В литейной промышленности точность и качество деталей напрямую зависят от поведения материалов при высоких температурах. Особенно это актуально для фотополимеров — пластмасс, которые затвердевают под действием ультрафиолета и широко применяются в 3D-печати. Их используют для создания сложных форм, которые невозможно получить традиционными методами. Однако при нагреве фотополимеры ведут себя непредсказуемо: расширяются, оказывая давление на керамические оболочки, что часто приводит к появлению трещин и браку.
Российские инженеры предложили решение этой проблемы, разработав уникальную компьютерную модель, способную с высокой точностью предсказывать, как поведёт себя фотополимер в процессе нагрева. Новая программа уже показала 97% совпадения с реальными экспериментами, что открывает путь к значительному снижению количества дефектных изделий в литейном производстве.
Проблема трещин: почему фотополимеры опасны для форм
Фотополимеры нашли применение в самых разных сферах — от медицины до авиации. Их используют для изготовления хирургических шаблонов, ювелирных моделей и, что особенно важно, для создания сложных металлических деталей методом литья по выплавляемым моделям. Суть технологии проста: сначала на 3D-принтере печатают точную копию детали из фотополимера, затем покрывают её керамикой, формируя прочную оболочку. После этого заготовку нагревают, чтобы пластик выгорел, а внутри осталась пустота для заливки металла.
Однако именно на этапе нагрева возникают основные сложности. Фотополимер расширяется, и если температура повышается слишком быстро, давление на керамические стенки становится критическим. В результате оболочка может треснуть, а дефекты часто остаются незаметными до момента заливки металла. Когда расплав попадает в микротрещины, на выходе получается деталь с изъянами, которую приходится выбраковывать.
Как работает новая модель: точные расчёты вместо догадок
До недавнего времени инженеры полагались на упрощённые модели, которые не учитывали всех особенностей поведения фотополимеров при разных температурах. В реальности материал проявляет как упругие, так и вязкие свойства, причём эти параметры меняются по мере нагрева. Существующие программы не могли точно предсказать, когда и где возникнет опасное напряжение.
Учёные из Пермского Политехнического университета (ПНИПУ) провели серию экспериментов с использованием динамического механического анализатора. Они нагревали образцы фотополимера, фиксируя изменения жёсткости, эластичности и вязкости на каждом этапе. Особое внимание уделялось диапазону температур от 50°C до 100°C, где материал ещё сохраняет форму, но уже начинает активно расширяться.
Полученные данные легли в основу новой математической модели. Программа анализирует, как изменяется поведение фотополимера при нагреве, и строит карту напряжений внутри формы. Это позволяет заранее определить, где возможны трещины, и скорректировать технологический процесс — например, замедлить нагрев в критических зонах или усилить оболочку.
Эксперименты и результаты: точность на практике
Для проверки модели инженеры использовали дилатометр — прибор, измеряющий тепловое расширение материалов с высокой точностью. Оказалось, что при нагреве на каждые 10°C фотополимер удлиняется на 0,01–0,02 мм на каждый сантиметр длины. Для детали длиной 30 см это означает увеличение на 4–8 мм при температуре 150°C. Именно такое расширение и становится причиной разрушения керамических форм.
Виртуальные испытания, проведённые с помощью новой программы, полностью подтвердились в реальных производственных условиях. При создании литейных форм для турбинных лопаток модель с точностью 97% предсказала появление напряжений и возможных дефектов. Это позволило технологам заранее внести изменения в процесс и избежать брака.
Влияние на отрасль: новые возможности для промышленности
Внедрение такой цифровой модели открывает новые перспективы для литейного производства. Теперь инженеры могут не только проектировать детали с учётом особенностей фотополимеров, но и оптимизировать режимы нагрева, снижая риск появления трещин. Это особенно важно для авиационной и медицинской промышленности, где требования к качеству максимально высоки.
Кроме того, новая технология позволяет экономить ресурсы: меньше бракованных изделий — меньше затрат на материалы и время. В будущем подобные модели могут быть интегрированы в стандартные программные комплексы для проектирования, что сделает процесс создания сложных деталей ещё более надёжным и предсказуемым.
К слову: Пермский Политех и его вклад в науку
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ) — один из ведущих технических вузов России, основанный в 1953 году. За десятилетия работы университет стал центром передовых исследований в области материаловедения, машиностроения и цифрового моделирования. Здесь реализуются крупные научные проекты, в том числе в рамках программы «Приоритет 2030», направленной на развитие стратегических технологий. В ПНИПУ работают признанные специалисты, среди которых профессор Олег Сметанников и инженер Глеб Ильиных, внесшие значительный вклад в разработку новых методов анализа материалов. Университет активно сотрудничает с промышленными предприятиями, внедряя инновационные решения в реальное производство. Благодаря таким инициативам ПНИПУ укрепляет позиции России на мировом рынке высокотехнологичных разработок.
