ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ АДДИТИВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКИ ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ СМОЛ НА АНИЗОТРОПИЮ ИХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Аннотация


В данной статье рассматривается задача обеспечения прочности и минимальной массы при конструировании изделий, производимых с использованием аддитивных технологий. Авторы исследовали возможность применения топологической оптимизации в системах автоматизированного проектирования для создания оптимизированной модели с необходимой прочностью при минимальной массе. В рамках работы проведена топологическая оптимизация кронштейна, изготовление его образцов методами аддитивного производства и прочностные испытания. Процесс определения оптимальных значений проводился с помощью конечно-элементного анализа посредством программного обеспечения SolidWorks и ANSYS. Результаты расчета показывают, что оптимизированная модель сохраняет около 20% массы исходной и обладает необходимыми механическими характеристиками. В частности, избыточный запас прочности снижен в 2,5 раза, что является приемлемым для данного кронштейна. Последующая верификация моделей проводится через испытания на разрушение изделий, произведенных по аддитивным технологиям – методом наплавления нити и стереолитографией. Для учета анизотропии материала была изготовлена серия образцов, ориентированных под разными углами к направлению построения. Испытания проводились на испытательном стенде для одновременного двухосного растяжения, что соответствует проектным нагрузкам на кронштейн. Увеличение растягивающей нагрузки на образец осуществлялось до его разрушения. В ходе работы выявлено наличие анизотропии механических свойств, а также исследованы результаты оптимизации в различных программных пакетах. Результаты прочностных испытаний позволяют сделать два вывода. Во-первых, в связи с анизотропией материала прочностные свойства значительно зависят от ориентации кронштейна при аддитивном изготовлении. Во-вторых, кронштейн, оптимизированный посредством программного пакета SolidWorks, в целом показал лучшие прочностные свойства для различных ориентаций при изготовлении. Также, что вполне ожидаемо, образцы, полученные стереолитографией, показали меньшую анизотропию, чем образцы, полученные методом наплавления нити. В заключении отмечено, что применение аддитивных технологий для создания оптимизированных форм требует учета технологии печати и анизотропии свойств, а также выбора соответствующего программного обеспечения.

Полный текст

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].

Об авторах

А. Д Ежов

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Российская Федерация

И. В Котович

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Российская Федерация

В. П Киселёв

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Российская Федерация

Список литературы

  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

Статистика

Просмотры

Аннотация - 34

PDF (Russian) - 6

Cited-By


PlumX


© Ежов А.Д., Котович И.В., Киселёв В.П., 2024

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