TECHNOLOGIE VÝROBY UMĚLECKÝCH ODLITKŮ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY

TECHNOLOGIE VÝROBY UMĚLECKÝCH ODLITKŮ MANUFACTURE OF ARTISTIC CASTINGS

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

JAN JANOŠŤÁK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2012

Ing. VÍT MIKULKA

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav strojírenské technologie Akademický rok: 2011/2012

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Jan Janošťák který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Strojní inženýrství (2301R016) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Technologie výroby uměleckých odlitků v anglickém jazyce: Manufacture of Artistic Castings Stručná charakteristika problematiky úkolu: Literární přehled slévárenských technologií užívaných při výrobě uměleckých odlitků. Součástí práce bude i praktická výroba uměleckého odlitku technologií vytavitelného modelu. Cíle bakalářské práce: Vytvořit stručný přehled o uměleckém slévárenství. Ověřit vhodnost metody vytavitelného modelu pro tyto účely.

Seznam odborné literatury: 1. BEELEY, P.-R., SMART, R.-F. Investment Casting. Cambridge: The University Press, 1995. 486 p. ISBN 0-901716-6-9. 2. CAMPBELL, J. Castings. Oxford: Butterworth – Heinemann, 1991. 288 p. ISBN 0 7506 1072. 3. ENGELS, G., WÜBBENHORST, H. 5000 Jahre Giessen von Metallen. 3. Aufl. Düsseldorf: Giesserei-Verlag, 1994. 227 s. ISBN 3-87260-112-1. 4. STRÁNSKÝ, K. Nástin slévárenství v českých zemích od pravěku do poloviny 20. století. Slévárenství. 1996, roč. 44, č. 2, s. 67-84. ISSN 0037-6825.

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Vít Mikulka Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2011/2012. V Brně, dne 21.11.2011 L.S.

_______________________________ prof. Ing. Miroslav Píška, CSc. Ředitel ústavu

_______________________________ prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Děkan fakulty

FSI VUT

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

List 3

ABSTRAKT Tato bakalářská práce je zaměřena na druhy slévárenských metod, které jsou nebo byly užívány k výrobě uměleckých předmětů. Nejprve je proveden chronologický průřez historií uměleckého odlévání, který je následován rozborem nejpoužívanějších metod a postupů vedoucích k výrobě uměleckých odlitků. Následná praktická část bakalářské práce se týká samotné výroby jednoduchého uměleckého odlitku. Pro jeho zhotovení byla použita metoda vytavitelného modelu. Klíčová slova Historie odlévání, umělecké odlévání, vytavitelný model, přesné lití

ABSTRACT This bachelor’s thesis is focused on types of casting methods, which are or were used for the production of art objects. Chronological cross-section through history of art casting is made at first, which is followed by an analysis of the most common methods and techniques leading to the production of art castings. The following practical part of the bachelor’s thesis concerns itself with the production of a simple art casting. The lost-wax process was used for its fabrication.

Key words History of casting, art casting, lost-wax process, investment casting

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE JANOŠŤÁK, J. Technologie výroby uměleckých odlitků. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2012. 33 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Vít Mikulka.

FSI VUT


List 4

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Technologie výroby uměleckých odlitků vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na konci práce.

Datum: 24. 5. 2012

…………………………………. Jan Janošťák

FSI VUT


List 5

Poděkování Děkuji tímto Ing. Vítu Mikulkovi za cenné připomínky a rady při vypracování bakalářské práce a hlavně za pomoc a zprostředkování závěrečných fází výroby odlitku ve slévárně ALUCAST, s.r.o. pro praktickou část mojí práce.

FSI VUT


List 6

OBSAH Abstrakt ............................................................................................................. 3 Prohlášení ......................................................................................................... 4 Poděkování ....................................................................................................... 5 Obsah ............................................................................................................... 6 Úvod ................................................................................................................. 7 1 TEORETICKÁ ČÁST .................................................................................... 8 1.1 Historie uměleckého slévárenství ve světe ............................................... 8 1.1.1 Nejstarší metody a materiály ................................................................ 8 1.1.2 Starověk ............................................................................................. 10 1.1.3 Antika ................................................................................................. 11 1.1.4 Středověk ........................................................................................... 12 1.1.5 Novověk ............................................................................................. 14 1.2 Historie uměleckého slévárenství na našem území................................ 16 1.3 Metoda vytavitelného modelu ................................................................. 18 1.3.1Výroba plných odlitků.......................................................................... 19 1.3.2 Výroba dutých odlitků přímou metodou .............................................. 19 1.3.3 Výroba dutých odlitků nepřímou metodou .......................................... 20 1.3.4 Moderní umělecké lití na vytavitelný model ........................................ 21 1.4 Odlévání do pískových forem ................................................................. 22 2 PRAKTICKÁ ČÁST ..................................................................................... 23 2.1 Výroba matečného modelu ..................................................................... 23 2.2 Výroba voskového modelu ..................................................................... 24 2.3 Zaformování a odlití ............................................................................... 27 2.4 Dokončovací operace ............................................................................. 29 Závěr ............................................................................................................... 30 Seznam použitých zdrojů ................................................................................ 31

FSI VUT


List 7

ÚVOD Slévárenství je jednou z nejstarších metod výroby předmětů, jeho historie sahá minimálně do 3. tisíciletí před naším letopočtem. Za starší by se dalo označit snad jen obrábění, neboť už před miliónem let si pravěký člověk dokázal vyrobit pěstní klíny otloukáním vhodných kamenů o sebe. U vzniku slévárenství stála potřeba lidí vyrábět nejprve různé kultovní předměty, sloužící k uctívání bohů, později se k potřebám náboženským přidaly i ty kulturní a°vojenské. Nicmén ě převážnou většinu odlitků vzniklých do začátku 20. století můžeme označit jako umělecké, byť měly i jiný účel než okrasný (např. zdobené nástroje, zbraně, zvony, hlavně děl či sošky božstev). Z tohoto důvodu je téma výroby uměleckých odlitků velmi obsáhlé, protože zahrnuje v podstatě všechny slévárenské technologie, vyjímaje pouze některé supermoderní postupy, kterými se tato práce zabývat nebude. To však neznamená, že by pomocí nich umění tvořit nešlo, ale bylo by to z důvodu zpravidla malých sérií uměleckých odlitků velmi neekonomické. Tato práce se tedy pokusí shrnout nejdůležitější slévárenské technologie využívané pro výrobu uměleckých odlitků a to ideálně v chronologickém pořádku. Je však třeba mít na paměti, že v dobách starověku byla globální integrace, zvláště mezi Asií a zeměmi kolem středozemního moře, ještě v plenkách, tudíž se některé metody objevily v různých koutech světa nezávisle na sobě, nebo na některém místě daná technologie upadla (kvůli přírodní katastrofě, válkám či stěhování národů) a objevila se někde úplně jinde např. až o několik staletí později.

FSI VUT

1


List 8

TEORETICKÁ ČÁST

1.1 Historie uměleckého slévárenství ve světě 1.1.1 Nejstarší metody a materiály První doložené nálezy odlévaných výrobků jsou datovány do třetího tisíciletí př. n. l., z čehož plyne, že slévárenská technologie už je lidstvem využívána minimálně pět tisíc let, ale spíše více, což dokládají ojedinělé nálezy z oblasti dnešního Thajska, které jsou datovány až do 4. -5. tisíciletí př. n. l. [3]

Obr. 1 Přibližné stáří nálezů odlitků vyráběných metodou vytavitelného modelu [3]

Nejstarším a zároveň nejprimitivnějším způsobem odlévání bylo prosté vtlačování modelu či duplikovaného předmětu do mokré hlíny nebo písku a následné odlévání přímo do dutiny formy nebo do jednoduché licí jamky spojení s formou kanálkem. Model mohl být z nejrůznějších materiálů, ale převládalo dřevo a hlína. [4] O něco složitější byly dvojdílné formy, jejichž dvě části do sebe relativně přesně zapadaly díky tzv. zámkům - na jedné části formy byly díry, na druhé do nich zapadající výčnělky.

FSI VUT


List 9

Dnes velmi progresivní metoda odlévání na vytavitelný model je ovšem také spjata s počátky slévárenství vůbec. Obr. 1 ukazuje, jak hluboko do historie kořeny této metody sahají. Ve své době bylo lití na voskový model bezesporu také obrovským pokrokem, protože umožňovalo výrobu daleko složitějších předmětů, na které jednoduché jedno či dvojdílné hliněné, pískové či pískovcové formy nestačily. [3] Rozvoj tavících pecí předurčoval paletu kovů, které bylo možno odlévat. [5] Z počátku to byly hlavně čisté kovy jako např. měď, cín, zinek, stříbro či zlato, které je na umělecké odlitky obzvláště vhodné, kvůli své velmi dobré zabíhavosti do formy, díky níž bylo možno ze zlata odlévat poměrně primitivními metodami drobné a tvarově složité odlitky. Proto bylo také zlato s velkou oblibou užíváno ve šperkařství. Až později se začaly používat i slitiny některých výše zmíněných kovů, z nichž asi nejvýznamnějšími byly bronzy, které svými mechanickými vlastnostmi i nižší teplotou tavení dalece předčily čistou měď. [23]

Obr 2 Zlatý hřeben (4. stol. př. n. l.) [6]

Obr 3 Pískovcová forma (3000 př. n. l.) [4]

Výborné slévárenské vlastnosti zlata dokládá obr. 2. Na tomto hřebenu jsou ze slévárenského hlediska nejzajímavější velmi tenké a dlouhé jehlice. Zhotovení podobného odlitku z jiného materiálu než ze zlata by bylo i za použití dnešních technologií poměrně náročné. [6] Obr. 3 ilustruje výrobu jednoduchých prstenů. Jedná se o jednu polovinu dvoudílné pískovcové formy.

FSI VUT


List 10

1.1.2 Starověk První odlitky, se kterými se můžeme v historii setkat, sloužily většinou k náboženským účelům, ale taktéž k vyjádření postavení a bohatství jejich majitele. Jednalo se hlavně o různé sošky božstev, démonů, uctívaných zvířat a ve velké míře také o šperky. Velmi známá je víra v posmrtný život, praktikovaná např. v Egyptě, kde byli významní zesnulí (obzvláště panovníci faraóni) pohřbíváni s okázalým vybavením a honosnými dary, aby jim na věčnosti nic nechybělo. Díky těmto konzervovaným nalezištím se nám dochovala velká řada uměleckých odlitků (např. zlaté povozy v životní velikosti, sochy bohů se zvířecími hlavami atd.). Dále v nálezech narazíme na všelijaké nástroje, mezi kterými jak v počtu, tak ve zdobnosti dominovaly nástroje války zbraně. V dřívějších dobách se používaly převážně kopí, palice, sekery a různé vrhací oštěpy, avšak rozvoj slévárenství dal vzniknout novým účinnějším kovovým zbraním a to především mečům, které se odlévaly před a ještě dlouho po objevení těžko tavitelného železa z bronzu. Forma byla většinou dvojdílná trvalá, vytesaná do dvou kamenných desek (nejčastěji pískovcových), což umožňovalo relativně rychlou produkci těchto zbraní. Ač byl bronz podstatně pevnější než čistá měď, tak trvanlivost prvních bronzových mečů nebyla v boji nikterak valná. Čepele se proto ještě po odlití deformačně zpevňovali zkujňováním. [24]

Obr. 4 Soška kočky (7. -6. stol. př. n. l.) [16]

Obr. 5 Meč (12. -8. stol. př. n. l.) [14]

Obrázky 4. a 5. prezentují využití metody vytavitelného voskového modelu a odlévání do dvojdílné formy pro zhotovení náboženských a vojenských předmětů z bronzu.

FSI VUT


List 11

1.1.3 Antika Antické období bylo zlatým věkem bronzířství. Vrchol tohoto umění můžeme nalézt mezi 6. -5. stol. př. n. l. v oblasti střední a severní Itálie mezi řekou Tiberou a úpatím Alp. Na tomto území se tehdy rozkládala civilizace Etrusků, poměrně neznámého antického národa, jehož přínos uměleckému slévárenství byl ovšem obrovský, neboť dovedli k dokonalosti odlévání bronzu na vytavitelný voskový model. [1] K jejich smůle byli Etruskové daleko lepší umělci než válečníci a tak si je v průběhu 8 staletí jejich existence podrobili nejprve Řekové a následně i Římané, kterými byl etruský národ těsně před počátkem našeho letopočtu asimilován. Ovšem Řekové, ač Římany označováni jako barbaři (barbar = neřímský), byli velmi kulturním národem a od Etrusků jejich umění odlévání soch z bronzu převzali a dále jej rozvíjeli. Poté co se Římská říše rozrostla i na Peloponéský poloostrov, byla spolu s územím řeckých států pohlcena i jejich kultura a umění. Římané se zaměřovali spíše jen na kopírování řeckých originálů, díky čemuž se nám ale dochovala řecká díla (byť jen jako kopie), která by byla jinak nenávratně ztracena. [2]

Obr. 6 Římská vlčice (5. stol. př. n. l. -14. stol. n. l.) [31]

Legendární vlčice kojící Romula a Rema, symbol města Řím, je také bronzovým odlitkem na vytavitelný voskový model. Postavičky obou bratrů, synů boha války Marta, jsou bezesporu renesančním dodatkem. Ovšem v dataci samotné vlčice nejsou historici jednotní. Známý španělský umělec a historik první poloviny 20. století José Pijoán ji opravdu datuje do období vzniku Říma [1], nicméně nejnovější výzkumy za použití radiouhlíkové metody dokazují, že i vlčice bude zřejmě mladšího data, s největší pravděpodobností z přelomu 8. - 9. stol. n. l. Historička Anna Maria Carrubbová, která výzkum prováděla, podkládá svou teorii dále faktem, že vlčice je odlita jako jeden kus, kdežto Etruskové odlitky této velikosti vyráběli po částech a následně pájeli či nýtovali dohromady. [7]

FSI VUT


List 12

1.1.4 Středověk Počátek středověku byl pro umělecké slévárenství stejně jako pro ostatní umělecké obory spíše obdobím útlumu. Nicméně slévárenství jako takové na svém významu ani zdaleka neztratilo, jen se přeorientovalo od umění na více praktické výrobky - zbraně, nástroje, atd. Přesto, že železo bylo v Číně známo už od roku 2000 př. n. l. [8], tak jako slévárenský kov našlo širší využití až ve vrcholném středověku. Do té doby proto stále slévačské dílny preferovaly bronz a to především kvůli jeho skvělým užitným vlastnostem, nízké teplotě tavení a absenci koroze, díky níž 3 tisíce let staré bronzové odlitky vypadají mnohdy zachovaleji než železné nálezy z dob relativně nedávného středověku. V oblasti lití bronzu proto můžeme sledovat další zdokonalování antických postupů, převážně rozvoj odlévání větších jednokusových skulptur metodou vytavitelného modelu.

Obr. 7 Bronzová socha boha Šivy (9. -12. stol.) [9]

Tančící hinduistický bůh Šiva, nalezený na území dnešní Indie, je příkladem dokonale zvládnuté metody odlévání na vytavitelný voskový model. Socha vážící kolem 300kg je odlita jako jeden kus a podle nedávného průzkumu v rentgenovém tunelu jde o masivní odlitek, který byl odléván na čistě voskový model bez jádra či výztuh. [9]

FSI VUT


List 13

Přelom 14. a 15. stol. je charakterizován poměrně rychlým nástupem železa jako slévárenského materiálu (ale z počátku není moc často využíváno pro umělecké lití). Železo bylo spojeno hlavně s prudkým rozšířením palných zbraní (děla, lodní kanóny, …), jejichž výroba z bronzu byla v tak velkém množství ekonomicky neúnosná. V tomto ohledu se řadily České země mezi evropskou špičku, jak dokládají nálezy a vyobrazení z husitských válek. Odlévala se u nás velká škála různých lehčích děl (hákovnice, houfnice) ale i ručních palných zbraní (píšťaly). Nemalé zastoupení měly železné odlitky i mezi municí do těchto zbraní, železné dělové koule nahradily velmi nepřesné kamenné (zpravidla vytesané z pískovce) a než se kulky do pušek začaly odlévat z olova, tak se k jejich výrobě používalo železo také. Nicméně tyto první palné zbraně neměly s estetičností a uměním mnoho společného. Odlévání litiny bylo náročné, tak se používalo spíše k prostým, méně zdobným a zpravidla primárně funkčním předmětům.

Obr. 8 Litinový reliéf (1378-1455 n. l.) [6]

Ačkoliv uměleckých odlitků ze železa ve středověku moc nevzniklo, ve Florencii a jiných v té době velmi vyspělých evropských městech na severu dnešní Itálie, můžeme nalézt několik vzácných výjimek čistě uměleckého rázu. Jednou z nich je i litinový reliéf z Florencie vyrobený metodou vytavitelného modelu. [6]

FSI VUT


List 14

1.1.4 Novověk Typickým znakem renesance a pozdějších fází novověku je snaha o skloubení umělecké a užitné funkce odlitků. Proto v tomto období můžeme nalézt krásně zdobené nástroje, předměty denní potřeby, ale také daleko zdobnější děla, či zvony, než jaké se nám dochovaly ze středověku. Litina se dostává s rozvojem vysokých pecí (od 15. stol.) na první příčku odlévaných materiálů. Díky tomuto rozvoji se stala její výroba daleko levnější a mohly tak být odlévány větší a náročnější odlitky, což vedlo k zapojení slévárenství i do architektury. Odlévané zábradlí, brány či mosty byly vskutku uměleckými díly. [25]

Obr. 9 Okrasný parkový most z litiny (1864) [26]

Velmi oblíbeným inspiračním zdrojem byly nejrůznější přírodní rostlinné či listové motivy, křivky, oblouky a umělci často nacházeli své vzory i v období antiky. Na obr. 9 je zachycen Reservoir Bridge v newyorském Central parku, jehož boky i zábradlí jsou litinové odlitky, které spojuje dřevěná podlážka. Větší konstrukce jako právě mosty se zpravidla odlévaly na více částí, které do sebe zapadaly železnými čepy. Vůbec první železný most byl zkonstruován v roce 1779 z desítek menších odlitků. Právě díky na tu dobu neobvyklého stavebního materiálu dostal most jméno Iron Bridge a stojí v Anglii dodnes. S vývojem slévárenských technik, si mohli architekti dovolit navrhovat stále větší a složitější konstrukční prvky, ze kterých pak byly mosty skládány, jak je vidět právě u mostu na obr. 9. [12]

FSI VUT


Obr. 10 Viktoriánská lavička (cca 1860) [27]

List 15

Obr. 11 Venuše (cca 1900) [28]

Umělecké pojetí běžného předmětu denního užití je v tomto období velmi běžné, což demonstruje odlévaná lavička z viktoriánské Anglie (obr. 10). Klasické umění ovšem drží krok s dobou, jak se můžeme přesvědčit na obr. 11. Jde o fotografii jediné zachovalé Venuše Medicejské, malosériově vyráběné v blanenských železárnách na přelomu 19. a 20. století. [10] Obrovské využití našlo slévárenství také při rozvoji vojenské techniky (palné zbraně). Běžné kanóny ovšem nebývaly tolik zdobené jak ten na obr. 12, který ani nebyl nikdy nasazen do bitvy a sloužil zřejmě pouze k demonstraci síly a velikosti ruského carství. [11]

Obr. 12 Bronzové Car-dělo na podstavci z litiny (1586 dělo, 1835 lafeta) [29]

FSI VUT


List 16

1.2 Historie uměleckého slévárenství na našem území Z oblasti blízkého východu, kolébky civilizací, se veškeré umění a technologie šířily postupně dále do světa, převážně tedy do Evropy a jiných oblastí přiléhajících ke Středozemnímu moři. Tento přenos vědomostí však probíhal v dobách starověku velmi pozvolna, a proto se na našem území můžeme setkat s prvními doloženými nálezy odlitků až kolem poloviny druhého tisíciletí př. n. l. Doba bronzová je ve střední Evropě datována od 19. do 8. stol. př. n. l., kdy začaly v blízkosti nalezišť bronzové rudy vznikat první osady, které se její tavbou a následným zpracováním zabývaly. Do jednoduchých kamenných forem se v té době odlévaly hlavně různé nástroje (sekery, nože,…), ale mezi nálezy je i velká řada uměleckých předmětů jako šperky (spony, náramky, …) a to nejen z bronzu, nýbrž i z jiných drahých kovů. Archeologické nálezy svědčí o vysoké úrovni slévárenství na našem území. Byl zde dokonce učiněn v Evropě ojedinělý nález kusu hliněné formy dokládající znalost technologie odlévání na vytavitelný model, která v té době jinde v Evropě ještě známá nebyla. [4] Pozdní dobu bronzovou vystřídalo období halštatské, které představuje již starší dobu železnou. Ačkoliv došlo k velkému rozvoji v oblasti zpracování železa, tak ze slévárenského hlediska je toto období zajímavější spíše svými bronzovými odlitky, které se ve větší míře začaly vyrábět metodou vytavitelného modelu. Dokladem toho je nález býčka a jiných bronzových odlitků na moravském nalezišti Býčí skála. Železa, po kterém zbyly díky korozi na býčkovi jen trojúhelníkovité otisky na bocích a čele, bylo při jeho výrobě použito pouze ke zdobení, což napovídá, že bronzové slévárenství bylo i v době železné běžnější a na vyšší úrovni. Existují však domněnky, že se jedná o dílo importované z některé v té době vyspělejší země (nejspíše Egypta). [4]

Obr. 13 Býček z Býčí skály (6. -5. stol. př. n. l) [15]

FSI VUT


List 17

Od 5. stol. př. n. l. se na našem území začínají usídlovat keltské kmeny, které vynikaly svým mistrovským zpracováním kovů, velmi známé jsou např. keltské šperky. Právě v tomto období můžeme nalézt vrchol odlévání na vytavitelný voskový model, což krásně ilustruje velmi detailně zdobený bronzový náramek na obr. 14. [4]

Obr. 14 Bronzový náramek (2. -4. stol. př. n. l.) [13]

V období Velké Moravy slévačství částečně ustupuje železnému hutnictví, které se začíná právě v raném středověku výrazněji rozvíjet. Přesto však můžeme nalézt mnoho dokladů o tom, že keltské slévačské umění nebylo v období „temna“, mezi počátkem našeho letopočtu a vznikem Velkomoravské říše (9. stol. n. l.), zapomenuto. Hlavním materiálem na odlitky stále zůstává bronz, ale odlévá se u nás velká škála dalších kovů (zlato, stříbro, olovo,…). Vzhledem k tomu, že v tomto období bylo na našem území přijato křesťanství, můžeme se v nálezech setkat s poměrně velkým počtem odlévaným bronzových zvonů, nebo jiných křesťanských relikvií. [4] Evropská integrace se v období vrcholného středověku výrazně zvýšila, a také proto se úroveň slévárenství na našem území srovnala se západní Evropou i přes značný úpadek v předešlém období, kdy našimi zeměmi zmítaly nepokoje mezi Slovany a kočovnými Avary. V dalších staletích, už byl vývoj slévárenství podobný jako ve zbytku Evropy, odlévalo se převážně z bronzu a především pro náboženské účely. Krátkodobý odklon od evropského vývoje můžeme najít na počátku 15. století, kdy v českých zemích vypuklo husitské hnutí, což přeorientovalo výrobu z umělecké oblasti více na vojenskou. Tyto náboženské nepokoje nám zřejmě zajistily prvenství v odlévání železa a s ním spojenou výrobu prvních palných zbraní ve větším měřítku.

FSI VUT


List 18

1.3 Metoda vytavitelného modelu Také nazývána metoda ztraceného vosku, je nejstarším a zároveň nejrozšířenějším postupem využívaným k výrobě uměleckých předmětů. Lití na vytavitelný voskový model dosáhlo svého vrcholu kolem 5. stol. př. n. l., kdy nahradilo tzv. Sphyrelaton, což byla do té doby nejpoužívanější metoda pro tvorbu kovových (převážně bronzových) soch a jiných uměleckých předmětů (pohřební masky, plasticky zdobené kalichy, atd.). Sphyrelaton spočíval ve výrobě dřevěného modelu, na který se položily kovové pláty a ty pak kovotepec proklepával tak dlouho, až získaly tvar dřevěného modelu pod nimi. Složitější a větší modely se musely skládat (kovářsky svařovat nebo pájet) z někdy i desítek takto vyklepaných plátků, což bylo velmi pracné a tak je vytlačení této metody podstatně dokonalejším slévárenským postupem logické. [19]

Obr. 15 Apollón, tepaný (7. stol. př. n. l.) [17]

Obr. 16 Apollón, litý (5. stol. př. n. l.) [18]

Obrázky 15. a 16. poskytují velmi příkladné srovnání obou metod. Na obou je vyobrazen řecký (později též římský) bůh Apollón, ale rozdíl pouhých dvou staletí a změna technologie výroby dodaly mladšímu Apollónovi nejen na realističnosti, ale dochoval se nám díky robustnější struktuře odlitku v daleko zachovalejším stavu. Tyto a další výhody vedly od poloviny 1. tisíciletí př. n. l. k nástupu metody vytavitelného modelu jako majoritní metody pro výrobu litých soch i dalších odlévaných uměleckých předmětů.

FSI VUT


List 19

1.3.1 Výroba plných odlitků

Tato nejjednodušší a nejstarší technika odlévání na vytavitelný model spočívá ve vytvoření modelu čistě jen z vosku bez jakýchkoliv dutin. Poté je voskový model obalen hlínou, nebo jiným formovacím materiálem, který se musí následně vypálit. Vosk se při vypalování formy začne tavit, a pokud není z formy vylit a zachován tak pro další použití, vyhoří. Do vytvrzené formy se pak přímo nalévá roztavený kov. Po jeho vychladnutí se forma roztluče a odlitek se očistí, odřežou se od něj odvzdušňovací kanálky, vtoková soustava a případně se ještě dobrousí a vyleští. Takto vzniklý odlitek je tedy stejně jako voskový model solidní (z masivního kovu bez vnitřní dutiny). Kvůli velké spotřebě materiálu a složité manipulaci s velkými a těžkými odlitky je tato metoda vhodná pouze pro výrobu menších předmětů. [19]

1.3.2 Výroba dutých odlitků přímou metodou Nedostatky předchozí metody přiměly umělce k jejímu vylepšení. Autorství postupu výroby dutých odlitků je připisováno dvěma sochařům z antického Řecka, Rhoikosovi a Theodorosovi, nicméně je velmi pravděpodobné, že byla tato metoda vynalezena a rozvíjena na více místech současně. Při nejmenším ve starověkém Egyptě. [20] Samotný postup výroby dutého odlitku přímou metodou zahrnuje nejprve výrobu hliněného jádra (o něco menšího než odlévaný předmět), které je následně potřeno voskem v několika vrstvách, dokud nevznikne vosková skořápka o požadované tloušťce stěny budoucího odlitku a model není kompletně z vosku domodelován se všemi detaily. Pak jsou přidány voskové odvzdušňovací kanálky a vtoková soustava. Takto připravený model je stejně jako v předchozí metodě obalen do hlíny a vypálen pro vytvrzení formy a vytavení vosku. Poloha hliněného jádra se musí zafixovat, aby se ve formě po vytavení vosku neposunulo a nedošlo tak ke změně tloušťky stěny odlitku. U větších odlitků se používalo kovových prutů, které podepíraly hliněné jádro zevnitř, aby nedošlo ke zhroucení jádra a celé formy. Následně byl do formy nalit roztavený kov a po jeho zchladnutí se forma rozbila a odstranili se všechny technologické části (nálitky, odvzdušňovací kanálky, …) stejně jako v první metodě. [19] Tímto postupem šly vytvářet opravdu velké odlitky, ale přesto se antičtí umělci velmi často uchylovali k rozdělení skulptur na několik částí pro zjednodušení formování i následného odlévacího procesu. Tyto části (zpravidla hlava, trup a jednotlivé končetiny) byly snýtovány nebo spájeny dohromady. [20] Velkou výhodou dutých odlévaných soch byla oproti první metodě výrazně nižší hmotnost, cena a také velká pevnost při srovnání s klasickými mramorovými skulpturami, oblíbenými hlavně Římany při pozdějším kopírování řeckých děl. Nebýt snadné recyklace bronzových soch pro válečné účely, bylo by se jich do současnosti dochovalo mnohem více. [19]

FSI VUT


List 20

1.3.3 Výroba dutých odlitků nepřímou metodou Velkou výhodou nepřímého procesu odlévání na vytavitelný model je skutečnost, že matečný model není při lití zničen, ale je z něj udělána pouze skládací forma pro výrobu voskových modelů, které pak můžou být množeny dle libosti. Díky tomu byla tato metoda ze všech tří zde popsaných nejrozšířenější. [19] Prvním krokem je tedy zhotovení matečného modelu z libovolného materiálu (dle umělcových preferencí, ale nejčastěji byla používána hlína). Tento model je po úsecích obalen sádrou, nebo hlínou, tak aby šlo posléze tuto segmentovanou formu rozložit na jednotlivé části bez poškození matečného modelu. Jednotlivé části do sebe musí zapadat na zámky a musí z nich jít po usušení složit zpátky tentokrát už dutá forma. Forma se z vnitřní strany vymaže voskem v několika vrstvách anebo se ještě navíc může vyskládat ohřátými voskovými pláty pro zvětšení tloušťky stěny budoucího odlitku. [4] Po zatuhnutí vosku se odstraní skládací forma a voskový model se začistí a opraví se na něm nedostatky způsobené dělícími rovinami formy. Poté už je postup stejný jako u předchozích dvou metod.

Obr. 17 Ukázka částečného zaformování rozkládací formy okolo matečného modelu [21]

FSI VUT


List 21

1.3.4 Moderní umělecké lití na vytavitelný model V současnosti se můžeme setkat v umělecké oblasti převážně s metodou třetí - nepřímým formováním, které se ale používá jak pro malé plné, tak pro velké duté odlitky. Ovšem i umělecké slévárenství se vyvíjí a osvojuje si nové techniky a materiály. U nepřímé metody je to např. využití syntetických kaučuků pro výrobu formy na voskové modely (u nás nejběžnějším je lukoprén), které mají ve srovnání se sádrou mnoho výhod. Umožňují např. podmodelování a vydrží daleko větší počet odlití než křehké sádrové formy. Jedinou nevýhodou lukoprénu tak zůstává jeho výrazně vyšší cena oproti obyčejné modelářské sádře. Z tohoto důvodu se formy pro výrobu voskových modelů často vyrábí kombinací těchto dvou materiálů. Přímo na povrch matečného modelu se nanese několikamilimetrová vrstva lukoprénu, která se ještě může vyztužit přiložením látky či gázy a nanesením další vrstvy lukoprénu. Takto vyrobená forma však není schopna díky váze roztaveného vosku udržet sama o sobě tvar odlévaného předmětu, proto se kolem ní ještě vytvoří sádrová skořápka o tloušťce několika centimetrů (v závislosti na velikosti předmětu). Tímto způsobem zhotovená forma je výrazně levnější než čistě lukoprénová forma, ale zároveň si zachovává všechny pozitivní vlastnosti formy z lukoprénu. Dalším progresivním krokem je obalování voskového modelu do moderní keramické skořepiny, která se běžně používá při průmyslové výrobě přesných odlitků, namísto tlusté hliněné formy, což výrazně zlevňuje a hlavně urychluje výrobu, jelikož schnutí mnoha vrstev hliněné formy trvá i několik týdnů a forma je oproti keramické výrazně křehčí. Pro rozměrné odlitky (sochy v životní velikosti, kašny atd.) ovšem skořepinová keramická forma není dost dobře realizovatelná, proto se k jejich výrobě používá obalování směsmi na sádrové či cementové bázi, které jsou schopny odolat teplotě roztaveného kovu. Odlévání do sádry bylo sice známo už od starověku, nicméně pokrok v oblasti složení sádrových směsí přináší možnost daleko přesnějšího lití, zlepšení kvality povrchu odlitků, prodyšnosti sádrové formy a její odolnosti proti praskání během schnutí. [4]

Obr. 18 Kombinovaná kaučokovo-sádrová forma pro výrobu voskových modelů [30]

FSI VUT


List 22

1.4 Odlévání do pískových forem Metoda formování modelů do písku je vhodná zejména na ploché odlitky, u kterých je možnost snadno vytvořit dělící rovinu (pro vyjmutí modelu), nebo pokud chceme odlévat reliéf, který není nijak podmodelován. V těchto případech je právě formování do písku nejrychlejší i nejlevnější. Ve srovnání s litím na vytavitelný voskový model jde o jednodušší a historicky starší metodu, proto o ní byla zmínka již na začátku této práce. [4] Pro výrobu složitějších předmětů se používá forma dělená (nejčastěji dvojdílná), jejíž části se upěchují z mokrého písku s pojivem do dřevěných či železných rámů kolem modelu ze dřeva, hlíny nebo jiného materiálu. Dělící rovina se posype separátorem. Rámy na sebe přesně dosedají a jejich vzájemná poloha se fixuje kolíky nebo čepy. Do předem vyhloubené licí jamky se poté nalije roztavený kov, který vyplní dutinu po modelu, jenž se ještě před litím z formy vyjme.

Obr. 19 Odznak australské armády litý do písku (1915) [22]

Obr. 18 ukazuje ideální příklad využití lití do pískové formy, odlitek je poměrně plochý, bez podmodelování a nezáleží na tom, jak bude vypadat z rubové strany, protože tou má přiléhat k uniformě.

FSI VUT

2


List 23

PRAKTICKÁ ČÁST

Cílem praktické části bylo navržení a vlastní výroba uměleckého odlitku metodou vytavitelného modelu. Pro tyto účely byla navržena hlavička mystického stvoření - hipogryfa (kříženec koně a gryfa). Pro zaformování voskového modelu byla zvolena metoda obalování do keramické skořepiny ve spolupráci s firmou ALUCAST.

2.1 Výroba matečného modelu Jako materiál pro tvorbu matečného modelu byla zvolena plastelína. Hrubý model byl zhotoven dle vlastního návrhu a následně umístěn do mrazničky, aby ztuhl a mohly na něm být dotvořeny všechny detaily. Tento postup musel být několikrát zopakován, protože plastelína v rukou po několika desítkách minut opět změkne a deformuje se. Zmražená plastelína jde velmi dobře tvarovat ostrým nožem a lze ji po rozmražení do nekonečna recyklovat.

Obr. 20 Návrh hlavičky hipogryfa

Obr. 21 Matečný plastelínový model

FSI VUT


List 24

2.2 Výroba voskového modelu Voskových modelů bylo nutno vyrobit více, pro případ, že by se následné formování či odlévání nepovedlo. Proto byla vyrobena podle matečného modelu lukoprénová forma pro odlévání vosku. Životnost lukoprénových forem se obecně pohybuje do třiceti vyrobených modelů. Postup výroby lukoprénové formy byl následující - matečný model byl položen na hladkou podložku a kolem něj byla vytvořena ohrádka z plastelíny. Ohrádka musí minimálně o centimetr převýšit samotný model. Výhodou lukoprénové formy je její pružnost a lze tedy u modelu užít i negativních úkosů. Taktéž nanesení separačního prostředku není nutné, jelikož plastelína je mastná sama o sobě.

Obr. 22 Matečný model v ohrádce z plastelíny

Následně je ohrádka zalita lukoprénem smíchaným v požadovaném poměru s katalyzátorem až po okraj. Snahou je lít lukoprén velmi pomalu po stěnách ohrádky, aby byl umožněn snadný odchod vzduchových bublinek vzniklých promícháváním obou složek lukoprénu (kaučuk+katalyzátor).

FSI VUT


List 25

Obr. 23 Lukoprénem zalitý model v ohrádce

Po několika desítkách minut lukoprén zvulkanizuje a ohrádku lze odstranit. Pro vytvoření dělící roviny je nutno lukoprénovou formu rozříznout na dvě poloviny. Po vyjmutí plastelínového modelu je vyřezán otvor pro nalití vosku.

Obr. 24 Lukoprénová forma připravená k nalití vosku

Před výrobou voskového modelu se forma opět složí a zajistí. Roztavený vosk se plní do formy vyřezaným otvorem a po asi 30 minutách ztuhne natolik, že jej lze z formy vyjmout.

FSI VUT


List 26

Obr. 25 Hrubý voskový odlitek

Po opatrném vyjmutí z formy lze voskový model chladit ve studené vodě pro urychlení práce. Nakonec je nutno odstranit všechny vady vzniklé litím a nedokonalostmi formy a ručně domodelovat drobné detaily jako jazýček, oční důlky, apod.

Obr. 26 Upravený voskový model se všemi detaily

Vtokový kanálek byl z estetického hlediska umístit na ploše, která bude přilepena k hřebeni helmy. Tato plocha nebude muset být po odřezání vtoku dále opracovávána broušením, jelikož na hotovém výrobku (helmě), jehož bude tento odlitek součástí, bude překryta epoxidovou pryskyřicí.

FSI VUT


List 27

2.3 Zaformování a odlití Zaformování do tenké keramické skořepiny proběhlo v režimu standardní sériové výroby ve firmě ALUCAST s.r.o. Jednotlivé voskové modely byly připojeny ke vtokové a nálitkové soustavě a utvořily tak tzv. stromeček. Na tento stromeček byla postupně nabalována keramická skořepina. Stromeček se zamočil do tekuté břečky (směs pojiva a plniva) a následně byl posypán ostřivem. Materiál břečky i ostřiva se měnil v závislosti na požadavcích na jednotlivé vrstvy. První vrstvy mají být složeny z jemných frakcí pro dosažení optimálního přilnutí k tvaru voskového modelu, naproti tomu další vrstvy musí zaručit pevnost a prodyšnost skořepiny a jsou proto hrubší. Tento obalovací cyklus se několikrát zopakoval pro dosažení optimální tloušťky skořepiny. Po každém cyklu je nutno ponechat čas na dokonalé proschnutí nové vrstvy. Vše se přitom děje v místnosti s regulovanou teplotou a vlhkostí.

Obr. 27 Voskové modely obalené v keramice při sušení

Dalším krokem bylo vytavení vosku. Tento úkon se provádí v autoklávu, který je propojen s vyvíječem páry. Parou o teplotě přibližně 150°C a tlaku 5 barů byl vosk uveden do tekutého stavu a vytekl ze skořepiny. Tento způsob má za výsledek rychlejší roztavení voskového modelu a tudíž menší riziko prasknutí skořepiny (vosk se při tavení roztahuje více než skořepina).

FSI VUT


List 28

Před litím je nutno formu žíhat. Dojde tím k vytvrzení formy a vyhoření případných nevytavených zbytků vosku. V neposlední řadě je teplota formy přiblížena licí teplotě kovu a tím se předchází nebezpečí lokálního přehřátí skořepiny a následnému vzniku ředin a staženin.

Obr. 28 Lití roztaveného hliníku do předehřáté formy

Po lití byl odlitek nahrubo otlučen od keramické skořepiny. Zbytků skořepiny byl následně zbaven pomocí vysokotlakého vodního paprsku.

Obr. 29 Odlitý stromeček nahrubo vytlučený ze skořepiny

Po očištění stromečku od zbytků skořepiny byly jednotlivé odlitky hlaviček odřezány od kmene. .

FSI VUT


List 29

2.4 Dokončovací operace Každý odlitek měl několikamilimetrový zbytek po odřezání vtokové soustavy, který se musel odbrousit. Následně se ručně nebo jemným elektrickým nářadím zpravily všechny ostatní vady, zapříčiněné z velké části nedokonalým voskovým modelem.

Obr. 30 Finální podoba vybroušeného odlitku

FSI VUT


List 30

ZÁVĚR Cílem práce bylo podrobit analýze jednotlivé metody pro výrobu uměleckých odlitků. Byl sestaven stručný, ale ucelený historický přehled vývoje uměleckého slévárenství a okrajově i slévárenství obecně, jelikož až do počátku průmyslové revoluce bylo slévárenství majoritně uměleckým oborem. Byla zhodnocena vhodnost jednotlivých metod pro výrobu různých typů uměleckých odlitků a tou nejvýhodnější a nejpoužívanější metodou bylo shledáno dle očekávání odlévání na vytavitelný voskový model, jež je zároveň podle dochovaných nálezů metodou nejstarší. Její vhodnost pro umělecké lití úspěšně ověřila praktická část této práce. Metoda vytavitelného modelu skutečně umožňuje výrobu velmi složitých prostorových objektů a to s úžasnou přesností vůči původnímu modelu. Skořepinová forma dokáže přenést na budoucí odlitek i takové detaily jako otisky prstů vzniklé neopatrnou manipulací s voskovými modely, jejichž výrobě musí být věnována maximální důkladnost pro minimalizaci dokončovacích operací. Výsledek praktické části bude s výhodou nízké hustoty hliníku použit jako ozdoba hřebene helmy určené pro historický šerm a zbytečně tak moc nezvýší celkovou váhu helmy.

FSI VUT


List 31

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] PIJOAN, José. Dějiny umění II. Praha: Odeon, 1977, 334 s. [2] BOUZEK, Jan. Etruskové: jiní než všechny ostatní národy. Praha: Nakladatelství Karolinum, 2003, 216 p. ISBN 80-246-0516-3. [3] BEELEY, Peter R. Investment Casting. London: The Institute of Materials, 1995, 486 s. ISBN 09-017-1666-9. [4] HŘEBÍČEK, Lukáš. Název: Ověřování původních technologií pro výrobu uměleckých odlitků. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 65s., 2 příloh. doc. Ing. Milan Horáček, CSc. [5] DVOŘÁK, Milan. Technologie II. 3. dopl. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2004, 238 s. ISBN 80-214-2683-7. [6] HORÁČEK, Milan. Historie slévárenství: Ukázky historických odlitků. In: [online]. Brno [cit. 2012-05-22]. Dostupné z: ust.fme.vutbr.cz/slevarenstvi/download/historie-slevarenstvi.pps [7] Archaeology News: Rome's She-Wolf Younger Than Its City. [online]. 2006. Dostupné z: http://archaeologynews.multiply.com/journal/item/534?&show_interstitial=1&u= %2Fjournal%2Fitem [8] Metal Technologies: History of Metal Casting. In: [online]. Dostupné z: http://www.metal-technologies.com/HistoryofMetalCasting.aspx [9] Rijksmuseum: Dancing Shiva X-rayed. In: [online]. 2012. Dostupné z: http://www.rijksmuseum.nl/nieuwsenagenda/dansende-shivadoorgelicht?lang=en [10] Umělecká litina Blanenska: Blanenské železárny po odchodu Karla Reichenbacha. In: [online]. 2010. Dostupné z: http://megab.wz.cz/zelezarny/soubory/litina/08.htm [11] KŘÍŽEK, Leonid a Zdirad ČECH. Encyklopedie zbraní a zbroje. 2. vyd. Praha: Libri, 1999, 328 s. ISBN 80-859-8370-2. [12] BBC History: The Iron Bridge - How was it Built?. In: [online]. 2011. Dostupné z: http://www.bbc.co.uk/history/british/victorians/iron_bridge_01.shtml [13] Boiohaemum-Ve stopách předků: Muzeum Kolín. In: [online]. 2008. Dostupné z: http://www.boiohaemum.cz/muzeum-kolin

FSI VUT


List 32

[14] Aweidah Gallery: Ancient Art Since 1960. In: [online]. 2012. Dostupné z: http://www.aweidah-gallery.com/directory/Ancient_Weapons27.html [15] DRÁBEK, Karel. Záhada Býčí skály. [online]. 2010. Dostupné z: http://kareldrabek.blog.idnes.cz/c/149066/Zahada-Byci-skaly.html [16] Emory: Michael C. Carlos Museum. [online]. 2012. Dostupné z: http://carlos.emory.edu/ [17] HARTZLER, Bruce. Survey of Classical Greek Archaeology: Geometric Slides. [online]. 2012. Dostupné z: http://www.hartzler.org/cc307/geometric/index.html [18] Greece and Italy: An Artistic and Literary Odyssey. In: [online]. Dostupné z: http://archives.evergreen.edu/webpages/curricular/20062007/greeceanditaly/piraeus-apollo-earliest-bronze-statue-c-525-bc/index.html [19] The Metropolitan Museum of Art: The Technique of Bronze Statuary in Ancient Greece. In: [online]. Dostupné z: http://www.metmuseum.org/toah/hd/grbr/hd_grbr.htm [20] Ancient Worlds: Bronze Statuary in Ancient Greece. In: [online]. 2005. Dostupné z: http://www.ancientworlds.net/aw/Article/649286 [21] The Metropolitan Museum of Art: Direct versus Indirect Casting of Small Bronzes in the Italian Renaissance In: [online]. Dostupné z: http://www.metmuseum.org/toah/hd/bron/hd_bron.htm [22] AIF Online Museum: An online collection of artifacts from the Australian Imperial Force, 1914-1919. In: [online]. 2012. Dostupné z: http://aif-onlinemuseum.blogspot.com/ [23] DOŠKÁŘ, Josef. Výroba přesných odlitků. Praha: SNTL-Nakladatelství technické literatury, 1976, 320 s. ISBN 04-211-76. [24] Bronze Age sword. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2012. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Bronze_Age_sword [25] Hutnictví železa: Historie ocelářství. In: [online]. 2011. Dostupné z: http://www.hz.cz/cz/historie-ocelarstvi [26] On the set of New York: The ultimate film location website. In: [online]. Dostupné z: http://onthesetofnewyork.com/sliver.html [27] American Classical: Cast Iron Garden Antiques. In: [online]. Dostupné z: http://www.americanclassical.net/antiques/cast%20iron.html

FSI VUT


List 33

[28] Blanensko a Moravský kras: Blanenská umělecká litina - 1. díl. In: [online]. Dostupné z: http://www.blanensko.cz/clanky/detail/blanenska-umelecka-litina-1dil.htm [29] Tsar Cannon. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2012. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Tsar_Cannon [30] Lost-wax casting. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2012 [cit. 2012-05-22]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Lost-wax_casting [31] Flickr: The Capitoline Wolf Mother, Campidoglio, Rome, Italy. In: [online]. Dostupné z: http://www.flickr.com/photos/alex-david/5313174730/

TECHNOLOGIE VÝROBY UMĚLECKÝCH ODLITKŮ

Recommend Documents