Підвищення ефективності лазерного сплавлення порошкового матеріалу керуванням формою газопорошкового струменя

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07-Процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». Київ, 2011.

Дисертація присвячена розробці методів та підходів, спрямованих на підвищення якості та продуктивності реалізації технології «Карій Ргоіоіуріпд». За допомогою чисельного моделювання руху багатофазного потоку у програмному комплексі Апзуз СРХ, були розраховані оптимальні аеродинамічні показники засобу доставки порошкового матеріалу у зону дії сфокусованого лазерного випромінювання та розроблено пристрій коаксіальної подачі порошкової композиції у зону обробки. Адекватність теоретичних розрахунків була перевірена експериментальним шляхом, з застосуванням сучасної сервісної техніки відео реєстрації та антропоморфного роботизованого комплексу РМ-01. Результати комп'ютерного моделювання поводження газопорошкового струменя у зоні дії сфокусованого лазерного випромінювання, показали можливість керування формою та дисперсним складом порошкової композиції у зоні обробки, та довели можливість використання чисельного моделювання, в якості універсального засобу для проектування коаксіальних сопел. Експериментальні дослідження проводились за допомогою математико-статистичних методів, що дозволило отримати адекватні квадратичні моделі висоти (Н), ширини (В), продуктивності (Т), суцільності (М) внутрішньої мікроструктури сплавлених примітивів, крім того визначено технологічні фактори (геометрія кутів утворюючих сопла, положення підкладки відносно зрізу сопла) процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу, які мають мінімальну інерційність впливу на функції відгуків, що дає можливість підтримувати постійний рівень якості лазерного сплавлення порошкової композиції. В роботі також представлена розроблена методика оптимізації режимів лазерного технологічного устаткування, які забезпечують найкращі показники суцільності (кількісні показники пустих фрагментів, раковин, мікротріщин виражених у відсотковій формі) внутрішньої мікроструктури сплавлених примітивів.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07-Процессы физико-технической обработки. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». Киев, 2011.

Диссертация посвящена разработке методов и подходов, направленных на повышение качества и производительности реализации технологии «Rapid Prototyping». В работе представлено использование современных средств численного моделирования, для расчетов аэродинамических показателей средства доставки порошкового материала ПГСР-3 в зону воздействия сфокусированного лазерного излучения, с целью определения оптимальной технологической конфигурации приспособления коаксиальной подачи порошкового материала, реализованных при помощи компьютеризированных систем и специализированного программного обеспечения, в частности программного комплекса Ansys CFX. Математический аппарат данного программного продукта, позволяет решать задачи любого рода в гидрогазодинамике, например определение дисперсного состава порошковой композиции в зоне обработки и пр. Адекватность теоретических расчетов была проверена экспериментальным путем, с использование современной сервисной техники видео регистрации, а также антропоморфного робототизированого комплекса РМ-01. Результаты компьютерного моделирования поведения газопорошковой струи в зоне воздействия сфокусированного лазерного излучения, показали возможность управления формой и дисперсным составом порошковой композиции в зоне обработки, а также доказали возможность использования численного моделирования, в качестве универсального средства для проектирования коаксиальных сопел. Экспериментальная составляющая научно-исследовательской работы, с учетом сложности протекания всех механизмов процесса лазерного сплавления порошкового материала, выстраивалась по методике полно-факторного эксперимента, что позволило значительно сократить ресурсы машинного времени и получить минимальную погрешность экспериментальных данных. На основании полученных адекватных моделей высоты (Н), ширины (В), производительности (Т), сплошности (количественные показатели пустых фрагментов, раковин, микротрещин в процентном соотношении) сплавленных примитивов (сплавленные фрагменты порошковой композиции ПГСР-3, имеющие примитивную морфологическую структуру профиля), было проведено графоаналитическое исследование процесса лазерного сплавления порошкового материала. В результате данного анализа были выявлены технологические факторы (геометрия углов образующих сопла, положение подкладки относительно среза сопла), которые имеют минимальную инерционность влияния на функции откликов высоты, ширины, производительности, сплошности, что дает возможность, воздействуя на эти параметры технологического оборудования, поддерживать постоянный уровень качества процесса лазерного сплавления порошкового материла. В завершающей фазе работы показана разработанная методика оптимизации режимов лазерного технологического оборудования, которые обеспечивают наилучшие показатели сплошности внутренней микроструктуры сплавленных примитивов (^=0,13%). Результаты разработанной методики были апробированы на предприятии ООО «Аквитек» при производстве прессовых валов, разработанная технология позволяет заменить традиционный электрохимический метод изготовления фрагментированного рисунка, что существенно снижает экологическую нагрузку на окружающую среду.

Thesis for the scientific degree of Candidate of Technical Sciences in the speciality 05.03.07-«Processes of physicotechnical processing)). National technical university of Ukraine «Kyiv Polytechnical Institute)). Kyiv, 2011.

This thesis is dedicated to the development of methodology and techniques for the increase of quality and productivity of "Rapid Prototyping" technology. Optimal aerodynamic characteristics of the delivery of powder material into the processing zone were investigated by means of numerical modeling of multiphase streams using Ansys CFX software. Coaxial powder supply unit was also developed in terms of this research. The adequacy of the results of theoretical investigation was verified experimentally using video capturing equipment and anthropomorphic robotized complex PM-01. The results of numerical simulation of gas-powder stream behavior in the processing zone proved that it is possible to control shape and content of powder mixture in the processing zone. It was also found that numerical modeling is a universal tool that could be used for the design of coaxial nozzles.

Experimental investigations were done using statistical methods that gave us adequate quadratic models for the height (H), width (B), productivity (T) and uniformity (W) of inner microstructure of sintered primitives. Moreover, the technological factors (angular geometry of nozzles, position of powder bed regarding nozzle exit) of laser sintering of powder materials that have minimal inertia of influence on response functions. A technique for the optimization of the regimes of industrial laser equipment that guarantee best uniformity attributes (quantitative indexes of empty fragments, pores, percentage ratio of microcracks) of the inner microstructure of sintered primitives.