Разработана «умная» система управления 3D-принтером для создания металлических изделий
Российские ученые усовершенствовали управление процессом 3D-печати из металлических материалов, дополнив эту технологию датчиком температуры. Созданные математические модели позволят оптимизировать производство, а проведенные эксперименты помогли разработать новые способы изготовления изделий. Работа опубликована в журнале Journal of Manufacturing Science and Technology. Исследования поддержаны Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.
Аддитивные технологии представляют собой поэтапное формирование изделия путем послойного добавления материала на основу. Их применение повышает эффективность производства и снижает материальные затраты. К таким технологиям относится, например, процесс электронно-лучевого аддитивного формообразования, широко использующийся в 3D-печати. Один из наиболее многообещающих методов — осаждение материала металлической проволоки электронным пучком — заключается в использовании сфокусированного электронного пучка в вакуумной среде для плавления проволоки, подающейся в жидкий металл на подложке, и создании из нее желаемой формы. Обычно данный метод применяется для изготовления деталей в аэрокосмической и авиационной промышленности. Однако управление этим процессом — технически непростая задача, поскольку необходимо обеспечивать постоянную форму наплавляемого слоя, а также учитывать свойства сплава. Для этого системы числового программного управления бывает недостаточно, и необходима обратная связь. Для отслеживания параметров слоя используются камеры, датчики отраженных электронов, устройства лазерного сканирования и многие другие приборы. Но ни один из них не дает возможности изменить форму и толщину нанесенного слоя, а только считывает его характеристики. Поэтому в дополнение к экспериментальным методам используется математическое моделирование, прогнозирующее нагрев и перенос массы металла.
Ученые из Национального исследовательского университета «МЭИ» ведут разработки в области научно-технических основ управления процессом электронно-лучевой 3D-печати. Они успешно моделируют процессы нагрева, плавления и перемещения жидкого металла под действием сил тяжести и уже создали модели, позволяющие не только детализировать основные закономерности производства, но и оптимизировать процесс, переходя к построению «цифрового двойника» данной технологии. Кроме того, ученые экспериментально исследовали, как нагревается и переносится металл, в том числе при колебании (осцилляции) пучка электронов в пространстве. Результаты показали, что при правильно выбранном режиме колебаний происходит перенос металла, таким образом, возможно менять форму создаваемых слоев, воздействуя на траекторию перемещения пучка и частоту осцилляции. Такое решение не имеет аналогов в данной области.
«Основным практическим выходом работы, безусловно, является создание системы автоматизированного управления процессом. Наиболее логичный подход — построение замкнутой системы, в которой осуществляется стабилизация какого-либо параметра, измеряемого с помощью датчика, например, температуры. Такая схема позволит устранить отклонения температуры от заданной, а значит, обеспечит постоянство размеров и формы наплавляемого слоя, а также стабилизирует физико-механические свойства металла по всей толщине изделия, — рассказывает профессор НИУ «МЭИ», доктор технических наук, руководитель проекта по гранту РНФ Алексей Щербаков. — Решить эту задачу не так просто, ведь скорости нагрева высоки, а на датчики воздействуют пары материала. На данный момент показана возможность регулировать температуру во время процесса с помощью интегрированных в систему управления регулятора и датчика — пирометра спектрального отношения, позволяющего определить температуру объекта по цвету его излучения. В этом случае созданные модели позволят заранее определять режимы воздействия и алгоритмы управления, что сократит время вспомогательных операций. Эти результаты, полученные с участием молодых участников проекта, наших аспирантов, характеризуются новизной и уже сейчас являются частями их диссертационных работ».