Контроль температуры материала во время 3D-печати является очень важным аспектом при производстве изделий, особенно когда речь идет 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. Ученые 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 ученых 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 ученых 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.
Для справки:
Мегагранты — программа международного сотрудничества российских вузов и научных организаций с учеными мирового уровня и ведущими зарубежными научно-образовательными центрами в сферах науки, образования и инноваций. Она стартовала в 2010 году с принятием Правительством РФ Постановления № 220. Целью программы является создание в российских вузах и научных организациях исследовательских лабораторий мирового уровня под руководством ведущих ученых. В ее рамках в Пермском Политехе была открыта научно-исследовательская лаборатория «Механика биосовместимых материалов и устройств». Федеральная поддержка составила 90 млн рублей и продлится до конца 2023 года.