Исследование учёных Пермского Политеха поможет лучше контролировать процесс 3D-печати
26.06.2023
Контроль температуры материала во время 3D-печати является очень важным аспектом при производстве изделий, особенно когда речь идёт о медицинских приборах и имплантатах. Перегрев или недогрев полимера в процессе наплавки аддитивным методом приводит к непостоянному сцеплению, что вызывает снижение механических свойств печатных изделий, их избыточную термическую деформацию и разрушение по границам слоев.
Учёные Пермского Политеха разработали численную модель процесса создания изделий на 3D-принтере из материала PEEK (полиэфирэфиркетон) методом послойного наплавления. Разработка проведена в рамках программы по Постановлению Правительства РФ №220, так называемые «Мегагранты», договор № 075-15-2021-578 от 31.05.2021.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале applied sciences.
При создании изделий аддитивным методом в объеме материала возникают большие температурные градиенты и технологические остаточные напряжения, приводящие к нарушению формы объекта, его изменению механических и эксплуатационных характеристик и разрушению. По мнению учёных ПНИПУ, чтобы этого избежать, перед созданием изделий необходимо проводить предварительное моделирование процесса послойного формирования объекта.
- В ходе работы нами был установлен тот факт, что представленные в литературе данные о термических и вязкоупругих свойствах полимера PEEK не вполне адекватны для аддитивного производства в связи с тем, что эти результаты получены в условиях нагружения при комнатной температуре, не характерных для процесса осаждения. По этой причине мы провели собственный эксперимент по определению численных значений температурной зависимости комплексного модуля релаксации в широком диапазоне температур. С помощью инженерной программы ANSYS APDL был разработан параметризованный алгоритм расчета нестационарных температурных полей и напряженно-деформированного состояния изделий из PEEK при их изготовлении методом наплавления, - рассказывает доктор технических наук, проректор по разработкам и инновациям, профессор кафедры сварочного производства, метрологии и технологии материалов Пермского Политеха Дмитрий Трушников.
- Отладка алгоритма проводилась на простых образцах вида «прямоугольный параллелепипед» с целью минимизации количества факторов, влияющих на решение. Прогибы натурных объектов были оцифрованы и использовались в качестве эталонных при настройке предложенного метода. Во время эксперимента мы изучили: применимость предложенной термовязкоупругой модели, способы соединения образца с подложкой на которой выращивается конструкция, а также снизили детализацию траектории движения слайсера, - говорит аспирант лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» ПНИПУ Алексей Анисимов.
- Результаты эксперимента показали, что свойства PEEK приводят к отклонению расчетных результатов от экспериментальных, которые содержатся в литературных источниках. Также мы выявили, что наилучший способ численного описания – это применение контактных конечных элементов. Они дают более точное решение и позволяют учитывать прилипание между основанием выращиваемой конструкции и подложкой. Кроме того, исследование помогло определить степень детализации, которой достаточно для получения решения приемлемой точности, что позволяет сократить вычислительные затраты, - делится научный сотрудник лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» ПНИПУ Александр Осколков.
Исследование учёных Пермского Политеха позволит улучшить качество соединения между слоями материала, а также обеспечить стабильность получаемой формы образцов. Эти усовершенствования сделают доступной 3D-печать крупногабаритных изделий, предметов сложной геометрической формы, в том числе из высокотехнологичных материалов, таких, как PEEK (полиэфирэфиркетон), PEKK (полиэфиркетонкетон), PEI (полиэфирэмид) и термопластичных композиций, востребованных в протезировании и авиастроении.
Учёные Пермского Политеха разработали численную модель процесса создания изделий на 3D-принтере из материала PEEK (полиэфирэфиркетон) методом послойного наплавления. Разработка проведена в рамках программы по Постановлению Правительства РФ №220, так называемые «Мегагранты», договор № 075-15-2021-578 от 31.05.2021.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале applied sciences.
При создании изделий аддитивным методом в объеме материала возникают большие температурные градиенты и технологические остаточные напряжения, приводящие к нарушению формы объекта, его изменению механических и эксплуатационных характеристик и разрушению. По мнению учёных ПНИПУ, чтобы этого избежать, перед созданием изделий необходимо проводить предварительное моделирование процесса послойного формирования объекта.
- В ходе работы нами был установлен тот факт, что представленные в литературе данные о термических и вязкоупругих свойствах полимера PEEK не вполне адекватны для аддитивного производства в связи с тем, что эти результаты получены в условиях нагружения при комнатной температуре, не характерных для процесса осаждения. По этой причине мы провели собственный эксперимент по определению численных значений температурной зависимости комплексного модуля релаксации в широком диапазоне температур. С помощью инженерной программы ANSYS APDL был разработан параметризованный алгоритм расчета нестационарных температурных полей и напряженно-деформированного состояния изделий из PEEK при их изготовлении методом наплавления, - рассказывает доктор технических наук, проректор по разработкам и инновациям, профессор кафедры сварочного производства, метрологии и технологии материалов Пермского Политеха Дмитрий Трушников.
- Отладка алгоритма проводилась на простых образцах вида «прямоугольный параллелепипед» с целью минимизации количества факторов, влияющих на решение. Прогибы натурных объектов были оцифрованы и использовались в качестве эталонных при настройке предложенного метода. Во время эксперимента мы изучили: применимость предложенной термовязкоупругой модели, способы соединения образца с подложкой на которой выращивается конструкция, а также снизили детализацию траектории движения слайсера, - говорит аспирант лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» ПНИПУ Алексей Анисимов.
- Результаты эксперимента показали, что свойства PEEK приводят к отклонению расчетных результатов от экспериментальных, которые содержатся в литературных источниках. Также мы выявили, что наилучший способ численного описания – это применение контактных конечных элементов. Они дают более точное решение и позволяют учитывать прилипание между основанием выращиваемой конструкции и подложкой. Кроме того, исследование помогло определить степень детализации, которой достаточно для получения решения приемлемой точности, что позволяет сократить вычислительные затраты, - делится научный сотрудник лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» ПНИПУ Александр Осколков.
Исследование учёных Пермского Политеха позволит улучшить качество соединения между слоями материала, а также обеспечить стабильность получаемой формы образцов. Эти усовершенствования сделают доступной 3D-печать крупногабаритных изделий, предметов сложной геометрической формы, в том числе из высокотехнологичных материалов, таких, как PEEK (полиэфирэфиркетон), PEKK (полиэфиркетонкетон), PEI (полиэфирэмид) и термопластичных композиций, востребованных в протезировании и авиастроении.
Марина Осипова © Вечерние ведомости
Читать этот материал в источнике
Читать этот материал в источнике
Под Нижним Тагилом утреннее ДТП унесло жизнь женщины
Пятница, 23 октября, 18.04
В Нижнем Тагиле бывшего инспектора ДПС оштрафовали на 1,1 млн рублей за торговлю персональными данными
Пятница, 23 октября, 17.33
Найти мастера по совету соседей теперь можно без домовых чатов
Пятница, 23 октября, 17.30