Актуальность работы
В современном машиностроении аддитивные технологии являются важным показателем промышленного развития государства. Существует потребность в выращивании готовых деталей для критических отраслей – космической, авиационной, в том числе военной, где затруднительно применение зарубежного оборудования. Так же АТ позволяют способствовать развитию критических технологий РФ, таким как технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения, базовые и критические военные и промышленные технологии для создания перспективных видов вооружения, военной и специальной техники [1].
Аддитивные технологии к настоящему времени активно осваиваются рядом зарубежных компаний при разработках современных БПЛА. Компания Boeing использует 30 напечатанных деталей в системе охлаждения бортового оборудования самолета Dreamliner. Эти воздухопроводы отличаются сложной геометрической формой, ранее требовавшей сборки из нескольких деталей. Благодаря 3D-печати подобные детали можно производить целиком, сберегая время и деньги – от 25 до 50% [2].
Для максимально полного использования возможностей интенсивно развивающихся технологий необходимо применять новые подходы к проектированию деталей, один из которых основан на принципах топологической оптимизации и бионического дизайна.
Бионика, и вытекающий из нее бионический дизайн (или бионический метод проектирования) представляет собой единство технологий и природы, сочетая в себе функциональность и эстетику. За счет грамотного проектирования деталей с полыми участками, удается экономить значительное количество материала, что, однако, не влияет на гибкость и прочность детали. Это несомненное преимущество в современном стремлении к сохранению функциональности без угрозы окружающей среде. Бионический дизайн находит самое разное применение. С его помощью реализуются комплексные сложные проекты в различных критических отраслях промышленности.
Однако для бионического метода проектирования не так много путей реализации. Стандартное ручное выпиливание сложных деталей мастером слишком неточно. Именно здесь и приходит на помощь 3D-печать, которая без проблем справляется даже с самой ювелирной работой [3].
Основной проблемой использования различных структурных заполнений при проектировании изделий под технологию аддитивного производства является необходимость использования большой вычислительной мощности и невозможность проведения верификационного прочностного расчета с помощью МКЭ в случаях, когда бионические структуры многократно меньше заполняемого объема. Это обуславливает отсутствие каких либо альтернативных методик проведения проверочных расчетов еще на стадии проектирования.
Объект исследования
Структурные заполнения, изготовленные методом селективного лазерного плавления (Selective Laser Melting – SLM).
Примеры структурных заполнений (образцы на сжатие)
|
Общий вид образца с сотовым заполнением |
Общий вид образца с заполнением минимальной поверхностью |
Общий вид образца с решетчатым заполнением |
Цель работы
Целью работы является разработка методики проектирования изделий со структурными заполнениями для программного обеспечения, использующего метод конечных элементов (МКЭ), при аддитивном производстве методом SLM.
Задачи работы
- Проведение анализа и математического описания доступных структурных заполнений (рисунок 2.1-2.3), используемых в программном обеспечении с применением МКЭ.
- Экспериментальное исследование механических характеристик основных типов структурных заполнений.
- Разработка и экспериментальное исследование механических характеристик гибридных структурных заполнений.
- Экспериментальное исследование влияния геометрических параметров и плотности заполнения структурных заполнений на их механические характеристики.
- Разработка и описание математических моделей материалов эквивалентных структурным заполнениям с разной плотностью заполнения, изготовленных методом SLM для ПО, использующего МКЭ.
- Разработка программного обеспечения на основе нейронной сети для определения основных входных параметров для математических моделей структурных заполнений с разной плотностью заполнения.
- Разработка метода подготовки изделия к производству с помощью аддитивных технологий методом SLM.
- Разработка методики проектирования изделий со структурными заполнениями для программного обеспечения, использующего метод конечных элементов (МКЭ), при аддитивном производстве методом SLM.
Научная новизна
- Определение механических свойств основных структурных заполнений, используемых в программном обеспечении на основе МКЭ, изготовленных с помощью аддитивного производства методом SLM.
- Разработка и определение механических свойств универсальных гибридных структурных заполнений для проектирования и изготовления изделий с помощью метода SLM.
- Определение эмпирических зависимостей механических характеристик от геометрических параметров и плотности заполнения структурных заполнений путем статистической обработки экспериментальных данных.
Практическая значимость
- Разработка и описание математических моделей материалов эквивалентных структурным заполнениям, изготовленных методом SLM для ПО, использующего МКЭ.
- Разработка программного обеспечения на основе нейронной сети для определения основных входных параметров для математических моделей структурных заполнений с разной плотностью заполнения.
- Разработка метода подготовки изделия к производству с помощью аддитивных технологий методом SLM.
- Разработка методики проектирования изделий на основе бионического дизайна с использованием МКЭ при аддитивном производстве методом SLM, позволяющая в значительной степени уменьшить ресурсозатратность изготовления изделий.
Методы исследования
Поставленные задачи решаются с использованием теоретических и экспериментальных методов исследования. Расчеты напряжений и деформаций в исследуемых структурных заполнениях осуществляются с использованием стандартных продуктов ANSYS, HyperWorks и Simufact additive. Моделирование геометрии осуществляется в продуктах ANSYS Space Claim, Autodesk Fusion 3D и Materialaise.
Изготовленные образцы на растяжение
Список используемой литературы
- Колчанов Д.С. Разработка оборудования и технологии выращивания изделий методом селективного лазерного плавления порошков нержавеющей стали, М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. – 6 с.
- 3Dtoday [Электронный ресурс]. – URL: http://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/boeing-proposes-to-use-3d-printed-ice-to-improve-safety/ (дата обращения: 10.06.2020).
- Can-touch [Электронный ресурс] – URL: https://can-touch.ru/blog/bionics-design/ (дата обращения: 10.06.2020).
Дополнительная информация
Принимал участие в первой научно-технической конференции проектов СКБ с проектом “Аэрогель”.
Контакты:
- Тел.: 8 (921) 576-67-16, Климов Сергей Олегович
- Почта: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
