Инженеры АО «ЦИФРА» в составе научной группы специалистов Института металлургии, машиностроения и транспорта СПбПУ приняли участие в выполнении составной части НИР по теме: «Разработка цифровых технологий моделирования функционально-градиентных материалов и конструкций, созданных с применением аддитивных технологий».

В настоящее время аддитивные технологии, так же известные как 3-D печать, представляют большой интерес для различных отраслей промышленности, поскольку позволяют создавать детали и конструкции, которые невозможно изготовить традиционными методами. Одна деталь, созданная аддитивным методом, может заменить собой сборку из нескольких деталей, что значительно повышает надежность всего изделия. Особый интерес представляет возможность одновременного создания в изделии локальных участков с заданными микроструктурой и свойствами, что достигается путем применения метода селективного лазерного плавления (СЛП).

Метод селективного лазерного плавления 

Технология СЛП заключается в формировании слоев порошкового материала, их поочередного расплавления с помощью лазерного излучения и соединения с предыдущим слоем. Традиционно методом СЛП получают мелкозернистую микроструктуру металла - такая структура обеспечивает высокие механические характеристики при комнатной температуре. Исследователи выяснили, что использование данного метода позволяет получить образцы с градиентной (изменяющейся вдоль одного или нескольких направлений) микроструктурой материала.

Функционально-градиентные материалы (ФГМ) - это композиционные или однофазные материалы, функциональные свойства которых равномерно или скачкообразно изменяются хотя бы по одному измерению. Как правило, это сплавы, состоящие из твёрдых зёрен, образующих прочный непрерывный каркас, и металлической связки (кобальт, никель, титан, алюминий), содержание которой непрерывно изменяется в объёме материала. Из-за особенностей структуры функционально-градиентные материалы обладают свойствами как твёрдого сплава, так и металла, то есть имеют высокую твёрдость и большую ударную вязкость. Используя различные параметры процесса СЛП, ученые СПбПУ добились в 2017 г. получения образцов материалов с направленной и кристаллической структурой, в которых в зависимости от изменения параметров воздействия изменялся размер зерен, их форма, ориентация. В зависимости от изменения структуры изменялись и физико-механические характеристики. 

Высокие характеристики прочности и термоустойчивости материалов чрезвычайно важны для создания деталей в авиакосмической отрасли. Например, на выходе из камеры сгорания газотурбинного двигателя газы, имея наибольшую температуру и давление, агрессивно воздействуют на элементы горячей части турбины, прежде всего на рабочие и сопловые лопатки, отвечающие за вращение ротора. Наибольшая нагрузка приходится на лопатки первой и второй ступени, поэтому для их изготовления не просто используют специально разработанные жаропрочные сплавы, но и формируют в изделиях особую микроструктуру. Разработанная в СПбПУ технология может использоваться при изготовлении изделий, работающих в наиболее сложных условиях, то есть при высоком давлении и температурном воздействии. Поэтому данную разработку можно использовать при изготовлении деталей газовых турбин авиационного, морского и энергетического назначения, которые эксплуатируются в экстремальных условиях.

Численное моделирование образцов из функционально-градиентных материалов

Развитие и внедрение в производство аддитивных технологий невозможно представить без использования и технологий численного моделирования. Развитие новых технологий производства требует и новых методов расчета проектируемых конструкций, которые являются важнейшим предсказательным инструментом на стадии проектирования различных изделий, изготовленных аддитивным методом. Основная проблема, возникающая при использовании метода конечных элементов (МКЭ) для моделирования ФГМ, связана с учетом переменных в пространстве свойств материала. Инженерами АО «ЦИФРА» в составе научной группы специалистов Института металлургии, машиностроения и транспорта СПбПУ в 2018 году проведена серия работ по численному моделированию механических свойств ФГМ и разработаны новые подходы к расчету на прочность и моделированию напряженно-деформированного состояния образцов и деталей из ФГМ.

На рисунке представлены результаты моделирования эксперимента на растяжение составного образца, различные части которого изготовлены при двух различных мощностях лазера и, соответственно, имеют различные механические свойства (предел текучести, модуль пластичности). Результаты, полученные в результате моделирования, коррелируют с результатами экспериментов, также представленными на рисунке.

Fig1

Результаты моделирования

Fig2

Результаты эксперимента

Расчет на прочность ячеистых конструкций

Имея инструмент численного моделирования ФГМ, стало возможным проводить расчеты на прочность конструкций сложных форм, изготовленных с помощью 3D печати. Например, конструкции из материала с градиентной плотностью – это материал, состоящий из множества ячеистых структур с различной топологией или толщиной прутка. Использование таких материалов позволяет получать конструкции с требуемыми механическими характеристиками путем варьирования топологий ячеистых структур, толщин их прутков, а также комбинируя различные варианты структур между собой. 

Fig3

Одной из задач работы была разработка модели протеза бедренного сустава, механические свойства которого соответствовали бы механическим свойствам бедренной кости. Поскольку протезы, изготовленные традиционными методами, сплошные по своей структуре, их жесткость по сравнению с жесткостью кости велика, что в процессе эксплуатации влечет за собой разрушение кости. Избежать подобных проблем позволит изготовление протеза с улучшенными механическими характеристиками.

Fig5

Особенностью строения бедренной кости является наличие двух типов областей, имеющих различную структуру, а, следовательно, и механические свойства: кортикальная и трабекулярная. Следовательно, механические свойства ячеистых структур, которые будут составлять тело протеза, должны соответствовать механическим свойствам этих областей. Какие это будут структуры: их топология, толщины прутков, комбинации между собой, определялось путем проведения многовариантных исследований. Основными параметрами, по которым проводился подбор подходящих ячеистых структур: модуль упругости, размер пор, предел прочности. На рисунке показана разработанная модель протеза, она имеет градиентную плотность и соответствует механическим характеристикам обеих частей кости.

Моделирование процесса 3D печати

Помимо моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций, изготовленных аддитивным методом, стало возможным моделирование и самого процесса печати. В процессе печати в детали могут возникнуть высокие остаточные напряжения, отрыв от поддержек, и, как следствие – коробление детали или остановка процесса. Причиной тому может быть неправильный выбор поддержек или направления «выращивания» детали.

На рисунке ниже приведен пример неудачной 3-D печати, вызванной неправильным выбором ориентации конструкции. В процессе печати вследствие высоких напряжений деталь отрывается от поддержек, что видно и в расчетной модели (красная зона - превышение предела прочности). 

Fig6

Модуль ANSYS Additive Manufacturing позволяет имитировать весь процесс печати, начиная от импорта CAD-модели, выбора материала порошка, настроек параметров оборудования, и заканчивая анализом тепловой истории нагружения, остаточных напряжений, или, например, экспортом остаточных деформаций для проведения дальнейших прочностных расчетов. Также важнейшей особенностью этого модуля является возможность автоматической генерации поддержек, которые создаются с учетом напряжений, возникающих в процессе печати. В результате многовариантных исследований с использованием модуля ANSYS Additive Manufacturing для представленной детали удалось определить правильную ориентацию конструкции и получить оптимальную геометрию поддержек.

Публикации

А.В. Орлов, В.Ш. Суфияров, Е.В. Борисов, И.А. Полозов, Д.В. Масайло, А.А. Попович, М.О. Чуковенкова, А.В. Соклаков, Д.С. Михалюк. Численное моделирование неупругого поведения структурно-градиентного материала. Письма о материалах. 2019. Т.9. №1. С.97-102