Этап №3

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 №3 в период с 01.01.2019 г. по 31.12.2019 г. были получены следующие результаты:

Разработаны научные и научно-технические основы методологии компьютерного моделирования аддитивных технологий для обеспечения технологической подготовки и производства изделий аэрокосмической отрасли.
Разработано несколько подходов к моделированию тепломассопереноса при аддитивном процессе формирования изделия оплавлением проволочного материала и их численная реализация. Математические модели позволяют рассчитывать нестационарные объемные распределения температур, скоростей течения расплава, давлений, форму и размеры расплавленной ванны, форму свободной поверхности расплавленного металла, форму и размеры наплавляемого валика.
Представлена классификация типовых объектов, изготавливаемых методами проволочной наплавки, а также подходов к моделированию термомеханических процессов при их формировании.
Представлена методика определения параметров технологических режимов наплавки при аддитивном формообразовании крупногабаритных изделий аэрокосмической отрасли. Методика позволяет определить, как требуемое изменение мощности вдоль траектории наплавки, так и изменение при переходе от слоя к слою.
Представлены основы расчетно-экспериментальных методик определения параметров технологических режимов аддитивного формообразования изделий, обеспечивающих снижение остаточных напряжений и деформаций при заданном наборе управляющих параметров.
Осуществлено численное моделирование процессов тепломассообмена, остаточных напряжений и термоусадочных деформаций при изготовлении типового изделия аэрокосмической отрасли. Получены поля значений параметров технологических режимов производства изделий оплавлением проволочного материала электрической дугой, обеспечивающие уменьшение значений остаточных напряжений в деталях и коробление их формы.
Проведена оптимизация термических циклов при аддитивном формировании изделий по критериям структуры и механических свойств наплавленного металла на примере трех групп материалов: титановых сплавов, алюминиевых сплавов, высоко- и среднелегированных сталей.
Разработаны рекомендации по сопутствующей и последующей термической обработке изделий, полученных аддитивным формированием. При разработке рекомендаций были учтены результаты исследований возникающих при наплавке термических циклов и структуры, механических свойств наплавленного металла на примере трех групп материалов: титановых сплавов, алюминиевых сплавов, высоко- и среднелегированных сталей.
Разработан прототип компьютерной экспертной системы прогнозирования результатов процесса аддитивного формирования крупногабаритных деталей аэрокосмической отрасли оплавлением проволочного материала электрической дугой и концентрированными источниками энергии.

— Составлена спецификация к экспертной системы прогнозирования результатов процесса аддитивного формирования крупногабаритных деталей.

— Разработано описание программы компьютерной экспертной системы прогнозирования результатов процесса аддитивного формирования крупногабаритных деталей.

— Разработан текст программы компьютерной экспертной системы прогнозирования результатов процесса аддитивного формирования крупногабаритных деталей.

— Разработано руководство пользователя к программе компьютерной экспертной системы прогнозирования результатов процесса аддитивного формирования крупногабаритных деталей.

Создана база данных макро- и микроструктур, реализованная в форме веб-ресурса с возможностью обращения из любого локально установленного экземпляра компьютерной экспертной системы прогнозирования процесса аддитивного формирования крупногабаритных деталей.

— База данных наполнена экспериментальными данными по ряду материалов, используемых в процессе проволочной наплавки, а также их свойствам, зависящих от метода аддитивного формообразования и режимов работы оборудования.

Выполнены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.

Индийским партнером (Индийского института технологии Бомбея) были получены следующие результаты:

Выполнены опытные испытания системы MSMA-HLM (система многопозиционного многоосного гибридного послойного производства):

— В системе MSMA-HLM отдельные модули интегрированы в единую систему, путем физической интеграции управления на базе станков с ЧПУ с единым программным управлением стандарта GCODE, а также за счет разработки единого алгоритма осуществления наплавочных, фрезерных и проковочных операций. В ходе проведенных работ была осуществлена калибровка системы позиционирования MSMA-HLM с использованием встроенного функционала системы ЧПУ установки.

— Диапазон функциональных возможностей модулей, реализующих различные процессы, выбран исходя из требований, предъявляемых к изготавливаемым деталям. Отдельные исполнительные узлы системы откалиброваны на предмет соответствия основных выходных величинам.

Китайским партнером (Хуанчжунского университета науки и технологии) были получены следующие результаты:

Испытан прототип высокопроизводительного программного обеспечения для численного моделирования процесса оплавления проволочного материала лазерным лучом.

— Для различных параметров процесса прогнозируемые изменения морфологии находятся в соответствии с экспериментальными результатами. Предлагаемый метод численного моделирования и программное обеспечение могут быть применены к другим методам аддитивного производства.

— Для дальнейшего повышения эффективности моделирования процесса изготовления крупных деталей может потребоваться метод, объединяющий подходы Computational Fluid Dynamics и Finite Element Methods. В сравнении с существующими методами это является перспективным, с точки зрения точности и эффективности моделирования.

Сопоставление с результатами аналогичных работ в мире показывает актуальность выбранных подходов и высокий уровень результатов проекта. Научная новизна заключаться в сформулированной системе упрощающих гипотез, позволяющих проводить моделирование технологический операций аддитивного процесса с минимальными временными затратами на процедуру численного расчета.