3Д-принтеры отправятся на лунные базы и в марсианские колонии только если они будут самодостаточны — то есть в условиях, когда есть только принтер, задание на печать и нужный материал. Если на Марсе принтер сможет напечатать посудомойку или экскаватор, а подшипники для них нужно будет заказывать на маркетплейсе с доставкой на Красную планету, миссия будет провалена.
Дуэт исследователей Lucas Vergez и Tsz Ho Kwok из Монреаля (Канада) системно изучил вопрос 3Д-печатных пластиковых подшипников, исходя из предпосылки: эти подшипники всегда ненадежны.
Классическая теория расчета подшипников (основанная на работах Лундберга и Пальмгрена еще в 1949 году), конечно, пластмассовые подшипники не рассматривала вовсе — да тогда и в голову никому не могло прийти, что кольца и ролики могут быть не стальными. Пластик — не подшипниковая сталь, он изнашивается и разрушается иначе. Практика показывает, что напечатанный роликовый подшипник может выйти из строя тремя совершенно разными способами:
- Разрушение (Breaking) — классическая поломка роликов из-за перегрузки и внутренних напряжений. (Встречается, но не является единственным сценарием).
- Выпадение (Dislocation) — ролики просто выпадают, вываливаются из пространства между колец. Это происходит из-за быстрого износа и увеличения зазоров. Для цилиндрических роликов это особенно актуально.
- Блокировка или заклинивание (Blocking) — ролики перекашиваются внутри подшипника, заклинивают друг друга и механизм встает.
Взяв для симуляций 3Д-модели подшипников из открытых библиотек и вникнув в накопленную базу знаний, исследователи заметили явную закономерность: при одинаковых условиях печати и нагрузке, изменение формы ролика кардинально меняет срок службы и определяет, какая именно поломка произойдет. Это натолкнуло их на мысль: если форма так важна, значит, ее можно рассчитать математически и оптимизировать. А еще вернее сказать так: проектант еще на стадии моделирования формой деталей и подбором условий печати может «запрограммировать» подшипник под предполагаемый характер нагрузок, чтобы избежать наиболее вероятных поломок!
Ученые сначала определили, какие именно геометрические факторы вызывают повышенную вероятность той или иной неисправности. Затем, чтобы оценить жизнеспособные профили роликов и отсечь заведомо нерабочие, канадцы применили машинное обучение.
1. Предсказание выпадения: Ученые создали математическую модель, имитирующую абразивный износ слоев пластика и рассчитали параметры столкновения изношенного ролика с кольцами, то есть количество энергии, которое необходимо, чтобы вытолкнуть ролик из подшипника.
2. Предсказание заклинивания: Исследователи смоделировали, как ролик может повернуться вокруг своей оси внутри зазора. Если форма ролика позволяет ему легко занять наклонное положение, он заклинит соседний ролик. Модель ищет такие «нестабильные» профили и отсеивает их.
3. Предсказание разрушения: Тут теорию стальных подшипников адаптировали под пластик принтера. Тут закономерность такая: чем меньше минимальный радиус кривизны ролика, тем выше концентрация напряжений и тем быстрее он сломается. Срок жизни обратно пропорционален нагрузке на самый «тонкий» участок.
Далее в дело вступил генетический алгоритм (NSGA2). Он генерировал 50 случайных форм подшипников (первое поколение). Каждую форму прогоняли через три модели оценки (выпадение, блокировка, разрушение). «Слабые» формы отбраковывались, а «сильные» (с самым большим расчетным сроком службы) скрещивались и мутировали, создавая следующее поколение. В общем, выжил сильнейший!
Процесс повторили 30 раз, на это ушло примерно 35 машино-минут, и ученые рассказали о рабочей станции: the optimization runs on an Intel Core i7-6500U CPU 2.50 GHz with 16 GB RAM. Для такой скромной системы это подозрительно быстро, но в тексте исследования так написано — не вырубишь топором.
Самые слабые — отвергнутые машиной — варианты не протянули в симуляции и нескольких минут работы. Зато оптимизированный профиль вышел ну совсем не похожим на классический ролик! Если посмотреть сечение в плоскости оси вращения, скорее он похож на конфету (см. иллюстрацию).
Ну и какой же прирост ресурса получили для подшипника-конфетки? Оптимизированный подшипник был напечатан принтером Ultimaker 3 и протестирован на специальном стенде (нагрузка 10Н, скорость 1850 об/мин). Его срок службы до поломки составил около 550 000 циклов, то есть на заданной частоте вращения около 5 часов непрерывной работы.
Для сравнения: стандартный шариковый подшипник с такими же габаритами (точно не приводятся, но известен диаметр шариков 13,6 мм) из самой популярной базы 3D-моделей Thingiverse выходил из строя всего через 100 000 циклов. Расчетный же ресурс оптимизированной «конфетки» достигает при вероятности отказа 50% более впечатляющие 2 000 000 циклов. Однако причины, по которым в реальности эксперимент на эту цифру не вышел, в публикации не указаны. Предположим, что исследователи просто не располагали достаточным временем для наблюдений большого количества подшипников на тестовой установке.
Важное замечание: симуляции и проектирование выполнялись только для популярного в среде печатников пластика PLA, который обладает не самыми выдающимися качествами прочности и износостойкости, зато дешев и очень прост в работе. Кольца и ролики печатаются вместе, за одну сессию. Для ABS-пластика или нейлона геометрия, очевидно, была бы иной.
Каков вывод? Если вы серьезно настроены печатать механизм, вы не можете просто напечатать «стандартный подшипник, только из пластика». Но очевидно: научная работа наглядно доказывает, что и база готовых 3Д-моделей подшипников для печати, и практико-ориентированные расчетные модели должны быть дополнены. Лучше потратить некоторое время на машинный подбор подходящих вариантов, чем раз за разом печатать нежизнеспособный «стандартный» подшипник и, чертыхаясь, менять его! А то получится как в том анекдоте про Чапаева: «Смотрю фильм уже шестой раз, все надеюсь, что Василий Иванович сможет переплыть реку Урал».
