Пермские ученые исследовали возможность повысить прочность напечатанных металлических деталей
Исследователи из Пермского Политеха (ПНИПУ) и Института механики сплошных сред ПФИЦ УрО РАН доказали, что послойная проковка увеличивает прочность металлических деталей, созданных с помощью 3D-печати, в том числе за счет изменения структуры материала.
В процессе 3D-печати металлических изделий добавляемый слой материала наплавляется на уже сформированный слой. Это позволяет создавать в том числе крупные детали сложной формы, отличающиеся легкостью и значительной экономией материала. Благодаря этому металлическая 3D-печать все шире используется в таких отраслях, как авиа- и машиностроение, энергетика, медицина, ювелирное дело.
Однако такие изделия зачастую уступают тем, что произведены по традиционным технологиям в прочности и пластичности. Что особенно критично в производстве стратегической продукции.
Одна из причин заключается в том, что атомы металла при послойном наплавлении зачастую формируют кристаллы, напоминающие по форме деревья – дендриты, тогда как предпочтительной формой является зерно – многогранная или округлая форма кристалла.
— Прочность и пластичность металлических сплавов, произведенных способом металлической 3D-печати, во многом ограничена дендритной структурой кристаллов. Образование подобной структуры удается подавить, используя гибридные технологии аддитивного производства, — рассказывает руководитель проекта, профессор кафедры сварочного производства, доктор физико-математических наук Дмитрий Трушников.
Расчетная схема процесса наплавления слоя металла на грань бруса и разбиение расчетной области на конечные элементы
В своем исследовании ученые чередовали наплавку алюминиево-магниевого сплава с послойными пластическими деформациями (проковкой) посредством ударного воздействия пневмомолотка и обнаружили, что таким образом можно получить равноосную зернистую структуру.
Схема процесса проковки
Еще одним важным результатом проведенного исследования является разработанная математическая модель процесса. Она показала, что гибридная технология, сочетающая наплавку и проковку материала, позволяет «схлопывать» поры, образующиеся при обработке алюминиево-магниевых сплавов. Кроме того, математическая модель позволила существенным образом оптимизировать параметры проковки и заметно повысить характеристики прочности и пластичности материала.
Контрольный образец, прокованный пневмомолотком
Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Вычислительная механика сплошных сред» (№2, 2022). Исследование выполненно при поддержке Российского научного фонда соответствует проекту «Передовые производственные технологии авиадвигателестроения» Пермского НОЦ.
