Статья опубликована в журнале «Вестник томского государственного университета» № 97, 2025 г. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Фотополимер — это особый вид пластика, который затвердевает под ультрафиолетовым светом. Его ключевое преимущество — способность точно сохранять сложные формы, что делает его идеальным материалом для стереолитографии (SLA) — высокоточной технологии 3D-печати. В отличие от методов наплавления пластиковой, металлической или нейлоновой нити, SLA-принтеры создают детали из жидкой фотополимерной смолы, послойно «выращивая» изделия с высокой детализацией и гладкой поверхностью.
Такие уникальные свойства фотополимеров нашли применение в ювелирном деле для создания сложных моделей украшений и в медицине для изготовления точных хирургических шаблонов и имплантатов. Однако наиболее важным стало их использование в литейном производстве, где требуется особая точность. Именно здесь технология позволяет создавать сложные внутренние полости и каналы в металлических деталях, которые невозможно получить традиционными методами механической обработки.
Например, для производства турбинных лопаток с системами охлаждения или элементов авиадвигателей используют технологию литья по выплавляемым моделям. Все начинается с того, что на 3D-принтере печатают точную пластиковую копию будущей детали, которую затем покрывают специальной керамикой, создавая прочную форму. Дальше ее помещают в печь и подвергают температурному воздействию до 450°C, чтобы фотополимер выгорел. Однако при нагреве заготовка начинает расширяться и с огромной силой давит на керамические стенки. Если напряжение становится слишком большим, оболочка трескается, но эти дефекты не всегда видны невооруженным взглядом.
Когда в такую уже поврежденную форму заливают расплавленный металл, он протекает в образовавшиеся трещины, и получается бракованная деталь с несовершенствами и наплывами.
Для предотвращения таких проблем инженеры используют специальные расчетные модели, которые встраиваются в программное обеспечение для проектирования. Однако современные решения имеют серьезные ограничения, поскольку не учитывают комплексное поведение фотополимера в широком диапазоне температур. Дело в том, что у него есть два ключевых свойства: упругость — способность возвращаться в исходную форму после снятия нагрузки, и вязкость — возможность медленно течь. Существующие модели описывают эти характеристики лишь в узких температурных пределах, тогда как в реальности при нагреве вязкоупругое поведение материала изменяется, что и приводит к ошибкам прогнозирования и последующему браку на производстве.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали принципиально новую компьютерную модель, которая учитывает оба этих ключевых параметра.
Чтобы создать программу, которая знает, в какой момент пластик начнет давить на стенки формы, где именно он расплющится и когда нужно замедлить нагрев, ученые провели ряд исследований.
Сначала они поместили небольшой образец фотополимера в специальный прибор — динамический механический анализатор, который медленно повышал температуру материала и одновременно покачивал.
В ходе нагрева мы зафиксировали ключевые стадии изменения пластика: от твердого состояния при 25°C до начала размягчения при 50°C. При 100°C он перешел в высокоэластическое состояние. Каждую секунду прибор фиксировал температуру, жесткость, эластичность и вязкость образца, строя подробный график его поведения.
— рассказал Глеб Ильиных, ведущий инженер кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.
Зная эти температурные пороги, инженеры могут точно настроить режим работы печи — например, замедлить нагрев в опасном диапазоне от 50°C до 100°C, где материал, оставаясь еще жестким, активно расширяется и давит на керамическую оболочку.
Представьте, что вы готовите пирог с карамельной начинкой. Если включить сразу максимальную температуру — сверху подгорит, а карамель внутри останется твердой. Но если знать точные градусы, при которых 50°C — карамель начнет плавиться, 100°C — тесто пропечется, 150°C — образуется золотистая корочка, вы сможете подобрать идеальный режим выпечки.
Точно так же знание температурных характеристик пластика позволяет защитить хрупкую керамическую оболочку от разрушения. Если нагревать форму постепенно, давая материалу плавно расширяться, а керамике — равномерно прогреваться, можно избежать критического давления на стенки формы.
Одновременно с этим проводились измерения теплового расширения фотополимера. Для этого мы использовали дилатометр — прибор, который фиксирует малейшие деформации. Мы помещали в него цилиндрические образцы и наблюдали, как материал буквально по миллиметрам расширяется при повышении температуры. Было установлено, что при нагреве на каждые 10°C пластик расширяется на 0.01–0.02 мм на каждый сантиметр своей длины. Эти точные измерения помогли нам определить ключевой параметр, показывающий, насколько сильно давит пластик на стенки формы при нагреве в печи.
— добавил Олег Сметанников, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ, доктор технических наук».
Следовательно, деталь, например, длиной 30 см при нагреве до 150°C может удлиниться на 4-8 мм. Как показало исследование, именно это тепловое расширение становится основной причиной брака. Фотополимер значительно увеличивается в объеме, в то время как керамическая оболочка сохраняет свои размеры. Возникающее внутреннее давление оказывается настолько сильным, что хрупкая форма не выдерживает и трескается.
Этот процесс можно сравнить с замерзанием воды в пластиковой бутылке. Когда вода превращается в лед, она расширяется и с огромной силой давит на стенки бутылки изнутри, пока та не лопается.
На основе экспериментальных данных ученые создали математическую модель фотополимера. Программа точно предсказывает поведение любой детали при нагреве, определяя критические точки деформации и показывая слабые места, где может произойти разрушение формы.
На практике это работает следующим образом. Инженер создает 3D-модель будущей детали в обычной программе для проектирования, затем импортирует ее в программу с разработанной моделью. Здесь происходит виртуальное испытание — система просчитывает, как будет вести себя каждая точка пластиковой модели внутри керамической формы при нагреве от комнатной температуры до 450°C. Дальше она выдает цветную карту напряжений, где отмечены критические зоны, и где оболочка может треснуть. На основе этого технолог может либо усилить слабые места в модели, либо изменить параметры — например, снизить скорость нагрева в опасном диапазоне температур.
Модель успешно прошла проверку в реальных производственных условиях. При создании литейных форм для турбинных лопаток она с точностью 97% позволила описать наблюдаемые в ходе физических экспериментов явления.
Материалы: Пресс-служба ПНИПУ