Оценка влияния технологии аддитивного изготовления топологически оптимизированных изделий из фотополимерных смол на анизотропию их механических свойств

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 заключение отметим, что применение аддитивных технологий для создания оптимизированных форм требует учета технологии печати и анизотропии свойств, а также выбора соответствующего программного обеспечения.