В настоящее время в сферу тяжелого машиностроения широко внедряют аддитивные технологии для производства металлургического и горно-шахтного оборудования, тяжелых станков и грузоподъемных кранов, конвейеров, экскаваторов, крупных морских судов и вагонов. С их помощью создают конструкции с высокой точностью и сложной геометрией внутренних элементов и каналов, что невозможно при традиционных способах литья и механической обработки. Из-за послойного формирования во время 3D-печати свойства внутри изделий получаются неравномерными, поэтому их качество и срок службы снижается. Ученые Пермского Политеха провели ряд тестов на устойчивость таких материалов к разрушению. Результаты позволят расширить экспериментальную базу программ, сопровождающих жизненный цикл 3D-изделий, и за счет этого производить качественные и долговечные конструкции из аддитивных материалов.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика» № 4 за 2024 год. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского центра научной информации и Министерства образования и науки Пермского края.
Во время печати 3D-принтер наплавляет слои в заданном направлении под определенным углом наклона. Если эти параметры выбраны некорректно, то появляются микротрещины, поры и другие дефекты, приводящие к ухудшению механических свойств и разрушению изделий. Именно поэтому важно учитывать и предсказывать, как разные направления печати влияют на поведение аддитивных материалов.
Сложная геометрия 3D-изделий и действующие на них ударные и весовые нагрузки определяют характер напряжений внутри материала. Проведение комплексных экспериментов при разных видах испытаний и анализ материала на растяжение и кручение помогут отследить пределы прочности, текучести и упругости. Первый показатель влияет на противостояние разрушению. Второй определяет значение напряжения, при котором происходит пластическая деформация без увеличения нагрузки. Третий отвечает за способность материала сохранять свою форму и размеры. Учет всех этих факторов повышает точность расчетов состояния изделия в процессе эксплуатации.
Ученые Пермского Политеха проанализировали изменение аддитивного материала при воздействии разных нагрузок. Для заготовок взяли алюминиевый порошок АСП-35 (AlSi10Mg), используемый в пиротехнической продукции, производстве резины и автопокрышек, солнечных батареях, огнеупорных и керамических материалах. Образцы для исследования выращивали под углами 0, 30, 45, 60 и 90°.
— Испытания на растяжение показали, что сопротивление разрушению выше у образцов, выращенных горизонтально под углом 0°. Выявленный предел выносливости для всех направлений — 110 МПа. Образцы, напечатанные под углом 45°, менее устойчивы к разрушению при кручении, чем под углом 60° и 90°. В целом испытания на кручение лучше позволяют оценить неоднородность материалов и могут быть использованы для более эффективного подбора параметров лазерной печати, — комментирует Артем Ильиных, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук.
Исследование ученых Пермского Политеха расширяет экспериментальную базу для прогнозирования свойств 3D-изделий. Это улучшит их прочность и продлит срок службы, в том числе за счет правильно выбранных технологических параметров печати. От качества сложных изделий, из которых собирается ответственное промышленное оборудование, зависит безопасность производственных процессов.
