МихалеваСД_защита-1

1.

Выпускная квалификационная работа на тему:
ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ПРОТОТИПОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН
Автор ВКР
Михалева Светлана Дмитриевна
Группа М14О-203СВк-23
Научный руководитель ВКР
Салимон Алексей Игоревич
к.ф-м.н., доцент каф.1401 МАИ
Филиппов Дмитрий Павлович
Руководитель центра инжиниринга, ООО
«Аддитивный Инжиниринг»
Рецензент
2025

2. АКТУАЛЬНОСТЬ

Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения
эффективности
разработки,
а
именно
сокращения
сроков
проектирования сложных геометрических форм, минимизации затрат на
изготовление опытных образцов с целью минимизировать количество
брака при переходе от опытного образца к массовому производству, а
значит снижению издержек производства.
2

3. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Цель:
Определение способов адаптации технологии стереолитографии для изготовления
функциональных прототипов элементов лопаточных воздушных и жидкостных
машин.
Задачи:
1) Провести анализ существующих технологий производства лопаточных агрегатов, проблем,
имеющиеся в производстве традиционными методами, используемых материалов,
принцип работы стереолитографии, ее виды, применяемые материалы в печати;
2) Изготовить фотополимерные образцы с учетом выбора доступных материалов;
3) Провести покрытие образцов медью гальваническим методом;
4) Провести испытания на растяжение;
5) Провести анализ толщин покрытия;
6) Проанализировать получившиеся результаты.
3

4. ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ

Объект исследования: Процесс
создания
функциональных
прототипов
элементов
лопаточных
машин
с
использованием
аддитивных
технологий
Предмет: Методы и технологии
применения стереолитографии
для
изготовления
функциональных
прототипов
элементов
лопаточных
агрегатов
4

5. ЛОПАТОЧНЫЕ МАШИНЫ И СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ

Лопаточная машина – устройство, в проточной части
которого осуществляется подвод или отбор энергии от
потока жидкости или газа за счет взаимодействия со
специально
спрофилированными
элементами,
называемыми лопатками.
Фотополимерная 3D-печать = стереолитография –
технологический принцип, по которому формирование
изделий происходит из фотополимерных смол,
кристаллизуемых под воздействием УФ-излучения
(ультрафиолетовое излучение) определенной длины волны
(355 или 405 нм).
Рисунок 2 – Схема работы DUP (LCD) 3D-принтера
Рисунок 1 – Виды лопаточных машин
5

6. ЭТАПЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ

Рисунок 3 – Моделирование
и подготовка к печати
Рисунок 4 – Изготовление
и постобработка
Рисунок 8 – Устройство для
Рисунок 7 – 3D-принтер
очистки и дополнительного
Anycubic Photon Mono SE
отверждения моделей
Anycubic Wash&Cure 2.0
Рисунок 9 – Устройство
прогревочной камеры
Ферропласт – 10
Рисунок 5 – Покрытие
медным слоем
Рисунок 10 – Схема работы
метода гальванического
покрытия
Рисунок 6 – Проведение
испытаний на растяжение
6
Рисунок 11 – Испытательная
машины UTM5105X

7. МАТЕРИАЛЫ

Для исследования были выбраны следующие материалы с учетом их доступности и
возможности применения в рамках текущего исследования:
1) Базовый материал Elegoo 8k grey
2) Инженерный материал Harz Labs Industrial Rigid
3) Медь М1 (медное покрытие, нанесенное гальваническим путем)
Таблица 1 – Свойства инженерного материал Harz Labs Industrial Rigid и базового Elegoo 8k grey
Параметр
Elegoo 8k grey
Harz Labs Industrial Rigid
Цвет
Запах
Плотность
Прочность на изгиб
Модуль упругости при изгибе
Прочность на разрыв
Модуль упругости при растяжении
Относительное удлинение при разрыве
Твердость
Усадка
Серый
Слабовыраженный
1,1 г/см3
50-60 МПа
1500 ± 300 МПа
30-40 МПа
900± 100 МПа
5-10 %
80 по Шору D
<2%
Черный
Слабовыраженный
1,1 г/см3
110 МПа
2500 ± 300 МПа
75 ± 5 МПа
970 ± 100 МПа
17 ± 3 %
86 ± 3 по Шору D
<1%
7

8. ЭТАПЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ: ПЕЧАТЬ И ОБРАБОТКА ОБРАЗЦОВ

Базовый фотополимер Elegoo 8k grey. Общее время 1ч50мин
Печать
Очистка изготовленных
фотополимерных
изделий в
изопропиловом спирте
Удаление излишек спирта
с поверхности образцов
сжатым воздухом
Прогрев НЕ требуется
Дополнительная засветка
Время этапа: 1ч28мин
Время этапа: 5мин+5мин
Время этапа: 2мин
Время этапа: 0мин
Время этапа: 10мин
Инженерный фотополимер Harz Labs Industrial Rigid. Общее время: 2ч57мин
Печать
Очистка изготовленных
фотополимерных
изделий в
изопропиловом спирте
Удаление излишек спирта
с поверхности образцов
сжатым воздухом
Прогрев
Дополнительная засветка
Время этапа: 2ч6мин
Время этапа: 7мин+7мин
Время этапа: 2мин
Время этапа: 5мин при 80
градусах
Время этапа: 30мин
8

9. ЭТАПЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ: НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЯ

Нанесение
покрытия
Подготовка поверхности
Очистка
Обезжиривание
Активация
Промывка
Меднение
Температура
электролита: 25°C
pH раствора: 10
Плотность тока:
1А/дм²
Напряжение: 5 В
Рисунок 12 – Образцы, покрытые медной оболочной
9

10. ЭТАПЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ: ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Рисунок 13 – Базовый
материал Elegoo 8k grey без
медного покрытия
Рисунок 14 – Базовый
материал Elegoo 8k grey
с медным покрытием
Рисунок 15 – Инженерный
материал Harz Labs Industrial
Rigid без медного покрытия
Рисунок 16 – Инженерный
материал Harz Labs Industrial
Rigid с медным покрытием 10

11. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ: Базовый материал Elegoo 8k grey

Таблица 2– Сравнение результатов с и без покрытия базового материала
Площадь
Толщина
Ширина
Максимальная
поперечного
образца
образца
нагрузка
сечения
Параметры образца без покрытия
Единицы
мм
мм
мм^2
Н
измерения
Максимум
3,49
6,04
21,08
557,6
Минимум
3,46
5,98
20,76
295
Среднее значение
Стандартное
отклонение (n-1)
Коэффициент
вариаций (n-1)
Предел прочности
МПа
26,5
14,1
3,48
6,02
20,95
469,34
22,41
0,30
0,29
0,52
19,93
19,87
3,49
6,04
21,08
557,6
26,5
Параметры образца с покрытием
6.27
23.09
643.20
6.11
21.99
376.00
28.00
16.80
Максимум
Минимум
3.76
3.57
Среднее значение
Стандартное
отклонение (n-1)
Коэффициент
вариаций (n-1)
3.62
6.17
22.35
541.50
24.25
0.05
0.04
0.32
74.60
3.16
1.25
0.61
1.41
13.90
13.20
11

12. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ: Базовый материал Elegoo 8k grey

Таблица 3 – Сведенные результаты базового материала с и без покрытия
Базовый материал
Максимальная нагрузка, Н
Предел прочности, МПа
Статус покрытия
Без
С
Без
С
Максимум
Минимум
Среднее значение
557,6
404
499,02
643,2
486,2
563,49
26,5
19,5
23,84
28
22
25,13
Стандартное отклонение (n-1)
64,59
50,07
3,03
2,01
Коэффициент вариаций (n-1)
12,94
8,89
12,70
8,00
Рисунок 17 – График результатов
испытаний образцов из базового
материала без покрытия
Рисунок 19 – График результатов
испытаний образцов из базового
материала с покрытием
Рисунок 18 – График сравнения результатов испытаний образцов из
базового материала с покрытием и без покрытия
12

13. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ: Инженерный материал Harz Labs Industrial Rigid

Таблица 4 – Сравнение результатов с и без покрытия инженерного материала
Толщина
образца
Ширина
Площадь поперечного
образца
сечения
Параметры образца без покрытия
Максимальная нагрузка
Предел прочности
Единицы измерения
Максимум
Минимум
Среднее значение
Стандартное отклонение (n-1)
мм
3,52
3,44
3,49
0,03
мм
6,27
6,17
6,23
0,03
мм^2
22,07
21,4
21,71
0,21
Н
1291
1215,8
1259,81
24,10
МПа
59,28
55,78
58,03
1,16
Коэффициент вариаций (n-1)
0,83
0,43
0,97
1,91
2,00
1295,8
1111,2
1215,40
52,45
56
47,3
52,76
2,67
4,32
5,05
1504
1157,8
1396,30
129,72
64,61
41,23
57,90
8,95
9,29
15,46
Максимум
Минимум
Среднее значение
Стандартное отклонение (n-1)
3,71
3,57
3,63
0,04
Коэффициент вариаций (n-1)
1,22
Максимум
Минимум
Среднее значение
Стандартное отклонение (n-1)
4
3,62
3,78
0,15
Коэффициент вариаций (n-1)
4,03
Параметры образца с покрытием первой итерации
6,48
23,93
6,29
22,63
6,36
23,04
0,07
0,46
1,03
1,98
Параметры образца с покрытием второй итерации
7,02
28,08
6,43
23,28
6,64
25,14
0,25
1,99
3,81
7,90
13

14. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ: Инженерный материал Harz Labs Industrial Rigid

Таблица 5 – Результаты инженерного материала с и без покрытия
Инженерный материал
Максимальная нагрузка, Н
Предел прочности, МПа
Статус покрытия
Без
С
Без
С
Максимум
Минимум
Среднее
Стандартное
отклонение (n-1)
Коэффициент
вариаций (n-1)
1291
1218,2
1263,20
1504
1161,8
1289,14
59,28
56,31
58,20
64,61
50,6
55,53
21,34
105,75
1,00
4,02
1,69
8,20
1,73
7,24
Рисунок 20 – График результатов испытаний образцов из
инженерного материала без покрытия
Рисунок 22 – График результатов испытаний образцов из
Рисунок 21 – График сравнения результатов испытаний образцов из
инженерного материала с покрытием
инженерного материала с покрытием и без покрытия
14

15. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ: Толщины покрытий образцов

Таблица 6 – Сведенные результаты толщин покрытий инженерного
и базового материала
18
5
10,95
Инженерный
материал покрытие
№1
15
5
11,04
Инженерный
материал покрытие
№2
36
12
22,33
3,78
2,43
6,27
34,45
21,81
27,88
Базовый
материал
Максимальное
Минимальное
Среднее
Стандартное
отклонение (n-1)
Коэффициент
вариаций (n-1)
Рисунок 23 – График сравнения результатов испытаний образцов из
базового материала с покрытием и без покрытия
15
Рисунок 24 – График сравнения результатов испытаний образцов из
инженерного материала с покрытием и без покрытия

16. ВЫВОДЫ

Нанесение медного покрытия гальваническим способом позволило улучшить механические характеристики
образцов. Средний предел прочности базового материала увеличился на 5,4%, а инженерного материала – на 3,7%.
Толщина медного покрытия составила 10–30 мкм, дальнейшее увеличение толщины может привести к росту
прочностных характеристик, что планируется рассмотреть в следующих работах.
Установлено, что разрушение фотополимерной основы происходит раньше, чем медного покрытия, что
обеспечивает сохранность системы и предотвращает попадание частиц разрушения в среду.
Необходимо продолжить изучение влияния различных параметров нанесения покрытия (плотность тока,
температура электролита, pH раствора) на механические свойства получаемых образцов.
Результаты исследования показывают, что применение омеднения деталей обеспечивает необходимые
механические свойства для применения фотополимерных прототипов рабочих колес в задах стендовых испытаний
насосных агрегатов.
По результатам исследований показано, что направление дальнейшей работы может быть направлено на развитие
технологии комбинированного многослойного покрытия омедненных образцов, с целью увеличения их прочностных и
16
эксплуатационных характеристик.

17. БЛАГОДАРНОСТЬ

Боярский Глеб Геннадьевич – Вед. инженер Центра «Авионика».
Благодарность за организацию проведений испытаний и поддержку и
наставления при написании ВКР.
Радыгина Дарья Петровна – Руководитель проектов Дирекции Института №14
ПИШ МАИ. Благодарность за организацию учебного процесса.
Брыкин Вениамин Андреевич – Ассистент кафедры 904, инженер.
Благодарность за поддержку и наставления при написании ВКР.
Шрамко Константин Константинович – ведущий инженер лаборатории
"Прочность" МАИ. Благодарность за помощь в проведении испытаний на
растяжение образцов.
17

18.

Выпускная квалификационная работа на тему:
ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ПРОТОТИПОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН
Автор ВКР
Михалева Светлана Дмитриевна
Группа М14О-203СВк-23
Научный руководитель ВКР
Салимон Алексей Игоревич
к.ф-м.н., доцент каф.1401 МАИ
Филиппов Дмитрий Павлович
Руководитель центра инжиниринга, ООО
«Аддитивный Инжиниринг»
Рецензент
2025