з найбільш універсальних з огляду вагового діапазону виливків і ресурсоощадних технологій ливарного виробництва - лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ), а також потенціал цієї технології для швидкого збільшення об’єму переробки металу в Україні до готових деталей, в тому числі з урахуванням таких прикладів у світовій промисловості.
Журнал Modern Casting зазначає, хоч ЛГМ має значні переваги перед іншими ливарними процесами, проте поки характеризується невисокими результатами щодо комерціалізації [3]. Частково це пояснюється сприйняттям процесу як такого, що вимагає великих початкових капітальних вкладень і витрат на оснастку та робить його придатним лише для великого виробництва. Але для організації лиття за разовими моделями з пінополістиролу (ППС) нерідко не потрібно інвестувати в капітальне обладнання і часто - навіть в оснастку, щоб організувати ЛГМ-процес. За скромну вартість необхідної сировини будь-який ливарний цех, що виготовляє виливки з залізовуглецевих чи кольорових сплавів, може швидко виготовити за разовими моделями дрібносерійні виливки, зокрема оснастку та інструменти для прототипів, запасних частин або інших деталей невеликих обсягів [3]. Лінії ЛГМ мають одну з найнижчих капіталомісткість серед видів лиття, що показано нижче.
Серед переваг способу ЛГМ є те, що він дозволяє продукувати виливки складної геометрії, нерідко такі, що їх досить дорого за витратами виготовити в традиційних формах в парних опоках. Одним з прикладів цього є чавунні валки (рис. 1), єдиним варіантом лиття яких, як описано в роботі [4], був процес ЛГМ. Ці виливки мають дрібні зубці із зворотним уклоном з огляду протяжки моделі. Кожен зубець також має невелику чашечку під тильною стороною. Виробник лиття виготовляв моделі вирізанням з ППС-заготовок.

Рис. 1. Виливки чавунних валків, що отримали перший приз у конкурсі «виливок року» у США (на фото праворуч видно чашечки на зубцях) [4]

Дослідження на замовлення Міністерства енергетики США (DOE) визначили, що порівняно з традиційними методами лиття ЛГМ забезпечує 25−30 % економії енергії, 46 % економії за продуктивністю праці, на 7 % менше вартості використовуваних матеріалів і можливість зниження собівартості продукції на 20−25 % [3]. У порівнянні з традиційними процесами утворюється менше твердих відходів, а також менше викидів твердих частинок у повітря та парникових газів. Додаткова перевага полягає в тому, що за належної конструкції ливникової системи вихід придатного литва сягає понад 70 %, а за певних умов він є можливим і понад 80 % [3].
Для моделі з механічно обробленого ППС допуск розміру залежить від точності обробки і зазвичай становить 0,05 мм (на 25 мм [5]) плюс допуск на обробку виливка. Недавнє дослідження, проведене в США [6], показало, що для тонкостінного високоміцного чавуну (ВЧ) навіть товщиною литої стінки 1 мм допуск розміру такої стінки становив +/- 0,039 мм. Ця ключова перевага ЛГМ означає, що виливки при такому литті можна використовувати з нульовою або мінімальною механічною обробкою металу. З належним перепроектуванням металевих заготовок це може призвести до значної економії коштів, яка компенсує дещо вищу вартість виливків порівняно з традиційними процесами лиття у сирі форми чи за процесом «no bake» (у форми з холоднотвердних сумішей, ХТС) для серійного литва [3]. Коротке порівняння показників процесів лиття показано в табл. 1.
Таблиця 1. Короткий порівняльний опис процесів лиття [5].

Тип процесу чи
ливарної форми Вартість праці за одиницю Вартість
обладнання Шорсткість поверхні, μм CLA Точність мм Мінімальний переріз мм
Сира форма Середня Низька 500–1000 ±2,5 5.0
Оболонкова форма Низька Середня 100–300 ±0,25 2.5
Відцентровий Низька Середня 100–500 ±0,7 8.0
За моделями, що
витоплюються Висока Середня 25–125 ±0,06 – 25 0,6
Лиття під тиском Низька Середня 100–250 ±0,4 + 0,05 на 25 мм 2.5
Лиття під низьким
тиском Низька Середня 40–100 ±0,05 + 0,05 на 25 мм 1.2
Безперервне лиття Низька Висока 100–200 ±0,12 на 25 мм 8.0
ЛГМ Низька Низька 60–300 ±0,05 + 0,05 на 25 мм 1.0

Як показано на рис. 2, ЛГМ також дозволяє без застосування піщаних стрижнів виготовляти порожнисті і ажурно-тонкостінні виливки, що можуть мати складну геометрію, в тому числі внутрішніх каналів і глухих отворів. Деталі можуть мати нульові або змінні уклони, а також литу різьбу, що відпрацьовано зокрема крупносерійним литтям гайок для стяжки будівельної опалубки чи для кріплень ізоляторів для електроживлення залізничного транспорту тощо.


а б в
Рис. 2. Моделі і виливки з внутрішніми каналами: а - корпус трубної арматури з сайту https://www.china-castchem.com/; б, в – виливки з цеху ФТІМС НАН України

ЛГМ може усунути потребу в оснастці для виготовлення моделей при механічному вирізанні моделей, в тому числі на 3D-фрезері з ЧПУ [7], або при друкуванні поверхневої оболонки [8] (рис. 3, а) чи окремих деталей моделі [9] (рис. 3, б) на 3D-принтері і наступному кріпленні їх на підкладці чи основі з ППС при збиранні в цільну модель. При цьому поверхня такої підкладки може служити лиш опорою друкованих деталей, не відтворювати поверхню виливка і виготовлятись з ППС низької густини та мати негладку поверхню. Було проведено експерименти, які показали, що ЛГМ з друкуванням оболонки моделі «additive manufacturing evaporative casting» (AMEC) [8] (зокрема з дешевого полімеру PLA) на підкладці з ППС придатне для алюмінію, латуні, низьковуглецевої сталі, нержавіючої сталі, сірого та високоміцного чавуну. Очікується, що після повної розробки та комерціалізації процес AMEC для сталевих деталей коштуватиме 3 USD за фунт. Хоча час для 3D-друку поверхневої оболонки залежить від розміру та геометрії деталі, після повної розробки деталь вагою 100 фунтів (близько 45 кг) можна буде виготовити менш ніж за 24 години, якщо файл STL уже існує [8].


а б
Рис. 3. Виливки за моделями з друкованими полімерними деталями на ППС-підкладці: а – з зовнішньою оболонкою [8]; б – з накладками типу шестерні [9]

3D-технології виготовлення разових моделей з мінімальними капіталовкладеннями усувають потреби в дорогій модельній оснастці і часто в автоматизованих лініях виготовлення моделей [3, 10]. Отримані за 3D-технологіями моделі повністю «вписуються» в відпрацьований десятиліттями процес ЛГМ, що є найбільш недорогим за вартістю впровадженням 3D-процесів в ливарне виробництво з його цифровою трансформацією, значним економічним ефектом і виграшом в часі освоєння нової номенклатури литва як при виробництві моделей для кінцевої металопродукції, так і моделей прес-форм (з наступним їх виливанням з алюмінію) для спікання серійних моделей з гранульованого ППС, що є найбільш поширеним способом модельного виробництва для ЛГМ. Серійність виготовлення на 3D-фрезері моделей для товарних виливків, як правило, не перевищує сотні, для більшої їх випуску застосовують прес-форми [3]. Також поширюються способи 3D-друкування прес-форм (для виготовлення моделей з ППС) з термостійкого полімеру або алюмінію [4], що в 2-4 рази знижує вартість їх виготовлення порівняно з виготовленням за допомогою механічної обробки.
При вирізанні моделей механічною обробкою піноблоків ідеальною густиною ППС (EPS) є 0,016-0,024 г/см3 [3]. Якщо контроль за рівнем вуглецю в металі важливий, наприклад, для сталевого лиття, бажано використовувати Clearcast — це сополімер із ППС і поліметилметакрилату (PMMA). Якщо оброблений пінопласт не буде використано негайно, ливарним цехам рекомендується витримати його принаймні три тижні перед використанням. Щойно виготовлена піна може не мати стабільних розмірів через повільне випаровування вологи. Залежно від клімату, через три тижні, а можливо й раніше, розміри піни перестануть змінюватися [3]. Виготовлені легковагі моделі можна зберігати на складі місяцями та за потреби групувати [4].
Переходячи від CAD-проектування деталі до CAM і механічної обробки ППС, важливо враховувати усадку металу, через відсутність деформації стінок ливарної форми коригувальний коефіцієнт, як правило, складає лише усадка металу [3]. Для таких сплавів, як алюміній з його високою усадкою при затвердінні, можна використовувати надливи (підживлювачі) або сама конструкція ливника може служити надливом. Для чавуну надливи зазвичай не використовуються. Для алюмінію та сталі застосовують надливи приблизно на одну третину менші від їх розміру для традиційних піщаних форм.
Одна з причин того, що моделі з ППС можуть мати дуже складні форми (як на рис. 2, а), полягає в тому, що піномоделі можна склеювати перед литтям. Це означає, що кілька деталей можна сконструювати так, щоб їх можна було з’єднати разом, а не обробляти чи видувати в одну готову прес-форму. Може бути нульовий ливарний уклон, змінний уклон, складні канали або глухі отвори. Можна навіть вилити з’єднані компоненти, такі як ланцюг, за умови, що вони мають окремі ливники. З’єднання деталей з ППС можна здійснити за допомогою таких матеріалів, як клей з органічним розчинником або стрічка скотч, але більшість ливарних виробництв використовують, спеціальний клей типу Foam-Lok, що нагрівається (в тому числі в клейовому пістолеті), а потім швидко твердне при охолодженні. Густина клейового шва може сягати до 960 кг/м3 [3]. Необхідно використовувати мінімум клею, оскільки він буде виділяти надлишок газу, а також надлишок клею буде відображатись на виливкові, тому краплі чи виступи на стиках потрібно відшліфувати.
В цьому огляді приділена значна увага опису виготовлення разових моделей, як одній з основних трудомістких і найбільш потенційно придатних для цифровізації і удосконалення складових ЛГМ, які не мають схожих операцій в інших ливарних процесах. Приклад конвеєра для подачі на формовку пофарбованих модельних блоків для серійного лиття алюмінієвих виливків в компанії Dongo Casting Srl, Італія, що заснована в 2020 р. для виробництва компонентів автомобільних електродвигунів, показано на рис. 4 [11].

Рис. 4. Конвеєр з модельними блоками, блок включає 4 моделі окремих виливків [11]

Витрати на отримання моделі в середньому складають близько третини собівартості виливка. Інші операції ЛГМ-процесу мають схожість зі складовими ряду відомих процесів, що застосовуються в ливарних цехах. Нагадаємо, що послідовність операцій ЛГМ-процесу при виготовленні дрібних і середніх виливків (зокрема крильчаток типу на рис. 2, в) виглядає згідно схеми (рис. 5).

Рис. 5. Схема ЛГМ процесу для дрібних і середніх виливків [12]

Загалом при ЛГМ на 1 т литва витрачають практично лише 4 види модельно-формувальних матеріалів: кварцового піску - 50 кг, протипригарного покриття - 25 кг, плівки з поліетилену - 10 м2, газифікується в ливарній формі 3,0-3,5 кг ППС, але з урахуванням відходів на виготовлення модельних комплектів нормою витрат вважають 6 кг ППС. Порівняємо це з витратами формувальних матеріалів при литті у форми з ХТС, які складають 3-4 т суміші на 1 т литва і включають не менше 3 % зв’язувального компонента, тобто мінімум 90 кг, а це приблизно в 30 раз більше від кількості газифікованого ППС у формі і свідчить про значно менші при ЛГМ як забруднення повітря від термодеструкціїї ППС у піску (що актуально з огляду прагнення до кліматично нейтрального виробництва), так і кількості твердих формувальних відходів ливарного виробництва. Це порівняння показує зменшення екологічно негативного впливу на навколишнє середовище при заміні процесом ЛГМ традиційних видів піщаної формовки для виготовлення виливків, особливо порівняно з застосуванням смоляних ХТС. Малі витрати формувального піску пояснюються його оборотним багатократним використанням з нескладним охолодженням та регенеруванням, як правило, в прохідних конвеєрних установках.
Дільниці для формовки і заливання форм при ЛГМ займає відносно невеликі виробничі площі, типова лінія лиття з пінопласту зазвичай має довжину близько 30 м [4]. Приклад монтажу такої дільниці за проектом компанії Vulcan Engineering Co показано на рис. 6. Це компактний, як правило, автоматизований процес, який має можливість односкладового потоку. Однак деякі з найбільших у світі ливарних заводів змогли спроектувати та побудувати власні системи ЛГМ, які є досить простими, але ефективними.

Рис. 6. Лінія ЛГМ, що має замкнутий цикл обігу контейнерних форм та опок з фільтрами для вакуумування піску [4]

Розглянемо приклади застосування ЛГМ в Китаї, як світового лідера по тоннажу випуску ливарної продукції. В 2021 р. в Китаї було вироблено 54,05 млн. т металевих виливків, що на 4,0 % більше ніж у 2020 р. і, по суті, складає близько половини виливків світу [13]. В технічних публікаціях відмічається, що спосіб ЛГМ має безліч переваг у порівнянні з традиційними технологіями лиття, тому в Китаї та за кордоном цей метод був проголошений ливарниками «Ливарною технологією XXI століття» [14].
У Китаї державою було підтримано розвиток технології ЛГМ, вона набула значного масштабу і стала важливою складовою ливарної промисловості, питома вага виробленої продукції ЛГМ в ливарній галузі зростає. ЛГМ стала однією з поширених новітніх технологій, що використовуються для модернізації традиційних ливарних заводів і організації нових [14], оскільки ця технологія порівняно низької капіталомісткості не мала патентних обмежень та опиралась на власне виготовлення досить нескладного обладнання і оснастки, що головним чином пов’язані з пересипанням і ущільненням дисперсних сухих матеріалів, які недорогі і розповсюджені в промисловості, а також на легку обробку ППС і поширене обладнання для цього. За експертними оцінками об’єм випуску ливарної продукції методом ЛГМ в Китаї перевищує 4 %.
Нині технологію ЛГМ в Китаї використовують для виробництва виливків з таких сплавів: алюмінієвих, магнієвих, мідних; із сірого, високоміцного та спеціального чавунів (в т. ч. чавуну з високим вмістом хрому, антифрикційного, зносостійкого, корозійностійкого чавунів); з вуглецевої сталі, середньо- і високовуглецевої низьколегованої антифрикційної сталі, спеціальної ливарної сталі (з великим вмістом марганцю та сталі корозійностійкої).
Типи виливків, що виготовляються [14]:
• антифрикційні виливки (дрібні кулі, підкладки з марганцевистої сталі, екскаваторні зуби, виливки з бейнітного чавуну тощо);
• вогнетривкі виливки (пічні колосники з жароміцної сталі та чавуну, термічні опалювальні піддони, корпуси та рами для різних матеріалів тощо);
• труби (з сірого чи високоміцного чавуну, а також з чавуну з високим вмістом алюмінію, фасонні частини труб);
• клапани (клапани, в тому числі з високоміцного чавуну, штуцери зі сталі Ст25Л, Ст35Л);
• інженерні механічні деталі (шестерні, зубчасті рейки, деталі зі сталі для вилкових навантажувачів);
• корпуси (коробки передач, диференціалу, редуктора, блоку двигуна, пожежних колонок, корпусів боєприпасів тощо);
• виливки для гальмівної системи автомобілів (гальмівні апарати, гальмівні диски);
• колінчасті вали (компресора, автомобільного двигуна);
• колектори (впускні алюмінієві колектори, випускні з високоміцного чавуну для 4-циліндрових двигунів, із сірого чавуну для 6-циліндрового дизеля тощо);
• виливки заднього моста (корпус заднього моста зі сталі, високоміцного чавуну);
• виливки для залізниці та автопромисловості (залізнична рама зі сталі 25Л, балка надресорна, автомобільні ресорні кронштейни, огорожа швидкісних магістралей тощо);
• виливки головок циліндра компресора, одноциліндрового двигуна, циліндри та головки для 4-циліндрових автомобілів;
• виливки різного призначення (головки швейних машин, педалі, кронштейни, кривошипи сільгоспмашин, плужні різці та направляючі плуга тощо).
Асортимент виливків, так само, як і вага, значний. ЛГМ-процесу доступне литво від 50 г до 5 т. Основний матеріал у Китаї та Японії – це чавун, але останнім часом поширюється лиття сталі [14]. Швидкому нарощенню випуску литва сприяла поява цехів ЛГМ крупних і середніх виливків з типовими для Китаю конвеєрними лініями рядного розміщення контейнерів з габаритами більше 2 м (рис. 7) [15]. На таких конвеєрах під першим (з початку формовки) бункером в контейнер засипають піщану постіль, а під двома ближчими до центру цеха – засипають піском модель в контейнері з підняттям спеціальним механізмом його над рейками і віброущільненням піску. Для вакуумування піску форми до контейнерних опок ззовні приварені канали з сітчастими фільтрами, що газопроникні всередину порожнини контейнера. Нерідко в контейнерній формі заливають металом крізь 12-16 воронок і стояків стільки ж кущів чи кластерів моделей з ППС, що дозволяє досягти високої металоємності форми, недоступної для форм у парних опоках для традиційних видів лиття.


Рис. 7. Конвеєрні лінії ЛГМ з трьома бункерами для формовки сухим піском [15]

До перспектив розвитку ЛГМ, крім зазначених цифровізації при проектуванні виливків та виготовлення моделей за 3D-технологіями, відносяться нові різновиди процесів ЛГМ з регулюванням структури і властивостей литого металу при зовнішньому впливові на виливок у ливарній формі. Для інтенсифікації теплообміну в контактній зоні «метал – форма» у відділі проф. Шинського розроблено введення газоподібних та рідких холодоагентів і пори піску форми, а також накладення високого механічного або газового ізостатичного тисків на рідкий і тверднучий метал [16, 17]. Холодоагенти в порах піску дозволяють регулювати передусім теплоаккумулюючу здатність піщаної форми і швидкість охолодження виливка, подібно діє тиск на метал, здрібнюючи кристаліти його структури і підвищуючи механічні властивості.
Крім того, в якості методу інтенсифікації теплообміну в контактній зоні «метал – форма» останніми роками розроблено способи руху піску навколо гарячого виливка після його тверднення у таких варіантах: 1) гравітаційне висипання піску з регульованою швидкістю крізь отвір контейнерної форми зі змінним розміром його вихідного отвору, а також 2) створення псевдозрідженого шару піску в ливарній формі шляхом продування повітря крізь дно контейнера (дослідження П.Б. Калюжного). В першому випадку досягається усунення пилоутворення за рахунок плавного опускання піску при більш швидкому охолодженні виливка і меншому нагрівання формувального піску, ніж в стоячому піску, одночасно з опустошенням контейнерної опоки. В другому випадку досягається висока швидкість охолодження виливка та можливе його гартування з гарячого стану безпосередньо у піщаній формі, в якій його вилито.
Підвищення розмірної точності литих конструкцій може бути досягнуто шляхом армування моделей з ППС металевими та неметалевими тілами, які одночасно є армуючою фазою і виконують функцію внутрішніх холодильників (дослідження І.А. Шалевської). Зниження шорсткості поверхні моделей і виливків забезпечується збільшенням густини ППС з одночасним «полегшенням» моделей утворенням в них орієнтованої пористості, а також виготовленням ППС-моделей (піномоделей) з повною чи частковою 3D-друкованою полімерною оболонкою [9] і внутрішніми каналами чи порожнинами, які одночасно служать для відводу газів з форми, усунення протитиску газів від моделі на метал і наступної нейтралізації цих газів [18].
Також на основі експериментів О.А. Яковишина розроблено спосіб виготовлення моделей з охолоджених в морозильній камері (кріообробка) гранул ППС перед їх спіканням в прес-формі, що збільшує їх потенціал до розширення і дозволяє як утворення легких моделей з густиною до 18…20 кг/м3, так і замішування до 50 % мелених відходів ППС з цими гранулами для виготовлення моделі в прес-формі. В першому випадку знижується газотвірність моделей, в другому – утилізуються відходи ППС. Крім арматури, матеріал моделі може включати інокулюючу дисперсну фазу. Дослідженнями І.А. Небожака показано, що при інокулюванні чавунів та алюмінієвих ливарних сплавів за допомогою дисперсно-наповненої ППС-моделі витрати модифікаторів та лігатур зменшуються в середньому на 25 %, проти модифікування чи легування чавунного розплаву у ковші, або композиційному зміцнені алюмінієвих ливарних сплавів шляхом подачі модифікатора на струмінь металу. При цьому передкристалізаційна обробка металу суттєво здрібнює кристалічне зерно та фазові складові виливка.
Висновки.
Для ливарних цехів ремонтного чи дрібносерійного лиття, яким необхідне швидке виготовлення ливарних моделей, метод ЛГМ сприяє мінімізації капітальних і поточних витрат при диверсифікації номенклатури виливків [3]. Процеси плавлення, лиття та обробки виливків при ЛГМ практично такі ж, як і в типових ливарних процесах, за винятком потреби в вищій температурі заливки форм на 30-50 ℃. Процес виготовлення моделей з ППС, незважаючи на свою специфічність, має декілька варіантів [7], початково може бути реалізований в невеликих масштабах для отримання пробних виливків. Існуюче ливарне підприємство після проведення успішних випробувань зі спрощеним процесом ЛГМ може збільшити розміри партій виливків разом з розширенням інвестицій в оснастку та обладнання для цього. Механічна обробка при отриманні піномоделей з точки зору вартості вигідна для обсягів менше 100 виливків [3], а для серії понад 1000 виливків (поширене використання ЛГМ) застосовують спікання гранульованого ППС в прес-формах, включно з застосуванням для цього автоматизованого обладнання, аналогічного для виготовлення упаковки з ППС. За кількістю твердих і газоподібних відходів ЛГМ в формах з сухим вакуумованим піском екологічно переважає більшість ливарних процесів і має відносно низький рівень викидів CO2.
Процес ЛГМ постійно розвивається і вдосконалюється, легко включає в низку своїх операцій 3D-технології та піддається цифровізації, автоматизації, роботизації і масштабуванню, відноситься до високоточного лиття в піщані форми з застосуванням некапіталомісткого обладнання. Приклад Китаю показує можливість швидкого збільшення випуску виливків в широкому діапазоні їх ваги, номенклатури і виду застосовуваних металевих сплавів.
В нових перспективних різновидах ЛГМ застосовують такі раніше не розкриті потенційні можливості: як сипкість сухого піску форми - для створенні конвекційного охолоджувального середовища для виливка; вакуум у ливарній формі - для примусової фільтрації в пори піску плинних холодоагентів; сипкість гранул ППС для розміщення в тілі моделі армуючої, легуючої чи інокулюючої макро- чи мікро- фаз; кріообробку для регулювання густини моделі тощо; проектування та виготовлення моделі не лише як газотвірної, а водночас і як газопровідної конструкції для зниження тиску газів на метал, що заливається у форму, виводу за межі форми надлишку газів і їх знешкодження. Загалом, науково-фаховий підхід до ЛГМ-процесу за методикою проф. О.І. Шинського [16, 17] окреслює його фізико-хімію, газогідро- і термодинаміку як взаємодію потоків трьох середовищ: сипкого твердого (сухий пісок та гранульований ППС), рідкого (розплав металу, рідка фаза термодеструкції ППС) та газоподібного (продукти газифікації моделі, газове середовище у порах вакуумованого піску і можливий газовий «факел» на виході з форми). Оптимізація передусім термо-динамічної взаємодії цих потоків направлена на випуск якісної металопродукції з конкурентоспроможною собівартістю і нейтральним до навколишнього середовища виробництвом. Також до цих потоків в підрозділі виробництва піномоделей додається новітній потік «цифро-фізичного перетворення» (digital-to-physical conversion) [19], а саме: перетворення методами 3D-технологій від цифрового (креслення на комп’ютері) до фізичного, матеріального виробу – піномоделі.
Література
1. Свириденко Ю. А. Як буде відновлюватися Україна? 21.04.2022. URL: https://www.pravda.com.ua/columns/2022/04/21/7341214/.
2. Україна ставить за мету за десять років наростити доларовий ВВП у 6,2 рази. 21.06.2023. URL: https://interfax.com.ua/news/economic/918105.html.
3. S. Jordan and M. Debruin. How a foundry can diversify into lost foam casting at negligible cost. Modern Casting. 2022. August. P. 29 - 33. URL: https://www.qgdigitalpublishing.com/publication/?i=754665&p=31&view=issueViewer.
4. Marshall Miller. Why Lost Foam? Modern Casting. August 11, 2020. No. 8. P. 41-42.
5. Omidiji, B. V. (2018). Evaporative Pattern Casting (EPC) Process. InTech. URL: https://www.intechopen.com/chapters/59140. https://doi: 10.5772/intechopen.73526.
6. S.E. Jordan, M.E. Debruin, E. Cinkilic, A.A. Luo. Thin-Walled Ductile Iron. Casting source. 2021. Sept/Oct. P. 34-39.
7. Дорошенко В. С., Шинский И. О. 3D-технологии при литье по газифицируемым моделям. Металл и литье Украины. 2009. № 4–5. С. 30–33.
8. S. Jordan. Additive Manufacturing Evaporative Casting. Jun 26, 2019. URL: https://contest.techbriefs.com/2019/entries/manufacturing-robotics-automation/9764.
9. Калюжний П.Б., Дорошенко В.С., Нейма О.В. Лиття за комбінованими полімерними моделями, що газифікуються. Процеси лиття. 2023. № 2. С. 49-55. https://doi.org/10.15407/plit2023.02.049
10. Шинський О.Й., Шалевська І.А., Дорошенко В.C. Комплектація цеху лиття металу за моделями, що газифікуються, сучасним 3D-технологічним обладнанням. Метал і лиття України. 2023. № 1. С. 57-62. https://doi.org/10.15407/steelcast2023.01.057.
11. Renato Begnis. Dongo casting: digital transformation as a strategic lever to face and win the challenges of the e-mobility market. 21 Jun 2021. URL: https://trans4mers.eu/blog/post/40.
12. Дорошенко В.С., Кравченко В.П. Передумови створення цифрового двійника технологічного процесу лиття за моделями, що газифікуються, за даними моніторингу ливарного цеху. Процеси лиття. 2020. № 4. С. 42 - 52.
13. Industry Outlook: Sales Expected to Keep Growing. Modern Casting. January 2023. P. 33-35.
14. Галкин А. А. Опыт освоения производства отливок методом литья по газифицируемым моделям с использованием оборудования и материалов из KHP. Литейщик России. 2О12. №12. С. 17-19.
15. Lost Foam Machine Supplier in China. URL: https://kitairu.net/rubber-and-plastics/machinery-and-parts/metal-processing-machinery/metal-casting-machinery/709022.html#prettyPhoto.
16. Шинський О. Й., Шалевська І. А., Шинський В. О., Калюжний П. Б., Шевчук Т.В., Лисенко Т. В., Слюсарев В.А., Погребач Є.В., Коломійцев С.В. Принципи побудови та ідентифікації багаторівневої системи контролю параметрів технологічного циклу одержання литих конструкцій. Eastem-European Jornal of Enterprise Technologies. 2018. № 5/1. С. 25-32.
17. Шинский О.И., Дорошенко В.С. Процессы песчаной формовки с использованием градиентов давления, температуры и концентрации реагентов в формовочной смеси. Процессы литья. 2017. № 5. С. 56 - 65.
18. Дорошенко В.С. Знешкодження газів, які виділяються при литті за моделями, що газифікуються. Метал і лиття України. 2021. № 2. С. 64-71.
19. Industry 4.0: How to navigate digitization of the manufacturing sector. McKinsey Digital (2015). URL: https://www.mckinsey.de/files/mck_industry_40_report.pdf.