Abstract: Problem. Increasing the productivity of additive manufacturing (Binder Jetting technology) is limited by the low speed of powder layer deposition while maintaining high geometric accuracy of the products. Traditional systems often lead to defects such as shear deformations, formation of local voids, and interlayer delamination. Aim. To develop and study a mathematical model of a mechatronic system for powder layer formation that allows improving the productivity and quality of 3D printing. Methods. A comparative analysis of deposition systems (blade, rotating roller, and the proposed mechatronic module) was carried out using analytical modeling and computer simulation in Altair EDEM 2023 and MatLab Simulink software. Results. The developed mathematical models describe the dynamics of granular material flows and the dependencies of powder flow rate on the motion parameters of the actuating elements. It was established that the proposed mechatronic system allows achieving a deposition speed of 2800 mm/s with a shear value of 1.98 mm. This is 14 times faster than when using a squeegee (200 mm/s, shear 5 mm) and 3.3 times faster than when using a rotating roller (850 mm/s, shear 2.4 mm), while maintaining Class 7 dimensional accuracy according to GOST 26645-85. Conclusions. The resulting mathematical models of granular material flow dynamics can form the basis for the physics of powder layer formation and research in the field of improving the quality of printed products.
Аннотация: Проблема. Повышение производительности аддитивного производства (технология Binder Jetting) ограничено низкой скоростью нанесения порошкового слоя при сохранении высокой геометрической точности изделий. Традиционные системы часто приводят к возникновению дефектов, таких как сдвиговые деформации, образование локальных пустот и межслойная деламинация. Цель. Разработать и исследовать математическую модель мехатронной системы формирования порошкового слоя, позволяющую повысить производительность и качество 3D-печати. Методы. Проведен сравнительный анализ систем нанесения (пластина, вращающийся ролик и предложенный мехатронный модуль) с использованием аналитического моделирования и компьютерного моделирования в среде Altair EDEM 2023 и MatLab Simulink. Результаты. Разработанные математические модели описывают динамику потоков сыпучих сред и зависимости расхода порошка от параметров движения исполнительных органов. Установлено, что предложенная мехатронная система позволяет достичь скорости нанесения 2800 мм/с при величине сдвига 1,98 мм. Это в 14 раз быстрее, чем при использовании прямоугольного ракеля (200 мм/с, сдвиг 5 мм), и в 3,3 раза быстрее, чем при использовании вращающегося ролика (850 мм/с, сдвиг 2,4 мм), при сохранении 7 класса точности размеров ГОСТ 26645-85. Выводы. Полученные математические модели динамики потоков сыпучих сред могут лечь в основу физики формирования порошкового слоя и исследований в области повышения качества печатных изделий.