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 17-79-20015

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

РуководительЩербаков Алексей Владимирович, Доктор технических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2017 - 06.2020

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 словаАддитивные 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

СтатусУспешно завершен

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.

Ожидаемые результаты
Целью проекта является создание научно-технических основ управления процессом электронно-лучевого аддитивного формообразования на основе комплексного анализа процессов тепломассопереноса, обоснования и верификации алгоритма определения основных параметров наплавки, создание программного обеспечения для управления процессом послойного синтеза и прогнозирования режимов обработки, а также аппаратных средств для контроля основных параметров процесса, обеспечивающих снижение поперечных размеров наплавляемого валика, повышение воспроизводимости и минимизацию дефектообразования. Работу можно условно разделить на несколько этапов: 1. Разработка комплексной математической модели тепломассопереноса в процессе послойного синтеза методом электронно-лучевого нагрева жидкой ванны с подачей присадочной проволоки. Планирование экспериментов по выявлению закономерностей формирования валика металла, выработка критериев стационарности процесса и определение рациональных методов контроля параметров процесса на действующей электронно-лучевой установке. Основным результатом этапа является выявление аппаратных средств, позволяющих наилучшим образом контролировать параметры режима наплавки – температуры в характерных точках, поперечные размеры и форму валика, а также (возможно) иные параметры характеризующие тепломассоперенос. 2. Проведение серий экспериментов на действующих электронно-лучевых установках с целью верификации модели тепломассопереноса в процессе послойного синтеза. Апробация предложенных на первом этапе методов контроля параметров наплавки и выработка алгоритмов управления процессом (мощностью луча и скоростью его перемещения, параметрами сканирования луча и фокусировки, скоростью подачи присадочной проволоки). Выявление зависимостей между физико-механическими и структурными свойствами наплавленного материала и режимами наплавки. Выбор критериев оптимизации режимов наплавки и построение полей изменения величин, характеризующих режим работы установки (например, мощности луча и плотности мощности), обеспечивающих удовлетворительные физико-механические свойства и требуемую поперечную форму валиков. 3. Разработка аппаратных и программных средств для непрерывного контроля процесса формирования валика и управления процессом послойного формообразования, интегрируемых в систему управления серийно выпускаемого оборудования. Разработка прототипа системы управления процессом электронно-лучевой сварки и обработки с минимизацией порообразования. Создание макетного образца системы управления и разработка технического задания для изготовления источников электропитания электронной пушки, обеспечивающих автоматизированный послойный синтез изделий. Разработка аппаратных и программных средств для непрерывного контроля процесса формирования валика и управления процессом послойного формообразования. Создание макетного образца механизма подачи присадочной проволоки и универсального устройства для мониторинга параметров процесса. Разработка технического задания для изготовления источников электропитания электронной пушки, обеспечивающих автоматизированный послойный синтез изделий. Разработка параметрической модели, обеспечивающей рациональный выбор режима наплавки для того или иного материала с заданными параметрами наплавляемого валика, учитывающей не только процессы в жидкой ванне, но и характеристики самой установки как объекта управления. Ожидаемые в ходе выполнения этих этапов научные результаты: 1. Будет разработана комплексная физико-математическая модель, описывающая процессы тепломассопереноса в системе "присадочный материал – подслой" при нагреве электронным пучком с заданными энергетическими и геометрическими характеристиками, а также определенным законом перемещения (сканирования), позволяющая проводить параметрический анализ характеристик технологических режимов послойного синтеза конструкций в машиностроении. 2. На параметрическом уровне будут выявлены новые уточненные закономерности, связывающие режимы работы оборудования (геометрические и энергетические характеристики электронного пучка, закон его перемещения (сканирования), скорость подачи проволоки и ее диаметр, скорость перемещения пучка) с характеристиками формируемого слоя (скоростью переноса металла, температурным полем, формой и размерами наплавляемого валика, плотностью потока теплового излучения расплавленной ванны и др.). Эти закономерности позволят повысить эффективность управления процессом аддитивного формообразования, а также на качественно новом уровне проводить проектирование технологического оборудования – технологических пушек, систем перемещения и подачи присадочной проволоки, автоматизированных источников электропитания и систем непрерывного мониторинга и управления процессом. 3. На основании выявленных закономерностей будет построена параметрическая модель, позволяющая проводить синтез алгоритмов управления процессами послойного синтеза с учетом всех перечисленных выше влияющих факторов (режимов работы оборудования), а также при наличии возмущающих воздействий – влияния остаточного нагрева нижележащих слоев конструкции, выхода из стационарного режима массопереноса. 4. Будут созданы новые методики непрерывного "in situ" мониторинга параметров процесса аддитивного синтеза изделий методом электронно-лучевого сплавления присадочных проволок, включающие в себя новые аппаратные и программные решения, пригодные для применения в составе замкнутых систем управления технологическим процессом. 5. Уже на этапе предварительных исследований можно заключить, что будут получены новые результаты в области теории управления электротехнологическими процессами. Скорее всего, речь пойдет о создании систем с перестраиваемой структурой (адаптивных систем), выполненных по многоконтурному принципу и имеющих в качестве неизменяемой части сразу несколько объектов управления, характеризуемых нелинейностью. Также, несомненно, можно говорить о том, что создаваемая система будет иметь признаки интеллектуальной, и будет оснащена базой данных свойств наплавляемых материалов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проведен анализ процесса электронно-лучевого аддитивного формообразования как объекта управления. Выделены пять основных управляющих воздействий, которые могут регулироваться в процессе наплавки: ток электронного пучка, ток фокусировки, токи отклоняющих катушек, а также скорость подачи проволоки и скорость наплавки. Показано, что основными возмущающими воздействиями для процесса являются изменение температуры подслоя и формы валика, а факторами, влияющими на электронный луч, являются электрические поля (обусловленные присутствием диэлектрических материалов и частиц в области действия пучка, а также действием плазмы остаточных газов и паров металла в прикатодной области электронной пушки) и магнитные поля (обусловленные остаточной намагниченностью присадочного материала, подложки и оснастки). Разработан комплекс физико-математических моделей для исследования процесса электронно-лучевого аддитивного формообразования. Предложена математическая модель процесса наплавки на основе численного метода решения нестационарной задачи теплопередачи в декартовой системе координат с учетом нелинейности коэффициентов дифференциального уравнения, а также скрытой теплоты плавления и кристаллизации и показана возможность ее применения для анализа переходных процессов в системе управления установкой электронно-лучевой наплавки. Показана связь результатов моделирования с результатами, получаемыми на практике, а также их отличия, обусловленные тем, что в модели не рассмотрены процессы переноса жидкого металла. Модель реализована в виде программы в среде Microsoft Visual Studio. Математическая модель использована для исследования возможности независимого управления температурой ванны и ее протяженностью за счет каналов тока луча и токов развертки, а также оценки влияния температуры подслоя на распределение температуры в жидкой ванне при переходе от одного слоя к другому. С помощью модели была установлена возможность независимого управления температурой ванны и ее протяженностью. Эти результаты были опубликованы участниками проекта в виде статьи, прошедшей стадию рецензирования и принятой к публикации в журнале “Surface Engineering and Applied Electrochemistry”. Кроме того, была разработана модель тепломассопереноса при наплавке, основанная на системе уравнений Навье-Стокса для вязкой несжимаемой жидкости. Решение уравнений производилось с использованием Эйлеровой системы координат и апробированных итерационных методов для расчета поля скоростей, давлений и температуры, а также аппроксимации движения свободной поверхности расплава. Модель учитывает действие давления паров металла, приводящего к деформации поверхности жидкой ванны. Было принято решение о разработке третьей математической модели процесса, основанной на решении системы уравнений Навье-Стокса методом гидродинамики сглаженных частиц (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH). На основании литературного обзора были выбраны функции ядер сглаживания для перехода от дискретных частиц к «сглаженным» в пространстве. Все три уравнения системы Навье-Стокса были аппроксимированы для использования Лагранжевой системы координат, использовано уравнение состояния Тайта, наиболее часто применяемое в SPH-методе. Все предложенные уравнения легли в основу алгоритма, разработанного в среде VB.NET с использованием технологии параллельных потоков вычислений. Метод гидродинамики сглаженных частиц широко используется не только для моделирования жидких и газообразных сред, но также и для решения задач расчета упругих и неупругих деформаций в твердых телах. Это обстоятельство позволило провести моделирование процесса наплавки с деформацией проволоки, обусловленной механическим контактом с подложкой. Предварительные эксперименты по проведению процессов аддитивного формообразования проводились на электронно-лучевых сварочных установках с пушками типа ЭЛА (установки ЭЛА-15И и ЭЛА-15И-Орион, АЭЛТК-344-12). Разработан экспериментальный стенд для исследования процессов электронно-лучевого аддитивного формообразования. Отмечено укрупнение дендритных зерен по мере увеличения высоты наплавленных контуров, что связано с уменьшением скорости охлаждения расплавленного металла валиков. Геометрия наплавляемых валиков также зависит от режима отвода тепла от сварочной ванны в нижние слои металла. Показана принципиальная возможность применения метода непрерывного контроля сигналов токов изделия и проволоки для мониторинга процесса наплавки электронным лучом и предложена методика интерпретации регистрируемых сигналов, которая может быть использована для построения систем управления процессом. Предложена экспресс-методика измерения радиального распределения плотности тока J(r) по сечению электронных пучков, основанная на методе прямого края и вычислительной обработке временных зависимостей тока (кривых набегания). Показано, что методика необходима для математического восстановления объемного распределения плотности тока с использованием основных положений электронной оптики. В качестве альтернативной методики измерения распределений плотности тока предлагается метод двухщелевого зонда, ранее созданный авторами, который позволяет измерять пучки с плотностью до 100000 А/кв.м непосредственно в плоскости наилучшей фокусировки. Показана техническая возможность использования коротковолновой видеокамеры инфракрасного диапазона для регистрации распределения температуры по поверхности изделия в процессе наплавки. Показано, что для снижения влияния свечения плазменного факела, формируемого при ионизации паров металла, на регистрируемое изображение целесообразно использовать узкополосные светофильтры. Для определения спектрального распределения интенсивности свечения плазмы наплавляемых металлов требуется проведение дополнительных исследований. Показана потенциальная возможность бесконтактного измерения профиля наплавляемого валика и расстояния между валиком и электронной пушкой с помощью лазерных сканирующих измерителей расстояний и детектирования вторично-эмиссионных сигналов.

Публикации

1. 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)

2. 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)

3. 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) https://doi.org/10.24160/1993-6982-2017-5-8-14

4. 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) https://doi.org/10.24160/1993-6982-2018-2-72-79

5. 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)

6. 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)

7. 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)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Проведена верификация разработанных математических моделей тепломассопереноса при аддитивном формообразовании на основе анализа экспериментальных данных, полученных с использованием датчиков температуры (пирометров) и инфракрасной камеры коротковолнового диапазона. С помощью моделей установлены основные закономерности переноса металла, как при статичном положении луча, так и при наличии круговой развертки: ламинарный характер течения, возникновение закрученных потоков вероятно только в задней части ванны из-за взаимодействия с кристаллизовавшимся металлом. 2. Установлены новые закономерности, связывающие режим развертки луча и характер переноса металла. Использование «узкой» развертки, с амплитудой поперечного перемещения менее диаметра проволоки, позволяет формировать более узкие и высокие валики (отношение высоты к ширине порядка 1). Экспериментальным путем было установлено, что введение дополнительных низкочастотных колебаний луча в направлении задней части ванны за счет действия отдачи паров позволяет интенсифицировать перенос металла в сторону формируемого валика, и в еще большей степени повысить отношение его высоты к ширине (до 2). 3. Разработаны и апробированы методы контроля параметров процесса, а именно: создана методика калибровки SWIR-камеры с матрицей на основе InGaAs-фотодиодов, обеспечивающая возможность измерения температуры поверхностей различных материалов, применяемых для наплавки; разработана методика измерения расстояния «электронная пушка-изделие», основанная на детектировании сигналов отраженных электронов при сканировании поверхности валика электронным пучком, для верификации метода использован лазерный профилометр; подтверждена целесообразность применения пирометров с временем отклика 50-100 мс, оборудованных системой защиты от напыления, в качестве датчиков обратной связи при будущей реализации замкнутой системы управления процессом. 4. Анализ результатов моделирования и экспериментальных данных подтвердил перспективность создания параметрической модели для экспресс-прогнозирования результатов технологического процесса при реализации процессов многослойной наплавки изделий заданной формы и размеров. Фактически, такая модель может быть использована в качестве «цифрового двойника» технологии.

Публикации

1. 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) https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-1-86-92

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) https://doi.org/10.1007/978-3-319-95630-5_260

3. 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) https://doi.org/10.1109/ICEPDS.2018.8571782

4. 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)

5. 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) https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.284.300

6. 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)

7. 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) https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.284.523

8. 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)

9. 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)

10. 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)

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На базе электронно-лучевой сварочной установки ЭЛА-15И был создан стенд, на котором были отработаны различные варианты построения систем управления процессом электронно-лучевого аддитивного формообразования. Была показана возможность стабилизации температуры формируемого слоя, измеряемой с помощью пирометра спектрального отношения путем воздействия на стабилизатор тока электронного пучка. В результате была создана система управления, обеспечивающая постоянство температуры наплавляемого валика: https://www.gazeta.ru/science/news/2020/03/03/n_14110297.shtml Также был создан прототип двухконтурной системы управления процессом аддитивного формообразования, в первом контуре которой осуществляется стабилизация температуры валика, а во втором - стабилизация расстояния "электронная пушка - валик". В качестве датчика обратной связи возможно использование лазерного 2D-сканера и малогабаритного коллектора отраженных электронов. Во втором случае требуется периодическое отклонение пучка на уже кристаллизовавшийся валик. Был проведен комплекс как экспериментальных, так и теоретических исследований, показавших перспективность применения пространственной осцилляции пучка в направлении вдоль линии наплавки для повышения отношения высоты формируемого слоя к ширине. Развертки электронного пучка можно разделить на два типа. К первому относятся развертки, не оказывающие существенного влияния на характер переноса жидкого металла с фронта плавления на фронт кристаллизации. К этой группе принадлежат развертки в виде кольца, концентрических колец и эллипса. Ко второй группе относятся развертки, которые интенсифицируют перенос жидкого металла в область кристаллизации. К этому типу принадлежат развертки типа «пила», «синус», «зигзаг». Движение пучка при использовании такой развертки приводит к вытеснению жидкого металла на закристаллизованный валик, тем самым увеличивая его высоту и уменьшая ширину. Для исследования процессов переноса в жидкой ванне с помощью созданной на 1-2 этапах реализации данного проекта математической модели тепломассопереноса при течении жидкости со свободной поверхностью, основанной на методе VOF (Volume Of Fluid), были исследованы процессы переноса металла при воздействии осциллирующего электронного пучка. В качестве фактора, вызывающего деформацию поверхности жидкости, рассматривалось действие давления паров отдачи в области нагрева. Анализ результатов моделирования процесса наплавки проволоки из стали AISI 316 L показал, что длина жидкой ванны увеличивается с периодичностью, соответствующей колебаниям пучка, однако присутствует некоторая задержка (0,005 c), обусловленная инерционностью перемещения металла, связанной, прежде всего, с вязкостью. Также видно, что скорость удлинения жидкой ванны постепенно снижается наступает квазистационарный режим переноса: металл будет периодически перемещаться от проволоки вдоль ванны, но ванна при этом будет сохранять практически неизменную длину. Анализ графических изображений контуров ванны, получаемых в результате вычислительных экспериментов показал, что ванна имеет значительно большую протяженность вдоль продольной оси, что также подтверждает наличие эффекта направленного переноса. Верификация модели осуществлялась путем анализа кадров высокоскоростной видеозаписи, полученных с помощью камеры IDTOSOs7-S3 с частотой кадров 4000 кадров в секунду. Предложена методика построения комплексной математической модели процесса, которая, в случае применения технологии параллельных вычислений, может быть пригодна для создания "цифрового двойника" процесса в будущем. Результаты исследований за период реализации 3 этапа проекта опубликованы в 4 изданиях Scopus/Web of science, в том числе одна - в журнале с квартилем Q1.

Публикации

1. 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)

2. 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)

3. 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) https://doi.org/10.1088/1757-899X/681/1/012008

4. 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) https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2020.01.001

5. 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) https://doi.org/10.1007/978-3-030-22063-1_119

6. 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) https://doi.org/10.1007/978-3-030-22063-1_120

7. 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)

8. Д. А. Гапонова, А. В. Щербаков, В. П. Рубцов, Р. В. Родякина Способ стабилизации скорости подачи присадочной проволоки и устройство для его реализации -, решение о выдаче от 17.10.2019 (год публикации - )

9. - 3D-принтер металлических изделий снабдили «умной» системой управления Indicator (Индикатор); Свидетельство о регистрации СМИ ЭЛ № ФС 77-68389 выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) от 30 декабря 2016 года., Д. Юрьев. 3D-принтер металлических изделий снабдили «умной» системой управления // Индикатор. Технические науки. Опубликовано 09.03.2020 г. (год публикации - )

10. - Разработана «умная» система управления 3D-принтером для создания металлических изделий Газета.Ru (Gazeta.Ru). Свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-67642 выдано федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 10.11.2016 г., Разработана «умная» система управления 3D-принтером для создания металлических изделий // Газета.RU. Опубликовано 03.03.2020 (год публикации - )

11. - Аддитивные и перспективные Газета "Энергетика и промышленность России". Свидетельство о регистрации Роскомнадзора СМИ Эл № ФС77-68029 от 13.12.2016., Ирина Кривошапка. Аддитивные и перспективные // Газета "Энергетика и промышленность России". № 06 (386) март 2020 года (год публикации - )

12. - Аддитивные и перспективные Медиа-центр АО «РВК» — государственного фонда фондов и института развития венчурного рынка Российской Федерации., Аддитивные и перспективные. Опубликовано в медиа-центре АО "РВК". Источник - газета "Энергетика и промышленность России". Опубликовано 19.03.2020 (год публикации - )

13. - Разработана «умная» система управления 3D-принтером для создания металлических изделий Пресс-служба РНФ, Разработана «умная» система управления 3D-принтером для создания металлических изделий // Пресс-служба Российского Научного Фондра. Пресс-релиз. Опубликовано 02 марта 2020 г. (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Созданные в ходе реализации проекта разработки могут быть использованы для создания отечественных 3D-принтеров для производства изделий из металлических материалов, в которых подача материала осуществляется в виде проволоки. Применение проволоки обеспечивает существенное снижение себестоимости производства (прототипирования) изделий в сравнении с использованием в качестве исходного материала сфероидизированных порошков. Основным препятствием к внедрению данной технологии мировыми производителями на сегодняшний день является техническая сложность процесса управления: изменение условий теплообмена между расплавленной ванной и прилегающими слоями в процессе наплавки, потребность в точном совмещении пучка и проволоки, а также необходимость контроля расстояния между устройством подачи и формирующимся валиком (слоем) приводят к высокой вероятности возникновения дефектов, если процесс заранее не отработан. Применение созданных в работе научно-технических решений позволит внедрять аддитивные технологии на предприятиях, оснащенных электронно-лучевым сварочным оборудованием, а также позволит разрабатывать отечественные комплексы с системами стабилизации температуры слоя, не имеющими аналогов в мире.