В отличие от традиционных методов производства, где до 90% материалов могут превратиться в отходы, 3D-печать металлами позволяет существенно снизить потребление ресурсов. Энергозатраты также сокращаются, а конечные изделия могут быть на 60% легче, что особенно важно в таких отраслях, как авиационная промышленность. Но часто эффективность аддитивных технологий снижается из-за проблем качества и стабильности процесса. Ученые Пермского Политеха выявили основные факторы, влияющие на конечный результат создания 3D-изделий, и разработали конструкционные и программные решения. Это повысит уровень производства и качества получаемых деталей.
Статья опубликована в журнале «Электротехника, информационные технологии, системы управления» № 2 за 2024 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Печать в промышленном 3D-принтере осуществляет робот-манипулятор. Программируемый логический контроллер (ПЛК) передает системе управления необходимые команды для регулирования работы. Основная функция механизма — непрерывная подача нужного объема проволоки из накопителя с требуемой скоростью, что осуществляется с помощью ПЛК.
Ученые Пермского Политеха проанализировали процесс 3D-печати металлами и выявили основные факторы, снижающие качество изделий. Первый — деформация проволоки в изолирующем канале (трубки, удерживающей материал внутри зоны печати), которая приводит к снижению частоты ее касания с наплавляемой поверхностью. Второй фактор — сдвиги высоты слоя из-за неравномерного распределения воздействий на расплавленный материал, что становится причиной неоднородности и дефектов. Третий — изменение погонной энергии, то есть той, что затрачена на длину сварного шва при плавлении металла. Это изменение повышает износ движущихся механизмов и компонентов принтера. Для каждой проблемы политехники предложили конструктивное решение.
Скопление проволоки в изолирующем канале можно нивелировать, переместив подающий двигатель с роликами ближе к накопителю и добавив дополнительный компенсационный двигатель. Это снизит риск перенапряжения и стабилизирует работу процесса печати. Внедрение метода требует установки датчика заполнения для автоматизации процесса и повышения эффективности работы системы.
— В процессе аддитивного производства недопустимы остановки на переналадку процесса и изменения условий. Свойства формируемых материалов крайне чувствительны к параметрам термических циклов. Так при выращивании изделий из титанового сплава ВТ6 при несоблюдении стабильности скоростей охлаждения можно потерять в прочности материала до 100 Мпа, а в пластичности до 10%, — рассказывает Дмитрий Трушников, доцент кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов» ПНИПУ, доктор технических наук.
— Чтобы минимизировать воздействие на материал и сдвиг высоты слоя, мы рекомендуем внедрить систему управления с искусственным интеллектом. ИИ автоматически оптимизирует параметры наплавки на основе данных о структуре поверхности (регулирование температуры, скорости подачи материала и т.д.). Необходимо установить камеры для точного определения места возникновения дефекта и его коррекции на последующих слоях. Что касается изменения погонной энергии – проблема требует использования датчиков температуры для автоматической регулировки параметров производства, — комментирует Игорь Безукладников, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Предложенные учеными ПНИПУ решения способствуют разработке более надежных и точных систем 3D-печати металлами, что повышает эффективность производственных процессов и качество изделий. Полученные результаты могут повысить конкурентоспособность компаний и стимулировать инновационные изменения в сфере отечественного производства металлических деталей.
