УДК 681.6

Расчет прочности и топологическая оптимизация рамы нагревательного стола 3D–принтера Raise 3D

Юлусов Иван Сергеевич – магистрант Механико-технологического факультета Новосибирского государственного технического университета.

Аннотация: В данной статье представлено комплексное исследование по расчету прочности и топологической оптимизации рамы нагревательного стола для 3D-принтера модели RAISE 3D. В исследовании рассматривается актуальность изучения структурной целостности и оптимизации рамы, учитывая растущий спрос на эффективные и надежные технологии 3D-печати. Суть исследования заключается в использовании передовых вычислительных методов для оценки прочности рамы и оптимизации ее топологии для повышения производительности.

Ключевые слова: 3D–принтеры, рама 3D–принтера, топологическая оптимизация, оптимизация геометрии.

Рама принтера служит основой любого 3D–принтера, обеспечивая необходимую поддержку и стабильность для точной и надежной печати. Она является ключевым фактором, определяющим общую производительность принтера, включая его способность обрабатывать сложные геометрические формы, минимизировать вибрации и стабильно выдавать высококачественные отпечатки. Уделяя особое внимание расчету прочности и топологической оптимизации, инженеры и исследователи стремятся оптимизировать конструкцию рамы, повышая ее структурную целостность и открывая новые возможности в 3D–печати [1].

Проведем геометрическую оптимизацию геометрии стола [2]. 3D–модель стола создаем с помощью программного продукта «Компас–3D», сохраняем модель в форматах Step, импортируем в комплекс Ansys. После запуска Ansys Workbench область проекта добавляем в рабочий блок Statiс structual, который определяет набор параметров, необходимых для проведения статического анализа прочности. Импортируем модель стола в программу с помощью вкладки Geometry, выбрав файл в формате Step и генерируем модель выбрав вкладку Import (Рисунок 1).

Рисунок 1. Геометрическая модель стола.

Полностью нагрузив и закрепив деталь, мы имеем конечную модель, готовую для проведения расчетов (рисунок 2) [3].

Рисунок 2. Модель для проведения расчета стола.

Полностью нагрузив и закрепив модель, мы имеем конечную модель готовую для проведения расчетов. Перед началом расчета необходимо задать параметры расчета детали. Результаты расчета: после завершения расчета модели, получаем результаты расчета. Поле распределения деформаций стола представлено на рисунке 3.

Рисунок 3. Поле распределения деформаций стола.

Далее, переходим в вкладку «Topological Optimization» (рисунок 4).

Рисунок 4. Вкладка «Topological Optimization».

Далее выберем критерий, по которому будет проходить оптимизация. Используем критерий массы в количестве 65%. Далее проведем расчет, полученный результат показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Полученный результат топологической оптимизации.

Далее соединим все открепленные детали во вкладке «Geometry». Полученная деталь после топологической оптимизации показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Полученная после топологической оптимизации 3D–модель.

Далее проведем расчет для данной конструкции используя 3 различных материала: легированная сталь 40Х, конструкционная сталь ст3сп, алюминиевый сплав АМг3. В первую очередь проведем расчет материала АМг3.

Полностью нагрузив и закрепив деталь, мы имеем конечную модель, готовую для проведения расчетов (рисунок 7).

Рисунок 7. Модель для проведения расчета стола.

Полученные расчеты сведем в таблицу 1.

Далее проведем расчет стола без поправок в геометрию и оптимизировав вручную. 3D–модели показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. 3D–модель стола.

Таблица 1. Полученные данные из ANSYS.

Исходя из полученных данных произведем выбор в сторону конструкции стола после топологической оптимизации из материала АМг3, с целью уменьшения массы стола, что уменьшит нагрузку на шаговые двигатели.

Список литературы

1. 3D принтер E2CF // raise3d.ru URL: https://raise3d.ru/production/raise-3d-e2cf/ (дата обращения: 19.05.2023).
2. Скиба В.Ю. Системы компьютерной поддержки инженерных решений: электронный учебно-методический комплекс – Новосибирск: НГТУ, 2017. режим доступа https://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vtls000233947, свободный (дата обращения:19.05.2023).
3. Басов К.А. ANSYS для конструкторов. М.: ДМК Пресс, 2009. – 248 с.