МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ 3D-ПЕЧАТИ КОМПОЗИТНОЙ ОСНАСТКИ И ТРАНСФЕРНОГО ФОРМОВАНИЯ СЕТЧАТЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Аннотация


Рассматривается методика получения цифрового паспорта материала и разработки цифрового двойника изделия на различных этапах его изготовления. Объектом исследо- вания является коническая сетчатая структура. Предмет исследования – процессы, проис- ходящие в изделии на этапах изготовления. В работе были рассмотрены следующие основные этапы создания сетчатой конструк- ции: 3D-печать заготовки оснастки изделия, выкладка углеродного однонаправленного материала, нагрев и пропитка преформы связующим, полимеризация связующего и ко- робление геометрии изделия. Описан алгоритм определения свойств материалов и их калибровки с использовани- ем современных программно-аппаратных средств и универсальных оснасток. Моделиро- вание процесса 3D-печати оснастки производилось в программном комплексе Ansys. По- этапное технологическое моделирование процесса трансферного формования производи- лось в программном комплексе ESI PAM-COMPOSITE. Результатом моделирования являются технологические параметры изготовления и геометрия формообразующей осна- стки с упреждением на коробление.

Полный текст

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.

Об авторах

Л. П. Шабалин

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ

Е. А. Пузырецкий

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ

В. И. Халиулин

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ

В. В. Батраков

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ

Список литературы

  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. 3D 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. 3D 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

Статистика

Просмотры

Аннотация - 240

PDF (Russian) - 213

Cited-By


PlumX


© Шабалин Л.П., Пузырецкий Е.А., Халиулин В.И., Батраков В.В., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах