Тепловое расширение 3D-печатных фотополимерных мастер-моделей может приводить к растрескиванию литейных форм. Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали математическую модель, позволяющую с высокой точностью предсказывать поведение фотополимеров при нагревании.
Технология литья по выплавляемым моделям используется, например, в производстве турбинных лопаток с интегрированными каналами охлаждения. Вначале на 3D-принтере печатают точную пластиковую копию будущей детали, которую затем покрывают керамическим составом, создавая прочную форму. Далее форму помещают в печь и подвергают нагреванию до 450°C, чтобы фотополимер выгорел, однако при нагреве мастер-модель начинает расширяться и давить на керамические стенки. Если давление становится слишком высоким, оболочка трескается, но эти дефекты не всегда видны невооруженным взглядом. Когда в поврежденную форму заливают расплавленный металл, он протекает в образовавшиеся трещины, и получается бракованная деталь.
Инженеры используют специальные расчетные модели, которые встраиваются в программное обеспечение для проектирования, однако современные решения имеют серьезные ограничения, поскольку не учитывают комплексное поведение фотополимеров в широком диапазоне температур. Существующие модели описывают упругость и вязкость лишь в узких температурных пределах, тогда как в реальности при нагреве вязкоупругое поведение материала изменяется, что и приводит к ошибкам прогнозирования и последующему производственному браку.
Ученые Пермского политеха разработали новую компьютерную модель, учитывающую оба ключевых параметра, сообщает пресс-служба вуза на портале Naked Science. Для этого они провели ряд исследований, начиная с нагрева образцов в динамическом механическом анализаторе, который одновременно медленно покачивал материал.
Образец в динамическом механическом анализаторе
«В ходе нагрева мы зафиксировали ключевые стадии изменения пластика — от твердого состояния при 25°C до начала размягчения при 50°C. При 100°C он перешел в высокоэластическое состояние. Каждую секунду прибор фиксировал температуру, жесткость, эластичность и вязкость образца, строя подробный график его поведения», — рассказал ведущий инженер кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Глеб Ильиных.
Зная эти температурные пороги, инженеры могут точно настроить режим работы печи — например, замедлить нагрев в опасном диапазоне от 50°C до 100°C, где материал, оставаясь еще жестким, активно расширяется и давит на керамическую оболочку.
«Одновременно с этим проводились измерения теплового расширения фотополимера. Для этого мы использовали дилатометр — прибор, который фиксирует малейшие деформации. Мы помещали в него цилиндрические образцы и наблюдали, как материал буквально по миллиметрам расширяется при повышении температуры. При нагреве на каждые 10°C пластик расширяется на 0,01-0,02 миллиметра на каждый сантиметр своей длины. Эти точные измерения помогли нам определить ключевой параметр, показывающий, насколько сильно давит пластик на стенки формы при нагреве в печи», — рассказал профессор кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Олег Сметанников.
Образец в дилатометре
На основе экспериментальных данных ученые создали математическую модель фотополимера. Программа точно предсказывает поведение любой детали при нагреве, определяя критические точки деформации и показывая слабые места, где может произойти разрушение формы. На основе этих данных технолог может либо усилить слабые места в модели, либо изменить параметры, например снизить скорость нагрева в опасном диапазоне температур.
Вычислительная модель успешно прошла проверку в реальных производственных условиях, продемонстрировав точность в 97%. Результаты исследования опубликованы в журнале «Вестник томского государственного университета».
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.