В России разработали модель, прогнозирующую поведение пластика

Учёные Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали компьютерную модель, которая с высочайшей точностью предсказывает поведение специального пластика внутри литейных форм. Это решение позволит значительно сократить производственный брак при изготовлении критически важных деталей, таких как лопатки турбин и хирургические имплантаты.

Разработка призвана решить проблему, много лет тормозящую прогресс в литейной промышленности. Для создания деталей со сложными внутренними каналами используется 3D-печать фотополимерных моделей, которые затем помещают в керамическую форму и выжигают в печи. При нагреве пластик расширяется и часто разрушает хрупкую керамику – на ней образовываются микротрещины, которые обнаруживаются уже при заливке металла. В результате готовое изделие оказывается бракованным.

Упругость и текучесть фотополимера

Существующие программные комплексы не могли точно спрогнозировать этот процесс, так как не учитывали, как меняются упругость и текучесть фотополимера — специального пластика для высокоточной 3D-печати при нагреве. Российские исследователи первыми создали модель, которая учитывает эти ключевые параметры.

«Мы зафиксировали ключевые стадии изменения материала: от твердого состояния при 25°C до начала размягчения. Каждую секунду прибор фиксировал температуру, жесткость, эластичность и вязкость образца, строя подробный график его поведения», — пояснил IT-Russia ведущий инженер кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» вуза Глеб Ильиных.

Эти данные позволяют точно настраивать режим работы печи, например, замедлять нагрев в опасном диапазоне, где материал, оставаясь жестким, активно расширяется и давит на керамику.

Бездефектное производство

Параллельно ученые измерили тепловое расширение материала.

«Мы помещали в дилатометр — прибор для измерения изменения размеров тела — цилиндрические образцы и наблюдали, как материал буквально по миллиметрам расширяется. Эти точные измерения помогли нам определить ключевой параметр, показывающий, насколько сильно давит пластик на стенки формы», — добавил профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» вуза, доктор технических наук Олег Сметанников.

На основе этих экспериментов была создана программа. Инженер загружает в нее 3D-модель детали, и система проводит виртуальное испытание, показывая на цветной карте, в каких именно зонах керамическая форма может треснуть. Это позволяет заранее усилить конструкцию или оптимизировать температурный режим.

Модель уже прошла проверку в реальных условиях. При создании форм для турбинных лопаток она с точностью 97% описала все наблюдаемые явления. Эта разработка не только укрепляет технологический суверенитет России в области аддитивных технологий и литейного производства, но и предлагает мировой промышленности эффективный инструмент для бездефектного производства.