Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета изучили поведение тугоплавкого конструкционного термопласта полиэфирэфиркетона (PEEK) в процессе экструзионной 3D-печати. Результаты помогут добиваться более высоких значений когезии и размерной точности.
Контроль температуры материала во время 3D-печати — важный аспект аддитивного производства, особенно когда речь идет о медицинских приборах и имплантатах. Избыточный или недостаточный нагрев полимера в процессе наплавления приводит к нестабильным значениям когезии, что вызывает снижение механических свойств 3D-печатных изделий, избыточную термическую деформацию и разрушение по границам слоев. Ученые Пермского политеха разработали численную модель 3D-печати полиэфирэфиркетоном методом послойного наплавления, сообщает пресс-служба вуза.
При создании изделий аддитивным методом в объеме материала возникают большие температурные градиенты и остаточные напряжения, приводящие к нарушению формы объекта, изменению механических и эксплуатационных характеристик и даже разрушению. По мнению ученых ПНИПУ, этого можно избежать, если перед 3D-печатью проводить предварительное моделирование процессов послойного формирования объектов.
«В ходе работы нами установлен 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, нехарактерных 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 разработан параметризованный алгоритм расчета нестационарных температурных полей и напряженно-деформированного состояния изделий из PEEK при изготовлении методом наплавления», — рассказал проректор ПНИПУ по разработкам и инновациям, профессор кафедры сварочного производства, метрологии и технологии материалов 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», — рассказал аспирант лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» 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 сокращать вычислительные затраты», — рассказал научный сотрудник лаборатории методов создания и проектирования систем «Материал-технология-конструкция» Александр Осколков.
Исследование позволит повысить качество соединения между слоями материала, а также обеспечить стабильность форм получаемых образцов. Эти усовершенствования помогут оптимизировать 3D-печать крупногабаритных изделий и предметов сложной геометрической формы, в том числе из высокотехнологичных материалов, таких как полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетонкетон (PEKK), полиэфиримид (PEI).
Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Sciences.
А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru