Исследование влияния закономерностей дисперсии наполнителя в матрице металлополимера на принципы построения структуры аддитивно полученных, топологически-оптимизированных машиностроительных изделий.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-10022

НазваниеИсследование влияния закономерностей дисперсии наполнителя в матрице металлополимера на принципы построения структуры аддитивно полученных, топологически-оптимизированных машиностроительных изделий.

Руководитель Любимый Николай Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" , Белгородская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые слова Технологический процесс, оптимизация, композит, дисперсный наполнитель, бесконтактный контроль, аддитивные технологии, вибрации, моделирование, реология, абразивная обработка, полимер, гранулометрический состав, автоматизация

Код ГРНТИ55.09.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В современном машиностроении, не смотря на уникальные функциональные свойства композитных дисперсно-наполненных материалов, например, МПКМ, они ещё не вошли в широкое применение в области серийного машиностроения, и пока ещё являются прерогативой единичного, мелкосерийного и ремонтного производства, это связано с тем, что их используют в качестве связующего материала для фиксации армирующих элементов композитных конструкций. Это связано и с тем, что получение качественной внутренней структуры дисперсно-наполненного композита, согласно рекомендациям производителя, возможно если его нанесение производится послойно с отверждением каждого предыдущего слоя перед нанесением последующего, что выражается в увеличенном основном технологическом времени изготовления МКИ по сравнению с классическими технологиями получения деталей со снятием припуска. Кроме того задействуется дорогостоящая штамповая оснастка и автоклавное оборудование. Топологическая оптимизация как метод автоматизированного проектирования, позволяющий получить оптимальную форму изделия в заданных условиях эксплуатации, является перспективным направлением машиностроения и рассчитан в первую очередь на аддитивное производство с использованием технологии селективного лазерного плавления (SLM) и прямого лазерного спекания металла (DMLS). Эти технологии на сегодняшний момент являются по большей части недоступными для серийного производства из-за дороговизны оборудования, расходных материалов, а также значительных затрат основного технологического времени аддитивного производства. Решение поставленных в проекте задач приведет к наличию МКТ и технологического оснащения, методики контроля внутренней структуры и функциональных поверхностей МКИ изготовленных методом литья МПКМ, позволит применять эти материалы в серийном производстве корпусных, сетчатых, и др. типов деталей, полученных, в том числе с применением топологической оптимизации формы, позволяющей уменьшить материалоёмкость конструкции. Научная новизна заявленных в проекте исследований заключается в: - методике оценки целесообразности применения МКТ изготовления МКИ на основе МПКМ в сравнении с субтрактивными технологиями получения деталей машиностроения; - в определении реологической модели принятых МПКМ при течении в каналах оболочковой аддитивно изготовленной формы, с целью установления геометрических ограничений накладываемых на цифровую модель оболочковой формы при её проектировании; - в разработке методики вибрационного управления процессом подачи дисперсно-наполненных полимеров к рабочему объёму изделия, обеспечивающему полное заполнение объёма тонкостенной оболочки; - В математической модели оптимизации технологических параметров заливки МПКМ в форму, позволяющих назначить оптимальное давление и параметры вибрационного поля; - Закономерностях назначения режимов абразивной обработки, глубины резания и подачи, при обработке металлических рабочих поверхностей композитных конструкций деталей, обеспечивающих исключение температурной деструкции металлополимерной части; - В установленных взаимосвязях технологических и эксплуатационных свойств МКИ с поверхностными и внутренними дефектами, возникающими в процессе изготовления, на основе ранжирования значимости влияния дефектов; - В новой МКТ изготовления МКИ с топологически оптимизированной формой; - Закономерностях назначения режимов давления при заполнении оболочковой формы МПКМ, обеспечивающих отсутствие дефектов выраженных наличием газовой пористости и газовой шероховатости.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Польшин А.А., Любимый Н.С., Четвериков Б.С., Чепчуров М.С., Мальцев А.К., Тихонов А.А. Experimental substantiation of the technology for manufacturing composite parts based on a viscous metal-polymer Australian Journal of Mechanical Engineering, 1-11 (год публикации - 2024)
10.1080/14484846.2024.2343449

2. Любимый Н.С., Чепчуров М.С., Польшин А.А., Герасимов М.Д., Четвериков Б.С., Четверикова А.А., Тихонов А.А., Мальцев А.К. Reducing the Cost of 3D Metal Printing Using Selective Laser Melting (SLM) Technology in the Manufacture of a Drill Body by Reinforcing Thin-Walled Shell Forms with Metal-Polymers Journal of Manufacturing and Materials Processing, Том 8, Выпуск 2, c. 1-23 (год публикации - 2024)
10.3390/jmmp8020044

3. Герасимов М.Д., Латышев С.С., Любимый Н.С., Четвериков Б.С., Мальцев А.К. Асимметричные колебания как направление совершенствования рабочего оборудования вибромашин Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование в машиностроительной, дорожной и строительной отраслях – 2023. Материалы международной научно-практической конференции., Страницы: 20-29 (год публикации - 2023)

4. М.Д. Герасимов, Н.С. Любимый, Б.С. Четвериков, Латышев С.С., Мальцев А.К. Анализ публикаций в области совершенствования эффективности работы вибрационных машин Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование в машиностроительной, дорожной и строительной отраслях – 2023. Материалы международной научно-практической конференции., С. 29-38 (год публикации - 2023)

5. А. А. Польшин, Н. С. Любимый, А. А. Тихонов, А. К. Мальцев К вопросу определения сил резания корпусным инструментом при сверлении Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование в машиностроительной, дорожной и строительной отраслях – 2023. Материалы международной научно-практической конференции., С. 192-196 (год публикации - 2023)

6. А. А. Польшин, Н. С. Любимый, А. А. Тихонов, А. К. Мальцев К вопросу применения технологии получения композитных деталей при производстве и ремонте машин Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование в машиностроительной, дорожной и строительной отраслях – 2023. Материалы международной научно-практической конференции., С. 196-202 (год публикации - 2023)

7. А. А. Польшин, Н. С. Любимый, А. А. Тихонов, А. К. Мальцев Анализ конструкции головки корпусного сверла Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование в машиностроительной, дорожной и строительной отраслях – 2023. Материалы международной научно-практической конференции., С. 202-207 (год публикации - 2023)

8. Н. С. Любимый, А. К. Мальцев, В. В. Черепченко Исследование отклонений поверхностей отклика полигональной модели STL-модели сверлильной головки, полученной 3D-сканированием Наукоемкие технологии и инновации (XXV научные чтения). Сборник докладов Международной научно-практической конференции., С. 1016-1020 (год публикации - 2023)

9. Н. С. Любимый, А. К. Мальцев, В. В. Черепченко Исследование отклонений опорных плоскостей STL-модели сверлильной головки, полученной 3D-сканированием Наукоемкие технологии и инновации (XXV научные чтения). Сборник докладов Международной научно-практической конференции., С. 1021-1025 (год публикации - 2023)

10. М. Д. Герасимов, С.Н. Глаголев, Н.С. Любимый, С. С. Латышев Вибрационные устройства с асимметричными колебаниями Белгород: Изд-во БГТУ, Ч. 1, 144 с. (год публикации - 2023)

11. Любимый Н.С., Польшин А.А., Чепчуров М.С., Тихонов А.А., Мальцев А.К., Быценко М.В. Снижение массы детали «Гильза аккумуляторной батареи» беспилотного авиационного средства с применением метода топологической оптимизации СТИН/ «Russian Engineering Research (Scopus) (год публикации - 2024)

12. Чепчуров М.С., Герасимов М.Д., Романович А.А., Орехова Т.Н. Technical Solution for Thermostatting a Composite Mold With a Metal-Polymer Molding Element AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)

13. Любимый Н.С., Грибеников А.Е., Мальцев А.К., Пахомов Е.Г. Tooling for Processing Non-Rigid Composite-Polymer Parts AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)

14. Польшин А.А., Орехова Т.Н., Тихонов А.А., Быценко М.В. Involvement of Schoolchildren in Engineering Activities Through Affiliation with the University and the Professors in the Study of the Process of Obtaining Metal-polymer Parts AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)

15. Польшин А.А., Герасимов М.Д., Тихонов А.А., Быценко М.В. The Problem of Choosing the Current Direction of Professional Education in the Context of the Modern Classification of Scientific Research AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)

16. Четвериков Б.С., Катаржнов Д., Таволжанский М., Анненко Д.М. Determination of Parameters of Soil Chipping Body by the Destructive Element of a Self-rotating Cutter With a Metal-polymer Core AIP Conference Proceedings, AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)

17. Четвериков Б.С., Подпрятов Д. В., Новосёлов А. А., Прокопенко В.С. Algorithm Design for Automated Sorting of Drill Bit Legs and Roller Cutters AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)

18. Любимый Н.С., Польшин А.А., Чепчуров М.С., Тихонов А.А., Мальцев А.К., Быценко М.В. Reducing the Mass of a Battery Case in a Pilotless Aircraft by Topological Optimization Russian Engineering Research, Lyubimyi N.S., Polshin A.A., Chepchurov M.S., Tikhonov A.A., Maltsev A.K., Bytsenko M.V. Reducing the Mass of a Battery Case in a Pilotless Aircraft by Topological Optimization. Russian Engineering Research, 2024, Vol. 44, No. 10, pp. 1504–1507. (год публикации - 2024)
10.3103/S1068798X24702423

19. Чепчуров М.С., Романович А.А., Прокопенко В.С., Анненко В.С. Improving the Cooling Efficiency of Composite Molds for Manufacturing Repair Parts of Construction Machines AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)

20. Герасимов М.Д., Любимый Н.С., Польшин А.А., Четвериков Б.С., Четверикова А.А. Methodology for Designing Vibration Devices with Asymmetric Oscillations and a Given Value of the Asymmetry of the Driving Force Vibration, Volume 8, Issue 1, pp. 1-25 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.3390/vibration8010003

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Во втором году реализации проекта были выполнены работы по всем заявленным направлениям, направленные на углублённое изучение технологических процессов получения металл-композитных изделий (МКИ) и оптимизацию параметров формирования их внутренней структуры. В рамках проекта исследованы: влияние вибрационного поля на реологические свойства металлополимерного композиционного материала (МПКМ); точность воспроизведения формы деталей при использовании метода реверс-инжиниринга; эффективность литниковых систем различной конфигурации; разработаны методы автоматического контроля дефектов и оценки качества МКИ; проведены экспериментальные исследования по дегазации и отвердеванию МПКМ в условиях вакуума и вибрации; созданы программные и аналитические модели, позволяющие прогнозировать поведение материала и качество изделия на этапе проектирования. Особое внимание было уделено вибрационному воздействию, которое показало высокую эффективность при формировании МКИ. Установлено, что применение направленной вибрации с частотой 60–80 Гц и амплитудой 0.5–0.7 мм позволяет: снизить вязкость МПКМ на 40% ; уменьшить время заполнения формы на 25–30% ; повысить плотность материала и обеспечить его равномерное распределение; снизить уровень пористости до 1 балла по шкале ВИАМ; исключить образование турбулентных зон и воздушных пробок. Было выполнено исследование текучести МПКМ под действием вибрации, позволившее разработать модель, описывающую изменение реологических характеристик материала в зависимости от параметров колебательной системы. Также установлены функциональные связи между частотой и амплитудой вибрации и уровнем дефектности, что легло в основу балльной системы оценки дефектов и математической модели прогнозирования качества внутренней структуры МКИ. Описаны закономерности изменения состояния МПКМ во времени, как без вибрационного воздействия, так и под его влиянием. Разработанная модель позволяет прогнозировать начало схватывания, завершение полимеризации и развитие прочности, что открывает возможности для автоматизации технологического процесса и управления качеством в режиме реального времени. Выполнено исследование глубины вакуума, при котором достигается минимальная газовая пористость. При этом сочетание вакуума с вибрацией значительно усиливает эффект дегазации и улучшает однородность структуры МПКМ. Также проведена разработка конструкции устройства для генерации управляемых направленных колебаний, предназначенного для реализации экспериментальных исследований в рамках технологии МКТ. Устройство позволяет варьировать параметры вибрации в широком диапазоне, что даёт возможность изучать её влияние на процессы формования и отвердевания МПКМ. Предложена инженерная методика выбора параметров вибрации, обеспечивающая минимальную дефектность и максимальное качество внутренней структуры. На основе полученных данных была создана методика параметрической оптимизации формы деталей машин, ориентированная на применение в аддитивном производстве и металл-композитной технологии. Разработанная система классификации сложности формы и шкала применимости МКТ позволила сократить массу изделий на 30–40% без потери прочностных характеристик. Примером практического применения стал проект снижения массы «Гильза аккумуляторной батареи» беспилотного авиационного средства, где применение технологии привело к заметному улучшению прочностных характеристик и облегчению массы.

Публикации