Сегодня аддитивные технологии — послойное изготовление деталей на основе компьютерной 3D-модели — позволяют по-новому взглянуть на процесс производства. Их активно используют в медицине, авиа- и машиностроении. Применение аддитивных технологий может заменить импортные запчасти и снизить транспортные и логистические затраты. С их помощью создают изделия любой, даже самой сложной, геометрической формы с высокой скоростью. Для этого используют порошковые материалы, но они не всегда позволяют напечатать деталь нужного качества. Альтернативой является металлическая проволока. Изделие формируется путем осаждения расплавленного материала слой за слоем. Этот процесс осуществляют с помощью электронно-лучевой сварки. Чтобы предотвратить появление дефектов необходимо постоянно корректировать положение луча. Из-за сложной формулы вычисления происходят медленно, что снижает скорость печати. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая автоматически контролирует отклонения электронного пучка по сигналам датчика обратной связи. Это позволит ускорить процесс наплавки и улучшить качество деталей.
Исследование ученых опубликовано в журнале «Дефектоскопия», 2022. Работа выполнена при поддержке Программы академического стратегического лидерства «Приоритет-2030».
— Актуальной проблемой процесса электронно-лучевой наплавки проволочным материалом является сохранение центра осцилляции электронного пучка и центра присадочной проволоки на одной оси. Точность позиционирования пучка относительно проволоки значительно влияет на процесс наплавки и, как следствие, на качество изделия, — рассказал доктор технических наук, проректор по разработкам и инновациям, профессор кафедры сварочного производства, метрологии и технологии материалов ПНИПУ Дмитрий Трушников.
Математическая модель, разработанная пермскими учеными, построена на результатах предыдущих работ. Ранее политехники создали модель формирования сигнала излучения при взаимодействии луча и проволоки. Полученная зависимость выражена интегралом от кусочно-заданной функции. Его нахождение является сложной вычислительной задачей, что делает использование результата на практике затруднительным. Для решения этой проблемы ученые нашли приближенное представление для интегрального выражения в простом виде. Результаты позволили корректировать положение электронного луча с помощью сигналов датчиков, оценить погрешность и увеличить точность моделирования.
— Для нахождения численного решения необходимо время и ресурсы вычислительных систем. Построенная модель позволяет получить необходимую информацию о положении электронного пучка с минимальными затратами вычислительных ресурсов, с наперед заданной точностью за минимальное время. Для большинства задач будет достаточно первого приближения, а для увеличения точности можно использовать полученную формулу в более полном виде, — рассказал кандидат физико-математических наук, доцент кафедры высшей математики ПНИПУ Елена Кротова.
Результаты пермских ученых позволят использовать математическую модель в связке с быстродействующими микроконтроллерами. На основе этого можно создать системы оперативного управления, которые улучшат качество наплавляемых изделий.
— В дальнейшем наша работа поспособствует разработке системы автоматического управления величиной отклонения электронного пучка относительно наплавляемой проволоки. То есть, появится возможность решать более широкий класс задач — увеличить множество геометрических форм и механических свойств валиков, — добавил аспирант ПНИПУ Сергей Стариков.
Сейчас ученые активно работают над внедрением разработки в производство.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60% — региональные университеты.