Исследование динамических свойств стальных деталей, получаемых методом 3D-печати

Елисеев Д.П., Конаков Р.Д. Исследование динамических свойств стальных деталей, получаемых методом 3D-печати // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 3. С. 386–393. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-3-386-393

Предмет исследования. При изготовлении деталей навигационных приборов сложной геометрической формы из металла перспективным направлением формообразования является применение аддитивных технологий. В процессе проектирования таких деталей применяется конечно-элементный анализ. Точность моделирования определяется корректностью задаваемых физических свойств используемых материалов. Свойства материалов, применяемых при 3D-печати, существенно отличаются от используемых при традиционной обработке. Основное внимание уделяется таким характеристикам, как модуль Юнга, коэффициент Пуассона, твердость и прочность. Для некоторых областей применений требуется знание динамических свойств. В работе предложены результаты исследования и сравнение демпфирующих свойств стальных деталей, изготовленных методом 3D-печати с послойным сплавлением в поперечном направлении; сплавлением в продольном направлении и методом классической обработки. Все детали имеют форму стержней постоянного сечения и обладают одинаковыми геометрическими размерами. Метод. Измерения проведены с использованием стенда TIRA TV 5220/LS-120. На свободном конце детали устанавливался пьезоэлектрический акселерометр. Испытания проводились в диапазоне частот 15–3500 Гц с ускорением 19,6 м/с²  (2 g). На основании анализа выходного сигнала акселерометра выполнен расчет коэффициента демпфирования. Верификация полученных результатов проведена на основе сравнения с результатами моделирования конечно-элементным методом. Основные результаты. Коэффициенты демпфирования для деталей, полученных методом 3D-печати, с послойным сплавлением в поперечном и продольном направлениях составили величины 0,022 и 0,006 соответственно, для детали, полученной классическим способом, — 0,023. Различия коэффициента демпфирования при 3D-печати разными способами может быть объяснены более плотным сплавлением гранул порошка при печати одного слоя, чем между слоями. В этом случае формируется кристаллическая структура, обладающая большей жесткостью в плоскости печати, что ограничивает рассеивание энергии вибрации за счет внутреннего трения. Моделирование показало наличие расхождений экспериментальных и расчетных значений собственных частот напечатанных образцов. Учитывая, что значения собственных частот во многом определяются модулем Юнга, проведена параметрическая оптимизация его значения в расчетах по критерию совпадения расчетных и экспериментальных собственных частот. Получено, что величина модуля Юнга не соответствует значениям, определяемым в ходе испытаний на разрыв аналогичных образцов. Показано, что образцы, изготовленные методом 3D-печати, обладают разной вибрационной и статической жесткостью. Это не типично для металлов и должно учитываться при моделировании. Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при разработке имитационной модели деталей из стали, изготавливаемых методом 3D-печати, и при создании цифровых двойников навигационных приборов. Это позволит на ранних стадиях проектирования перспективных изделий оценить их стойкость к воздействиям вибраций и оптимизировать конструкцию по критерию минимизации напряжений.

1. Юльметова О.С., Щербак А.Г., Челпанов И.Б. Специальные технологии изготовления прецизионных узлов и элементов гироскопических приборов: учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2017. 131 с.

2. Чехович А. 5 особенностей металлических порошков для 3D-печати [Электронный ресурс]. URL: https://blog.iqb.ru/metals-for-3d-printing (дата обращения: 23.04.2021).

3. Тит М.А., Епифанов Д.О., Беляев Я.В. Опыт применения аддитивных технологий в проектировании и производстве изделий АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» // Навигация и управление движением: материалы ХXII конференции молодых ученых с международным участием. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2020. С. 69–71.

4. Eliseev D.P., Malashenkov K.S. Quality and mechanical properties of austenitic steel samples fabricated by an additive technology // Russian Metallurgy (Metally). 2020. V. 2020. N 11. P. 1308–1313. doi: 10.1134/S0036029520110063

5. Валетов В.А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы): учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2015. 58 c.

6. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении: учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2013. 222 с.

7. Пешехонов В.Г. Создатель прецизионного гироскопа // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. № 1. С. 121–128. doi: 10.17285/0869-7035.0021

8. Безмен Г.В., Шевченко А.Н., Костин П.Н., Берзейтис А.Н., Безмен В.С., Петров В.И. Система двухчастотной генерации в схеме датчика угловой скорости // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. № 1. C. 19–30. doi: 10.17285/0869-7035.0020

9. Евстифеев М.И., Елисеев Д.П. Методика обучения основам конструирования гироскопических приборов // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: сборник трудов ХXVI международной научно-технической конференции. М., 2017. С. 120–121.

10. Глухов В.В., Туричин Г.А. Экономическая эффективность технологии прямого лазерного выращивания в промышленности // Теоретические основы формирования промышленной политики. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2015. С. 176–190.

11. Пешехонов В.Г. Перспективы развития гироскопии // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28. № 2. С. 3–10. doi: 10.17285/0869-7035.0028

12. Lewandowski J.J., Seifi M. Metal additive manufacturing: A review of mechanical properties // Annual Review of Materials Research. 2016. V. 46. P. 151–186. doi: 10.1146/annurev-matsci-070115-032024

13. Берштам Я.Н., Евстифеев М.И., Елисеев Д.П. Исследование сплавов с высоким внутренним демпфированием в конструкции микромеханического гироскопа // Материалы XXIX конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. 2014. С. 65–72.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License