Статья с результатами исследования опубликована в журнале applied sciences.
В основе технологии послойного наплавления лежит экструзия, то есть продавливание расплавленного термопластичного материала через сопло с последующим соединением и отвердеванием. Одним из важнейших технологических параметров в данном методе является температура полимера и, следовательно, нагреваемого сопла. В традиционных экструдерах не обеспечивается необходимая точность и скорость измерения и регулирования температуры сопла, что приводит к значительным перегревам и недогревам полимерного материала в процессе наплавки. Эти проблемы вызваны большой массой теплообменника и его высокой тепловой инерцией, задержками при измерении температуры контактными датчиками, а также рядом других трудностей. По словам политехников, решить данные проблемы возможно за счёт изменения конструкции сопла.
- рассказывает доктор технических наук, проректор по разработкам и инновациям, профессор кафедры сварочного производства, метрологии и технологии материалов Пермского Политеха Дмитрий Трушников.- Отсутствие быстрых методов измерения температуры сопла было одним из основных технологических недостатков, препятствующих эффективному использованию индукционного нагрева в аддитивном производстве по технологии послойного наплавления. Для решения этой проблемы мы решили изменить оригинальную конструкцию сопла и индуктора. Бесконтактный характер метода индукционного нагрева позволит уменьшить массу нагреваемой части экструдера до массы самого сопла специальной формы с общим значением равным или менее 1 грамма,
Сопло изготовили из ферромагнитного сплава, индукционно нагреваемого в процессе трехмерной печати. Изменение температуры влияет на свойства материала сопла, что приводит к изменению фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора. Также учёные создали метод, который снизит погрешность измерения температуры сопла в 100 раз.
- говорит доцент кафедры «Автоматики и телемеханики» ПНИПУ, кандидат технических наук Игорь Безукладников.- Применение метода индукционного нагрева сопла малой массы потребовало разработки быстрого бесконтактного метода измерения температуры, не зависящего от чистоты и свойств поверхности сопла. С помощью ВЧ-токов с использованием фазово-амплитудной резонансной системы измерения, становится возможным обеспечить постоянное качество регулирования в доступном диапазоне рабочих температур сопла, снизить погрешность измерения с 20 до 0,2 градусов, а также уменьшить задержку регулирования более чем в 6 раз. Таким образом, были обеспечены высокая точность и скорость управления температурой сопла и полимерного материала,
Благодаря методу по измерению и регулированию температуры сопла, который разработали учёные ПНИПУ, впервые для аддитивной технологии послойного наплавления становится возможным полноценное управление термическим циклом процесса, что позволит не только улучшить качество сварного соединения между слоями материала, но и обеспечить постоянство качества на всём протяжении процесса печати. Эти усовершенствования сделают доступной 3D-печать крупногабаритных изделий, предметов сложной геометрической формы, в том числе из высокотехнологичных материалов, таких как PEEK (полиэфирэфиркетон), PEKK (полиэфиркетонкетон), PEI (полиэфирэмид) и термопластичных композиций, востребованных в протезировании и авиастроении.
Для справки:
Мегагранты – программа международного сотрудничества российских вузов и научных организаций с учеными мирового уровня и ведущими зарубежными научно-образовательными центрами в сферах науки, образования и инноваций. Она стартовала в 2010 году с принятием Правительством РФ Постановления № 220. Целью программы является создание в российских вузах и научных организациях исследовательских лабораторий мирового уровня под руководством ведущих ученых. В ее рамках в Пермском Политехе была открыта научно-исследовательская лаборатория «Механика биосовместимых материалов и устройств». Федеральная поддержка составила 90 млн рублей и продлится до конца 2023 года.
Опубликованный материал предоставлен пресс-службой ПНИПУ.