Zespół:

Barbara Hutera – kierownik zespołu
Barbara Stypuła, Stanisław Rzadkosz, Mariusz Holtzer, Jerzy Stanisław Zych, Paweł Nowicki, Angelika Kmita, Maria Starowicz, Michał Hajos

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania form stosowanych do produkcji odlewów precyzyjnych (o dużej dokładności wymiarowej, o skomplikowanych kształtach), głównie ze stopów o dużej żaroodporności i żarowytrzymałości oraz odporności na korozję dla potrzeb: przemysłu kosmicznego, przemysłu lotniczego, przemysłu motoryzacyjnego, medycyny i odlewnictwa artystycznego.

Technologia wytapianych modeli pozwala na otrzymanie elementów o skomplikowanych kształtach ze stopów metali poprzez wlanie roztopionego metalu do jednorazowych ceramicznych form, zawierających ewentualnie rdzenie, uformowanych wokół jednorazowych
woskowych modeli odwzorowujących żądany kształt odlewu.

Wytwarzanie form i rdzeni dla technologii wytapianych modeli polega na cyklicznym procesie zanurzania woskowego modelu w ciekłej masie ceramicznej, posypywaniu uzyskanej powłoki gruboziarnistym suchym materiałem ceramicznym i suszeniu tak otrzymanych warstw, aż do uzyskania odpowiedniej grubości i wytrzymałości formy skorupowej. Następnie z formy usuwa się model woskowy (rys.1), a do wyprażonej formy ceramicznej wlewa się ciekły metal. Po jego zakrzepnięciu z formy usuwa się gotowy odlew.

Ciekłe masy ceramiczne składają się z żaroodpornego materiału i spoiwa, które zawiera wodny roztwór krzemionki koloidalnej oraz środki powierzchniowo-czynne, zwane surfaktanami.

Istota wynalazku wytwarzania form dla odlewów precyzyjnych w technologii wytapianych modeli polega na tym, że na powierzchnię woskowego modelu nanosi się mono-warstwę koloidalnej zawiesiny o stężeniu 0,1 - 0,4 mola nanocząstek tlenków alkalicznych (ZnO, MgO) lub amfoterycznych (AI2O3) w alkoholach lub estrach organicznych, zawierających w łańcuchu węglowym więcej niż 5 atomów węgla, po czym na modelu z naniesioną powłoką wytwarza się znanym sposobem kolejne warstwy ciekłej masy ceramicznej, które poddaje się suszeniu aż do uzyskania trwałej formy skoprupwej.
Wielkość cząstek tlenków alkalicznych wynosi od 1 do 50 nm.

Zaletą sposobu według wynalazku jest to, że pozwala on na znaczną poprawę zwilżalności hydrofobowej powierzchni modelu woskowego przez ciekłą masę ceramiczną, dzięki czemu otrzymuje się odlew o znacznie bardziej gładkiej powierzchni niż w przypadku dotychczas stosowanych modeli woskowych (bez nanoszenia koloidalnej monowarstwy nanocząstek).

Korzyści z zastosowania wynalazku

Zastosowanie wynalazku w postaci naniesionej monowarstwy nanocząstek tlenków powoduje wyraźną poprawę zwilżalności modelu woskowego przez ciekłą masę ceramiczną (kąt zwilżania w przypadku modeli woskowych bez warstwy nanocząstek ok. 80 stopni, natomiast przy zastosowaniu wynalazku kąt zwilżania zmniejsza się do 40 stopni, czyli dwukrotnie). Dzięki temu ciekła masa ceramiczna stosowana na formy dokładniej pokrywa powierzchnię modelu woskowego, a tym samym gotowa forma dokładniej odwzorowuje kształt odlewu metalowego. Jest to szczególnie ważne w przypadku odlewów, od których wymagana jest wysoka
jakość powierzchni, duża dokładność wymiarowa i wysoka odtwarzalność kształtu. W większości przypadków odlewy wykonywane tą technologią pracują w bardzo trudnych warunkach eksploatacyjnych (wysoka temperatura pracy rzędu 900-1000 C, atmosfera utleniająca, duże obciążenia mechaniczne itp.) np. łopatki w turbinach gazowych, w silnikach samolotowych, podwozi samolotowych oraz konstrukcjach nośnych samolotów.

Szerokim obszarem zastosowania odlewów precyzyjnych jest również medycyna gdzie odlewy te stosowane są między innymi jako ednoprotezy np. stawów biodrowych, kolanowych, jako elementy zespajające złamane kości itp. Wykorzystywane są również w stomatologii (narzędzia dentystyczne) jak również implanty, elementy mostków, koronek itp.

Nasz wynalazek pozwala na zmniejszenie ilości wybrakowanych odlewów (wadliwych), których przyczyną są: niewystarczająca jakość powierzchni, niedotrzymanie dokładności wymiarowej oraz niedokładne odtworzenie kształtu.
Zmniejszenie ilości wybrakowanych odlewów nie naraża odlewni na dodatkowe koszty i korzystnie wpływa na sytuację finansową zakładu.
Mniejsza ilość wadliwych odlewów korzystnie wpływa również na stan środowiska, ponieważ do wytworzenia odpowiednie ilości dobrych odlewów zużywa się mniej energii, mniej surowców, mniejsza jest emisja zanieczyszczeń do powietrza i wody oraz mniejsza jest ilość generowanych odpadów.

Potencjał komercjalizacyjny

Wdrożeniem powyższego wynalazku zainteresowane będą odlewnie produkujące odlewy precyzyjne metodą wytapianych modeli. W Polsce działa ok. 20 odlewni produkujących tego typu odlewy o różnej zdolności produkcyjnej (np. WSK Rzeszów, Specodlew Kraków). Wdrożenie tego wynalazku jest stosunkowo łatwym przedsięwzięciem, nie wymagającym ingerencji w dotychczasowy proces technologiczny i nie wymaga dodatkowych inwestycji, a koszty jego wdrożenia są niskie (zakup substancji powierzchniowo aktywnej). Natomiast korzyści (technologiczne, ekonomiczne i środowiskowe) jakie może przynieść odlewni wdrożenie wynalazku mogą być znaczne. Ponieważ technologia wykonywania odlewów precyzyjnych charakteryzuje się dużą ilością wybrakowanych odlewów to odlewni tego typu są zainteresowane każdą możliwością zmniejszenia ilości tych braków i dlatego należy sądzić, iż będą one zainteresowane również wdrożeniem wynalazku będącego przedmiotem powyższego patentu.