MODELING OF 3D-PRINTING PROCESSES FOR COMPOSITE TOOLING AND TRANSFER MOLDING OF GRID STRUCTURES

Abstract


The paper discusses the method of obtaining a digital passport of the material and the development of a digital twin of the product at various stages of its manufacture. The object of research is a conical mesh structure. The subject of research is the processes occurring in the product at the manufacturing stages. The following main stages of creating a mesh structure were considered in the work: 3D printing of a workpiece tooling, laying out a carbon unidirectional material, heating and impregnation of the preform with a binder, polymerization of the binder, and warpage of the product geometry. An algorithm for determining the properties of materials and their calibration using modern software and hardware and universal equipment was described. Modeling of the tooling 3D printing process was carried out in the Ansys software package. Step-by-step technological modeling of the transfer molding process was carried out using the ESI PAM-COMPOSITE software package. The result of the simulation is the optimal technological manufacturing parameters and the geometry of the shaping tooling with anticipation of warping.

Full Text

Построение виртуальных двойников и проведение технологических расчетов является необходимым эта-пом разработки изделий из композиционных материа-лов. Это позволяет спрогнозировать и оптимизировать параметры технологических процессов и обеспечить высокое качество и точность изготовления конструкций [1; 2]. Кроме того, проведение серии вычислительных экспериментов приводит к существенному сокращению временных и финансовых затрат за счет уменьшения количества натурных испытаний и опытной отработки [3; 4]. Основной особенностью расчета процессов изго-товления является технологическая наследственность этапов. Эта особенность подразумевает перенос ре-зультатов расчёта из одного технологического этапа на другой. В данном исследовании рассматриваются сле-дующие этапы технологического процесса: Изготовление оснастки: • расчет послойной 3D-печати заготовки оснастки наполненным композитным материалом с использова-нием роботизированного комплекса; • моделирование усадки и остаточных напряже-ний. Изготовление сетчатой конструкции: • создание углеволоконной преформы однона-правленной лентой; • нагрев оснастки с преформой с учетом нестацио-нарного теплового поля; • пропитка преформы связующим; • оценка отверждение и коробления; • упреждение оснастки на коробление. 3D-печать, также известная как аддитивное произ-водство, может использоваться для печати различных металлических, полимерных и композитных деталей со сложной геометрией при минимизации технологических отходов [5; 6]. За последние несколько лет отмечается значительный рост популярности технология 3D-печати, и, по прогнозам, она произведет революцию в обрабатывающей промышленности для создания высо-коэффективных материалов нового поколения [7]. Ос-новные рабочие процедуры создания изделия с исполь-зованием технологии 3D-печати одинаковы для всех доступных технологий и состоят из трех основных эта-пов, а именно: создание 3D-модели, разбиение её на слои и печать [8]. Классическая технология изготовления композит-ных изделий или их оснасток трехмерной печатью со-стоит в следующем: на традиционный 3D-принтер устанавливается модифицированная печатающая го-ловка, имеющая две отдельные подачи: для связующего и армирующего материалов. После чего они поступают в сопло, где соединяются, осаждаются на печатном слое и быстро застывают [9; 10]. Широкое применение для изготовления 3D-печат-ных композитных оснасток нашла технология LSAM (Large Scale Additive Manufacturing), запатентованная производителем станков Thermwood [11]. Данная тех-нология объединяет 3D-печатные и 5-осевые обрабаты-вающие центры с ЧПУ, что позволяет изготавливать крупногабаритные изделия методом послойного наплавления. Для изделий в виде сетчатых конструкций основ-ными методами изготовления являются намотка, вы-кладка и плетение с последующим формованием. Наиболее распространённым методом служит процесс намотки. Процесс представляет собой наматывание армирующего материала (нити, ленты, жгута или тка-ни) на вращающуюся оправку, которая определяет гео-метрию изделия [12]. Для более точного получения сет-чатой структуры применяют оправку с канавками [13; 14]. В работах [15–18] приводится информация по раз-работке сетчатых конструкций. Описаны основные конструктивные параметры оказывающие значитель-ное влияние на эксплуатационные характеристики кон-струкции. Из наиболее важных выделяются такие, как углы φi между стержнями, линейная масса и размеры одной ячейки. Авторы исследований [19–28] описывают различ-ные подходы к моделированию задач статической прочности и жёсткости, ударной прочности и устойчи-вости сетчатых структур. Стоит отметить, что зача-стую при разработке расчётных моделей не учитывает-ся влияние остаточных напряжений и искривления гео-метрии на несущие способности конструкции. Целью данного исследования является разработка методики поэтапного расчёта процессов 3D-печати оснастки и изготовления сетчатой конструкции из ком-позиционного материала методом вакуумной инфузии. В рамках данного исследования разрабатываются следующие расчётные модели: • расчётная модель процесса 3D-печати оснастки. Данная модель используется для анализа тепловых эффектов, происходящих в процессе послойного нане-сения материала. Для моделирования используется твердотельная 3D-модель оснастки и ложемента. В мо-дели учитывается анизотропия свойств композиционно-го материала и теплоперенос между оснасткой и окру-жающей средой; • расчётная модель процесса усадки и деформиро-вания оснастки в процессе 3D-печати. Данная модель необходима для прогнозирования усадки и деформиро-вания материала оснастки при печати. Для моделиро-вания используются результаты теплового анализа оснастки, а также физико-механические характеристи-ки материала для печати; • расчётная модель нагрева и пропитки композит-ной преформы. Необходима для анализа качества про-питки сухой преформы связующим. Используется твер-дотельная 3D-модель, характеристики проницаемости преформы, а также реологические характеристики свя-зующего. Для учёта теплообмена с окружающей средой используется закон конвективного теплообмена; • расчётная модель отверждения и коробления. Необходима для анализа полимеризации и коробления композитного изделия. Используется твердотельная 3D-модель изделия и оснастки. Учитываются физико-механические характеристики композита в полностью отверждённом и гелеобразном состояниях.

About the authors

L. P. Shabalin

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI

E. A. Puzyretskiy

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI

V. I. Khaliulin

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI

V. V. Batrakov

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI

References

  1. Закиров И.М., Алексеев Н.К., Алексеев К.А. К вопросу об упрощении методики моделирования складчатых структур // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – 2020. – № 2. – С. 143–146.
  2. Разработка методики расчёта напряжённо-деформиро-ванного состояния, оптимизации и экспериментального иссле-дования гибридной конструкции композит-металлической ло-пасти тягового винта / Л.П. Шабалин, Д.В. Савинов, Е.А. Пузырецкий, И.В. Марескин // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – 2022. – № 2. – С. 35–42.
  3. Numerical simulation on void formation and migration us-ing Stokes-Brinkman coupling with effective dual-scale fibrous porous media / J. Lu, S.B. Lee, T.S. Lundstrom, W.R. Hwang // Composites Part A Applied Science and Manufacturing. – 2022. – Vol. 152 (12).
  4. Wilkinson Simon L. Optimisation of the stamp forming process for thermoplastic composites: A dissertation submitted to the University of Bristol in accordance with the requirements for award of the degree of Doctor of Engineering in the Faculty of Aer-ospace Engineering. – 2021.
  5. Effect of processing conditions on the bonding quality of FDM polymer filaments / Q. Sun, G.M. Rizvi, C.T. Bellehumeur, P. Gu // Rapid Prototyping. – 2008. – Vol. 14(2). – P. 72–80. doi: 10.1108/13552540810862028
  6. Characterizing the effect of additives to ABS on the me-chanical property anisotropy of specimens fabricated by material extrusion 3D printing / A.R. Torrado, C.M. Shemelya, J.D. English, Y. Lin, R.B. Wicker, D.A. Roberson // Additive Manufacturing. – 2015. – Vol. 6. – P. 16–29. doi: 10.1016/j.addma.2015.02.001
  7. Goh G.D., Yap Y.L., Yeong W.Y. Recent progress in addi-tive manufacturing of fiber-reinforced polymer composite // Ad-vanced Materials Technologies. – 2019. – Vol. 4, iss. 1. – P. 22. doi: 10.1002/admt.201800271
  8. D printing of polymer matrix composites: a review and prospective / X. Wang [et al.] // Composites Part B Engineering. – 2017. – P. 442–458. doi: 10.1016/j.compositesb.2016.11.034
  9. D printing for continuous fiber-reinforced thermoplastic composites: mechanism and performance / C. Yang [et al.] // Rapid Prototyping. – 2017. – Vol. 23, iss. 1. – P. 209–215.
  10. Kabir S.M.F., Mathur K., Seyam A-F.M. A critical re-view on 3D printed continuous fiber-reinforced composites: Histo-ry, mechanism, materials and properties // Composite Structures. – 2020. – Vol. 232. – P. 24. doi: 10.1016/j.compstruct.2019.111476
  11. Patent № 20160318248 A1 (US). Int. Cl. B25J 5/04. Ad-ditive manufacturing apparatus / Kenneth J. Susnjara, Brian Scott SMIDDY; Thermwood Corp. – Appl. No.: 14/701,631; Filed: May 16, 2015; Date of Patent: Jul. 25, 2017.
  12. Mechanical analysis of parameter variations in large-scale extrusion additive manufacturing of thermoplastic composites [Электронный документ] / N. Tagscherer, A. Marcel Bar, S. Zaremba, K. Drechsler // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2022. – Vol. 6 (2), no. 36. – URL: https://www.mdpi.com/2504-4494/6/2/36. (дата обращения: 29.11.2022).
  13. Халиулин В.И., Шапаев И.И. Технология производ-ства композитных изделий: учебное пособие. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2003. – 328 с.
  14. Totaro G., De Nicola F. Recent advance on design and manufacturing of composite anisogrid structures for space launchers // Acta Astronautica. – 2012. – Vol. 81, no. 2. – P. 570–571. doi: 10.1016/j.actaastro.2012.07.012
  15. Vasiliev V.V., Razin A.F. Optimal design of filament-wound anisogrid composite lattice structures // Proceedings of the 16th annual technical conference of American society for compo-sites. – Blacksburg USA. – 2001.
  16. Vasiliev V.V., Barynin V.A., Razin A.F. Anisogrid com-posite lattice structures – Development and aerospace applications // Composite Structures. – 2012. – Vol. 94, no. 3. – P. 1117–1127. doi: 10.1016/j.compstruct.2011.10.023
  17. Manufacture of high performance isogrid structure by Robotic Filament Winding / L. Sorrentino, M. Marchetti, C. Bellini, A. Delfini, F. Del Sette // Composite Structures. – 2017. – Vol. 164. – P. 43–50. doi: 10.1016/j.compstruct.2016.12.061
  18. Hide details. Composite grid structure technology for space applications / G. Giusto, G. Totaro, P. Spena, F. De Nicola, F. Di Caprio, A. Zallo, A. Grilli, V. Mancini, S. Kiryenko, S. Das, S. Mespoulet // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 34. doi: 10.1016/j.matpr.2020.05.754
  19. Highly efficient CFRP anisogrid lattice structures for cen-tral tubes of medium-class satellites: Design, manufacturing, and performance / G. Totaro, P. Spena, G. Giusto, F. De Nicola, S. Kiryenko, S. Das // Composite Structures. – 2021. – Vol. 258. doi: 10.1016/j.compstruct.2020.113368
  20. Totaro G., Gurdal Z. Optimal design of composite lattice shell structures for aerospace applications // Aerospace Science and Techno¬logy. – 2009. – Vol. 13, iss. 4–5. doi: 10.1016/j.ast.2008.09.001
  21. Totaro G. Flexural, torsional, and axial global stiffness properties of anisogrid lattice conical shells in composite material // Composite Structures. – 2016. – Vol. 153. – P. 738–745. doi: 10.1016/j.compstruct.2016.06.072
  22. Totaro G. Local buckling modelling of isogrid and an-isogrid lattice cylindrical shells with triangular cells // Composite Structures. – 2012. – Vol. 94, iss. 2. – P. 446–452. doi: 10.1016/j.compstruct.2011.08.002
  23. Totaro G., De Nicola F., Caramuta P. Local buckling modelling of anisogrid lattice structures with hexagonal cells: An experimental verification // Composite Structures. – 2013. – Vol. 106. – P. 734–741. doi: 10.1016/j.compstruct.2013.07.031
  24. Totaro G. Optimal design concepts for flat isogrid and an-isogrid lattice panels longitudinally compressed // Composite Struc-tures. – 2015. – Vol. 129. – P. 101–110. doi: 10.1016/j.compstruct.2015.03.067
  25. Васильев В.В. Оптимальное проектирование компо-зитной сетчатой цилиндрической оболочки, нагруженной внеш-ним давлением // Изв. РАН. Механика твердого тела. – 2020. – № 3. – С. 5–11. doi: 10.31857/S0572329920030162
  26. Расчетно-экспериментальное исследование прочности сетчатых композитных конструкций фюзеляжа / В.В. Васильев [и др.] // Прочность конструкций летательных аппаратов: сбор-ник статей научно-технической конференции. – 2017. – Вып. 2764. – С. 75–82.
  27. Исследование сопротивления композитных сетчатых конструкций ударному повреждению / А.А. Бабичев [и др.] // Конструкции из композиционных материалов. – 2021. – № 3 (163). – С. 3–6. doi: 10.52190/2073-2562_2021_3_3
  28. Continuous measurement of fiber reinforcement permea-bility in the thickness direction: Experimental technique and valida-tion / P. Ouagne, T. Ouahbi, C.H. Park, J. Breard, S. Abdelghani // Composites: Part B. – 2013. – Vol. 45. – Р. 609–618. doi: 10.1016/j.compositesb.2012.06.007
  29. ГОСТ Р 56754-2015. Пластмассы. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Часть 4. Определение удельной теплоемкости. – М., 2015.
  30. Официальный сайт ESI Visual Environment: [Элек-тронный ресурс]. – URL: https://www.esi.com.au/
  31. Анализ параметров трещиностойкости на свободной границе вслоистых композитах / Д.А. Бондарчук, Б.Н. Феду-лов, А.Н. Федоренко, Е.В. Ломакин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического универ-ситета. Механика. – 2020. – № 4. – С. 49–59. doi: 10.15593/perm.mech/2020.4.05
  32. Анализ остаточных напряжений в слоистых композитах на примере симметричной схемы армирования [0°/90°] / Д.А. Бондарчук, Б.Н. Федулов, А.Н. Федоренко, Е.В. Ломакин // Вестник Пермского национального исследовательского поли-технического университета. Механика. – 2019. – № 3. – С. 17–26. doi: 10.15593/perm.mech/2019.3.02

Statistics

Views

Abstract - 167

PDF (Russian) - 153

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Shabalin L.P., Puzyretskiy E.A., Khaliulin V.I., Batrakov V.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies