CC BY
16
Rational parameters are listed by which it is possible to describe and optimize the operation of the drive devices of the vortex layer. The productivity in the processing of dry raw materials is determined depending on rational parameters. Optimal values of rational parameters for the pilot plant are found. The evaluation of value of rational parameters in the design of high-performance vortex layer drive devices is given.
Key words and phrases: the drive devices of the vortex layer, rational parameters, efficiency, drive power, the gap between the rotor and the inductor, filling density of the working chamber, increased productivity.
Titov Dmitry Petrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621:004
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-490-491
АДАПТАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ 3D-ПЕЧАТИ И МЕТОДОВ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАЖИМА ТРАФАРЕТНОЙ ФОРМЫ
А.В. Голунов, С.А. Щеглов, Л.Г. Варепо, А.С. Голунова, О.В. Трапезникова
В статье рассмотрен технологический процесс мелкосерийного изготовления зажима для трафаретной формы способом трехмерной печати. Показаны ключевые инструменты для выполнения этапов: разработка эскиза и макета, трехмерная визуализация, инженерный расчет, привязка к производству, подбор материалов, пуско-наладка и производство. В ходе проектирования выбраны оптимальные габаритные размеры, форма и материал зажима, затем на основе инженерного анализа проведена топологическая оптимизация формы с учетом прилагаемых нагрузок, что позволило уменьшить объем изделия и как следствие себестоимость мелкосерийного производства средствами трехмерной печати по технологии LCD. При этом готовое изделие лишено поддержек, которые бы увеличили материалоемкость изделия и трудоемкость его постобработки. Таким образом, представленный технологический процесс позволил произвести деталь с лучшими показателями эффективности использования материалов при этом минимизируя время на постобработку готового изделия.
Ключевые слова: SD-печать, топологическая оптимизация, зажим, трафаретная печать.
Технологии быстрого прототипирования, к которым относится трехмерная печать, в значительной степени расширили отрасли внедрения. В начале нового столетия обширное применение аддитивных технологий было характерно в высокотехнологичных отраслях приборостроения, авиастроения, производство вооружений и космической техники. На момент написания статьи аддитивное производства является актуальной технологией для легкой промышленности (швейное производство, упаковка, полиграфия), индустрии красоты и др. Т.е. повсеместное применение аддитивных технологий требует от специалистов отраслей интеграции технологий цифрового проектирования и моделирования изделий и технологических процессов.
Известны работы, в которых решалась задача оптимизации конструкции различных изделий, в которых проанализированы преимущества и недостатки топологической оптимизации, как наиболее эффективного и популярного подхода к решению такого рода задач [1-16]. Так в статье [1] продемонстрированы возможности
490
топологической оптимизации для поиска облегченных вариантов спроектированного по гидродинамическим критериям винта подруливающего устройства судна. В статьях [2,3] также решался вопрос оптимизации конструкции металлических изделий по массе. При этом работы были реализованы в среде ANSYS Mechanical. Другой инструмент был использован в работе [4]. Создание модели прибора, ее расчёт и топологическая оптимизация проводились в программе Creo с использованием модулей Simulate и Topology Optimization. Приведено сравнение характеристик детали до топологической оптимизации и после нее. В статье [5] идет усовершенствование фрезерной оснастки для обработки детали «Коромысло» с использованием инструментов модуля CAE в программе Siemens NX. В статье [6] проведена топологическая оптимизация их конструкций для снижения массы. Результаты работы позволили уменьшить массу изделия на 19-42 % и применить замену материала на алюминиевый сплав применяемый в аддитивном производстве. При этом стоит отметить, что во всех вышеперечисленных работах стояла задача минимизации массы изделия при сохранении функциональных свойств изделия. При этом материал изделия был металлический порошок, применяемый в аддитивном производстве. С учетом вышеизложенного цель работы по применению цифрового инжиниринга в жизненном цикле такого изделия как пластиковый зажим для формы трафаретной печати является актуальной. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: осуществить проектирование изделия с применением CAD, осуществить инженерный анализ конструкции изделия и топологическую оптимизацию. Далее подготовить оптимизированное по объему изделие в трехмерной печати по технологии LCD. Решение задач топологической оптимизации конструкций с использованием программы ANSYS приведено в [7]. Современные подходы и анализ возможности применения топологической оптимизации при проектировании различных конструкций и агрегатов показаны в [8-14]. В [13] для решения проблемы оптимизации формы легковесных деталей предложено выполнять формирование полостей на основе метода ESO непосредственно в конструктивной геометрической модели. Процесс проектирования силовых деталей на примере двух звеньев захвата с применением метода топологической оптимизации и аддитивного производства представлен и [15]. Авторами работы [16] сделан вывод о применимости методов топологической оптимизации для создания элементов турбокомпрессоров совместно с технологией 3D-печати.
3D-печать - это процесс объединения материала, с целью создания объекта из данных 3D-модели, как правило слой за слоем, в отличии от вычитающих производственных технологий («Process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing technologies»). Выделяют 4 основных применения аддитивных технологий: визуальные макеты;
изготовление оснастки (вспомогательных приспособлений для производства), мастер-моделей для литья и вставок в пресс-формы; функциональные прототипы; серийные изделия.
Наиболее целесообразно применять аддитивные технологии на стыке двух трендов - тренда развития программного обеспечения и тренда развития оборудования. Развитие инженерного программного обеспечения проходило в таком порядке: CAD (Computer-Aided Design) - системы компьютерного проектирования; CAE (Computer-Aided Engineering) - системы компьютерного инжиниринга; HPC (High Performance Computing) - высокопроизводительные вычисления; CAO (Computer-Aided Optimization) - системы компьютерной оптимизации. Инструменты, в которых можно спроектировать оптимизированные изделия сложной геометрической формы.
Аддитивные технологии позволяют снизить стоимость изготовления малых партий изделий, поскольку стоимость единицы в партии практически не зависит от
491
объема партии (в отличие от традиционных технологий, для которых эта зависимость значительна). Условной эмпирической границей объема партии, до которой целесообразно применять аддитивные технологии, является изготовление 50 единиц изделий (рис. 1).
JS
о
X
е[
О
I Традиционные методы 1 производства
ее
О 02 m s О о.
сС о а. с
Z гг s х s =t
1 Порог рентабельности ' аддитивного 1 производства
50
объем продукции, шт.
Рис. 1. Зависимость стоимости от объема производства
Таким образом, аддитивные технологии позволяют создавать сверхсложные лучшие в своем классе (best-in-class) изделия и являются одной из ключевых современных производственных технологий для создания глобально конкурентоспособной продукции нового поколения. Процесс подготовки модели к аддитивному производству представлен на рис. 2.
В данной работе для оптимизации конструкции применяется инструмент Altair Inspire 2019. Данный инструмент объединяет в себе функции CAE, HPC и CAO. В ходе выполнения работы использовались методы компьютерного инжинирнга, включающие в себя цифровое проектирование с применением отчественного продукта Компас 3D v.20, моделирование, инженерный анализ и оптимизацию по объему в Altair Inspire 2019. При проектировании изделия учитывались свойства исходного материала - схожий по свойствам с АБС (акрилонитрил бутадиен стирол) пластиком фотополимерный реактопласт, применяемый в аддитивном производстве. Твердость по Шорр,А находится на уровне 60-70 ед.
В ходе процесса оптимизации были установлены неподвижные элементы, жестко укрепленные с другими деталями. Вторым шагом было установлено давление в размере 70 Па приложенное к нижней стенке зажима (рис.3-1), которое равномерно распределяется по ее (стенке) поверхности через рамку трафаретной формы в момент печатного цикла, когда на форму осуществляется воздействие силы на плече равной длине трафаретной рамы. Установлено расположение крепления (apply supports) рис.32. Импульсное давление, которое воздействует на зажим составляет 70 Н и его воздействие ориентировано строго по центру (Рис.3-3). Перед запуском оптимизации выделяется область модели, которая будет подвергнута оптимизации (рис.3-4 а) и область, которая должна остаться без изменений (рис.3-4б).
После установки нагрузки запускается процесс оптимизации и модель изменяет свою топологию (Рис.4).
Затем оптимизированная деталь достраивается с помощью PolyNURBS элементов. После построения основных поверхностей производится анализ объема и массы полученной модели.
В ходе работы был оптимизирован зажим для формы трафаретной печати
(рис.5).
Рис. 2. Технологический процесс подготовки модели
2
4
4
Рис. 3. Установка эксплуатационного воздействия на зажим для последующей оптимизации топологии изделия
3
Рис. 4. Результат оптимизации модели с учетом эксплуатационного нагружения
493
в
Рис. 5. Модель изделия исходная (а); конечная оптимизированная (б);
вид готового изделия(в)
Рис. 6. Усовершенствованный технологический процесс подготовки модели
494
Изделие, представленное на рис.5 содержит ключевые поверхности, которыми оно взаимодействует со смежными элементами трафаретного станка: основа зажима, поворотная петля. Топологической оптимизации подвергнуты только те поверхности детали, которые напрямую не взаимодействуют со смежными элементами системы крепления, что и закладывалось на этапе оптимизации (рис. 3-4 а,б).
Дополнение технологического процесса производства изделия способом трехмерной печати такими этапами как применение CAE систем для инженерного анализа и CAO систем для оптимизации топологии модели с последующей подготовкой оптимизированной модели повышает эффективность способа трехмерной печати, что подтверждается результатами изготовления зажима для трехмерной печати. Дополнительные технологические операции представленные на рис.6 позволяют минимизировать объем фотополимерного материала, использованного в ходе аддитивного построения по технологии LCD с 40 см3 до 30,21 см3, что соответствует оптимизации на 24,47 %.
Таким образом, достигнутые в ходе работы результаты позволяют сделать вывод о том, что усложнение технологического процесса производства изделия аддитивным способом, за счет инженерного анализа и последующей оптимизации повышает эффективность технологического процесса за счет минимизации материала и усовершенствования формы в пользу бионической (природоподобной). Что положительно отразится на себестоимости изделия при сохранении функциональности изделия.
За счет природоподобия формы уменьшается время, затрачиваемое на постобработку, связанную с удалением поддержек, что компенсирует время, затрачиваемое на дополнительные операции.
Список литературы
1. Коршунов В.А Топологическая оптимизация винта подруливающего устройства / В.А. Коршунов, Д.А. Пономарев, А.А. Родионов // Морские интеллектуальные технологии. 2019. № 4-1 (46). С. 45-51.
2. Махмутов Р.Г. Топологическая оптимизация кронштейна авиадвигателя в Ansys Mechanical / Р.Г. Махмутов, Г.Г. Кутлугаллямов, В.И. Гарифуллин // Форум молодых ученых. 2019. № 12 (40). С. 518-525.
3. Топологическая оптимизация детали "серьга" / Н.В. Камардина, Р.М. Гусейнов, И.К. Данилов [и др.] // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2020. Т. 21, № 1. С. 20-26.
4. Ким П.С. Топологическая оптимизация детали приборов навигации / П.С. Ким, А.С. Воронов // Топологическая оптимизация детали приборов навигации. XLIX научная и учебно-методическая конференции Университета ИТМО. Санкт-Петербург Университет ИТМО, 2020. С. 109-112.
5. Серебренникова А.Г. Топологическая оптимизация детали приборов навигации / А.Г. Серебренникова, М.Э. Дмитриева // Жизненный цикл конс трукционных материалов. Иркутск, 2022. С. 292-298.
6. Хитрин А.М., Ерофеева М.М., Туктамышев В.Р., Ширяев А.А. Топологическая оптимизация детали приборов навигации // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2018. № 53. С. 43-51.
7. Марчук Н.И. Решение задач топологической оптимизации конструкций с использованием программы ANSYS / Н.И. Марчук, Е.В. Прасоленко // Новая наука: опыт, традиции, инновации. 2017. Т. 2, № 4. С. 196-199.
8. Васильев Б.Е. Анализ возможности применения топологической оптимизации при проектировании неохлаждаемых рабочих лопаток турбин / Б.Е. Васильев, Л.А. Магеррамова // Вестник самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2015. Т. 14, № 3-1. С. 139-147.
9. Фетисов К.В. Современные подходы к проектированию облегченных деталей авиационных газотурбинных двигателей с применением топологической оптимизации и аддитивных технологий / К.В. Фетисов, П.В. Максимов // Прикладная математика, механика и процессы управления. 2016. Т. 1. С. 22-23.
10. Фетисов К.В. Проблемы использования топологической оптимизации при проектировании облегченных изделий аэрокосмической отрасли и возможные пути их решения / К.В. Фетисов, П.В. Максимов // Математическое моделирование в естественных науках. 2017. Т. 1. С. 112-116.
11. Topology optimization with manufacturing constraints: A unified projection-based approach / S. L. Vatanabe [et al.] // Advances in Engineering Software. 2016. No. 100. P. 97-112.
12. Larsson R. Methodology for Topology and Shape Optimization: Application to a Rear Lower Control Arm : Master's thesis in Applied Mechanics. Goteborg, 2016. 41 p.
13. Топологическая оптимизация конструктивной геометрии легковесных деталей / И.Л. Ковалева, Д.П. Кункевич, В.В. Напрасников [и др.] // Системный анализ и прикладная информатика. 2022. № 3. C. 50-55.
14. Французов А.А. Применение метода топологической оптимизации в задачах проектирования грузоподъемной техники / А.А. Французов, Я.И. Шаповалов, Д.С. Вдовин // Технические науки. Машиностроение и машиноведение. 2017. № 2 (42). C.99-108.
15. Сафин А.Р. Аддитивное производство и оптимизация топологии магнитных материалов для электрических машин / А.Р. Сафин, Ranjan Kumar Behera // Проблемы энергетики. 2021. T. 23, № 3. C.14-33.
16. Адаптация технологии 3d-печати и методов топологической оптимизации для создания малорасходных турбокомпрессоров / А.В. Бураков, А.А. Левихин, А.В. Побелянский, А.С. Перминов // Омский научный вестник. Серия авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, № 2. С.72-84.
Годунов Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, sasha [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Щеглов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Варепо Лариса Григорьевна, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Голунова Алина Сергеевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Трапезникова Ольга Валерьевна, старший преподаватель, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет
ADAPTATION OF 3D PRINTING TECHNOLOGY AND METHODS OF TOPOLOGICAL OPTIMIZATION FOR THE MANUFACTURE OF A SCREEN MOLD CLAMP
A.V. Golunov, S.A. Shcheglov, L.G. Varepo, A.S. Golunova, O.V. Trapeznikova
The article considers the technological process of small-scale production of a clamp for a screen mold by 3D printing. The key tools for completing the stages are shown: sketch
496
and layout development, three-dimensional visualization, engineering calculation, reference to production, selection of materials, commissioning and production. During the design, the optimal overall dimensions, shape and material of the clamp were selected, then, based on engineering analysis, topological optimization of the shape was carried out, taking into account the applied loads, which made it possible to reduce the volume of the product and, as a result, the cost of small-scale production by means of three-dimensional printing using LCD technology. At the same time, the finished product is devoid of supports that would increase the material consumption of the product and the labor intensity of its post-processing. Thus, the presented technological process made it possible to produce a part with the best indicators of the efficiency of the use of materials, while minimizing the time for post-processing of the finished product.
Key words: 3D printing, topological optimization, clamp, screen printing.
Golunov Alexander Vladimirovich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Shcheglov Sergei Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Varepo Larisa Grigorievna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Golunova Alina Sergeevna, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Trapeznikova Olga Valerievna, senior lecturer, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical University
