ГЛАВНОЕ |
![]() Порошок, уходиТема: Технологии ![]() Вектор развития аддитивного производства уже сформировался: прогресс движется в сторону новых расходных материалов, новых устройств послойного синтеза, адаптированных под нужды гигантских корпораций, привычных изделий, изготовленных быстрее и дешевле. Но что если задуматься о том, что аддитивные технологии дают шанс исследователям пойти дальше, в сторону изменения самих свойств вещества, оптимизации не только формы, но и внутренней структуры материала? Технологии будущего Промышленное — значит металлическое Барьеры постепенно рушатся, мировые корпорации, такие как GE, вкладывают миллиарды долларов в развитие технологий послойного синтеза, регуляторы прогибаются под их напором, а ученые и инженеры по всему миру не покладая рук усовершенствуют методы проектирования и технологии, разрабатывают новые материалы и оптимизируют процессы лазерного спекания и наплавки. В любой экспертной дискуссии относительно проблем и перспектив промышленной печати сегодня всерьез обсуждают только металлы: области применения, проблемы стоимости и качества сырья и оборудования, экономика процессов, вопросы сертификации и испытаний. Промышленность на сегодня не видит альтернативы металлам в аддитивном производстве, лишь в редких случаях всплывает керамика. Специалистам по всему миру практически удалось решить проблемы с качеством спекания, плотностью (пористостью) получаемых изделий. Сложность и стоимость систем продолжает расти, а спрос подогревается в основном инвестициями «гигантов». Итак, что мы имеем: промышленность адаптирует технологии послойного синтеза за счет энтузиазма крупных игроков. Небольшие компании замерли в ожидании снижения цен на материалы и оборудование до уровня, когда их использование станет экономически оправданным. Ученые и инженеры по всему миру продолжают демонстрировать чудеса бионического дизайна, удивляя и шокируя консервативную общественность многократным снижением массы изделий за счет топологической оптимизации. Все это выглядит неплохо, хотя проблем, конечно, хватает. При этом очень мало говорят об альтернативах, о дальнейшем развитии. На повестке дня — адаптация и внедрение. И главное — проектирование. Пространство оптимизации Так вот, методы топологической оптимизации позволяют спроектировать изделие таким образом, что его форма будет оптимальной с точки зрения, например, минимизации массы при заданных внешних нагрузках. Оптимальная конструкция — равнопрочная, напряжения в каждой точке которой одинаковы и едва не превышают предел прочности, то есть материал «отрабатывает по полной». Топологическая оптимизация за счет численных методов и специальных алгоритмов постепенно «убирает все лишнее», начиная с одного сплошного куска материала: в процессе итераций из конструкции удаляются зоны, в которых внутренние усилия отсутствуют. Зачастую в этом случае форма детали получается причудливой и замысловатой, так что изготовить ее традиционными способами, будь то литье, фрезерование или другие методы обработки металлов, не представляется возможным. Тут-то на помощь и приходят технологии послойного синтеза, которые, в силу своей специфики, не накладывают принципиальных ограничений на форму изготавливаемой детали. В этом направлении, собственно, и развивается вся отрасль. Но что если оптимизировать можно не только форму детали, но и внутреннюю структуру материала, из которого он сделан? Технологии послойного синтеза принципиально не позволяют поставить вопрос таким образом. Разработчики стремятся получить как можно более однородный и гомогенный материал, с отсутствием пор и включений, свойства которого одинаковы, вне зависимости от того, в каком направлении приложена нагрузка. Но ведь оптимизируя только форму, мы упускаем массу возможностей. Хоть конструкция и получается трехмерной, сам материал при этом остается «плоским», точнее даже «линейным», одномерным. Сами адепты топологической оптимизации очень любят обращать внимание на естественные, природные конструкции. Действительно, результаты такой оптимизации очень часто напоминают знакомые нам природные объекты — крылья стрекозы, панцирь черепахи, раковины улиток, деревья. ![]() Но все эти объекты помимо причудливой формы имеют еще и очень сложную внутреннюю структуру. Надо сказать, традиционная промышленность давно использует подобные приемы. Так, композитные материалы, имеющие неоднородную внутреннюю структуру, активно применяются в ракетостроении, самолетостроении, автомобилестроении, строительстве. Основной принцип таких материалов — наличие двух различных фаз: матрицы или связующего, и армирующего наполнителя (арматуры). Арматура воспринимает основные усилия, а матрица заставляет отдельные элементы арматуры работать сообща. В качестве арматуры в конструкционных композитах используются в основном высокопрочные волокна — углеродные, стеклянные, органические, по прочности и жесткости в разы превосходящие самые прочные из металлов, при этом существенно более легкие. В качестве матрицы выступают полимеры, хотя широко известны композиты на основе металлических, керамических и других видов связующих. Главная особенность таких волокнистых композитов — анизотропия свойств. То есть сопротивляемость материала внешним воздействиям существенно зависит от того, в каком направлении эти воздействия приложены. Например, прочность углепластика (полимерный композиционный материал на основе углеродных волокон) отличается на два порядка в зависимости от того, действует нагрузка вдоль направления армирующих волокон, или поперек. Традиционно эта особенность композитов считается одним из главных недостатков, ограничивающих их массовое применение в большинстве отраслей промышленности. С анизотропией борются как могут: в основном путем создания так называемых квазиизотропных ламинатов — листовых материалов, в которых слои однонаправленного композита укладываются друг на друга под различными углами. Таким образом, получается материал, который, работая в плоском напряженном состоянии, ведется себя практически как лист металла. Дальше, за исключением этапа формования, работают с ним точно так же: режут, сверлят, соединяют при помощи заклепок и болтов, разрушая при этом целостность армирующих волокон, что ведет к возникновению дополнительной концентрации напряжений и ряду других, свойственных композитным материалам эффектов, существенно снижающих прочность конструкции. А вот тут как раз не помешало бы оглянуться на природу: древесные волокна не обрываются в месте роста ветки, а аккуратно огибают его, локально уплотняясь вокруг. Волокна в листве формируют сложную разветвленную структуру подкрепляющих ребер, а не идут от края до края друг поверх друга в нескольких направлениях, обрываясь на концах. Ведь те самые внутренние усилия, или напряжения, которые возникают в телах как реакция на внешние воздействия, имеют тензорную природу, то есть в каждой точке имеется распределение величин напряжений относительно трех пространственных направлений. Реакция материала в каждой точке различна, а значит, чтобы оптимально «отрабатывать» эту реакцию, материал должен быть неоднородным. Классический, изотропный материал должен быть способен выдерживать максимальные напряжения в данной точке в некотором направлении. При этом напряжения по остальным осям могут быть существенно меньше, но прочность материала в этих направлениях такая же, а значит — избыточна. Анизотропный материал должен позволять оптимизировать свойства материала, обеспечивая минимально необходимые характеристики в различных направлениях. Самый простой пример: если конструкция — стержень, который работает только на растяжение вдоль своей оси, все волокна должны быть направлены вдоль этой оси — свойства материала поперек волокон не играют никакой роли. Такой стержень — наиболее эффективная деталь с точки зрения применения композитных материалов. Исходя из этих соображений, наиболее эффективными конструкциями из композитов будут системы, представляющие собой набор стержней, соединенных между собой так, что каждый элемент воспринимает нагрузку вдоль своей оси. Получается так называемая сетчатая конструкция. Не удивительно, что большинство результатов топологической оптимизации имеют именно такую, сетчатую структуру. В этом смысле применение композитных материалов является оптимальным вариантом для изготовления такого рода оптимизированных конструкций. Стоит также отметить, что подобный метод успешно применяется при производстве деталей ракет и спутников из композитов, однако технологические особенности, связанные с процессом изготовления таких деталей, накладывают существенные ограничения на их форму, а также взаимное расположение и выбор направления ребер. Настоящее 3D ![]() Используя такой подход, может изготавливаться практически любая машиностроительная (да и потребительская) продукция. Дополнительным «бонусом» будет являться производство индивидуальных изделий на заказ, о чем все много говорят применительно к 3D-печати. Все эти и многие другие трансформационные элементы, которые приписываются 3D-печати как опорной технологии, пока никак не реализуются в рамках существующих технологий и оборудования. Более того, возможности развития данных концепции уже кажутся принципиально ограниченными, и перспективы реализации всех описанных преимуществ выглядят туманно. На новый уровень СТАТЬИ ПО ТЕМАМ
Статьи публикуются с разрешения автора и обязательным указанием ссылки на источник Редакция оплачивает на договорной основе Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов! По вопросам публикации и оплаты статей обращайтесь в редакцию: Полное или частичное копирование любых материалов, опубликованных на Plastinfo.ru, для размещения Полное или частичное использование любых материалов, размещенных на Plastinfo.ru, |
![]() ![]() ![]() ОПРОС НА PLASTINFO.RU |