В таких отраслях промышленности, как авиа-, ракето-, автомобилестроение, ювелирное дело и стоматология, широко применяются фотополимеры. Это специальные жидкие смолы, затвердевающие под воздействием ультрафиолетового излучения. На 3D-принтере печатают точную модель детали из фотополимерной смолы и помещают ее в огнеупорную форму из гипса или формовочных смесей, а затем ставят в печь при экстремальных температурах. Смола выжигается, оставляя полость, в которую заливают расплавленный металл. Когда он застывает, форму разрушают и достают заготовку. Таким образом делают импланты, сложнопрофильные детали (например, лопатки газотурбинного двигателя) и многое другое. Проблема в том, что при нагреве фотополимер расширяется и может повредить форму, в результате изделие получится бракованным.
– Процесс изготовления начинается с того, что из фотополимеров печатают модель будущей детали. Затем формируется огнеупорная форма из современных формовочных смесей или гипса. Далее модель выжигается, оставляя пустоту, в которую заливается расплавленный металл. После остывания форму разбивают и получают готовую металлическую деталь. Проблема заключается в том, что при выжигании фотополимеры сильно расширяются. Из-за этого в литейных формах образуются деформации и трещины, и по итогу они часто приходят в негодность. Неравномерное расширение материала портит качество отливок и увеличивает процент брака, – рассказывает Вероника Струкова, руководитель студенческого проектно-конструкторского бюро «Технологическая механика аддитивных и литейных процессов», ассистент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.
Чтобы отслеживать этот процесс, ученые Пермского Политеха изучили, как ведет себя фотополимерный материал при нагреве. На основе экспериментальных данных они создали компьютерную модель, которая позволяет прогнозировать свойства материала в зависимости от температуры. Это позволит минимизировать образование дефектов.
– Наша модель предсказывает поведение фотополимеров при нагреве и позволяет контролировать его режимы. Мы провели многофакторное моделирование и сравнили результаты с экспериментальными данными и опытными разработками, ранее реализованными в рамках коллаборации ученых ПНИПУ. В результате получилось, что виртуальная копия фотополимеров допускает погрешность менее 5% (при определенных температурах) учитывает скорость нагрева и 40 ключевых параметров. Это позволяет заранее выявлять риски деформаций и трещин, оптимизировать процесс выжигания моделей и снижать брак, а также сократить производственные потери, – комментирует Анна Каменских, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», заведующий лабораторией цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств, кандидат технических наук.
Исследование позволяет предсказывать, как меняются механические свойства материала в зависимости от температуры и скорости нагрева.
– Сейчас собираются данные о том, как настройки 3D-печати (скорость, температура, освещение) влияют на качество фотополимерных моделей, и как эти материалы ведут себя при нагреве. Вся информация заносится в цифровую базу, которая постоянно обновляется по мере поступления новой информации. Это поможет быстрее подбирать материал, оптимальные режимы печати и выжигания моделей, сократив время и брак в производстве литейных форм, – поясняет Дмитрий Пустовалов, старший преподаватель кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ.
Модель, разработанная учеными ПНИПУ, способствует повышению качества изделий и снижению производственных затрат. Результаты будут особенно полезны в отраслях промышленности, где используется фотополимерное производство, например, в аэрокосмической, автомобильной сфере, машиностроении, а также – в стоматологии и ювелирном деле.
Статья опубликована в журнале «Вестник ЧГПУ имени И. Я. Яковлева». Исследование проведено в рамках программы Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения» при поддержке Правительства Пермского края на создание и развитие студенческих проектно-конструкторских бюро.