Объем мирового рынка аддитивного производства растет с каждым годом и на 2024 год оценивается в 3,56 млрд долларов. 3D-печать широко применяется в аэрокосмической, автомобильной, строительной и медицинской отраслях. Технология позволяет создавать легкие и прочные изделия разнообразной формы путем «выращивания» материала слой за слоем на 3D-принтере. Однако прочность получаемого продукта во многом зависит от направления печати, например, вертикального или углового. Заранее это предсказать сложно. Чтобы понять, при каких условиях тот или иной материал получается качественнее, из него создают множество дорогостоящих тестовых образцов и для каждого проводят долгие различные проверки. Ученые Пермского Политеха разработали новый метод экспресс-оценки, который вдвое сокращает расход материала и ускоряет испытания с месяца до нескольких дней. Теперь можно быстрее и дешевле определить устойчивость будущих деталей к циклическим нагрузкам, что критически важно для повышения безопасности конструкций в высокотехнологичных отраслях.

На изобретение получен патент. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Аддитивное производство постепенно становится ключевой технологией в промышленности. Это процесс послойного создания детали из пластика, металла или композита по цифровой 3D-модели. С его помощью можно изготавливать изделия любой сложной формы с минимальными отходами, при этом легкие и прочные. Такие свойства особенно востребованы в аэрокосмической, оборонной, энергетической, нефтегазовой и медицинской отраслях, где используется для изготовления деталей двигателей, корпусов, турбин, трубопроводов, а также индивидуальных имплантов и протезов.

3D-принтер создает изделие, послойно накладывая материал друг на друга. Направление такой печати может быть разным – 90, 45, 60 градусов и т.д. Это влияет на итоговые свойства продукта, в том числе способность выдерживать большие нагрузки. Проблема в том, что предсказать, какой угол печати даст минимальную прочность, невозможно. Поэтому, перед запуском в эксплуатацию, инженерам приходится делать множество тестовых образцов под разными углами и испытывать их на специальных стендах, имитируя реальные условия.

Подобные исследования необходимы и снижают риск разрушения критических элементов при эксплуатации. Однако это крайне дорогой и долгий процесс, требующий большого количества дорогостоящего материала. Для проверки каждого направления печатают 4-6 стандартных образцов. Их поочередно устанавливают в специальную испытательную машину и подвергают нагрузкам до полного разрушения, тем самым проверяя на растяжение, сжатие, изгиб, твердость, выносливость и многие другие факторы. Этот процесс только для одного образца занимает более 10 часов. В среднем, полноценные испытания материала могут отнимать от пары недель до месяцев, что требует развития новых экспресс методов оценки свойств аддитивных материалов.

Ученые Пермского Политеха разработали новую методику экспресс-оценки прочности, которая в 3 раза сокращает время проверки 3D-печатных материалов по сравнению с классическим способом. Вместо множества стандартных образцов эксперты предлагают использовать одну уникальную конструкцию в виде колеса. С ней можно проверить прочность сразу в четырех направлениях, что значительно экономит время и деньги.

– Новый тип конструкции представляет собой колесо, в центре которого находится одно круглое отверстие, а по окружности симметрично расположены еще восемь в форме равнобедренных трапеций. Образец печатают из того же материала и на том же оборудовании, что и будущие детали, устанавливают в испытательной машине и подвергают циклическим нагрузкам (многократному изгибу). Она одновременно нагружает все восемь рабочих поверхностей – перемычек между отверстиями, до их разрушения. По появляющимся деформациям можно определить, где материал слабее всего. Направление, где деталь сломалась после наименьшего числа циклов испытания, и есть самое слабое и опасное, – поделился Артем Ильиных, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» ПНИПУ, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики, кандидат технических наук.

Ученые отмечают, что такая форма образца в виде колеса позволяет тестировать долговечность материала сразу в четырех различных направлениях за одно испытание. При этом в два раза сокращая количество образцов по сравнению с традиционными методами. Это значительно экономит затрачиваемые материалы и уменьшает время испытаний с нескольких недель до 1-7 дней.

Предлагаемая идея эффективна для всех отраслей, использующих 3D-печать. Например, при производстве костных имплантатов из композитов, которые при эксплуатации должны выдерживать высокие нагрузки: перед запуском продукта на рынок можно напечатать тестовое «колесо» из того же материала и проверить его прочность одновременно с разных сторон. Это поможет за короткий срок выбрать оптимальные параметры печати для создания более надежного изделия.

Применение нового типа конструкции дает возможность точно определить, в каком направлении печатать деталь нельзя, так как она быстро сломается под нагрузкой, а в каком – можно, чтобы она прослужила долго. Метод позволяет быстро и достоверно оценить надежность 3D-печатного материала.

Разработка ученых ПНИПУ обеспечивает экспресс-оценку свойств аддитивной конструкции, а также снижение стоимости испытаний за счет количества используемых ресурсов. Теперь можно без проведения долгих проверок корректировать параметры печати, чтобы избежать опасных направлений в готовых изделиях.