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

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 [3–5]. 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, нет необходимости 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].

1.    Выбор модели для анализа, расчет механических характеристик

В рамках данной работы проводилась топологическая оптимизация кронштейна (рис. 1). Топологическая оптимизация дает существенное снижение массы при сохранении или умеренном снижении прочности и жесткости, что особенно важно в авиационной технике [19–22].

Образцы кронштейна были изготовлены посредством аддитивных технологий FDM и SLA с использованием топологической оптимизации в системах автоматизированного проектирования (САПР) SolidWorks и ANSYS. Целью исследования являлось проведение сравнительного анализа характеристик как исходной заготовки и полученной оптимизированной детали, так и характеристик оптимизированных деталей, полученных в рассмотренных САПР.

Рис. 1. Исходная модель кронштейна и схема силового нагружения

Fig. 1. Initial model of the bracket and force loading diagram

После создания конечно-элементной модели и установки граничных условий получено поле напряжений фон Мизеса в конструкции исходного кронштейна (рис. 2).

Рис. 2. Поле напряжений в конструкции исходного кронштейна (масштаб деформаций 1:121,42)

Fig. 2. Stress field in the design of the original bracket (deformation scale 1:121.42)

Расчет исходной конструкции в программном пакете SolidWorks показал:

– коэффициент запаса прочности изделия – 4,4;

– предел текучести по фон Мизесу – 2,75∙10 ⁸ Н/м ² ;

– максимальное возникающее перемещение – 8,681∙10 ^–3 мм;

– деформация – 1,751∙10 ^–4 мм.

Современные средства проектирования позволяют не только проводить исследования и расчеты на прочность деталей различной геометрии, а также прогнозировать степень их деформирования, но и содержат в себе программные алгоритмы оптимизации. В инженерной практике для этих целей применяются такие программные продукты, как ANSYS и SolidWorks [23–27]. В общем случае из модели-заготовки удаляются лишние части конструкции, отсутствие которых практически не изменяет жесткость исходного тела. В результате работы такого алгоритма формируется оптимизированная модель сложной геометрии, которая будет отвечать требованиям жесткости и прочности при минимальной массе, но при этом будет сложна в изготовлении традиционными методами, а значит, потребует применения аддитивных технологий в производстве [28].

После ввода всех ограничений и наложения условий, а также после создания сеточной модели итерационное проектирование исследуемого компонента продолжается до достижения необходимой точности при заданных ограничениях. В случае топологической оптимизации рассмотренного кронштейна осуществлено 76 итераций, в результате которых определены оптимальные значения жесткости и массы [3, 29, 30]. В результате оптимизации получается совершенно новая модель, сгенерированная алгоритмом, которая сохранила 20 % своей первоначальной массы (рис. 3).

Рис. 3. Конечно-элементная модель оптимизированной детали

Fig. 3. Finite element model of the optimized part

Результаты прочностного расчета в программном пакете SolidWorks:

– коэффициент запаса прочности изделия – 1,4;

– предел текучести по фон Мизесу – 2,75∙10 ⁸ Н/м ² ;

– максимальное возникающее перемещение – 1,316 мм;

– деформация – 2,772∙10 ^–2 мм.

Для валидации результатов топологической оптимизации аналогичным образом проводилось исследование в системе инженерного анализа ANSYS, где за основу взята модель кронштейна, нагруженная силами в узлах крепления согласно схеме силового нагружения (рис. 1). В результате оптимизации получена модель, сгенерированная алгоритмом, которая сохранила 20 % своей первоначальной массы (рис. 5).

von Mises (N/mA2)

5,333e+09

4,572e+09

3,811e+09

3,Q49e+09

2,288e+09

1,526e+09

7,651 e+08

3,75 Be+06

Рис. 4. Поле напряжений в конструкции оптимизированного кронштейна (масштаб деформаций 1:7,7053)

Fig. 4. Stress field in the design of an optimized bracket (deformation scale 1:7.7053)

Рис. 5. Геометрическая модель оптимизированной детали в системе инженерного анализа ANSYS

Fig. 5. Geometric model of an optimized part in the ANSYS engineering analysis system

2.    Верификация результатов и исследование анизотропии механических свойств

Для верификации результатов, полученных численным моделированием в программных пакетах SolidWorks и ANSYS, проведены статические испытания на разрушение кронштейнов. Детали кронштейнов изготовлены с применением аддитивных технологий FDM и SLA (рис. 6).

Поскольку процесс аддитивной печати – это послойный процесс изготовления детали, то для оценки технологически обусловленной анизотропии механических свойств изделия, изготовлены несколько образцов, которые были установлены под разными углами к подложке в процессе печати (рис. 7).

a

b

Рис. 6. Детали кронштейнов изготовлены с применением аддитивных технологий SLA ( a ) и FDM ( b )

Fig. 6. Bracket parts are manufactured using additive technologies SLA ( a ) and FDM ( b )

Рис. 7. Варианты углов печати кронштейна

Fig. 7. Options for bracket printing angles

Испытания на разрушение кронштейнов выполнены на специально разработанном и изготовленном стенде для малонагруженного двухосного растяжения. Кронштейн фиксировался при помощи четырех болтов к раме стенда, далее происходило плавное статическое нагружение в двух направлениях. Фиксация роста нагрузки осуществлялась про помощи тензодатчиков и видеозаписи эксперимента.

Для испытаний изготовлены от 3 до 9 кронштейнов каждого типа и для каждого угла печати. Осредненные результаты испытаний представлены в табл. 1, 2.

Результаты испытаний, а также характер форм разрушения кронштейнов (рис. 8) говорят о наличии существенной анизотропии свойств. В первую очередь это связано с особенностями послойного построения изделия методом SLA и направленной укладки нити при использовании метода FDM.

Результаты испытаний и формы разрушения оптимизированного кронштейна в программных пакетах Solidworks и ANSYS представлены в табл. 3 и на рис. 9 и свидетельствуют о существенных различиях в методах топологической оптимизации, применяемых в данных САПР.

Таблица 1

Результаты испытания исходного кронштейна, изготовленного по технологии SLA

Table 1

Test results of the original bracket manufactured using SLA technology

Параметр	Значение
Угол	5°	45°	85°	90°	⊥ 90°	⊥ 95°
Масса, г	48,61	47,39	47,47	47,09	47,61	47,81
Разрушающая нагрузка, кгс	194,4	206,2	202,2	191,9	108,0	85,8
Запас прочности	3,8	4,03	3,95	3,75	2,11	1,68

Таблица 2

Результаты испытания исходного кронштейна, изготовленного по технологии FDM

a                                          b

Рис. 8. Формы разрушения кронштейна, изготовленного методом SLA ( a ) и FDM ( b )

Table 2

Test results of the original bracket manufactured using FDM technology

Параметр	Значение
Угол	0°	45°	90°	⊥ 45°	⊥ 90°
Масса, г	46,66	46,02	47,65	47,17	47,58
Разрушающая нагрузка, кгс	47,8	132,6	227,7	98,8	85,2
Запас прочности	0,93	2,59	4,45	1,93	1,66

Fig. 8. The forms of destruction of the bracket made by the SLA ( a ) and FDM ( b ) method

Таблица 3

Результаты испытания оптимизированного кронштейна SolidWorks/ANSYS

Table 3

SolidWorks/ANSYS optimized bracket test results

Параметр	Значение
Угол	5°		45°		85°		90°		⊥ 90°		⊥ 95°
САПР для оптимизации (SolidWorks / ANSYS)	SW	AN	SW	AN	SW	AN	SW	AN	SW	AN	SW	AN
Масса, г	11,61	10,85	11,47	10,84	11,41	10,84	11,41	10,72	11,41	10,65	11,63	10,88
Разрушающая нагрузка, кгс	57,3	48,93	69,8	53,6	90,7	56,2	87,22	62,33	85,13	66,38	52,13	53,9
Запас прочности	1,12	0,96	1,37	1,05	1,77	1,1	1,71	1,22	1,66	1,3	1,02	1,05

a

b

Рис. 9. Формы разрушения оптимизированного кронштейна Solidworks ( a ) и ANSYS ( b )

Fig. 9. Failure modes of the optimized bracket Solidworks ( a ) and ANSYS ( b )

Заключение

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что к применению аддитивных технологий для изготовления топологически оптимизированных форм конструкций нужно подходить весьма аккуратно, учитывая технологию печати и возможную анизотропию механических свойств. Также стоит отметить, что существующие программные пакеты по топологической оптимизации дают существенно различные результаты [23]. Применительно к рассматриваемому кронштейну при снижении массы исходной модели кронштейна в среднем на 80 % модель кронштейна, оптимизированная в пакете SolidWorks, показала лучшие результаты прочностных испытаний в сравнении с моделью, оптимизированной в ANSYS.