Дисертації (ККМ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Підвищення міцності FDM-виробів при застосуванні принтерів із додатковими керованими осями(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Цуркан, Даніїл Олексійович; Саленко, Олександр ФедоровичЦуркан Д. О. Підвищення міцності FDM-виробів при застосуванні принтерів із додатковими керованими осями. – Кваліфікаційна праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 13 Механічна інженерія 131 Прикладна механіка. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Сучасне машинобудування та аерокосмічна галузь потребують легких та високоміцних оболонкових конструкцій складних форм. Традиційні методи адитивного виробництва шляхом пошарового наплавлення (FDM) на плоскій платформі мають суттєвий недолік — виражену анізотропію механічних властивостей та низьку міжшарову адгезію, що обмежує їх застосування для виготовлення відповідальних інженерних деталей. Перехід до друку на нетипових основах (зокрема циліндричних) та використання композитних філаментів, таких як РЕТ-CF та PEEK-carbon, дозволяє керувати топологією укладання нитки, що є критично важливим для забезпечення міцності. Розробка маніпуляційних систем, здатних реалізувати алгоритми непланарного друку, є актуальним науково-технічним завданням. Традиційний підхід до «слайсингу», де об'єкт розділяється на паралельні плоскі шари, призводить до формування зон низької міжшарової адгезії, які стають основними концентраторами напружень під дією експлуатаційних навантажень. Обґрунтовано, що вирішення задачі підвищення міцності заснована на переході від планарного пошарового викладання до багатоосьового друку, зокрема на циліндричних та осесиметричних основах. Відомо, що міцність деталі вздовж напрямку викладання волокон перевищує міцність у міжшаровому просторі, що створює ризики анізотропії під дією робочих навантажень. Було проведено теоретичний та експериментальний аналіз процесів формування щільності структури при викладанні тонких стінок та складних оболонок. Встановлено, що при використанні традиційних плоских траєкторій виникають мікропорожнини, розмір та розподіл яких безпосередньо залежать від геометрії сопла, термічних умов у зоні друку та параметрів подачі матеріалу. Особливу увагу приділено застосуванню новітніх композитних матеріалів, зокрема PET-CF, армованих короткими вуглецевими волокнами. Доведено, що для повної реалізації потенціалу таких високопродуктивних матеріалів необхідно змінити підхід до топології викладання філаменту, відійшовши від планарних стратегій на користь непланарних траєкторій. Це дозволяє орієнтувати армувальні компоненти відповідно до векторів головних напружень, що виникають у деталі під час експлуатації. Робота базується на інтеграції методів теорії комбінаторики та морфологічного аналізу для синтезу принципово нових структурних схем маніпуляційних систем. Запропоновано концепцію друку на розбірній циліндричній основі, що відкриває можливість виготовлення осесиметричних деталей безперервним методом. Розроблено математичну модель маніпуляційної системи, яка враховує складне сполучення просторових рухів по осях X, Y, Z та додатковій обертовій осі R. Такий підхід забезпечує можливість гнучкого керування кутами укладання нитки у широкому діапазоні, зокрема ±п/4, що є критично важливим для створення рівноміцних стільникових структур та посилених оболонок. Під час дослідження було вивченню динаміки процесу екструзії в умовах непланарного друку. Встановлено, що ключовою причиною локального падіння щільності матеріалу на краях, торцях та складних технологічних переходах виробу є перехідні динамічні процеси у приводі екструдера. Під час різкого гальмування або розгону виникає часовий та об'ємний розсинхрон між швидкістю переміщення сопла та фактичним об’ємом поданого розплаву. Для вирішення цієї проблеми у роботі розроблено динамічну модель, що базується на варіюванні параметрів жорсткості та демпфування в механічному ланцюзі «основа-сопло». Це дозволило створити адаптивний алгоритм компенсації динамічних похибок, який гарантує підтримку стабільної щільності на рівні 95–97% по всьому об’єму виготовленої деталі. Для реалізації цього підходу було розроблено методологічну базу, що базується на використанні теорії комбінаторики та морфологічного аналізу сполучень просторових рухів виконавчих органів принтера. Це дозволило синтезувати принципово нові структурні схеми маніпуляторів, які інтегрують додаткові ступені вільності, зокрема обертову вісь. Запропонована концепція друку на розбірному циліндричному столі, що відкриває можливості для безперервного викладання філаменту по гвинтових траєкторіях, що радикально змінює механіку взаємодії сусідніх треків матеріалу. В межах розробки маніпуляційної системи особливу увагу приділено функціонально-орієнтованому проектуванню, яке враховує не лише геометричну точність, а й динамічну стабільність ланцюга. Теоретично обґрунтовано та практично перевірено концепцію «гармонійного» непланарного викладання. Вона полягає у накладанні контрольованих коливальних рухів малої амплітуди на основну траєкторію друку. Такий підхід суттєво інтенсифікує процеси термічної дифузії та реологічного зчеплення на межі розділу шарів за рахунок активного механічного перемішування розплаву в зоні контакту. Це призводить до значного підвищення міжшарової адгезії, що раніше було головним слабким місцем FDM-технології. Виконане комплексне комп'ютерне моделювання теплових та пружних явищ у середовищі скінченних елементів дозволило точно визначити оптимальні температурно-швидкісні вікна для різних матеріалів, при яких досягається максимальна монолітність та міцність структури. Теоретичне обґрунтування процесів формування фізико-механічних властивостей дозволило встановити математичні залежності між параметрами траєкторії та щільністю структури. Розроблено модель «непланарного інтерфейсу», яка описує теплофізичні явища в зоні контакту при різних кутах нахилу екструдера. Встановлено, що накладання гармонійних коливань малої амплітуди на траєкторію викладання сприяє інтенсифікації адгезійних процесів за рахунок механічного «втирання» розплаву у попередній шар. Це дозволяє збільшити площу фактичного контакту та нівелювати вплив мікропорожнин, розмір яких у запропонованій методиці не перевищує 0,6 мм. Комп'ютерне моделювання напружено-деформованого стану в середовищі скінченних елементів підтвердило, що використання кутів укладання ±п/4 забезпечує раціональний розподіл навантажень у стільникових структурах. Отриманні розрахунки були підтвердженні розробкою та випробуванням діючого прототипу маніпуляційної системи з обертовою віссю. Порівняльні механічні випробування на розрив, стиск та зсув підтвердили перевагу запропонованих непланарних стратегій: приріст границі міцності складає від 10% до 15% порівняно з ідентичними зразками, отриманими традиційним методом. Також у роботі представлена розроблена модель надійності процесу викладання, яка дозволяє на етапі проектування прогнозувати втомну міцність та довговічність виробів інженерного призначення. Вивчення динаміки процесу екструзії виявило, що основною причиною локальної втрати щільності (до 10%) на торцях та складних ділянках виробу є перехідні процеси у приводі — фази гальмування та розгону. Для нівелювання цих дефектів запропоновано методику адаптивного керування жорсткістю та демпфуванням у механічній системі, що дозволяє підтримувати стабільний тиск у соплі незалежно від швидкості переміщення. Це стало основою для створення алгоритмів компенсації динамічних похибок, які інтегровано у програмне забезпечення для підготовки керуючого коду. Експериментальна верифікація розроблених методів на діючому прототипі принтера з обертовою віссю підтвердила адекватність теоретичних моделей. Сформульовано практичні рекомендації щодо вибору температурно-швидкісних режимів для широкого спектра інженерних пластиків, що забезпечує стабільну щільність матеріалу на рівні 95-97%. Розроблена модель надійності процесу викладання дозволяє прогнозувати втомну міцність виробів, що є критично важливим для їх використання в авіаційній та загальномашинобудівній галузях. Впровадження отриманих результатів на підприємствах авіаційної галузі та точного машинобудування, дозволяє суттєво розширити межі застосування адитивних методів. Це забезпечує виготовлення деталей, що за своїми експлуатаційними характеристиками здатні замінити деталі, отримані традиційним литтям або механічним обробленням, при одночасному зниженні ваги та витрат матеріалів.Документ Відкритий доступ Забезпечення параметрів якості інженерних виробів, отриманих FDM, мінімальною постобробкою(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Костенко, Антон Олександрович; Саленко, Олександр ФедоровичКостенко А.О. Забезпечення параметрів якості інженерних виробів, отриманих FDM, мінімальною постобробкою. – Кваліфікаційна праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 13 Механічна інженерія 131 Прикладна механіка. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Адитивні технології останніми роками принципово змінили парадигму інженерного проектування та конструювання, перетворивши ці процеси на системи безперервного синтезу готових тривимірних фізичних об'єктів. Серед широкого спектра технологій метод моделювання шляхом пошарового наплавлення полімерної нитки посідає провідне місце завдяки своїй економічній доступності, простоті експлуатації обладнання та широкій номенклатурі використовуваних матеріалів. Одним із найбільш доступних, дешевих і поширених методів є процес FDM (Fused Deposition Modeling) – процес пошарового викладання розплаву філаменту. Разом з тим, впровадження FDM-друку для виробництва відповідальних інженерних деталей гальмується рядом суттєвих недоліків. FDM-вироби не є повністю компактними та щільними. Пошарове викладання матеріалу призводить до формування вираженої анізотропії механічних властивостей: міцність деталі вздовж напрямку викладання волокон значно перевищує її міцність у напрямку осі Z. Якість і міцність з'єднання окремих ниток і шарів між собою критично залежать від температурних полів під час теплового контакту та гідродинамічних явищ екструзії розплаву. Як наслідок, надруковані деталі характеризуються значною похибкою форми, відхиленням геометричних розмірів, високою шорсткістю поверхні та наявністю маси внутрішніх і поверхневих дефектів (порожнини, деламінація, температурне викривлення, усадка). Щоб забезпечити параметри якості, адитовані заготовки зазвичай піддають постобробленню (механічному, фізико-хімічному, термічному). Проте механічний вплив різального інструмента на шарувату та порожнисту структуру 3D-друкованого пластику кардинально відрізняється від обробки суцільних металів чи литих полімерів. Механічне оброблення може як ліквідувати поверхневі дефекти, так і спровокувати зародження нових, викликати розвиток мікротріщин у приповерхневих шарах, збільшуючи так званий «деструктивний шар» через силові та теплові навантаження. Тому комплексне дослідження впливу механічного постоброблення на параметри якості виробів з FDM, а також розробка принципів мінімізації такого оброблення є надзвичайно актуальною науково-прикладною задачею. Виконано ґрунтовний огляд сучасного стану адитивних технологій. Проведено порівняльний аналіз FDM з іншими методами. Показано, що незважаючи на доступність FDM, процес несе в собі ризики утворення специфічних макро- та мікродефектів, які суттєво знижують несучу здатність та довговічність деталей. Обрано найбільш важливі параметри якості: міцність на розрив, квалітет точності (ІТ9–ІТ11), шорсткість поверхні (за параметром Ra) та герметичність. Зазначено, що нині інженерна практика покладається на механічне постоброблення для вилучення опорних і допоміжних структур та забезпечення квалітету точності окремих елементів. Однак класичні методики розрахунку припусків на механічну обробку не працюють для FDM-виробів через неоднорідність структури адитованого виробу. Постоброблення також виступає як засіб видалення поверхневих дефектів (хвиль, напливів), але одночасно може породжувати нові (внутрішні тріщини від дії мікроклина інструменту, термічні припали). На основі виконаного аналізу сформульовано основну гіпотезу досліджень щодо впливу постоброблення на параметри якості готового виробу. Обґрунтовано теоретико-експериментальну базу дослідження. Формування вихідних показників якості подано у вигляді складної цільової функції перетворення початкових (прогнозованих) геометричних і механічних характеристик через режими друку (швидкість обходу, товщина шару, температура екструдера) та режими обробки різанням (швидкість, глибина, подача) у вихідні. Наведено математичну модель термомеханічної поведінки матеріалу в процесі екструзії та охолодження. Показано, що плоский напружений стан у у площині викладання OXY супроводжується температурними градієнтами, які призводять до виникнення залишкових напружень. Для експериментальної оцінки використано методику випробувань на розтяг за стандартом ASTM D638-14. Застосовано методику контролю шорсткості та хвилястості поверхонь за допомогою профілограм, та методику дослідження газопроникності/герметичності деталей з використанням вакуумного поста ВУП-5. У якості основного інженерного демонстратора було обрано стільниковий бак, що працює під внутрішнім тиском. Аналіз такого виробу зводиться до оцінки взаємодії кількох компонент: внутрішньої стінки, еквівалентного стільникового заповнювача та зовнішньої стінки. Фланець бака змодельовано як защемлену круглу пластину в полярних координатах, що дозволило аналітично вивести рівняння для радіальних і тангенціальних згинальних моментів. Досліджено напружено-деформований стан оболонки. Прийнято до уваги структурну неоднорідність середовища. Показано, що руйнування оболонки відбувається внаслідок розвитку дефектів (тріщин нормального відриву), які здебільшого зароджуються в зонах міжшарових порожнин та температурних концентраторів і поведінка яких може бути описана за критерієм енергії руйнування Гріффітса. Наявність скупчень поверхневих дефектів критично погіршує напружено-деформований стан, концентруючи еквівалентні напруження в місцях сполучення фланця із циліндричною частиною баку. Відповідно до головної гіпотези досліджень змодельовано взаємодію різального клина з FDM-заготовкою у квазістатичній та динамічній постановках при точінні, фрезеруванні та свердлінні. Доведено, що процес різання супроводжується зсувними пружно-пластичними явищами. Через наявність внутрішніх пустот і низьку міжшарову міцність поле напружень від леза різця поширюється у глибину матеріалу: при різанні вздовж волокон — до 4 шарів, при поперечному різанні — до 5 шарів. Ця зона формує модифікований шар (Td). Обґрунтовано критерії вибору параметрів постоброблення. Досліджено процеси лезової обробки та шліфування. Встановлено, що шліфування пластикових FDM-виробів супроводжується значним тепловиділенням: контактна температура може сягати 220–310 °C, що перевищує температуру склування та навіть плавлення більшості філаментів. Це викликає локальні припали, розм'якшення, газовиділення та замазування абразивного круга, що робить високошвидкісне шліфування (понад 25 м/с) неефективним без спеціального охолодження. Обмеження інтенсивності шліфування дозволяє отримати шорсткість на рівні Ra 1,2–2,5 мкм. При лезовому обробленні (точінні) виявлено, що вироби вкрай чутливі до режимів різання. При швидкостях різання виробів з PLA більше 45 м/хв, товщині зняття понад 1,0–1,5 мм та подачі 0,5–0,6 мм/об напруження у площинах міжшарового зчеплення зростають до 32–48 МПа. Встановлено функціональний зв'язок між товщиною модифікованого шару (Td) та експлуатаційними показниками (межею міцності σb та втомною міцністю σm). Зняття поверхневого шару до певної глибини призводить до усунення концентраторів напружень і зростання міцності деталі. Однак надмірне зняття матеріалу або агресивне різання збільшує Td, що погіршує параметри якості. Встановлено закономірності зміни параметрів поверхні та модифікації поверхневих шарів механічним впливом (різанням або мікрорізанням). Способи і методи механічного оброблення аналогічні обробці полімерних матеріалів, у тому числі, шаруватих полімерних композитів, з обмеженням силового впливу та врахуванням анізотропії властивостей адитованого виробу.Документ Відкритий доступ Магнітно-абразивне полірування площин індукторами на базі високоенергетичних магнітів(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Буріков, Олексій Олегович; Майборода, Віктор СтаніславовичБуріков О.О. Магнітно-абразивне полірування площин індукторами на базі високоенергетичних магнітів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Д Дисертаційна робота виконувалася відповідно до наукового напряму "Дослідження властивостей магнітно абразивного інструменту при обробці в умовах кільцевої ванни" на кафедрі конструювання машин КПІ ім. Ігоря Сікорського. Результати дисертаційної роботи використані при виконанні ініціативної НДР "Освоєння нових технологій виробництва матеріалів, їх оброблення і з'єднання, створення індустрії наноматеріалів та нанотехнологій" (№ державної реєстрації 0122U000084). В дисертаційній роботі використано методики визначення якісних параметрів оброблюваних поверхонь, що утворюються внаслідок взаємодії магнітно-абразивного інструменту (МАІ) та поверхонь заготовок, які дозволяють провести комплексну оцінку впливу складових технологічних параметрів при проведенні магнітно-абразивної оброблення (МАО) площин торцевими індукторами. Вперше визначено вплив технологічних параметрів оброблення таких як, швидкість обертання індуктора, робочий зазор, швидкість подачі, початкова шорсткість та конструктивні, такі як, тип та розмір магнітно-абразивного порошку, форма робочої поверхні індуктора, компонування індуктора. Розроблено рекомендації, щодо підбору раціональних технологічних параметрів для інтенсифікації процесу МАО, що базуються на особливостях утворення МАІ. Експеримент виконували на установці для МАО, що реалізована на універсальному верстатному обладнанні – вертикально-фрезерному верстаті мод. 6Б75ВФ1, що дає змогу вести оброблення в умовах малих магнітних зазорів. У якості дослідних зразків для проведення дослідження були використані феромагнітні матеріали у формі пластин розмірами 440х80х20 мм із сталі 40Х та пластин розмірами 65х8х0,8 мм із вуглецевої інструментальної сталі У9. Для оцінки фізико-механічних та якісних параметрів поверхонь отриманих внаслідок впливу МАО було використано якісні методи – візуальний та безконтактний способи та кількісні методи – контактні та безконтактні із використання спеціальних вимірювальних приладів – мікроскопів, профілометрів та профілографів. Розроблено технологічні пристосування для закріплення та зчитування отриманих результатів оброблення. Для формування МАІ були використані наступні порошки: оскольчастий рівновісний Феромап та Царамам з розміром зерен 630/400, 400/315, 315/200, 200/100 мкм, округлі рівновісні ПР6М5 200/100 мкм, ДЧЛ 1800/1300 мкм, S330 1400/1000 мкм, оскольчасті алмазні пасти типу АСМ 40/28 мкм, 20/14 мкм, 5/3 мкм, 3/2 мкм, а також суміші на основі даних порошків. Встановлено, що в залежності від величини фракції МАП існують раціональні значення величини магнітних зазорів, що відповідають певній величині фракції порошку, при якому відбувається ефективне оброблення та відсутній ефект шаржування. За величини зазору менше ніж 1,5 мм відбувається процес активного видалення матеріалу, але при цьому спостерігаються часті випадки шаржування. При проведенні МАО із величиною магнітних зазорів понад 5 мм оброблення не відбувається внаслідок недостатньої абразивної та магнітної взаємодії МАІ та оброблюваної поверхні. В більшості випадків раціональним значенням робочого зазору для випробуваних МАП становить близько 3-х мм. Показано, що за швидкості подачі головки при проведенні МАО в межах 20, 30 і 50 мм/хв. Відбувається переважне видалення вершин мікронерівностей поверхні без активної обробки западин. При швидкостях подачі в межах 5-15 мм/хв виконується повне розполіровування мікропрофілю із активним видаленням елементів спадковості оброблення, отриманих внаслідок застосування первинних методів оброблення. Визначено, відмінності в характері взаємодії між МАП та деталлю при використанні порошків округлої форми, що виконує переважно пластичне деформування поверхневого шару оброблюваної поверхні без значного видалення матеріалу заготовки. Встановлено, що при проведенні МАО зі швидкостями обертання індуктора в межах до 1000 об/хв отримані значення шорсткості є мінімальними. Збільшення швидкості обертання індуктора понад 1000 об/хв веде до порушення механізму взаємодії МАІ із оброблюваною поверхнею – відбувається активне просковзування та проворот частинок МАП відносно оброблюваної поверхні, що не забезпечує сприятливих умов для протікання процесів полірування та мікрорізання, тобто МАІ не встигає відновлювати свою форму у магнітному полі, а й відповідно не виконує активного видалення матеріалу. Результатами моделювання магнітних полів за різного компонування індуктора доведено, що раціональною конструкцією є головка з одним великим магнітом завдяки більшій однорідності поля, енергоефективності, простоті управління, меншій складності та низьким ризиками механічних збоїв. Така конструкція дозволяє досягти стабільних та прогнозованих результатів оброблення та вимірювань. Досліджено множину варіацій робочих поверхонь індуктора. Встановлено, що найраціональнішою конструкцією робочої поверхні торцевої головки з МАІ типу щітка є поверхня, що містить у своїй будові 9 – 12 променеподібних виступів трикутної форми. Використання подібних головок дозволяє забезпечувати формування шорсткості оброблених поверхонь з Ra < 0,03 мкм при вихідній Ra на рівні 0,8 мкм. При цьому практично повністю усувається мікрохвилястість, що формується внаслідок попередніх методів оброблення. За характером зміни величини відносної опорної поверхні мікропрофілю проаналізовано кінетику його формування. Показано, що на початковому етапі відбувається переважне видалення мікровиступів із подальшим активним обробленням мікровпадин та вигладжуванням мікропрофілю. Встановлено, що найбільші значення стискаючих залишкових напружень, до 100 МПа, формуються після МАО плоских поверхонь індукторами типу "щітка" на базі постійних високоенергетичних магнітів з використанням округлих порошкових матеріалів, які забезпечують переважне пластичне деформування поверхневого шару, його мікронаклепування без значного видалення матеріалу, яке притаманне МАО порошками з осколковою формою частинок типу Феромап. Показано, що найбільше значення збільшення ступеню наклепу знаходиться на глибині 5–5,5 мкм. При цьому зростання ступеню наклепу понад 35% відбувається після МАО зразків порошками з найменшими радіусами округлення різальних кромок – таких як Феромап – 30–60 мкм та Царамам – 10–50 мкм. Встановлено, що зміна твердості по глибині не є рівномірною. Результати демонструють, що після МАО порошком Феромап відбувається зростання твердості на глибині 120 – 320 мкм, в той час як після проведення МАО порошком Царамам зростання твердості в поверхневому шарі відбувається на глибині 100 – 150 мкм. Найбільші значення підвищення твердості в поверхневому шарі матеріалу зразків на глибині до 200 мкм має місце після виконання МАО округлим порошком S330 з розміром частинок 1200/900 мкм, який виконує переважне пластичне деформування поверхневого шару. Отримані результати взаємозалежні із даними отриманими при визначенні залишкових напружень – найбільше зростання показника твердості в поверхневому шарі відповідає найбільшим залишковим напруженням. Пояснення зазначеному факту пов’язано з структурною і дефектною перебудовами матеріалу зразків і потребує подальших ретельних мікроструктурних досліджень. Вперше встановлено, що для МАО із використанням сферичних порошків, характерним є відносно низький рівень зниження шорсткості, за рахунок форми поверхні МАП, яка не має множини різальних кромок, а при обробленні поверхонь такими порошками спостерігається високий вплив на поверхневі напруження внаслідок інтенсивної ударно-фрикційної взаємодії. Встановлено, що застосування сумішей МАП для проведення МАО забезпечують зниження рівня мікрохвилястості поверхні. Про це свідчать положення зон на кривих залежності зміни величин tp від рівня відносних висот профілю р, де відбувається перехід від мікровиступів до мікрозападин профілю поверхонь. Для сумішей порошків Феромап з розміром частинок 630/400 і 315/200 мкм розташування зазначених зон зміщується від відносного рівня перетину р=25,5% після оброблення МАП із розміром частинок 630/400 мкм до рівня р=50% при використанні сумішей порошків з розміром частинок 630/400 і 315/200 мкм за умов зростання вмісту відносної кількості дрібної фракції і суміші до 0,4. Використання при МАО інструменту, який сформований із суміші крупних округлих частинок порошку ДЧ 1800/1300 мкм із дрібними оскольчастими частинками порошку Феромап з розмірами частинок 630/400, 315/200 і 200/100 мкм дозволяє за умов оброблення із раціональними значеннями робочих зазорів встановити, що як і у випадку використання оскольчастих МАП величина робочого зазору не має значного впливу на вихідні параметри шорсткості, що підтверджує попередні результати досліджень. Показано, що найкращі результати оброблення отримано при використанні сумішей округлих порошків ДЧ 1800/1300 мкм і оскольчастих Феромап 630/400 мкм при їх співвідношенні в МАІ 1:1. За таких умов оброблення округлі крупні порошки, виконують роль рухомо-скоординованого притиру, передаючи силове навантаження на дрібні частинки. При цьому у процесі взаємодії з оброблюваною поверхнею крупні округлі частинки забезпечують як пластичне деформування мікронерівностей поверхні, так і безпосередньо поверхневого шару. Доведено, що формування МАІ з порошку ДЧ 1500/1300 мкм та алмазних паст типу АСМ дозволило встановити, що найкраща поліруюча спроможність відповідає МАІ, який сформовано з порошку ДЧ 1500/1300 мкм з додаванням пасти АСМ із розміром зерен 5/3 мкм. При цьому отримано шорсткість оброблених поверхонь з Ra на рівні 0,03 - 0,04 мкм. Результати роботи дозволили уточнити механізм формування МАІ на основі сумішей і особливості його взаємодії з поверхнями типу площина в умовах малих магнітних зазорі, що зробило можливим розширення номенклатури застосування методу МАО і підвищення його ефективності і продуктивності.Документ Відкритий доступ Технологічне забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Бурбурська, Світлана Валеріївна; Пасічник, Віталій АнатолійовичБурбурська С.В. Технологічне забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертація присвячена дослідженню складу, причинно-наслідкові зв'язків та впливу параметрів технологічних операцій комп'ютерно-інтегрованої технології підготовки даних, проектування, технологічного підготовлення та виготовлення деталей індивідуальних ендопротезів та супутнього технологічного оснащення на часові та економічні показники. В дисертації вирішено науковопрактичні завдання: визначення складових комплексної комп’ютерноінтегрованої технології проектування і виготовлення кастомного ендопротезу та супутньої хірургічної технологічної оснастки; встановлено причинно-наслідкові зв'язки між ними та визначено їх параметри, що впливають на якість і продуктивність; запропоновано математичний опис такої технології з позицій системного підходу у виді, придатному для створення комп'ютерно-інтегрованої технології, що включає проектування та виготовлення індивідуальних деталей ендопротезу та хірургічної технологічної оснастки, яка забезпечує вирішення завдання максимуму продуктивності за умови гарантування якості ключових результатів - індивідуального ендопротезу та хірургічної технологічної оснастки; досліджено практичні особливості окремих етапів для окремих клінічних випадків, що потребують кастомного ендопротезування з точки інтеграції до загальної комп’ютерно- інтегрованої технології; здійснено широке практичне впровадження комп’ютерно-інтегрованої технології у практику технологічного підготовлення до операції індивідуального ендопротезування, підтверджено її результативність та ефективність. Зміст роботи складається з чотирьох розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, описано методи дослідження, надана інформація про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. У першому розділі проведено аналіз літературних джерел з дослідження існуючих проблем за напрямками. Зокрема визначено різновиди і можливості застосування ендопротезів, складові процесу ендопротезування, які станом на сьогодні застосовуються у вітчизняній та світовій хірургічній практиці. Проведено аналіз сучасних технології та матеріалів для пришвидшеного виготовлення індивідуальних ендопротезів та супутніх елементів. Показані можливості та переваги застосування сучасних адитивних технологій у виготовленні кастомних ендопротезів. Проведено систематизацію сучасного програмного забезпечення для комп’ютерної інтеграції процесів виготовлення індивідуальних імплантатів, а також можливості кожного для реалізації різних етапів створюваної комп’ютерно-інтегрованої технології проєктування і виготовлення пацієнт-специфічних ендопротезів та хірургічної технологічної оснастки. Розкриті техніко-економічні аспекти кастомного ендопротезування та перспективи ринку. У другому розділі наведено опис нової концепції технологічного забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій. Для основних етапів такої технології, яка включає Preprocessing, Processing, Post-processing, визначено їхній склад в контексті проектування і виготовлення індивідуальних ендопротезів та хірургічної технологічної оснастки, а також склад обладнання, необхідного для реалізації такої технології. Визначено, що: на етапі Preprocessing необхідним є комп'ютерний томограф, магнітно-резонансний томограф, комп'ютерна техніка зі спеціалізованим програмним забезпеченням для оброблення зображень; на етапі Processing необхідним є комп'ютерна техніка зі спеціалізованим програмним забезпеченням для проєктування та підготовлення моделей для різних типів адитивних технологіях FDM, SLA, SLM/EBM з супутнім обладнанням, відповідні адитивні машини, хірургічний інструментарій для резекції та установки; на етапі Post-processing необхідним є є комп'ютерна техніка зі спеціалізованим програмним забезпеченням, необхідне для забезпечення підготовлення керуючих програм верстатів з ЧПК для механічного оброблення та самих верстатів з відповідним інструментальними забезпеченням, обладнання для термічної обробки, обладнання для нанесення покриттів, обладнання для стерилізації та упаковки. В розділі наведено опис формування віртуальної і натурної моделі анатомічного об’єкту, який передбачає об'єднання моделей, отриманих за допомогою КТ та МРТ, а також їх наступну матеріалізацію за допомогою адитивної технології FDM у масштабі 1:1. Описано процес та особливості планування хірургічної операції з використанням натурних моделей анатомічних об’єктів, виготовлених з використанням адитивних технологій. Для етапу конструювання кастомного ендопротезу визначена його послідовність за зонами - робочою, первинної фіксації, вторинної фіксації-остеоінтеграції, допоміжної. Розглянуті регулярні та стохастичні структури, які можуть відтворюватись в пацієнт-специфічних імплантатах і суттєво розширити можливості інженерного забезпечення з точки зору зниження маси, покращення остеоінтеграції та підвищення ефективності адитивної технології. Визначено, що інженерна перевірка працездатності конструкції кастомного імплантату має включати визначення механічних характеристик виробу, оптимізацію конструкції, розміщення елементів первинної фіксації. Розглянуті та проаналізовані особливості вибору і застосування технологій на етапі виготовлення та при простобробленні, а також забезпечення їх якості шляхом технічного контролю. У третьому розділі представлено результати досліджень, спрямованих на формалізацію і математичний опис комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування і виготовлення індивідуальних деталей ендопротезу та хірургічної технологічної оснастки. Тут основними складовими є модель такої технології, створена на базі системного підходу та математичний опис взаємозв'язків етапів такої технології з точки зору ймовірності досяжності запланованого результату. Зокрема, представлена нова модель комп'ютерно-інтегрованого процесу технологічного підготовлення і виготовлення індивідуальних ортопедичних імплантів, яка за допомогою нотації BPMN дозволяє математично описати різні аспекти виробничого процесу – від звернення замовника до відвантаження упакованого виробу. Виділені п’ять послідовних етапів: 1. Ініціювання розробки і отримання вхідних даних; 2. Реверс-інжиніринг і підготовка технічного завдання; 3. Проєктування; 4. Прототипування і виготовлення хірургічних навігаторів; 5. Виробництво кастомного імплантату. На кожному з цих етапів визначені ключові виконавці - Медичний заклад, Розробник (Лабораторія), Субпідрядник(и) виробництва. Узагальнено взаємодія ключових виконавців на кожному з етапів конструкторсько-технологічного підготовлення і виготовлення імплантатів. Визначені групи і підгрупи ресурсів, які мають забезпечувати реалізацію запропонованої технології. Обґрунтовано, що: до складу людських ресурсів мають входити медичні, проєктні, виробничі; до складу інформаційних ресурсів мають входити ті, що забезпечують розробку та виготовлення; до складу матеріальних ресурсів мають входити медичні, проєктні, виробничі. Для кожного виду визначено їх деталізований склад. В кожному з 5-ти етапів технології визначені ролі, які виконують певні задачі, а також взаємодіють між собою шляхом обміну даними та результатами прототипування і виготовлення. Це в сукупності для кожного етапу окремо і для всієї технології в цілому дозволило визначати перелік необхідних ресурсів, тривалість виконання, вартість використання ресурсів. Показано, що після того, як визначені основні ресурси, які безпосередньо впливають на час виготовлення кастомного імплантату від звернення пацієнта до доставки готового виробу і медичний заклад, може бути вирішена задача оптимізації процесу розробки, яка в якості цільової функції може визначити мінімізацію часу або мінімізацію вартості. Для вирішення задачі прогнозування тривалості набору робіт побудована Баєсова мережа комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування та виготовлення індивідуальних ортопедичних імплантів та хірургічно технологічної оснастки, яка представляє собою орієнтований ациклічний граф = в якому кожній вершині відповідає випадкова змінна, а дуги графа кодують відношення умовної незалежності між цими змінними. Визначено етапи, події та причини, що впливають на ймовірність події, побудовано граф зв'язків між подіями, на основі практичного досвіду визначено ймовірності настання відповідних подій. У четвертому розділі наведені описи прикладів практичної реалізації комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування та виготовлення пацієнтспецифічних імплантів та хірургічної технологічної оснастки. Зокрема подана інформація про 4-и практичні випадки практичного застосування системи інженерної підтримки при виготовленні індивідуальних імплантатів ацетабулярного компоненту на базі адитивних технологій. Наведені приклади передові інженерно-технічні рішення кастомного ендопротезування, реалізовані в широкому контексті можливостей, зокрема ті, що стосуються окремо ендопротезування зони кульшового суглобу, а також заміни діафізу кістки, кастомного ендопротезування колінного суглобу. Окрема увага приділена системі управління якістю, яка забезпечує реалізацію комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування та виготовлення кастомних імплантів та хірургічної технологічної оснастки, реалізованої в ТОВ “Остеоніка” цілим набором робочих інструкції. Подано опис і приклади практичної реалізації системи забезпечення якості виготовлення кастомних ендопротезів. Визначено вимоги до основного документу - робочої інструкції, яка має містити: вимоги до вхідних даних; правила узгодження систем координат; вимоги до конструктивних елементів; обмеження та застереження; вимоги до контролю вихідних даних. Виділено основні показники якості імпланту: показники ергономічності; показники надійності; показники технологічності; показники безпеки. Визначено елементи, які можуть стати основою для подальшої автоматизації процесу контролю якості виробу. Результати дисертаційного дослідження широко впроваджені у практику хірургічного втручання у понад 300 випадків, інженерно-технологічне забезпечення яких виконано здобувачкою.Документ Відкритий доступ Формування інструментального середовища при магнітно абразивному обробленні в великих магнітних зазорах(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Заставський, Костянтин Олегович; Майборода, Віктор СтаніславовичЗаставський К.О. Формування інструментального середовища при магнітно абразивному обробленні в великих магнітних зазорах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. В дисертаційній роботі розроблено методики визначення сил, що діють на деталь з боку магнітного інструменту (МАІ), які дозволяють встановити особливості формування МАІ в процесі магнітно-абразивного оброблення (МАО). В перше встановлено реальну величину сил при МАО, а також визначено процеси та явища, що на них впливають з урахуванням зміни технологічних факторів, таких як індукція магнітного поля, швидкість рухів при обробленні, типу, форми та розміру частинок МАП та матеріалу деталі. Розроблено рекомендації щодо інтенсифікації процесу МАО з огляду на особливості формування МАІ та реальну величину сил. Експеримент виконували на установці для МАО виготовленій на базі вертикально фрезерного верстату типу ОЦ – Іжевськ, що забезпечує оброблення деталей у великому магнітному зазорі кільцевого типу. Зразками для проведення дослідження були циліндричні квадратні та трикутні призми висотою 30 мм і характерним розміром 8, 12 та 16 мм з феропара- та діамагнітних матеріалів, а також лопатка ГТД товщиною 1 мм та висотою 30 мм зі сплаву титану. Для вимірювання сил при МАО було використано методики вимірювання ефективного крутного моменту на валу двигуна, що обертає деталь, та вимірювання сили опору за допомогою тензодатчика. Розроблено відповідне обладнання, що дозволило виконувати дослідження з врахуванням необхідних факторів. Для формування МАІ використовували порошки: оскольчастий Полімам-Т з розміром зерен 200/100 мкм, 400/315 мкм, та округлий Полімам-М 200/100 мкм, 400/315 мкм. Для визначення інтенсивності оброблення було використано квадратні призматичні зразки висотою 5 мм та розміром сторони 8, 12 та 20 мм. Параметром інтенсивності у цьому дослідженні виступав радіус заокруглення кромок деталі, що вимірювався за допомогою профілометра. Встановлено, що ефективний момент тертя при обробленні феромагнітної деталі (при даних зразках та технологічних умовах) становить до 1,4 Нм, при обробленні немагнітних деталей – до 0,9 Нм. Показано, що ефективний момент тертя прямо залежить від величини магнітної індукції, швидкостей руху деталі в робочій зоні та навколо своєї осі. Встановлено області МАО при яких відбувається: формування квазістабільного МАІ (при швидкості обертання навколо власної осі 0 – 10 рад/с), область стійкого МАІ (10 – 65 рад/с) та область з аномальним ростом/падінням сил тертя (більше 65 рад/с). Показано, відмінності в характері взаємодії між МАП та деталлю при використанні порошків з округлої форми, що спричиняє переважно пластичне деформування поверхневого шару оброблюваної поверхні. Визначено, що сила опору при обробленні циліндричних деталей має лінійну залежність від величини магнітної індукції та становить 720 Н/Тл для порошку з зернистістю 200/100 мкм та 960 Н/Тл для 400/315 мкм. Показано, що сила опору при обробленні немагнітних матеріалів Д16Т, ВТ8, БрОц не має суттєвих відмінностей. Встановлено, що сили лобового опору при МАО феромагнітних зразків як і для немагнітних зразків не залежать від швидкості оброблення і змінюються в діапазоні від 160 до 220 Н, це в 1,2-1,5 разів вище, ніж для немагнітних деталей (80 – 180 Н). Роз’яснено відмінність сили опору при оброблені магнітних та немагнітних деталей за рахунок особливостей взаємодії структурних елементів МАІ з оброблюваними поверхнями та формуванням зон заклинювання порошку. Зростання зернистості порошку з 200/100 до 400/315 мкм спричиняє зростання сили опору в 1,2 – 1,3 рази. За результатами аналітичного представлення функцій зміни величин питомих сил тертя і сил лобового опору розраховано співвідношення між питомими силами тертя і опору –Fтер/Fоп = n – параметр коефіцієнту тертя при МАО. За характером зміни величини η встановлено, що зі збільшенням швидкості руху деталей навколо осі кільцевої ванни, переважно, має місце монотонне зменшення параметру коефіцієнту тертя. Зростання швидкості обертання деталей навколо власної осі призводить в досліджуваному діапазоні практично до пропорційного збільшення величини n. В перше визначено, що при обробленні парамагнітних деталей приріст сили опору зі зростанням діаметру не пропорційний зростанню діаметру (при збільшенні діаметра в 2 рази відбувається приріст сили опору в 1,5 рази), що пояснюється відмінностями характеру оброблення різними структурними елементами МАІ. Натомість, оброблення феромагнітних деталей характеризується пропорційним приростом сили опору від зростання розміру деталей. Підтверджено, що середовище МАІ можна віднести до типу бінгамівського через характер впливу швидкості на процес оброблення, особливо при малих значеннях магнітної індукції (0,2 – 0,22 Тл). Тобто МАІ має ознаки «квазірідкого» середовища при малих значеннях магнітної індукції (малій жорсткості) та «квазітвердого» - при великих значеннях індукції (більше 0,22 Тл). Визначено, що при оброблені малих діаметрів (8 мм), феромагнітні властивості матеріалу деталі створюють умови для псевдо розрідження магнітно-абразивного середовища, через яке значення сили опору при обробленні сталевого зразку нижче ніж при обробленні титанового на 10 – 20%. Натомість при обробленні деталей великого розміру сила опору сталевої деталі була на 10 – 30 % більшою ніж для титанової деталі через значний вплив магнітних властивостей деталі при її взаємодії з формоутвореннями МАІ. Встановлено, що співвідношення питомого опору, що має місце між деталями різної формами і МАІ (відносно площі безпосередньо оброблюваної поверхні) може бути описане коефіцієнтом форми деталі. Де найбільший коефіцієнт відповідає деталі з квадратним перерізом, а найменший – у вигляді циліндру. Визначено, що при обробленні феромагнітних деталей великого розміру (16 мм) присутнє явище розширення мертвої зони з МАП, яка формується на магнітних наконечниках, що суттєво (від 20 до 70 %) підвищує силу опору. Явище зумовлене магнітною взаємодією між деталлю та МАІ при безпосередній близькості полюсних наконечників до поверхонь деталі. Запропоновано схему взаємодії МАІ з феро- та парамагнітними деталями, що враховує напрямок переміщення МАП в робочій зоні зумовлений силами магнітного притягнення. Підтверджено, що при обробленні тонких деталей типу лопатки ГТД на великих швидкостях оброблення 3 – 3,5 м/с виникає явище розриву веретеноподібного утворення МАІ, що супроводжується різким (до 25%) зниженням сили опору (це явище є характерним тільки для відносно тонких деталей та відносно крупного порошку). Розглянуто явище періодичних коливань сили опору та вплив технологічних параметрів на величину цих коливань. Визначено, що періодичні коливання залежать від швидкості оброблення, тобто збільшенні швидкості оброблення з 1 до 3,5 м/с відбувається зменшення коливань з 40% до 15% відносно середнього значення сили опору. Визначено, що наближення оброблюваних поверхонь феромагнітних деталей до робочих поверхонь полюсних наконечників не тільки підвищує величину сили опору на 20 – 70 %, але й інтенсифікує процес різання на 20 – 30%. Це відбувається через взаємодію оброблюваних поверхонь деталі з ущільненими формуваннями МАІ (такі як «мертва» зона та конусоподібні формоутворення). З огляду на це було запропоновано враховувати наявність ущільнених зон МАІ при розробці технологічних процесів МАО. Робота дозволила вперше дослідити вплив реологічних властивостей МАІ в умовах великого магнітного зазору на процеси силової взаємодії, що відбуваються між МАІ і реальною деталлю при МАО з урахуванням характеристик оброблюваної деталі та магнітно-абразивних порошків. В ході роботи було експериментально підтверджено теоретичні припущення, щодо впливу характеристик МАІ та технологічних факторів на силову взаємодію деталі з МАІ при МАО у великих магнітних зазорах. Визначено зв'язок сил, що виникають між оброблюваною деталлю та МАІ та процесами видалення матеріалу при МАО. Результати роботи дозволили уточнити механізм формування МАІ і особливості його взаємодії з поверхнями деталей складної форми в умовах великих магнітних зазорів кільцевого типу, що зробило можливим розширення можливостей методу МАО і підвищення його ефективності і продуктивності.Документ Відкритий доступ Дискові обкатні фрези для обробки відрізних пил з нерівномірним кроком(2019) Парненко, Валерія Сергіївна; Равська, Наталія СергіївнаДокумент Відкритий доступ Комп’ютерно-інтегрована система забезпечення формоутворення зубчастих коліс(2018) Воронцов, Борис Сергійович; Пасічник, Віталій АнатолійовичДокумент Відкритий доступ Підвищення якості отворів при свердлінні тонкостінних виробів з ортотропних вуглепластиків(2016) Милокост, Ірина Олександрівна; Глоба, Олександр Васильович; інтегрованих технологій машинобудування; Механіко-машинобудівний інститут; Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"