Создание научно-технических основ управления процессом электронно-лучевого аддитивного формообразования

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-79-20015

НазваниеСоздание научно-технических основ управления процессом электронно-лучевого аддитивного формообразования

Руководитель Щербаков Алексей Владимирович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" , г Москва

Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-307 - Электрофизические аспекты новых технологий

Ключевые слова Аддитивные технологии производства, электронно-лучевая наплавка, концентрированные потоки энергии, новые методы контроля и управления технологическими процессами, математическое моделирование, системы сбора данных и управления

Код ГРНТИ45.43.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Первые промышленные технологии наплавки металлических материалов были внедрены еще в 1940-е годы. В этих процессах для наплавки присадочного материала применялась электрическая дуга. Значительно позже, в 1970-е годы, были разработаны серийные машины для сварки и наплавки с применением автоматической подачи присадочной проволоки, использующие не только дуговые, но и концентрированные источники нагрева — плазменную струю, лазерный и электронный луч. Однако все перечисленные разработки применялись лишь для осуществления достаточно простых операций — ремонта и восстановления изношенных поверхностей простой формы (валов, рабочих кромок) с последующей механической обработкой, а также для сварки. Интерес к применению технологий наплавки металлических материалов для послойного синтеза конструкций возник после появления так называемых 3D-принтеров во второй половине 1980-х годов [1]. В результате во многих научных центрах была начата и ведется разработка установок для послойной наплавки изделий из металлических материалов на основе перечисленных технологий. Одной из наиболее перспективных технологий аддитивного формообразования изделий из металлических материалов является технология электронно-лучевого послойного синтеза конструкций сложной формы путем наплавки валиков, формируемых переплавкой подаваемой присадочной проволоки — так называемая EBF3 технология [2]. Однако на текущем этапе развития данная технология имеет ряд существенных ограничений по областям применения и пока не может вытеснить широко применяемые методы механической обработки цельных заготовок. Это связано, во-первых, с непостоянством температурного режима жидкой ванны металла из-за влияния остаточного нагрева всей наплавляемой конструкции, а также с накоплением термических напряжений и возникновением деформаций изделия. Кроме того, из-за влияния зон повторного нагрева микро- и макроструктура формируемого материала также становится неоднородной, поэтому весьма вероятно появление анизотропии механических свойств. В этой связи весьма актуальной задачей является разработка систем управления процессом наплавки с обратными связями (замкнутых систем). Уже сегодня имеются публикации и патенты, свидетельствующие о создании ряда прототипов таких систем [3,4]. Так, известны системы, в которых в качестве источника информации о распределении температуры в жидкой ванне наплавляемого металла используется изображение, получаемое с помощью тепловизоров [5], а также сигналы единичных фотодетекторов или фотоприемных линеек ИК-диапазона [6]. В опубликованных работах показано, что построение замкнутых систем на базе тепловизоров и камер инфракрасного диапазона с многоэлементными детекторами затруднено из-за ряда факторов. К ним относятся: необходимость калибровки сенсоров камер по времени накопления сигнала под каждый наплавляемый материал (из-за различий в излучательной способности материалов), потребность в установке различных фильтров оптического излучения для устранения эффекта засветки изображения как для различных материалов, так и для различных режимов наплавки, ограниченная частота кадров для моделей с приемлемым пространственным разрешением и динамическим диапазоном (30—50 Гц), либо, при высокой частоте кадров (до 1700 Гц), их высокая стоимость, сравнимая со стоимостью всей установки. Использование в качестве датчиков приборов для измерения локальных значений температуры поверхности ванны металла также накладывает определенные технические ограничения. Так, современные промышленные пирометры имеют минимальный размер фокусного пятна 2,5—4 мм, что, как правило, превышает диаметр наплавляемой проволоки и соизмеримо с шириной наплавляемого валика. В то же время применение пирометров спектрального отношения позволяет отказаться от рутинной процедуры калибровки, исключить многие возмущающие факторы (присутствие паров металла, изменение фоновой освещенности), а время одного измерения в таких приборах не превышает единиц миллисекунд. Вопрос выбора типа датчика не является единственной проблемой, возникающей при стремлении создать замкнутую систему управления процессом аддитивного формообразования. Для определения базовой структуры системы необходим предварительный анализ процесса послойной наплавки как объекта управления. Вне зависимости от типа используемого в перспективе датчика предлагается решить актуальную задачу разработки базовых принципов замкнутого управления наплавкой присадочной проволоки с учетом динамических процессов в жидкой ванне, обусловленных влиянием зон повторного нагрева. Решение этой задачи на данном этапе развития техники в упомянутой области позволит разработчикам систем управления выработать типовой подход и сформулировать требования к элементной базе датчиков и исполнительных устройств. Кроме того, существующие разработки и прототипы оборудования не обеспечивают гарантированного качества материала (механических, структурных, химических и иных свойств) во всем диапазоне регулирования характеристик процесса. Существующие разработки в большинстве случаев либо требуют последующей механической обработки изделий, либо изначально ориентированы на построение изделий с развитой, шероховатой поверхностью, что существенно снижает экономическую эффективность их внедрения. В этом смысле более перспективным решением является технология послойной наплавки с использованием присадочных проволок (обеспечивается меньшая пористость металла и удельных расход сырья), однако поперечные размеры валика (несколько миллиметров в ширину и высоту) пока не позволяют сделать данную технологию конкурентоспособной. Все это подтверждает актуальность проведения фундаментальных исследований в данном направлении. Более детальное изучение физических процессов воздействия электронного пучка на металлические материалы при аддитивном формообразовании, выработка непротиворечивых гипотез, их теоретическое и экспериментальное обоснование позволят получить решение междисциплинарной задачи взаимодействия электронных пучков с металлами на качественно новом уровне и разработать способы непрерывного контроля параметров процесса, а также алгоритмы управления электротехнологическим оборудованием. Научная новизна Анализ существующих публикаций показывает, что развитие систем управления процессами электронно-лучевого аддитивного формообразования пока находится на начальном уровне, в отличие от других технологий, реализуемых с помощью электронного луча. Это прежде всего связано с малым накопленным опытом в области данной технологии применительно к широкому кругу материалов, а также с отсутствием моделей, пригодных для анализа связи процессов наплавки с параметрами, характерными для аддитивных процессов. Выявление указанных закономерностей и разработка с их учетом новой непротиворечивой комплексной модели электронно-лучевой послойной наплавки позволят варьировать пространственно-временные характеристики теплового источника и анализировать процессы тепломассопереноса в системе "присадочный материал - жидкая ванна". Создание подобных моделей позволит, в свою очередь, выработать критерии перехода к стационарному режиму послойного синтеза изделий, а также по рассчитанным в модели параметрам выработать наиболее подходящие методы контроля процесса (измерение размеров наплавляемого валика, размеров жидкой ванны или температуры в характерных точках). После определения критериев стационарности процесса и выбора методов контроля будут, очевидно, получены и новые результаты в области теории управления электротехнологическими процессами. Такое предположение можно сделать исходя из того, что по большей части анализируемые процессы являются нелинейными и взаимосвязанными, а потому структура системы управления будет, скорее всего, перестраиваемой, многоконтурной и будет иметь корректирующие элементы. 1. Charles W. Hull. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography / Патент US 4,575,330 A / опубл. 11 марта 1986 г. 2. Gibson I., Rosen D., Stucker B. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer-Verlag New York, 2015. 498 p. 3. Stecker S. Electron beam layer manufacturing using scanning electron monitored loop control / Патент US 8,598,523 B2 / опубл. 3 декабря 2013 г. 4. Taminger K.М., Hafley R.A., Martin R.E., Hofmeister W.H. Closed-loop process control for electron beam freeform fabrication and deposition processes / Патент US 8,452,073 B2, опубл. 28 мая 2013 г. 5. Zalameda J.N., Burke E.R., Hafley R.A., Taminger K.M., Domack C.S., Brewer A., Martin R.E.. Thermal imaging for assessment of electron-beam freeform fabrication (EBF3) additive manufacturing deposits // Proc. SPIE 8705, Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXV, 87050M (May 22, 2013); doi:10.1117/12.2018233. 6. Everton S.K., Hirscha M., Stravroulakis P., Leach R.K., Clare A.T. Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing // Materials and Design 95 (2016) 431–445.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Щербаков А.В., Родякина Р.В., Гапонова Д.А. Using of Smoothed Particle Hydrodynamics Method for Constructing a Mathematical Model of Electron-Beam Surfacing Process Solid State Phenomena, https://www.scientific.net/SSP.284.523 (год публикации - 2018)
10.4028/www.scientific.net/SSP.284.523

2. Гапонова Д.А., Щербаков А.В., Родякина Р.В. Investigation of Wire Feed Control Channel in Additive Manufacturing Unit Lecture Notes in mechanical engineering, Lecture Notes in mechanical engineering (book series): International Conference on Industrial Engineering ICIE 2018: Proceedings of the 4th International Conference on Industrial Engineering pp 2411-2418 (год публикации - 2018)
10.1007/978-3-319-95630-5_260

3. Грибков М.С., Портнов М.А., Кожеченко А.С. Influence of Electrode Gap’s Value in Electron Gun on the Penetrating Ability of Electron Beam during the Implementation of Additive Processes Solid State Phenomena, Volume 284, pp.300-305 (год публикации - 2018)
10.4028/www.scientific.net/SSP.284.300

4. Гуденко А.В., Слива А.П., Драгунов В.К., Щербаков А.В. Особенности формирования изделий методом электронно-лучевой наплавки Сварочное производство, номер 8(1005), 2018, с. 12-19 (год публикации - 2018)

5. Вахмянин Н.М., Щербаков А.В., Гапонова Д.А. Разработка источника питания управляющего электрода технологической электронной пушки Вестник МЭИ, номер 1, 2019, с. 86-92 (год публикации - 2019)
10.24160/1993-6982-2019-1-86-92

6. Гапонова Д.А., Щербаков А.В., Рубцов В.П., Клюшин Р.Р. Повышение эффективности управления установкой электронно-лучевого аддитивного формообразования Промышленная энергетика (год публикации - 2019)

7. Щербаков А.В., Родякина Р.В., Гапонова Д.А., Вахмянин Н.М., Клюшин Р.Р. Вопросы повышения эффективности электронно-лучевых установок для аддитивного формообразования изделий из металлических материалов с подачей присадочного материала в виде проволоки Фёдоровские чтения - 2018. XLVIII Международная научно-практическая конференция с элементами научной школы. Cборник трудов., стр. 87-91 (год публикации - 2018)

8. Щербаков А.В., Гапонова Д.А., Родякина Р.В., Рубцов В.П. Применение математической модели для исследования процессов многослойной наплавки при аддитивном формообразовании Материалы XVII Международной конференции "Электромеханика, Электротехнологии, Электротехнические Материалы и Компоненты". Тезисы докладов., стр. 305-308 (год публикации - 2018)

9. Гапонова Д.А., Щербаков А.В., Родякина Р.В., Вахмянин Н.М. Development of the optical method for measure the wire feed speed in the electron beam additive manufacturing process Proceedings of 2018 X International Conference on Electrical Power Drive Systems (ICEPDS), OCT 03-06, 2018, IEEE Xplore Library, 2018 10th International Conference on Electrical Power Drive Systems, ICEPDS 2018 - Conference Proceedings 10 December 2018, Номер статьи 8571782 (год публикации - 2018)
10.1109/ICEPDS.2018.8571782

10. Гапонова Д.А., Щербаков А.В., Родякина Р.В., Рубцов В.П. Разработка структуры системы управления процессом электронно-лучевого аддитивного формообразования Материалы XVII Международной конференции "Электромеханика, Электротехнологии, Электротехнические Материалы и Компоненты". Тезисы докладов., стр. 372-375 (год публикации - 2018)

11. Щербаков А.В.,Гапонова Д.А., Родякина Р.В. Control of Weld Bead Position in Additive Manufacturing Process with Using Backscattered Electron Collector Signal Lecture Notes in Mechanical Engineering, Radionov A., Kravchenko O., Guzeev V., Rozhdestvenskiy Y. (eds) Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019). ICIE 2019. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham, pp. 1127-1135 (год публикации - 2019)
10.1007/978-3-030-22063-1_120

12. В.К.Драгунов, М.В.Горячкина, А.В.Гуденко, А.П.Слива, А.В.Щербаков Investigation of the optimal modes of electron-beam wire deposition IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, Volume 681 (2019), 012008 (год публикации - 2019)
10.1088/1757-899X/681/1/012008

13. Щербаков А.В., Гапонова Д.А., Родякина Р.В. Numerical Modeling of Heat Transfer and Material Flow During Wire-Based Electron-Beam Additive Manufacturing Lecture Notes In Mechanical Engineering, Radionov A., Kravchenko O., Guzeev V., Rozhdestvenskiy Y. (eds) Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019). ICIE 2019. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham, pp. 1115-1125 (год публикации - 2019)
10.1007/978-3-030-22063-1_119

14. А.В. Щербаков, Д.А. Гапонова, Р.В. Родякина, А.В. Гуденко, А.П. Слива, В.П. Рубцов, В.К. Драгунов Simulation of heat transfer and metal flow in wire-based electron beam additive manufacturing Proceedings of the II International Conference on Simulation for Additive Manufacturing - Sim-AM 2019 A publication of: International Centre for Numerical Methods in Engineering (CIMNE) Barcelona, Spain, Proceedings of the II International Conference on Simulation for Additive Manufacturing - Sim-AM 2019 (Pavia, Italy), pp.335-346 (год публикации - 2019)

15. А.В.Щербаков, Д.А. Гапонова, Р.В. Родякина, А.П.Слива Электронно-лучевая технология аддитивного формообразования: вопросы управления и воспроизводимости технологических режимов Технический оппонент, Выпуск 2(3), октябрь 2019, с. 30-37 (год публикации - 2019)

16. Гапонова Д.А., Родякина Р.В., Гуденко А.В., Слива А.П., Щербаков А.В. Effect of reheating zones in additive manufacturing by means of electron beam metal wire deposition method CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 28 (2020) 68–75 (год публикации - 2020)
10.1016/j.cirpj.2020.01.001

17. А.В. Щербаков, Д.А. Гапонова, А.П. Слива, А.В. Гуденко, Р.В. Родякина, А.Л. Гончаров, В.П. Рубцов, В.К. Драгунов Аддитивное формообразование на основе технологии электронно-лучевой наплавки с подачей присадочной проволоки Аддитивное формообразование на основе технологии электронно-лучевой наплавки с подачей присадочной проволоки, Издательство "Спутник+", г. Москва, М.: Издательство «Спутник +», 2020. – 191 с. (год публикации - 2020)

18. Кожеченко А.С., Щербаков А.В., Родякина Р.В., Гапонова Д.А. Методика автоматизированного измерения пространственных распределений плотности тока технологических электронных пучков Вестник Московского Энергетического Института, Вестник Московского Энергетического Института. 2018. № 2. С. 72-79 (год публикации - 2018)
10.24160/1993-6982-2018-2-72-79

19. Гапонова Д.А.,Вахмянин Н.М., Щербаков А.В. Анализ процесса электронно-лучевого аддитивного формообразования как объекта управления Сборник материалов и докладов "Вторая международная конференция "Электронно-лучевая сварка и смежные технологии".Научное электронное издание, Вторая международная конференция Электронно-лучевая сварка и смежные технологии»// "Национальный Исследовательский Университет "МЭИ"" 14-17 ноября 2017 года: Сборник материалов и докладов -М.: Издательство МЭИ, 2017. – 534 с. С. 250-256. (год публикации - 2017)

20. А. В. Щербаков, Р. В. Родякина, А. С. Кожеченко, Н. М. Вахмянин, Д. А. Гапонова, В. П. Рубцов Особенности управления процессом электронно-лучевого аддитивного формообразования Электронная обработка материалов / Surface Engineering and Applied Electrochemistry, Vol. 54 (2018), Issue 6 (год публикации - 2018)

21. Гуденко А.В., Драгунов В.К., Слива А.П. Методика определения режимов послойной электронно-лучевой наплавки проволоки для аддитивных технологий Вестник Московского энергетического института, 2017, № 5, с. 8-14 (год публикации - 2017)
10.24160/1993-6982-2017-5-8-14

22. Харитонов И.А., Мартынов В.Н., Щербаков А.В., Драгунов В.К., Гапонова Д.А. Особенности электронно-лучевой сварки с применением присадочной проволоки Сборник материалов и докладов "Вторая международная конференция "Электронно-лучевая сварка и смежные технологии"". Научное электронное издание, Вторая международная конференция Электронно-лучевая сварка и смежные технологии»// "Национальный Исследовательский Университет "МЭИ"" 14-17 ноября 2017 года: Сборник материалов и докладов -М.: Издательство МЭИ, 2017. – 534 с. С. 257-265. (год публикации - 2017)

23. Щербаков А.В., Мартынов В.Н., Харитонов И.А., Гапонова Д.А., Родякина Р.В., Драгунов В.К. Контроль параметров процесса электронно-лучевой наплавки с использованием сигналов токов проволоки и изделия Электротехника / Russian Electrical Engineering, №4, С. 37 - 42 (год публикации - 2018)

24. Щербаков А.В., Родякина Р.В., Слива А.П., Портнов М.А., Гончаров А.Л., Гапонова Д.А., Кожеченко А.С. Разработка элементов математической модели процесса электронно-лучевого аддитивного формообразования Сборник материалов и докладов "Вторая международная конференция "Электронно-лучевая сварка и смежные технологии". Научное электронное издание, Вторая международная конференция Электронно-лучевая сварка и смежные технологии» // "Национальный Исследовательский Университет "МЭИ"" 14-17 ноября 2017 года: Сборник материалов и докладов -М.: Издательство МЭИ, 2017. – 534 с. С. 238-249. (год публикации - 2017)

Публикации