VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Процесс 3D печати является сложным физико-механическим процессом, немаловажную роль в котором, при этом, играют температурные характеристики, а именно поле распределения температур. Необходимая прецизионная точность нанесения материала, а также учет механических свойств самого материала, требуют учитывать возникающие температурные деформационные процессы. Более того, динамика изменения напряжения в печатаемом объекте и постоянное перераспределение поля температур при прохождении печатающей головки усложняют возможность автоматической корректировки при печати. Все это приводит к частым случаям возникновения серьезных деформаций печатаемых объектов. Любая ошибка приводит к полной потере заготовки. А фактор накопления напряжений, в данном случае, говорит о том, что вероятность деформации заготовки увеличивается по мере нанесения слоев материала, тем самым брак приходится, как правило, на позднюю стадию печати. Что становится значительной проблемой, учитывая низкие средние скорости печати и невозможность восстановления печатаемой заготовки.

Для исправления вышеописанной ситуации требуется вносить в процесс печати корректирующие воздействия. Температурные (такие как использование динамически изменяемого профиля подогрева подложки, на котором располагается заготовка при печати), механические (скорость движения головки при печати, различные характеристики слоев, для компенсации температурного расширения материала) и даже «геометрические», т.е. изменение геометрии печатаемого объекта, не приводящие к изменению его заданных и требуемых свойств (как правило, речь идет о геометрии профиля заполнения пространства внутри детали, поскольку полное заполнение в любом случае используется редко. Но возможен, к примеру, и вариант добавления отверстий, для перераспределения напряжений).

Для оценки корректирующих воздействий, необходимо создание полноценной твердотельной модели печатаемого объекта и учета физических воздействий на нее в процессе печати. Наиболее подходящим для этого является моделирование методом конечных элементов. Которое позволяет получить полнофункциональную трехмерную модель заготовки, с возможностью снятия значений характеристик поля температур, напряжений или деформаций в любой точке модели. А также рассмотреть динамику перераспределения этих полей.

Метод конечных элементов является численным методом решения дифференциальных уравнений.

Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину, такую, как температура, можно аппроксимировать дискретной моделью, ко­торая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, оп­ределенных на конечном числе подобластей. Кусочно-непрерывные функции определяются с помощью значений непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемой области.

Поскольку речь идет об учете в расчетах в рамках геометрии заготовки, этот метод также позволяет полностью исключить экспериментальные исследования (при условии достаточной точности реакции модели на динамику процессов). И тем самым получать данные, которые невозможно получить при снятии показаний при фактическом процессе печати, в силу его специфики и сложности. При этом их соответствие реальным данным можно косвенно проверить.

Однако, даже так, использования этого метода в его базовом виде недостаточно, так как геометрия объекта в процессе печати постоянно претерпевает изменения. Требуется аппроксимированная серия расчетов, учитывающая динамику изменения объекта, а также и динамику температурного поля (а в следствии и поля напряжений). К тому же, изменяющаяся во времени (и зачастую усложняющаяся) геометрия приводит к изменению профиля деформации объекта, даже если бы была возможность считать нагрузки, связанные с разницей температур, статическими.

Наиболее подходящим решением для данного вопроса автору видится использование специфических средств и решений моделирования методом конечных элементов, используемых в кристаллографии. Поскольку послойный рост кристалла, а значит и изменение его геометрии в динамике, помимо динамически изменяемых характеристик среды и внешних воздействий, достаточно точно, в теории и при внесении соответствующих корректировок, согласуется с процессами при 3D печати.

Благодарности и признательности

Автор выражает благодарность своему научному руководителю, к.т.н., доценту, зав. кафедрой АПП ДГТУ Лукьянову А.Д. за помощь в проведении исследований.

Список литературы:

1. Присекин В.Л., Расторгуев Г.И. «Основы метода конечных элементов в механике деформируемых тел.»Учебник / Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. - 238 с. (серия «Учебники НГТУ»)

2. «Low-cost 3D Printinag for Science Education and Sustainable Development» by Enrique Canessa (Editor), Carlo Fonda (Editor), Marco Zennaro (Editor). Published 2013 by The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP)

3. Дмитренко А.А. «Методы компенсации температурных деформаций при 3d печати материалами с большими коэфициентами температурного расширения» НАЦИОНАЛЬНАЯ АССОЦИАЦИЯ УЧЕНЫХ (НАУ) Ежемесячный научный журнал №9 (14) / 2015 ЧАСТЬ 1

4. Yiping Chen,W.B. Lee,E. Nakamachi «Crystallographic homogenization finite element method and its application on simulation of evolution of plastic deformation induced texture» Acta Mechanica Solida Sinica. Volume 23, Issue 1, February 2010, Pages 36–48

Код для цитирования: Скопировать