Ученые Пермского Политеха в 23 раза ускорили компьютерное моделирование для 3D-печати гранулами
В технологиях 3D-печати, которые активно применяют в металлургии и медицине, важную роль играют гранулированные материалы – сыпучие порошки, состоящие из отдельных частиц (гранул) небольшого размера. Их используют для создания деталей автомобилей, самолетов, имплантатов и протезов. До начала печати процесс моделируют на компьютере. Это помогает выявить потенциальные дефекты, определить оптимальные параметры работы принтера (мощность лазера, скорость сканирования и др.), что в целом улучшает качество изделий и повышает производительность. Однако само моделирование требует значительных затрат компьютерного времени. Ученые Пермского Политеха разработали упрощенную модель частицы, благодаря которой вычисления можно сократить в 23 раза.
Формирование модели частиц Sphere-Points: a) модель Octahedron, b) построение модели Sphere-Points, c) геометрические элементы модели частиц Sphere-Points в сравнении с частицей сложной формы
Статья опубликована в журнале «Russian Physics Journal», 2024. Исследование выполнено в рамках реализации программы академического стратегического лидерства «Приоритет 2030».
Гранулированные материалы играют ключевую роль в ряде аддитивных технологий. С их помощью 3D-принтер послойно печатает трехмерные объекты. Эта технология крайне полезна в металлургии: например, так работает часто применяемый метод селективного лазерного плавления, когда на поверхность наносится металлический порошок, а затем лазер выборочно сплавляет его частицы, создавая прочные детали.
Важную роль в производстве и применении гранулированных материалов играет компьютерное моделирование методом дискретных элементов (DEM). Оно позволяет изучить поведение каждой частицы порошка в отдельности, учитывая форму, размер, свойства и взаимодействие с оборудованием. Это помогает найти лучшие настройки для 3D-принтеров и других машин, которые прессуют, гранулируют, перемещают и измельчают эти материалы.
Проблема в том, что расчеты для большого количества частиц требуют высоких вычислительных мощностей и занимают много времени. Для ускорения этого процесса ученые Пермского Политеха создали упрощенную модель гранулированного материала.
Обычно спроектированные на компьютере гранулы состоят из набора простых геометрических фигур – плоскостей, цилиндров и сфер, которые связаны между собой. Например, одна частица может строиться из 50 и более сфер (multi-sphere particle), что значительно увеличивает время моделирования.
– Мы создали две модели гранул. За основу взяли асимметричный октаэдр. Первая (базовая) модель имеет 6 условных вершин и состоит из 89 сфер (известная в литературе как multi-sphere particle), мы обозначили ее как Octahedron. На ее основе построили вторую, новую модель – Sphere-Points. Ее отличие в том, что она состоит из 2-х сфер с единым центром и 6 точек. Это значительно снижает объем вычислений, а значит и компьютерное время, – рассказывает Елена Матыгуллина, профессор кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ, доктор технических наук.
При сравнительном тестировании моделей ученые провели серию компьютерных экспериментов, в которых измеряли плотность, угол естественного откоса насыпи и сопротивление сдвигу, применяя различные параметры модели Sphere-Points. В итоге были найдены параметры, при которых обе модели имеют качественное соответствие результатов. Для проведения численных экспериментов политехники написали программу на языке C++. Проверялись обе модели с использованием 3 000 частиц с одинаковыми параметрами упругости, массы, трения и расположения вершин (точек).
– Эксперименты показали, что разработанная модель частицы Sphere-Points обрабатывается компьютером в 23 раза быстрее, чем Octahedron. Моделирование 1 секунды процесса с 3 000 частиц занимает 2 580 секунд для Octahedron и всего 112 для Sphere-Points. Сравнение проводилось на одном ядре процессора. Sphere-Points обладает минимальным, но достаточным количеством составляющих элементов для получения качественного соответствия результатов по сравнению с известной моделью multi-sphere particle, что позволяет ускорить тестирование и сравнение различных параметров 3D-печати, уменьшить затраты на вычислительные ресурсы. Это особенно важно, учитывая, что для моделирования порошков обычно требуется не менее 500 000 частиц и несколько дней компьютерного времени для проведения одного численного эксперимента. В дальнейшем планируется проводить моделирование с использованием параллельных вычислений на GPU (графическом процессоре). Мы полагаем, что модель Sphere-Points также покажет свою эффективность, – поясняет Денис Лобовиков, доцент кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Модель частицы, разработанная учеными Пермского Политеха, позволяет значительно ускорить компьютерное моделирование по сравнению с традиционными моделями, сохраняя при этом достаточную точность. Это открывает возможности для более эффективного использования и оптимизации аддитивных технологий.
Американский страховщик был убит из пистолета, напечатанного на 3D-принтере?
Убийство генерального директора американской страховой компании United HealthCare Брайана Томпсона привлекло внимание к теме оружия, при изготовлении которого используются аддитивные технологии.
Луиджи Манджионе (слева) утверждает, что убийством директора американской страховой компании United HealthCare Брайана Томпсона сделал мир лучше...
Материал опубликован в журнале «КАЛАШНИКОВ».
Первоначально обвиняемый в убийстве страховщика 26-летний Луиджи Манджионе был объявлен обладателем оружия, изготовленного на 3D-принтере, но, позже выяснилось, что это был гибридный «пистолет-призрак» с аддитивной полимерной рамкой и стальными деталями заводского изготовления.
Термин «оружие-призрак» (Ghost Guns) обозначает пригодное для стрельбы огнестрельное оружие, которое с самого начала было изготовлено без соблюдения правил, обязывающих производителей оружия регистрировать основные детали. Это оружие без серийного номера.
Такое оружие изготавливают полностью или частично кустарным способом с использованием аддитивной технологии (3D-печать). Таким образом, любое не заводское оружие, изготовленное с помощью технологии 3D-печати, является «оружием-призраком», но не все экземпляры «призраков» изготавливается с помощью 3D-печати или, по крайней мере, не полностью.
Разница существенная: оружие, полностью изготовленное с помощью 3D-печати всегда примитивно, часто однозарядное (или револьверного типа),
Например, пистолет Liberator был одним из первых, полностью изготовленных с помощью 3D-печати. Точность стрельбы у него была низкая, а эффективная дальность ограничена. Но, концепция оказалась настолько революционной, что данный образец удостоился места в музее Виктории и Альберта в Лондоне.
Оружие, изготовленное с помощью 3D-печати, имеет все основные детали из полимера, только некоторые второстепенные детали, такие как ударник, пружины и т. д., могут быть изготовлены из металлических компонентов, доступных в строительных магазинах.
«Призрак», изготовленный из полуфабрикатов, после доработки и сборки работает практически как заводское огнестрельное оружие. Большинство подобных «призрачных» пистолетов изготовлены из деталей, совместимых с пистолетами Glock калибра 9×19, поскольку последние являются одними из наиболее распространённых на рынке США и для них доступны все компоненты.
В рюкзаке Луиджи Манджионе нашли полуавтоматический пистолет типа Glock с аддитивной рамкой, но все остальные части оружия (ствол, затвор, внутренние механизмы) были покупными. Для покупки рамки в США (почти во всех штатах) требуется федеральная проверка данных.
Поэтому нельзя утверждать, что пистолет Манджионе является пистолетом, напечатанном на 3D-принтере. Следует отметить, что аддитивная технология в настоящее время в бытовых условиях не позволяет создавать оружие, которое функционировало бы как серийные пистолеты заводского изготовления. Подходящее для печати металлических деталей пистолета оборудование стоит сотни тысяч долларов и требует высочайшей квалификации обслуживающего персонала.
Дорогие друзья, ну чё там, чё там? Кто скок набрал? Кому чего подарили? Ёлка ещё стоит, в отличие от промышленности? Суббота
С первого дня 2025 года стартует реализация 19 новых национальных проектов, которые касаются практически всех сфер - от экономики до экологии. 20-й национальный проект, направленный на развитие биоэкономики, должен быть готов к запуску к концу марта. Будет создана комплексная цифровая платформа анализа движения к показателям национальных целей, чтобы отслеживать риски неисполнения и оперативно реагировать.
Ростех ввел в строй первую в России «зеленую» электростанцию , работающую на бытовых отходах. Завод сможет перерабатывать 700 тысяч тонн бытовых отходов в год — так называемые «хвосты», оставшиеся после сортировки и не пригодные для вторичной переработки. Он будет производить 520 миллионов кВт*ч «зеленой» энергии в год — этого достаточно для обеспечения электричеством 80 тысяч жителей.
Начинаются испытания передового российского кислородно-керосинового двигателя РД-0124МС для новой ракеты "Союз-5" в составе ступени. Тесты должны подтвердить работоспособность "мотора" в течение всего гарантийного срока. Тяга двигателя - 60 тонн. "Союз-5" разрабатывается с целью обеспечения запусков автоматических космических аппаратов на различные околоземные орбиты.
В агрегатно-сборочном цехе АО «Авиакор-авиационный завод» завершается изготовление фюзеляжа первого опытного образца регионального турбовинтового самолёта ТВРС-44 «Ладога». В кооперации по выпуску самолётов «Ладога» участвуют Смоленский авиационный завод, где изготавливается кессон крыла, площадка УЗГА в Нижнем Новгороде, на которой идёт сборка хвостового оперения, двигатели ТВ7-117-СТ-02 будет изготавливать и поставлять «ОДК-Климов», Санкт-Петербург.
Первый в России беспилотный трамвай проехал более 2800 километров по столице. Инновационный транспорт ездит по специальному графику по трассе маршрута № 10 от улицы Кулакова до станции метро «Щукинская» и обратно. В течение 2024 года на нужных объектах разместили специальное оборудование для взаимодействия трамвая с окружающим пространством.
Новый корпус Тюменского государственного университета введен в эксплуатацию. Общая площадь нового корпуса составила более 33 тыс. кв. м. Для 3 тыс. студентов, которые будут учиться в две смены, откроются 55 учебных и лекционных аудиторий, 15 компьютерных классов, 7 студенческих коворкингов. Кроме того, там будут функционировать концертный зал более чем на 500 мест, столовая на 240 мест и роботизированный гардероб.
Первый за Уралом Центр аддитивных технологий общего доступа открыт в Передовой инженерной школе «Интеллектуальные энергетические системы» Томского политеха. В новом подразделении будут проходить обучение студенты и действующие специалисты, а также проводиться исследования с использованием уникального отечественного оборудования.
Отечественный образовательный контроллер «Рудирон» (https://vk.cc/cGT1LG) внесен в Единый реестр российской радиоэлектронной продукции Минпромторга России под наименованием - Плата AQRUDIRON-QFN64, набрав совокупно 140 баллов за счет использования российских электронных компонентов. Плата является собственной разработкой компании «Аквариус» и производится на заводе в Твери.
Поставки молоди устриц, выращенной в Севастополе, наладили для фермеров, которые работают на территории Крымского полуострова. Российская технология производства, адаптированная к условиям Черного моря, помогла заменить зарубежный аналог. Спат - молодь устриц, которую используют для дальнейшего разведения, закупают фермеры из Крыма и Севастополя.
Ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана и ВНИИА им. Н.Л. Духова разработали новую технологию изготовления квантовых систем на кристалле, позволяющую объединить на едином чипе квантовые сопроцессоры и систему считывания, что радикально повысит точность практически полезных квантовых алгоритмов.
Через неделю поговорим о детритофагии и онтогенезе глубоководного адского кальмара-вампира. Промышленность – всё.
#поравалить #всепропало
Аддитивные технологии. Начало
Ну что ж. Приступим.
Предлагаю так - я рассказываю о теме в потоке мыслей как можно проще, а если будут вопросы, то отвечу в комментариях.
Для начала нужно оговориться, что в аддитивные технологии входят не только методы, так называемой, 3D печати, но и реверс инжиринг (или обратное проектирование, как приятнее уху).
Иногда, чтобы было понятно, что я именно про 3д печать говорю - буду использовать термин "аддитивные технологии производства".
Больше опыта я имею именно с ними, но и с реверсом знаком лично, как говорится, делали - знаем.
Так вот, сначала предлагаю вкратце поговорить именно о аддитивных технологиях производства (в будущем обязательно остановлюсь на каждом методе отдельно).
Стереолитография. Или фотополимерная печать.
Включает 3 метода производства:
SLA (сокращение от английского)
- лазер (естественно со сложной системой управления его лучем) + ванночка с прозрачным дном (фэп пленка) + высокоточная z ось.
Собственно, ванночка катается по z оси, луч лазера засвечивает каждый слой. (О плюсах и минусах чуть позже, в сравнении.)
Dlp (проектор) - проектор + ванночка + точная z
Msla ( масочная стереолитография, сейчас принято называть LCD)
- экран + ванночка + точная z.
Стоит понимать, что стереолитография это первый появившийся метод аддитивного производства (больше 40 лет назад изобрели).
Что ж. 3 метода, но какой выбрать?
Все очень просто - на маркетплейсах вы сможете купить (по крайней мере не встречал другого) только msla(lcd) принтеры.
Почему так? Спросите вы. Ответ очень простой - технологии не стояли на месте.
Sla - дорогой и медленный метод. Лазер и система управления его лучем не очень дешёвые, а за счёт того, что каждый слой засвечивается маленькой точечкой луча - получается очень долго.
Да, у sla есть (а вернее был) один плюс - этот метод был САМЫМ точным долгое время.
Dlp - меняем лазер на проектор и, о чудо!, становится дешевле и быстрее. Но стойте.. при масштабировнии слоя количество пикселей не меняется и появляются воксели (пиксели в в мире 3д). Получается, что можно без сильной потери качества печатать только фигурки поменьше. Эх, зато дешевле и быстрее стало (засвечитается весь слой одновременно).
Msla (lcd) - зачем лазер и проектор, изобрели же экран. Но не особо дешевле.. но с каждым годом экраны все дешевеют, как и использование этого метода.
Что мы имеем сейчас.
Sla практически не используется (в общем масштабе, представить где применимо возможно).
Dlp - многие и не знают, что такое было.
Msla - 99.9% фотополимерных принтеров, которые вы можете найти на маркетплейсах работают именно по этой технологии. За счёт развития рынка экранов - произошло развитие метода аддитивного производства.
Мы с командой используем фотополимерную и в инженерных целях (некоторые элементы прототипов, которым необходима высокая точность производства), и в, так сказать, "хужожественных" - свой мини-магазигчик миниатюр для днд (да, играю и подбил своих ребят начать такое делать, чтобы я мог брать на игры).
Думаю, на сегодня я все.
Подскажите, стоит писать более развёрнуто или в таком же ритме?
Думаю, что цель, которую я здесь преследую, заинтересовать людей, которые не разбираются в этой теме или только собираются начать что-то печатать или реверсить, а не мерится знаниями с уже состоявшимися "аддитивщиками".
П.с. в следующий раз прикреплю видео как печатает фотополимерный принтер (у нас на новых моделях встроенная камера, но в поток задач не получается включить "куда оно пишет")
На вопросы отвечу в комментариях по мере возможности.
Синтез 3D-печати и традиций: технология ученых Пермского Политеха ускорит сроки строительства монолитных зданий
Согласно статистике портала «ЕРЗ.РФ», в 2023 году только 62% жилой недвижимости введено в эксплуатацию своевременно или досрочно. Застройщики в среднем отстают от графика сдачи жилья на 5,2 месяца. Применение аддитивных технологий может решить эту проблему и оптимизировать методику возведения конструкций в монолитном строительстве. Сейчас каркас таких объектов формируют с помощью специальных сооружений – опалубок – это временные конструкции, в которые заливают раствор свежего бетона, чтобы он застыл в нужной форме. Ученые Пермского Политеха разработали новую технологию построения каркаса здания, которая представляет собой синтез традиционного подхода и инновационной 3D-печати. Это позволит на 10% ускорить сроки строительства и уменьшить энергозатраты.
Статья с результатами опубликована в журнале «Современные технологии в строительстве. Теория и практика», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Монолитное строительство получило большую популярность благодаря своим преимуществам. Технология позволяет возводить высотные здания в среднем за один год, что значительно быстрее по сравнению с кирпичными домами. Прочный монолитный каркас обеспечивает высокую надежность и долговечность зданиям.
На сегодняшний день аддитивные технологии пока не получили широкого распространения в строительстве, так как не решены некоторые проблемы в области материаловедения (подбор составов бетонных смесей для печати), автоматизации и строительной робототехники. Но техническая реализация 3D-печати возможна при возведении несъемной опалубки вертикальных монолитных конструкций.
Опалубка – это вспомогательная конструкция из дерева, металла или других материалов, которая нужна для придания монолитным конструкциям из бетона определенных параметров — формы, геометрических размеров, положения в пространстве. С ее помощью, например, создают стены, перекрытия и плиты. Опалубочные работы проводят на каждом этапе возведения здания, начиная от фундамента и заканчивая кровлей. Традиционная технология предполагает использование съемной многоразовой опалубки, которая в дальнейшем, после достаточного набора прочности бетона железобетонной конструкции, разбирается.
Ученые Пермского Политеха предлагают использовать новую технологию строительства в несъемной опалубке, изготовленной с помощью аддитивных технологий. Подход представлен на примере 25-этажного жилого дома. Политехники подобрали материалы и оборудование для 3D-печати, сконструировали вертикальные несущие конструкции и разработали схему производства работ. Результаты использования новой технологии сравнили с традиционной по продолжительности и стоимости работ.
Основа печати – это тяжелый мелкозернистый бетон на цементной основе, в состав которого входит мелкий заполнитель, минеральные добавки, микрофибра из стали, противоусадочные химические добавки и регуляторы сроков схватывания.
Важно правильно подобрать оборудование для 3D-печати, ведь именно от него зависит схема выполнения работ, их стоимость, сроки и качество. Ученые Пермского Политеха выбрали легкий мобильный строительный 3D-принтер, который устанавливается на подвижную платформу с дистанционным управлением и передвигается на собственном гусеничном ходу. Начиная с конкретной точки, производится послойная печать нескольких элементов опалубки, которые после затвердевания заполняются бетонной смесью с помощью башенного крана.
– Мы сравнили продолжительность и стоимость возведения каркаса здания по традиционной и предлагаемой технологиям. Для расчета составили графики производства работ и учли рыночную стоимость аренды и покупки комплекта опалубки и принтера, оплату труда работникам, общие расходы на материалы. Стоимость строительства с применением 3D-принтера практически не отличается от традиционной технологии даже с учетом его покупки. Однако его использование позволяет на 10% ускорить сроки выполнения работ, – рассказывает Степан Леонтьев, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Представленная учеными ПНИПУ технология возведения монолитного каркаса здания и спроектированные схемы работ с 3D-принтером имеет значительный потенциал для практического применения в строительной отрасли.
Аддитивные технологии
Появилась идея запостить свои лекции по аддитивным технологиям!
(Немного скучаю по преподаванию, да)
В серии постов расскажу про аддитивные технологии производства и затрону реверс инжиниринг.
Фокус будет на методах, применимых в сфере машиностроения (остальные очень коротко посмотрим).
Расскажу о своём опыте работы на fdm/fff, msla, sls принтерах.
Напишите, пожалуйста, если какой-то вопрос очень сильно интересует, чтобы я обязательно разобрал его в следующих постах.