Development of the metal-sand composite casting method using polymer patterns in the context of modern composite materials systematization

Authors

DOI:

https://doi.org/10.31649/2413-4503-2026-23-1-34-41

Keywords:

composite materials, systematization, Lost Foam Casting (LFC), metal-sand composite, core tooling, 3D printing, cell-framework structure, mass reduction, protective structures.

Abstract

In the context of the dynamic development of Composite Materials (CMCs), their scientific systematization is critically necessary, as traditional classification approaches are insufficient for effectively predicting operational properties during the design of such materials. The first part of the work presents a multi-factor, multi-level CMC systematization scheme. This block diagram reflects the interrelation of technological, structural, and functional aspects of material creation, serving as a methodological basis for positioning research objects within the modern system of materials science. Based on the systematization, a method for casting Metal-Sand Cast Composite Materials (LCMCs) using the Lost Foam Casting (LFC) process was developed. The goal was to overcome the limitations of the LFC process in obtaining structural CMCs with closed, non-metallic, filled cells, and to reduce production cost by optimizing core tooling. The essence of the innovation is the fundamentally new use of the polymer pattern as a combined molding and core tooling (carrier). The pattern is used to form sand cores from a sand-liquid glass mixture (CO2-process), which are held in the mold and remain in the LCMC body. This eliminates the need for expensive traditional core tooling, significantly increasing the economic efficiency of the process. The developed method utilizes thin-walled polymer shells made from Expanded Polystyrene (EPS), PLA by 3D printing, or thermoforming. The feature utilized is that for printed patterns, gas-forming capacity can be regulated by changing the wall thickness and using the integrated sand core as an internal spacer. The resulting metal-sand composite (cores with a density of 1.6…2.0 g/cm³ in a matrix with a density of >7.0 g/cm³) shows a significant reduction in the product's mass without loss of strength. Accelerated metal crystallization due to reduced wall thickness promotes the formation of a fine-grained, high-strength structure. The reinforcement provides the casting with additional functional properties, particularly increased resistance to impulsive penetrating destruction, which is critical for anti-armor obstacles and protective structures. The method is technologically flexible, allowing for the production of both metal-sand CMC and a hollow metallic cell-framework product. The technology is designed for the development of lightweight modules for the rapid construction of protective structures.

Author Biographies

Volodymyr Doroshenko, 1Physico-technological institute of metals and alloys National academy of sciences of Ukraine

Dr. Sc. (Eng.), Leading Researcher, Leading Researcher, Department of Physics and Chemistry of Foundry Processes

Oleksandr Khomenko, Vinnytsia National Technical University

student, Department of Industrial Mechanical Engineering

Oleksandr Yanchenko, ZGAR LLC

Cand. Sc. (Eng.), Associate Professor, Director

References

W. D. Callister and D. G. Rethwisch, Materials Science and Engineering: An Introduction, 9th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2014.

D. Hull and T. W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1996.

ASM International, ASM Handbook. Volume 21: Composites. Materials Park, OH: ASM International, 2001.

O. P. Cheiliakh and Ya. O. Cheiliakh, "Implementation of Physical effects in the Operation of Smart Materials to Form Their Properties," Progress in Physics of Metals, vol. 21, no. 3, pp. 363 – 463, 2020.

Altenbach, H., J. Altenbach, K. Naumenko: Ebene Fl ¨achentragwerke – Grundlagen der Modellierung und Berechnung von Scheiben und Platten. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, New York, 2. Aufl., 2016.

Olena Dana, An Analysis of the Features of Cast Composite Materials Based on Light Alloys Reinforced by Particles. Journal of Casting Materials Engineering 2022/6/1.

D. B. Miracle, "Metal matrix composites – From science to technological significance," Composites Science and Technology, vol. 65, pp. 2526–2540, 2005. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.05.02.

A. Mortensen and J. Llorca, "Metal Matrix Composites," Annual Review of Materials Research, vol. 40, pp. 243–270, 2010. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070909-104511

P. Garg, A. Jamwal, D. Kumar, K. K. Sadasivuni, C. M. Hussain, and P. Gupta, "Advance research progresses in aluminium matrix composites: manufacturing & applications," Journal of Materials Research and Technology, vol. 8, no. 5, pp. 4924–4939, 2019. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.06.028.

W. Jiang and Z. Fan, "Novel technologies for the lost foam casting process," Frontiers of Mechanical Engineering, vol. 13, no. 1, pp. 37–47. 2018.

K. A. Guler, A. Kisasoz and A. Karaaslan, "A novel method for Al/SiC composite fabrication: Lost foam casting," International Journal of Materials Research, vol. 3, pp. 304–308. 2011.

П. Б. Калюжний, В. А. Слюсарев та Д. О. Калашник, "Армування виливків за технологією лиття за моделями, що газифікуються," Металознавство та обробка металів, № 4, с. 48 – 53. 2017.

В. С. Дорошенко та В. О. Шинський, "Виливок з чавуну з кулястим графітом," Патент України, МПК B22 D7/00, B22 D23/00. № 126031, 11.06.2018.

А. Н. Цибрик, М. И. Аверченков та В. А. Цибрик, Osnovy strukturno-geometricheskogo uprochneniya detaley Київ: Наукова думка, 1979.

О. Й. Шинський та В. С. Дорошенко, «Литий матеріал стільникової структури з крізними порами»," Патент України, МПК В22С 7/02, В22С 9/04. № 96915, 26.12.2011.

Р. В. Лютий, І. М. Гурія, Формувальні матеріали: підручник для студ. спец. 136 «Металургія». Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020.

О. Й. Шинський та В. С. Дорошенко, "Просторовий металевий виливок," Патент України, МПК В22D 7/00, В22D 23/00, В22D 25/00. № 90494, 11.05.2010.

В. П. Лихошва, П. М. Каричковський, О. А. Пелікан та ін., "Спосіб одержання зносостійких біметалевих плоских виливків," Патент України, МПК B21C 5/00, B21D 19/00. № 128924 U, 10.10.2018.

Патент 157522, Україна, "Спосіб лиття металу за 3D-друкованими моделями, що газифікуються у вакуумованих формах з сипкого піску," Опубл. 30.10.2024.

В. С. Дорошенко, Виготовлення метало-піщаного композиту методом лиття за моделями, що газифікуються, Нові матеріали і технології в машинобудуванні – 2025: XVІІ МНТ конференція. Київ, Україна: 25…26.09.2025, с. 211 – 219.

І. А. Шалевська, В. С. Дорошенко та М. М. Дьяченко, "Особливості вибору дисперсних неметалевих матеріалів для армування литих металоконструкцій," у Литво. Металургія. 2023: XIX МНП конференція. Харків – Київ, Україна: 10..12.10.2023, с. 224 – 227.

М. М. Дьяченко, І. А. Шалевська, І. В. Корнієць, С. В. Гнилоскуренко та І. А. Небожак, "Дослідження формування перехідного шару в системі «метал-неметалевий наповнювач»," на Перспективні технології, матеріали й обладнання в ливарному виробництві: X Міжнародн. наук.-техн. конференція. Краматорськ, 21 – 23.10.2025, с. 44 – 45.

І. А. Шалевська, В. C. Дорошенко, П. Б. Калюжний, та Ю. Г. Квасницька, "Огляд застосування металевих литих матеріалів у будівництві підземних та захисних споруд," Метал і лиття України, № 4, с. 54-61. 2022. https://doi.org/10.15407/steelcast2022.04.054

Національна академія наук України, Національна академія наук України в 2020 – 2025 роках. Основні підсумки. Київ: Академперіодика, 2025.

Д.С. Козак, В.Б. Бубликов, А.А. Шейко та ін., "Спосіб виготовлення виливка корпусу контейнера для захоронення та транспортування радіоактивних відходів," Патент України, МПК B22D 25/00, B22D 15/00, G01F 5/00. № 88741, 10.11.2009.

Downloads

Abstract views: 0

Published

2026-03-30

How to Cite

[1]
V. Doroshenko, O. Khomenko, and O. Yanchenko, “Development of the metal-sand composite casting method using polymer patterns in the context of modern composite materials systematization”, ВМТ, vol. 23, no. 1, pp. 34–41, Mar. 2026.

Issue

Section

Articles

Metrics

Downloads

Download data is not yet available.