Пермские ученые в 23 раза ускорили компьютерное моделирование для 3D-печати гранулами
В технологиях 3D-печати, которые активно применяют в металлургии и медицине, важную роль играют гранулированные материалы — сыпучие порошки, состоящие из отдельных частиц (гранул) небольшого размера. Их используют для создания деталей автомобилей, самолетов, имплантатов и протезов. До начала печати процесс моделируют на компьютере. Это помогает выявить потенциальные дефекты, определить оптимальные параметры работы принтера (мощность лазера, скорость сканирования), что в целом улучшает качество изделий и повышает производительность. Однако само моделирование требует значительных затрат компьютерного времени. Ученые Пермского Политеха разработали упрощенную модель частицы, благодаря которой вычисления можно сократить в 23 раза.
Статья опубликована в журнале Russian Physics Journal. Исследование выполнено в рамках реализации программы академического стратегического лидерства «Приоритет 2030».
Гранулированные материалы играют ключевую роль в ряде аддитивных технологий. С их помощью 3D-принтер послойно печатает трехмерные объекты. Эта технология крайне полезна в металлургии: например, так работает часто применяемый метод селективного лазерного плавления, когда на поверхность наносится металлический порошок, а затем лазер выборочно сплавляет его частицы, создавая прочные детали.
Важную роль в производстве и применении гранулированных материалов играет компьютерное моделирование методом дискретных элементов (DEM). Оно позволяет изучить поведение каждой частицы порошка в отдельности, учитывая форму, размер, свойства и взаимодействие с оборудованием. Это помогает найти лучшие настройки для 3D-принтеров и других машин, которые прессуют, гранулируют, перемещают и измельчают эти материалы.
Проблема в том, что расчеты для большого количества частиц требуют высоких вычислительных мощностей и занимают много времени. Для ускорения этого процесса ученые Пермского Политеха создали упрощенную модель гранулированного материала.
Обычно спроектированные на компьютере гранулы состоят из набора простых геометрических фигур – плоскостей, цилиндров и сфер, которые связаны между собой. Например, одна частица может строиться из 50 и более сфер (multi-sphere particle), что значительно увеличивает время моделирования.
«Мы создали две модели гранул. За основу взяли асимметричный октаэдр. Первая (базовая) модель имеет 6 условных вершин и состоит из 89 сфер (известная в литературе как multi-sphere particle), мы обозначили ее как Octahedron. На ее основе построили вторую, новую модель – Sphere-Points. Ее отличие в том, что она состоит из двух сфер с единым центром и 6 точек. Это значительно снижает объем вычислений, а значит и компьютерное время, – рассказывает Елена Матыгуллина, профессор кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ, доктор технических наук.
При сравнительном тестировании моделей ученые провели серию компьютерных экспериментов, в которых измеряли плотность, угол естественного откоса насыпи и сопротивление сдвигу, применяя различные параметры модели Sphere-Points. В итоге были найдены параметры, при которых обе модели имеют качественное соответствие результатов. Для проведения численных экспериментов политехники написали программу на языке C++. Проверялись обе модели с использованием 3 000 частиц с одинаковыми параметрами упругости, массы, трения и расположения вершин (точек).
«Эксперименты показали, что разработанная модель частицы Sphere-Points обрабатывается компьютером в 23 раза быстрее, чем Octahedron. Моделирование 1 секунды процесса с 3 000 частиц занимает 2 580 секунд для Octahedron и всего 112 для Sphere-Points. Сравнение проводилось на одном ядре процессора. Sphere-Points обладает минимальным, но достаточным количеством составляющих элементов для получения качественного соответствия результатов по сравнению с известной моделью multi-sphere particle, что позволяет ускорить тестирование и сравнение различных параметров 3D-печати, уменьшить затраты на вычислительные ресурсы.
Это особенно важно, учитывая, что для моделирования порошков обычно требуется не менее 500 000 частиц и несколько дней компьютерного времени для проведения одного численного эксперимента. В дальнейшем планируется проводить моделирование с использованием параллельных вычислений на GPU (графическом процессоре). Мы полагаем, что модель Sphere-Points также покажет свою эффективность», – поясняет Денис Лобовиков, доцент кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Модель частицы, разработанная учеными Пермского Политеха, позволяет значительно ускорить компьютерное моделирование по сравнению с традиционными моделями, сохраняя при этом достаточную точность. Это открывает возможности для более эффективного использования и оптимизации аддитивных технологий.
Telegram 
Дзен 
VK В 2017 году человечество впервые заметило объект, прилетевший из другой звездной системы. Он оказался странным, почти не похожим ни на астероид, ни на комету, и получил имя Оумуамуа. Затем появился «нормальный» межзвездный странник — комета Борисова. А в 2025-м астрономы обнаружили 3I/ATLAS — объект, который, вероятно, хранит вещество времен рождения чужих миров. Но что изменили в астрономии эти три гостя из межзвездной тьмы?
Ученые из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН показали, как с помощью электронного пучка управлять плазмой, в которой присутствуют пылевые частицы. Такой пучок вводится прямо в плазменный объем, изменяя при этом не только траектории движения частиц, но и свойства самой плазмы. Такой подход актуален для систем газоочистки и плазмохимических реакторов.
Американские биотехнологи впервые сообщили об обращении вспять клеточного старения в живых клетках печени человека — не мышиных, не синтетических, а именно человеческих. На волне этого результата компания привлекла 435 миллионов долларов и готовится к клиническим испытаниям.
В 2017 году человечество впервые заметило объект, прилетевший из другой звездной системы. Он оказался странным, почти не похожим ни на астероид, ни на комету, и получил имя Оумуамуа. Затем появился «нормальный» межзвездный странник — комета Борисова. А в 2025-м астрономы обнаружили 3I/ATLAS — объект, который, вероятно, хранит вещество времен рождения чужих миров. Но что изменили в астрономии эти три гостя из межзвездной тьмы?
Астрономы провели длительную радиодиагностику межзвездного объекта 3I/ATLAS и не нашли признаков искусственных технологий. Наблюдение окончательно подтвердило естественную природу ледяного тела, хотя ученые изначально не ожидали сенсации.
Роль личности в истории чаще всего иллюстрируют правителями или полководцами. Но, глядя на современную карту мира, нельзя не признать: она выглядела бы принципиально иначе, если бы не одна крестьянская девушка, которую сожгли в этот день ровно 595 лет назад.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно