Исследование ячеистых структур в литье по выплавляемым стереолитографическим синтез-моделям

Одной из основных областей применения изделий, полученных по технологии послойного синтеза (быстрого прототипирования) является

- моделей в качестве выплавляемых литьевых моделей стало большим шагом к сокращению времени и снижению трудозатрат при выпуске продукции за счет отсутствия необходимости в дополнительных подготовительных операциях, таких как создание приспособлений, оснастки или закупки специального инструмента. В западной литературе такой процесс получил на-(quick cast).

экономическая эффективность данного подхода достигается, когда требуется получить небольшую партию сложных по форме деталей в сжатые сроки.

Для промышленного изготовления литье

- послойного спекания гранулированного полистирола (процесс SLS). Получаемые полисти-

- ность в среднем ±0,15 мм и шероховатость по-12 Ra-18 Ra [1]. C - строенные стереолитографией из жидких фотополимерных композиций на основе акриловых и эпоксидных смол (процесс SLA) характеризуются размерной точностью соответствующей ква-IT 10-12

0,1 Ra ционным литьевым восковым моделям, полу

-

Самусев Илья Валерьевич, ассистент кафедры конструирования машин и технология обработки мате-

Рис. 1. Синтез-мод ели: a) SLS модель из поли)

Envisiontec SI500

.

Цель работы: оценка изменения напряженного состояния между литьевой синтез -моделью и керамической оболочкой при различных видах ячеистых структур, заполняющих внутреннее пространство литьевой синтез -модели в условиях теплового воздействия.

Описание материалов и математиче-

.

риментов использовалась универсальная программная система конечно -элементного анализа ANSYS. Математическая постановка задачи включает в себя (1.1)-(1.5)

- div 0 = 0 хе V ,              (1)

где <г( x, t) - тензор напряжении.

-

.    1           z хТ

S = - (Vu + (VuТ )2 V 7   , x^ V.    (2)

где u(x, t ) - вектор перемещений, s(x, t тензор полных деформаций.

-                                                :

(7 = С-(£-£_Т ) хе V

где 8т - тензор температурной деформации, 8Т = тТ , а - коэффициент температурного расширения. - u=U, х6 SU          (4)

и напряжениях

О- n = P , хе S_CT                 (5)

где Su , S_a - части границы с заданными переме' щениями и нагрузками соответственно.

Для моделирования внутренней структуры использовались три варианта типовых ячеек: объемно-центрированная кубическая ячейка Вигнера-Зейтца, кубическая ячейка и кубооктаэдрическая ячейка (рис 3). Сама внутренняя ячеистая структура представляет собой стержневой массив, образованный периодическим копированием типовой единичной ячейки.

.

ра-Зейтца; б) кубооктаэдрическая ячейка; в) кубическая ячейка

Конечно -элементная модель исследуемого процесса строится следующим образом. В геометрическую фигуру в форме тора вписывается ячеистая структура, представляющая стержневой массив. При этом геометрические параметры типовых ячеек подбираются таким образом, чтобы обеспечить одинаковую пористость для всех исследуемых вариантов ячеистых структур. Выполняется операция пересечения объемов, для

ИчРРСУПиЯ (~'пА4ПЮС1^О?О ИСЛАМИ ОРО 1ЛРИ¥ИПП РоСОНПСТхОП (ЛЮЛС^РТУЛ! ИЛ И СЛАЛИ илоал 15 i\fo4/2). 2013 ,           5,      ( ), выполнения условия целостности ячеистого массива и оболочки литьевой модели. Внешние области получившейся модели разбиваются элементами SHELL63, а внутренний ячеистый массив элементами ВЕАМ189. Далее моделируется керамическая оболочка. В данном исследовании нас интересует напряженно-деформированное состояние керамической оболочки, так как именно в ней может возникнуть брак в процессе удаления синтез-модели. Фрагмент такой конечно -элементной модели представлен на рис. 4, внутренне пространство заполнено ячейками Вигнера-Зейтца.

Рис. 4. Фрагмент расчетной конечно-элементной модели

В расчетной конечно-элементной модели материалом литьевой модели выступает фотопо-лимерный композит Envisiontec SI500. Этот материал относится к классу сшитых полимеров на основе акрилатов, до полимеризации представляет собой желтую непрозрачную жидкость с запахом акрилата. Имеет следующие документированные физико-механические характеристики при нормальных условиях [3]: модуль упругости на растяжение E g = 2,68 МПа; gредел прочности на разрыв [о] p =78,1 МПа; относительная деформация при разрыве [s]p=4,39%; предел прочности на изгиб [о] b =65 МПа; модуль сдвига G ^g =2,5 МПа; температура стеклования ^g 61 °C; плотность р liq =1,1 г/см³ в жидком состоянии; плотность р—1,2 г/см³ в твердом состоянии.

Дополнительно для учета нелинейного поведения данного материала при нагревании была установлена зависимость между модулем Юнга и температурой при постоянной скорости нагрева в 2°С/мин (рис. 5). Для проведения эксперимента использовался цифровой динамический анализатор Netzsch DMA 242 С .

Для керамической оболочки взяты физико -механические характеристики кварца кристаллического (аморфного) из справочных материалов: плотность 2200 кг/м3; коэффициент температурного расширения сс=5 10 -51/ °C; коэффициент Пуассона 0,3; модуль Юнга 350 ГПа. Каждая из моделей подвергалась температурной нагрузке - нагрев от 20 oC до 150oC.

Рис. 5. Зависимость модуля Юнга от температуры при скорости наргева 2°С/мин

Полученные результаты и выводы. Картины интенсивности напряжений в керамической оболочке при различных типах ячеек, заполняющих внутренний объем литьевой модели представлены на рис. 6-8. Из них видно, как распределяются напряжения в керамической оболочке литейной формы. Максимальные напряжения образуются не на внешней поверхности, а на внутреннем ребре торцевого сечения тора. Неравномерная картина распределения интенсивности напряжении на внешней поверхности обусловлена наличием внутренней ячеистой структуры.

Рис. 6. Напряжения в керамической оболочке для модели с внутренней ячеистой структурой, состоящей из ячеек Вигнера-Зейтца, Па

Анализ полученных результатов показывает, что при использовании ячеистой структуры на основе ячейки Вигнера-Зейтца (рис. 6) максимальные напряжения меньше, чем при использовании ячеек кубооктаэдрических и кубических ячеек.

Рис. 7. Напряжения в керамической оболочке для модели с внутренней ячеистой структурой, состоящей из кубооктаэдрических ячеек, Па

Так, максимальные напряжения для модели с ячейками Вигнера-Зейтца равны 7,79 МПа, с кубооктаэдрическими ячейками - 8,68 МПа и кубическими ячейками - 8,12 МПа. Из этого можно сделать вывод, что для изготовления литьевых моделей более предпочтительно использовать ячеистую структуру на основе ячейки Вигнера-Зейтца, так как снижается риск растрескивания керамической оболочки.

Рис. 8. Напряжения в керамической оболочке для модели с внутренней ячеистой структурой, состоящей из кубических ячеек

:

• 1.    Иванов, В. И. Литье по выплавляемым моделям. -М.: Машиностроение. 1984. 408 с.

• 2.    Морозов, В.В. Исследование и разработка техноло

  гических режимов изготовления отливок по выжигаемым моделям, полученных методом лазерной стереолитографии : Дис. ... канд. техн, наук: 05.16.04: Москва 2005. 161 c.

• 3.    Material Safety Data Sheet Photopolymer Industrial Shell: SI 500.

• 4.    Сметанников, О.Ю. Экспериментальная иденти

  фикация модели термомеханического поведения стеклующихся полимеров / О.Ю. Сметанников, НА Труфанов // Вестник удмуртского университета. Механика. 2009. Выл. 4. С. 133-145.

• 5.    Зинкевич, О. Метод конечных элементов в технике. -М: Мир, 1975. 543 с.

• 6.    Сапченко, ИГ. Теория и практика формирования

  пористых структур в литье по выплавляемым моделям. Автореферат дис. на соискание ученой степени д.т.н. - Комсомольск- на -Амуре, 2011. 31 с.

• 7.    Norouzi, Y. A Novel Lattice Structure for SL Investment Casting Patterns / Y. Norouzi, S. Rahmati,Y. Hojjat // Tsinghua Science and Technology. 2009. Vol. 14. P. 255-263

• 8.    Hopkinson, N. Rapid Manufacturing: An Industrial Revolution for the Digital Age. ^^^™ John Wiley & Sons, Ltd, 2006. 304 р.

RESEARCH THE CELLULAR STRUCTURES IN MOULDING ONMELTED STEREOLITHOGRAPHIC SYNTHESIS-MODELS