Фотополимеры находят широкое применение в таких отраслях, как авиационная, ракетная, автомобильная промышленность, ювелирное дело и стоматология. Эти специальные жидкие смолы обладают способностью затвердевать под воздействием ультрафиолетового излучения. На 3 D-используя 3D-печать, создают точные модели деталей из фотополимерной смолы, которые затем помещают в огнеупорные формы, изготовленные из гипса или формовочных смесей. После этого модели подвергают воздействию экстремально высоких температур в печи. В процессе нагревания смола полностью выгорает, образуя полость, в которую заливают расплавленный металл. После застывания металла форму разрушают, и получают готовую заготовку. С помощью этой технологии производят импланты, детали сложной формы (например, лопатки газотурбинных двигателей) и другие изделия. Сложность заключается в том, что фотополимер при нагревании увеличивается в объеме, что может привести к повреждению формы и, как следствие, к браку. Ученые Пермского Политеха разработали компьютерную модель для отслеживания поведения такого материала, чтобы прогнозировать его состояние. Разработка позволит предсказать свойства полимеров с точностью до 95% и не допустить появления дефектов.
Статья опубликована в журнале «Вестник ЧГПУ им. И.Я. Яковлева» за 2025 год. Исследование проведено в рамках программы Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения» при поддержке Правительства Пермского края на создание и развитие студенческих проектно-конструкторских бюро.
Фотополимерные смолы находят широкое применение в прототипировании методом литья по выжигаемым моделям, а также для изготовления деталей в авиационной и автомобильной промышленности, в частности, для производства литых дисков. В стоматологии они используются для изготовления коронок и мостов, начиная с предварительного сканирования зуба и получения слепка.
– Процесс производства начинается с печати модели будущей детали из фотополимеров. Затем создается огнеупорная форма с использованием современных формовочных смесей или гипса. После этого модель выжигается, образуя пустоту, в которую заливается расплавленный металл. После охлаждения форма разрушается, и получают готовую металлическую деталь. Сложность заключается в том, что фотополимеры значительно расширяются в процессе выжигания. Это приводит к деформациям и трещинам в литейных формах, которые зачастую становятся непригодными для дальнейшего использования. Неоднородное расширение материала ухудшает качество отливок и повышает процент брака, – рассказывает Вероника Струкова – ассистент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ и руководитель студенческого проектно-конструкторского бюро «Технологическая механика аддитивных и литейных процессов.
Для мониторинга данного процесса исследователи из Пермского Политеха проанализировали поведение фотополимерного материала при нагревании. На основе полученных экспериментальных данных была разработана компьютерная модель, позволяющая прогнозировать характеристики материала в зависимости от температуры. Это позволит снизить вероятность возникновения дефектов.
– Наша модель позволяет прогнозировать поведение фотополимеров при нагреве и обеспечивает контроль над режимами нагрева. Мы провели многофакторное моделирование и сопоставили полученные результаты с экспериментальными данными и опытом, накопленным в рамках совместной работы ученых ПНИПУ. Виртуальная модель фотополимеров демонстрирует точность прогнозов менее 5% (в заданном температурном диапазоне), учитывая скорость нагрева и 40 ключевых параметров. Это позволяет заблаговременно обнаруживать потенциальные риски деформаций и трещин, оптимизировать процесс выжигания моделей, уменьшить количество брака и сократить производственные потери, – комментирует Анна Каменских, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», заведующий лабораторией цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств, кандидат технических наук.
Изучение данных позволяет прогнозировать изменения механических свойств материала в зависимости от температуры и скорости нагрева.
– В настоящее время собираются данные об воздействии параметров 3D-печати (скорости, температуры, освещения) на качество фотополимерных моделей и их поведение при нагревании. Полученная информация поступает в постоянно обновляемую цифровую базу данных. Это позволит ускорить выбор материалов, оптимизировать режимы печати и выжигания моделей, что, в свою очередь, уменьшит время и количество брака при изготовлении литейных форм, – поясняет Дмитрий Пустовалов, старший преподаватель кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ.
Разработанная специалистами ПНИПУ модель позволяет улучшить качество продукции и сократить издержки производства. Полученные данные окажутся ценными для предприятий, использующих фотополимерные технологии, в частности, в авиационной, автомобильной отраслях, при производстве оборудования, а также в стоматологии и ювелирном деле.
Пресс-служба ПНИПУ предоставила информацию и фотографии