Научный руководитель: Гневашев Денис Александрович
к.т.н, доцент кафедры ОМДиАТ
Введение
В современном мире человек стремится к оптимизации используемых ресурсов. Одним из способов оптимизации является использование воздушных потоков. Например, охлаждение двигателя автомобиля набегающим потоком воздуха или создание микроклимата в жилом комплексе.
В данной статье рассматривается использование аддитивного производства для создания устройства как прототипа настольной версии аналогичного по функциональности оборудования, применяемого, в основном, в автомобильной промышленности, и служит для упрощения процесса совершенствования и исследования аэродинамических свойств моделей при проектировании. Моделирование прототипа учитывает специфику построения изделий методами аддитивного производства.
1. Анализ проблемы
На данный момент на рынке представлены как устройства профессионального класса, так и установки начального уровня [1-2]. Данные установки выполняют свои функции, но у них имеются недостатки. Профессиональным устройствам необходима вентиляция, дорогие расходные материалы, а также сама установка требует значительных затрат. А в устройствах начального уровня малая площадь для расположения исследуемых моделей.
Аддитивные технологии могут решить данные проблемы Они позволяют изготавливать сложные формы при малых затратах на материал, оперативно изменять конструкцию изделия для различных потребностей [3-5]. Данные преимущества позволяют использовать аддитивные технологии для изготовления изделия для визуализации воздушного потока.
2. Проработка конструкции
Устройство предполагает создание ламинарного и равномерного потока воздуха с возможностью наблюдения за потоком вблизи рассматриваемой модели. Сборка должна быть достаточно жесткой и герметичной для обеспечения замкнутости контура.
За основу примем конструкцию аэродинамической трубы [6], которая позволяет выравнивать поток воздуха, а также увеличивать его скорость (рисунок 1).
Рисунок 1. Типовая конструкция аэродинамической трубы прямого действия
Поток воздуха, который создается вентилятором, проходит сквозь трубу, где ускоряется и выравнивается. В этот поток воздуха попадают частицы, видные человеческому глазу, именно они показывают движение потока воздуха около модели.
Учитывая все технологические особенности данной конструкции был разработан настольный прототип изделия для визуализации потока воздуха с возможностью производства методом аддитивного производства. На рисунке 2 представлен чертеж общего вида разработанной модели прототипа.
Рисунок 2. Сборочный чертеж
Рисунок 3. 3Д модель прототипа изделия
На рисунке 3 представлена 3Д модель прототипа изделия. Для упрощения изготовления модель разбили на три основные элемента: корпус (рисунок 4а), генератор тумана (рисунок 4б), корпус генератора (рисунок 4в).
Рисунок 4. Элементы прототипа конструкции для визуализации воздушного потока
Данная конструкция работоспособна, благодаря закону Бернулли, который устанавливает зависимость между скоростью стационарного потока жидкости и её давлением: атмосферное давление сверху воздействует на облако мелкодисперсного тумана на поверхности воды, поток тумана ведет себя как жидкость и стремится распределиться по поверхности, из-за этого переходит во вторую часть корпуса, где находится отверстие, поток тумана стремится к области меньшего давления, то есть к сужению насадки, где попадает в ламинарный поток воздуха вблизи рабочей зоны.
Конструкция всего изделия выполнена с минимальным количеством нависающих элементов. Моделирование выполнялось в программе Компас-3D Учебная версия [7].
3Д печать прототипа устройства для визуализации потока воздуха осуществлялась на 3Д принтере Bambu Lab A1 mini. Данный принтер работает по технологии 3Д печати – FDM (Fused Deposition Modeling) — технология 3Д-печати, основанная на послойном нанесении расплавленного термопластичного материала для создания трёхмерных объектов.
Полный цикл производства прототипа изделия представлен следующим образом: подготовка к печати, 3Д печать, пост-обработка, сборка, проверка работоспособности.
Подготовка к 3Д печати осуществлялась в программе Bambu Studio (рисунок 5). Подобранные параметры для печати представлены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры для печати элементов прототипа конструкции для визуализации воздушного потока
| Параметр |
Значение |
| Температура сопла |
255 ℃ |
| Температура стола |
80 ℃ |
| Диаметр сопла |
0,4 мм |
| Скорость печати |
200 мм/с |
| Ускорение печати по умолчанию |
1500 мм/с |
| Перемещения |
5000 мм/с |
| Высота слоя |
0,25 мм |
| Высота первого слоя |
0,25 мм |
| Ширина экструзии |
0,5 мм |
| Количество периметров |
2 |
| Плотность заполнения |
100 |
| Шаблон заполнения |
Сетка |
| Перекрытие Заполнения с периметром |
15 % |
| Тип каймы |
Кайма только снаружи |
| Ширина каймы |
5 мм |
| Смещение каймы |
0,01 мм |
Рисунок 5. Элементы прототипа для начала 3Д печати
В качестве материала был подобран филамент – материал PETG, производителя BESTFILAMENT.
На рисунке 6 представлены элементы прототипа устройства после процесса 3Д печати.
Рисунок 6. Элементы прототипа устройства после процесса 3Д печати
После процесса 3Д печати и обработки поверхностей элементов производилась сборка конструкции. Полноценная конструкция прототипа устройства для визуализации потока воздуха с применением аддитивного производства представлена на рисунке 7.
Рисунок 7. Готовый прототип устройства для визуализации потока воздуха с применением аддитивного производства
После общей сборки выращенных элементов прототипа устройства, к нему подключили ультразвуковой туманогенаратор и вентилятор.
При проведении исследования на работоспособность разработанной конструкции получили следующую закономерность: после того, как пар начнет выходить из отверстий вблизи рабочей части, можно запускать вентилятор на минимальной частоте вращения. Поток воздуха должен хорошо просматриваться и быть стабильным. Поэтому в передней части, перед передним выпрямителем была добавлена мелкая сетка, которая должна уменьшения турбулентность потока воздуха. На рисунке 8 представлен момент проведения исследования воздушных потоков на аэродинамику модели автомобиля.
Рисунок 8. Момент проведения исследования воздушных потоков на аэродинамику модели автомобиля.
Результаты
Изготовлен прототип настольной модели воздушных потоков на аэродинамику с применением технологии аддитивного производства.
Использование технологий аддитивного производства на основе 3Д печати снижает риск капитальных затрат, обеспечивая гибкость производства без использования специальной оснастки. Это позволяет за короткое время преобразовывать цифровые CAD-файлы непосредственно в реальные прототипы для конечного использования, переводя разработку продукта с медленного, последовательного каскадного метода на быстрый, итеративный спринт. Благодаря использованию передовой технологии быстрой 3Д-печати инженеры или изобретатели могут одновременно проверять механические соединения, проводить динамические испытания воздуха или жидкости и оценивать эргономическую эстетику. Эта структурная проверка проводится до вложения значительных капиталовложений в производственную оснастку, что предотвращает внесение инженерных изменений после запуска продукта и значительно сокращает время выхода на рынок.
Библиографический список
- TecQuipment. Flow Visualisation Wind Tunnel AF80 [Электронный ресурс]. − URL: https://www.tecquipment.com/flow-visualisation-wind-tunnel (дата обращения: 7.04.2026).
- Fun-Tec-Lab [Электронный ресурс]. – URL: https://fun-tech-lab.com (дата обращения: 7.06.2026)
- Петров П.А., Сапрыкин Б.Ю., Петров М.А., Гневашев Д.А. Пластик или металл для инструментов обработки изделий давлением. Журнал «АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» /№3, 2021г.стр. 60-69.
- Гневашев Д.А., Побежимов В.В., Исследование свойств полимерных материалов для изготовления детали типа «крыльчатка водяного насоса» по технологии аддитивного производства. Технология металлов №11 2022 DOI: 10.31044/1684-2499-2022-0-11-11-24.
- Гневашев Д.А., Р.С. Белов Р.С. Исследование свойств фотополимерных материалов для изготовления корпусных деталей напорного аккумулятора гидромолота технологией аддитивного производства. Известия ТулГУ, Технические науки 2023. Вып.3 стр. 17-26. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-17-26
- Аэродинамическая труба [Электронный ресурс] // Википедия. − URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Аэродинамическая_труба (дата обращения: 7.06.2026).
- КОМПАС-3D Учебная версия [Электронный ресурс]. − URL: https://kompas.ru/kompas-educational/about/ (дата обращения: 7.06.2025).