Аддитивные технологии активно входят в современную промышленность, но для конструкторов существует множество неизвестных аспектов в технологии производства и структурообразования материала. Например, регулярные ячеистые структуры в деталях двигателя или корпусных приборов автомобиля или ракеты могут нести нагрузки, аналогичные литым деталям, при этом весить вполовину меньше. Как результат, снижается расход топлива, нагрузка на дорогу, вредные выбросы в атмосферу и количество металла для производства детали.
Инженеры лаборатории «Деформационные термические процессы» НИТУ «МИСиС» представили результаты исследований микроструктуры и механических свойств на растяжение стальных ячеистых структур различной конфигурации, модели которых были подготовлены с использованием российского специализированного программного обеспечения для топологической оптимизации и изготовлены по технологии селективного лазерного плавления на 3D-принтере.
Учёные выяснили, что уровень механических свойств зависит от конфигурации ячеек, диаметра распорок и объёма пустот, а также рассчитали тип и конфигурацию ячеистых структур, при которых достигается максимальный уровень свойств: при объеме пустот 65% (диаметр распорки 0,5 мм) предел прочности составляет 38%, а предел текучести — 49% показателей для сплошного образца. Конструкторы впервые получили точные данные о типах ячеистой структуры, соответствующих конкретной инженерной задаче: деталь с нужной прочностью и массой можно будет изготовить, используя определенный тип ячейки.
У инженеров-аддитивщиков, в свою очередь, появилась технология изготовления этой детали на 3D-принтере с помощью селективного лазерного плавления. Прочность и плотность получаемых сложнофасонных деталей увеличилась на 50%. Использование так называемого бионического дизайна — компьютерной топологической оптимизации — один из самых перспективных подходов современного инжиниринга. Это особый подход к проектированию, позволяющий найти наилучшее распределение материала в заданной области для заданных нагрузок и условий работы. Проще говоря, абстрактная деталь представляет собой объёмный массивный монолит, значительная часть материала которого не несет никакой функциональной нагрузки, то есть содержит, по сути, лишний металл.
Нагрузку в нем несут, к примеру, всего порядка десяти точек креплений. В результате оптимизации форма детали существенно усложняется — в данном случае получаются металлические соты, ячеистые структуры. Изготовить их традиционными методами вроде литья просто невозможно, поэтому единственный путь — использование аддитивных технологий послойной печати металлами, в частности, так называемого селективного лазерного плавления. Оно отличается низкими затратами и возможностью создать изделие практически любой формы. Полученные в НИТУ «МИСиС» образцы ячеистых структур уже прошли лабораторные испытания и в ближайшее время поступят конструкторам компании-заказчика.
