Details

В работе рассматривается процесс разработки функционально-градиентного полимерного материала, оптимизированного для создания функциональных изделий методом FDM печати. Проведен анализ существующих топологий на основе трижды периодических поверхностей минимальной энергии и классических геометрических структур с целью получения качественной печати изделий. Задачи выпускной квалификационной работы: – анализ научно-технической информации о функционально-градиентных материалах, способе их получения и применение ФГМ для топологической оптимизации изделий различного назначения; – Анализ и выбор ячеистых структур технологичных для FDM печати; – Численное моделирование в программе ANSYS процесса сжатия образцов с различными ячеистыми структурами в программе Ansys; – Исследование механических свойств на сжатие образцов с различными ячеистыми структурами; – Сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными механических испытаний на сжатие образцов с различными ячеистыми структурами; – Моделирование полимерного ФГМ с переменной жесткостью; В качестве материала для разработки ФГМ был выбран термопластичный полиуретан TPU 95A. Филамент TPU A95 представляет собой гибкий материал для FDM-печати, состоящий из УФ-стабилизированного полиуретана. Данный материал обладает устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, что позволяет использовать изделия из него на открытом воздухе. Были подобраны граничные показатели толщины стенки ячеистых структур на основе предварительной печати гироидных структур. Также были выбраны наиболее подходящие для FDM печати топологии и проведено численное моделирование для данных топологий. В качестве основных топологий, пригодных для создания функционально-градиентных полимерных материалов были выбраны топологии на основе двух структур с трижды периодической поверхностью минимальной энергии: гироид и Шварц примитив.

The paper deals with the process of development of functional-gradient polymer material optimized for the creation of functional products by FDM printing. The existing topologies based on triply periodic surfaces of minimum energy and classical geometrical structures are analyzed in order to obtain high-quality printing of products. Tasks of the final qualification work: – To analyses scientific and technical information about functional-gradient materials, the method of their obtaining and application of FGM for topological optimization of products of different purposes; – analyses cellular structures technological for FDM printing;  – to choose material for FDM printing of porous samples with different filling factor; – to carry out mechanical tests on cyclic compression of a solid sample in order to clarify physical and mechanical properties of the selected material; – conduct finite element modelling of the selected structures in Ansys software; – compare the results of modelling with experimental data; – analyses the obtained data and select optimal cell parameters for FGM. TPU 95A thermoplastic polyurethane was chosen as the material for FDM development. TPU A95 filament is a flexible material for FDM printing consisting of UV-stabilized polyurethane. This material is UV-stabilized, allowing its products to be used outdoors. Boundary values for the wall thickness of cellular structures based on the pre-printed gyroid structures were selected. Also, the most suitable topologies for FDM printing were selected and numerical modelling was carried out for these topologies. Topologies based on two structures with thrice periodic surface of minimum energy: gyroid and Schwarz primitive were selected as the main topologies suitable for creating functional-gradient polymeric materials.