INFLUENCE OF ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY OF TOPOLOGICALLY OPTIMIZED PRODUCTS FROM PHOTOPOLYMER RESINS ON THE ANISOTROPY OF THEIR MECHANICAL PROPERTIES

Abstract


This article discusses the problem of ensuring strength and minimum mass in the design of products manufactured using additive technologies. The authors investigated the possibility of using topological optimization in computer-aided design systems to create an optimized model with the necessary strength at a minimum weight. As part of the work, the topological optimization of the bracket, the production of its samples by additive manufacturing methods and strength tests were carried out. The optimal values were found via finite element analysis using the SolidWorks and ANSYS software. The calculation results show that the optimized model retains about 20% of the original mass and has the necessary mechanical characteristics. In particular, the excess safety margin is reduced by 2.5 times, which is acceptable for this bracket. The subsequent verification of the models is carried out through destruction tests of the products manufactured using additive technologies, i.e. the method of filament deposition and stereolithography. To account for the anisotropy of the material, a series of samples oriented at different angles to the direction of construction was made. The tests were carried out on a test bench for simultaneous biaxial stretching, which corresponds to the design loads on the bracket. An increase in the tensile load on the sample was carried out before its destruction. In the course of the work, the presence of anisotropy of mechanical properties was revealed, and optimization results in various software packages were studied. The results of strength tests allow us to draw two conclusions. Firstly, due to the anisotropy of the material, the strength properties significantly depend on the orientation of the bracket during additive manufacturing. Secondly, the bracket, optimized by means of the SolidWorks software package, generally showed the best strength properties for various orientations during manufacturing. Also, which is quite expected, the samples obtained by stereolithography showed less anisotropy than the samples obtained by the method of filament deposition. In conclusion, it is noted that the use of additive technologies to create optimized forms requires considering printing technologies and anisotropy of properties, as well as the choice of appropriate software.

Full Text

Задача обеспечения прочности и минимальной массы является одной из важнейших и актуальных проблем при конструировании сложных систем [1, 2]. Практически в любой сфере промышленного производства существует тенденция использования наиболее современных и прогрессивных методов изготовления различных изделий, что связано со стремлением не только повысить надежность и качество изготавливаемой продукции, но и снизить ее стоимость и ресурсоемкость. Аддитивные технологии, в отличие от традиционных, являются экономически выгодными и ресурсоэффективными способами изготовления, поскольку представляют собой методы производства, основанные на поэтапном формировании изделия путем послойного наращивания материала на основу [3, 4, 5]. В случае же традиционного производства возникает необходимость либо в отсечении всего «лишнего» у заготовки для будущего изделия, если используется обработка резанием, либо в создании форм для литья или штампов для штамповки [6 - 8]. При этом на данные способы накладываются существенные ограничения на сложность геометрии деталей, а процессы изготовления проигрывают и в ресурсоемкости, и в трудоемкости. С помощью аддитивных технологий появляется возможность избавиться от этих недостатков, поскольку материал расходуется более рационально, отсутствует необходимость в создании дополнительных форм и штампов, и, зачастую, отсутствует необходимость в проведении финишной обработки готового изделия. Более того, такой метод производства практически не ограничивается сложностью геометрии изготавливаемого тела. В роли материала печати может выступать, как металлы, так и неметаллы [9 - 11]. При печати пластиком наиболее распространены две технологии: послойное наплавление пластмассовой нити (FDM) и стереолитография (SLA). У этих методик есть общая особенность, вызванная тем, что процесс печати осуществляется послойным наращиванием и это неизбежно вызывает анизотропию механических свойств [12 - 18].

About the authors

A. D Ezhov

Moscow Aviation Institute, Moscow, Russian Federation

I. V Kotovich

Moscow Aviation Institute, Moscow, Russian Federation

V. P Kiselev

Moscow Aviation Institute, Moscow, Russian Federation

References

  1. Куприянова Я.А., Парафесь С.Г. Формирование конструктивно-технологического решения аэродинамического руля с использованием топологической оптимизации // Инженерный журнал: наука и инновации, № 5, 2023
  2. Zhu L., Li N., Childs P.R.N. Light-weighting in aerospace component and system design // Propulsion and Power Research, Vol. 7, No. 2, 2018. pp. 103-119
  3. Косых П.А., Азаров А.В. Теория и анализ методов топологической оптимизации // Инженерный журнал: наука и инновации, № 4, 2023
  4. Беседина К.С., Лавров Н.А., Барсков В.В. Применение аддитивных технологий при получении изделий из полимерных материалов (обзор) // Известия СПбГТИ (ТУ), Т. 44, № 70, 2018. С. 56-63
  5. Фролова А.Б., Шигапов А.И. История, текущее состояние и перспективы развития аддитивных технологий // Научные известия, № 29, 2022. С. 198-201
  6. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. Пособие для инженеров. Москва: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015
  7. Баева Л.С., Маринин А.А. Современные технологии аддитивного изготовления объектов // Вестник МГТУ, Т. 17, № 1, 2014. С. 7-12
  8. Рудской А.И., Попович А.А., Григорьев А.В., Каледина Д.Е. Аддитивные технологии: учебное пособие. Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического ун-та, 2017. 251 с
  9. ГОСТ Р 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы
  10. Петрова Г.Н., Ларионов С.А., Сорокин А.Е., Сапего Ю.А. Современные способы переработки термопластов // Труды ВИАМ, Т. 11, № 59, 2017. С. 56-72
  11. Магеррамова Л.А., Ножницкий Ю.А., Волков С.А., Волков М.Е., Чепурнов В.Ж., Белов С.В., Вербанов И.С., Заикин С.В. Перспективы применения аддитивных технологий для создания деталей и узлов авиационных газотурбинных двигателей и прямоточных воздушно-реактивных двигателей // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, Т. 18, № 3, 2019. С. 83-98
  12. Lee C.S., Kim S.G., Kim H.J., Ahn S.H. Measurement of anisotropic compressive strength of rapid prototyping parts // Journal of Materials Processing Technology, Vol. 187-188, 2007. pp. 627-630
  13. Ahn S., Montero M., Odell D., Roundy S., Wright P.K. Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS // Rapid Prototyping Journal, Vol. 8, No. 4, 2002. pp. 248-257
  14. Ziemian C., Sharma M., Ziemian S. Anisotropic Mechanical Properties of ABS Parts Fabricated by Fused Deposition Modelling // Mechanical Engineering, 2012. pp. 159-180
  15. Shanmugasundaram S.A., Razmi J., Mian J., Ladani L. Mechanical Anisotropy and Surface Roughness in Additively Manufactured Parts Fabricated by Stereolithography (SLA) Using Statistical Analysis // Materials, Vol. 13, No. 11, 2020
  16. Azarov A.V., Antonov F.K., Golubev M.V., Khaziev A.R., Ushanov S.A. Composite 3D printing for the small size unmanned aerial vehicle structure // Composites Part B, No. 169, 2019. pp. 157-163
  17. Ahn S.H., Montero M., Odell D., Roundy S., Wright P.K. Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS // Rapid Prototyping, Vol. 8, No. 4, 2002. pp. 248-257
  18. Sælen R.L., Hopperstad O.S., Clausen A.H. Mechanical behaviour and constitutive modelling of an additively manufactured stereolithography polymer // Mechanics of Materials, Vol. 185, No. 104777, 2023
  19. Shi G., Guan C., Quan D., Wu D., Tang L., Gao T. An aerospace bracket designed by thermo-elastic topology optimization and manufactured by additive manufacturing // Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 33, No. 4, 2020. pp. 1252-1259
  20. Комаров В.А. Проектирование силовых аддитивных конструкций: теоретические основы // Онтология проектирования, Т. 7, № 2 (24), 2017. С. 191-206
  21. Sigmund O., Maute K. Topology optimization approaches : A comparative review // Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol. 48, No. 6, 2013. pp. 1031-1055
  22. Kirthana S., Nizamuddin M.K. Finite Element Analysis and Topology Optimization of Engine Mounting Bracket // Materials Today: Proceedings, Vol. 5, No. 9, 2018. pp. 19277-19283
  23. Галиновский А.Л., Филимонов А.С., Баданина Ю.В., Долгих А.И. Сравнительно-сопоставительное исследование программных комплексов трехмерного численного моделирования путем анализа результатов топологической оптимизации изделий ракетно-космической техники // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, Т. 1, № 754, 2023. С. 42-51
  24. Archana K., Anantha Reddy Y., Naveena P., Sai Anusha K. Topology optimization of connecting rod using ansys workbench 18.1 // Internatioonal Journal of Creative Research Thoughts, Vol. 8, No. 5, 2020. pp. 1659-1668
  25. Мягков Л.Л., Чирский С.П. Реализация топологической оптимизации методом BESO в среде ANSYS APDL и ее применение для оптимизации формы шатуна тепловозного дизеля // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, № 11, 2018. С. 38-48
  26. Satya Hanush S., Manjaiah M. Topology optimization of aerospace part to enhance the performance by additive manufacturing process // Materials Today: Proceedings, Vol. 62, No. 14, 2022. pp. 7373-7378
  27. Slavov S., Konsulova-Bakalova M. Optimizing Weight of Housing Elements of Two-stage Reducer by Using the Topology Management Optimization Capabilities Integrated in SOLIDWORKS: A Case Study // Machines, Vol. 7, No. 9, 2019
  28. Шапошников С.Н., Кишов Е.А., Зимнякова Л.Д. Проектирование кронштейна крепления оптического солнечного датчика космического аппарата с использованием топологической оптимизации // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, № 66, 2021. С. 98-105
  29. Башин К.А., Торсунов Р.А., Семенов С.В. Методы топологической оптимизации конструкций, применяющиеся в аэрокосмической отрасли // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, № 51, 2017. С. 51-61
  30. Боровиков А.А., Таненбаум С.М. Топологическая оптимизация переходного отсека КА // Аэрокосмический научный журнал, № 5, 2016. С. 16-30

Statistics

Views

Abstract - 67

PDF (Russian) - 10

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Ezhov A.D., Kotovich I.V., Kiselev V.P.

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