Этап №2
В ходе выполнения проекта «Гибридный процесс изготовления деталей для аэрокосмической отрасли: моделирование, разработка программного обеспечения и верификация» по Соглашению о предоставлении субсидии от 03 октября 2017 г. № 14.583.21.0062 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» на этапе №1 в период с 01.01.2018 г. по 31.12.2018 г. запланированы следующие работы:
1. Разработка программ и методик исследовательских испытаний процессов тепломассообмена, остаточных напряжений и термоусадочных деформаций при изготовлении модельных изделий.
2. Изготовление устройства с дифференциальной откачкой для ввода проволочного материала в вакуумную камеру и его последующей подачи в зону обработки.
3. Модернизация электронно-лучевой установки для реализации технологии электронно-лучевого послойного синтеза изделий (сопряжения установки с многокоординатным столом и устройством с дифференциальной откачкой).
4. Изготовление специализированных плазмотронов для работы на прямой и обратной полярности тока с различными вариантами подачи оплавляемого проволочного материала (аксиальной и боковой).
5. Проведение 6 лабораторных испытаний специализированных плазмотронов, подтвержденных актом.
6. Модернизация роботизированного комплекса ARC MATE 100iC для реализации технологии плазменного послойного синтеза изделий.
7. Проведение экспериментальных исследований процессов тепломасообмена, остаточных напряжений и термоусадочных деформаций при изготовлении модельных изделий методом аддитивного формирования путем оплавления проволоки электрической дугой и концентрированными источниками энергии с целью верификации разработанных моделей процессов аддитивного формирования изделий.
8. Проведение многовариантного численного моделирования процессов тепломассообмена, остаточных напряжений и термоусадочных деформаций при изготовлении типовых крупногабаритных деталей аэрокосмической отрасли методом аддитивного формирования путем оплавления проволоки электрической дугой и концентрированными источниками энергии.
9. Разработка схемы базы данных макро- и микроструктур конструкционных металлических материалов, получаемых различными методами аддитивного формообразования.
10. Патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
Индийским партнером (Индийского института технологии Бомбея) на втором этапе запланированы следующие работы:
1. Интеграция модулей MSMA-HLM в единую систему.
2. Проведение исследований возможности снятия технологических напряжений при помощи механического ударного воздействия.
3. Разработка интеллектуального алгоритма для определения оптимальной последовательности применения систем контроля и фрезерования, модулей формирования изделия и траектории движения инструмента для каждого наносимого слоя материала.
4. Изготовление образцов изделий, полученных с использованием модулей MSMA для настройки моделей и верификации результатов численного моделирования работы подсистем MSMA-HLM.
Китайским партнером (Хуанчжунского университета науки и технологии) на втором этапе запланированы следующие работы:
1. Проведение экспериментальных исследований с целью верификации модели сварочной ванны во время процесса аддитивного производства изделий за счет оплавления проволочного материала при помощи лазера.
2. Разработка прототипа высокопроизводительного программного обеспечения для численного моделирования процесса оплавления проволочного материала лазерным лучом.
3. Описание прототипа высокопроизводительного программного обеспечения для численного моделирования процесса оплавления проволочного материала лазерным лучом при заданном диапазоне параметров управления.
Все предусмотренные вторым этапом плана-графика исполнения обязательств по проекту выполнены.
Были получены следующие результаты:
1. Предварительная численная реализация разработанных математических моделей тепломассопереноса, формирования полей остаточных напряжений и термоусадочных деформаций в изделиях, получаемых в процессе аддитивного формирования оплавлением проволочного материала, показала целесообразность разработки уточненных моделей этих процессов.
2. По результатам исследований, выполненных на модернизированном плазменном и электронно-лучевом оборудовании, установлено, что при выборе оптимальных режимов обеспечивается бездефектное формирование металла образцов при использовании в качестве источников тепла электрической дуги, плазменной дуги и электронного пучка. Верификация разработанных моделей тепломассопереноса, остаточных напряжений и термоусадочных деформаций при аддитивном процессе, проведенная на основе полученных экспериментальных данных, показала, что расхождение расчетных и экспериментальных результатов не превышает величины, установленной Техническим заданием к проекту.
3. При многовариантном численном моделировании процессов тепломассообмена, остаточных напряжений и термоусадочных деформаций при аддитивном процессе изготовлении типовых крупногабаритных деталей аэрокосмической отрасли установлено, что наиболее эффективным способом снижения деформаций изделия является повышение температуры среды. При этом снижение остаточных несовершенств изделий, полученных методом аддитивного послойного формирования, может осуществляться путем начальной инверсной коррекции формы виртуального прототипа и применения комбинации снижающих деформацию параметров процессов формирования изделия.
4. Разработанный интеллектуальный алгоритм определения оптимальной последовательности применения систем контроля и фрезерования, модулей формирования изделия и траектории движения инструмента для каждого наносимого слоя материала, обеспечил возможность интеграции модулей MSMA-HLM в единую систему.
5. Разработан прототип высокопроизводительного программного обеспечения для численного моделирования процесса оплавления проволочного материала лазерным лучом, верификация которого с использованием результатов экспериментальных исследований показала высокий уровень прогнозируемых результатов проекта. Сопоставление с результатами аналогичных работ в мире показывает актуальность выбранных подходов и высокий уровень прогнозируемых результатов проекта. Научная новизна будет заключаться также в сформулированной системе упрощающих гипотез, позволяющих проводить моделирование технологический операций аддитивного процесса с минимальными временными затратами на процедуру численного расчета.