МЕГАГРАНТЫ

Лаборатория инновационных аддитивных технологий (ЛИАТ)

О лаборатории

Наименование проекта Развитие научных и индустриальных перспектив усовершенствованных технологий аддитивного производства

Ссылка на официальный сайт

№ договора:
11.G34.31.0077

Наименование ВУЗа:
ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет "СТАНКИН"

Области научных исследований:
Машиноведение. Аддитивное производство.

Цель проекта:
- Стратегической целью проекта является создание в России новаторской лаборатории инновационных аддитивных технологий для разработки научной и технологической основы передового аддитивного производства.
- Нетрадиционный, новаторский подход лаборатории в АП состоит в том, что лаборатория будет исследовать многоматериальное АП в целях достижения многофункциональности изготавливаемых трёхмерных (3D) изделий или поверхностей (покрытий).
- В рамках общей стратегии многоматериального аддитивного производства (АМ), научно-исследовательская деятельность лаборатории будет проводиться по двум основным направлениям:

  • Прямое аддитивное производство трехмерных (3D) функциональных готовых изделий
  • Напыление многофункционльных поверхностей

- создание в ФБГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» новой лаборатории инновационных технологий в сфере аддитивного производства;
- формирование уникального научного коллектива под руководством ведущего ученого мирового уровня;
- обеспечение подготовки высококвалифицированных специалистов и научно-педагогических кадров высшей квалификации на основе новейших достижений в области аддитивного производства и создания многокомпонентных материалов;
- получение новых знаний в области технологий аддитивного производства, становление и развитие в России ведущего научного коллектива по указанному приоритетному научно-техническому направлению;
- создание наукоемкой продукции и конкурентоспособных образцов новой техники, ориентированных на рынок высоких технологий;
- развитие инновационной деятельности и инфраструктуры ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»;

Ведущий учёный

vu mini 77 

ФИО: Смуров Игорь Юрьевич

 

Ученые степень и звание:
- Кандидат физ.-мат. наук, Институт металлургии им. А.А. Байкова, Академия наук СССР (ИМЕТ АН СССР)
- Профессор исключительной категории, MENESR (Министерство высшего образования и науки Франции)

Занимаемая должность:
- Национальная Инженерная Школа Сент-Этьенна (ENISE)
- Профессор, директор лаборатории "Диагностика и инженерия промышленных процессов"
- Начальник лаборатории инновационных аддитивных технологий ФБГОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН"

Области научных интересов:
взаимодействие концентрированных потоков энергии (лазер, плазма и др.) с веществом, оптическая диагностика высокотемпературных процессов и приложений, численное моделирование высокотемпературных процессов тепло- и массо-переноса, аддитивные технологии на основе лазера и технологий термического напыления.

Автор более 400 научных трудов, в том числе 180 статей в рецензируемых журналах, 225 работ в сборниках трудов конференций и 15 патентов.

1. Сингулярность в спектре рассеяния медленных ионов на нанокластерах металлов
В. Д. Борман, В. В. Лебидько, М. А. Пушкин, И. Ю. Смуров, В. Н. Тронин, В. И. Троян
Письма в ЖЭТФ, 80:8 (2004), 633–638
2. Разлет плазмы воздуха при ударной лазерной обработке материалов
В. И. Мажукин, В. В. Носов, И. Ю. Смуров
Матем. моделирование, 15:2 (2003), 23–42
3. Оптический пробой пара алюминия в ультрафиолетовом диапазоне
В. И. Мажукин, В. В. Носов, М. Г. Никифоров, И. Ю. Смуров
Матем. моделирование, 14:4 (2002), 3–20
4. Термокапиллярное движение пузырьков в расплаве при лазерном воздействии на пористые металлы
А. А. Углов, И. Ю. Смуров, А. Г. Гуськов
Квантовая электроника, 18:9 (1991), 1081–1085
5. Деформация свободной поверхности и удаление расплава при импульсном лазерном воздействии
А. А. Углов, И. Ю. Смуров, Л. В. Аксенов
Квантовая электроника, 18:7 (1991), 882–885
6. Особенности нагрева системы «покрытие – основа» при лазерном легировании поверхностей металлов
А. А. Углов, М. Б. Игнатьев, И. Ю. Смуров, С. Г. Константинов, В. И. Титов
ТВТ, 29:3 (1991), 509–514
7. Влияние структуры импульсно-периодического потока энергии на динамику фазовых границ плавления и испарения
А. А. Углов, И. Ю. Смуров, А. М. Лашин
ТВТ, 29:2 (1991), 294–302
8. Плавление и термокапиллярная конвекция при воздействии импульсного лазерного излучения с немонотонным пространственным распределением
А. А. Углов, И. Ю. Смуров, А. Г. Гуськов, Л. В. Аксенов
Квантовая электроника, 17:8 (1990), 1058–1062
9. Установка для исследования тепловых и оптических характеристик поверхности при воздействии концентрированных потоков энергии
А. А. Углов, В. И. Завидей, А. Н. Ермолаев, И. Ю. Смуров
ТВТ, 28:4 (1990), 786–792
10. Массоперенос под действием градиента температуры при импульсном лазерном легировании из покрытий
А. А. Углов, И. Ю. Смуров, М. Б. Игнатьев, К. И. Тагиров, В. И. Титов
ТВТ, 28:3 (1990), 530–535
11. Моделирование движения фазовых границ с учетом формы импульса энергии
А. А. Углов, И. Ю. Смуров, А. М. Лашин, Л. В. Карасева
ТВТ, 28:2 (1990), 401–404
12. Моделирование нестационарного движения фазовых границ при воздействии потоков энергии на материалы
А. А. Углов, И. Ю. Смуров, А. М. Лашин
ТВТ, 27:1 (1989), 87–93
13. Особенности термокапиллярного движения расплава в зоне воздействия концентрированных потоков энергии на металлы
А. А. Углов, И. Ю. Смуров, А. Г. Гуськов, К. И. Тагиров
ТВТ, 26:5 (1988), 953–959
14. Термокапиллярная конвекция в плавящемся металле
А. А. Углов, И. Ю. Смуров, А. Г. Гуськов
ТВТ, 25:4 (1987), 720–725
15. К расчету нагрева металлов непрерывным лазерным излучением в окислительной атмосфере
А. А. Углов, И. Ю. Смуров, А. А. Волков
Квантовая электроника, 10:2 (1983), 289–294

Результаты исследований

1.1. Разработка технической концепции усовершенствованного производства ALAM:

- Разработана новаторская техническая концепция многоматериальной технологии прямого производства с помощью лазера (ALAM); схема компоновки системы ALAM;

- Определены технические требования к лазерному источнику;

- Описаны способы сопряжения лазера с системой позиционирования;

- Составлена схема компонентов сканирующего узла;

- Разработана методика калибровки луча на рабочем поле;

- Составлена схема многоматериальной системы обработки порошка.
Сверх плана были разработаны: схема оптической системы интегрального процесс-мониторинга и контроля качества изделия.

1.2. Разработка технической концепции усовершенствованного производства MMCS (многоматериальное холодное газодинамическое напыление):​

- Выполнена разработка компоновки системы многоматериального холодного напыления (MMCS).

- Разработана спецификация всех узлов и комплектующих системы напыления, в частности сверхзвукового сопла, нагревателя газа, систем управления и контроля параметров процесса.

- Предложено техническое решение реализации многоматериальной подачи порошка. В частности предложено производить подачу порошков с помощью нескольких независимых дисковых дозаторов высокого давления

- Разработана спецификация всех узлов и комплектующих системы сканирующего узла. Сканирующий узел выполнен в виде робота-манипулятора с шестью степенями свободы.

2.1. Разработка подробной общей технологической схемы системы ALAM:

Разработана технологическая схема системы многоматериальной технологии прямого производства с помощью лазера (ALAM), включающая в себя спецификации её компонентов (оптической, механической и электрической части), алгоритмы функционирования установки для работы с двумя различными порошковыми материалами, характеристики интерфейсов между механическими и электрическими компонентами системы. Сверх плана были разработаны способы альтернативных концепций расстилки двух порошковых материалов в одном слое, методика определения зависимости между шероховатостью поверхности детали и стратегии обработки селективного лазерного плавления.​

2.2. Разработка подробной общей технологической схемы системы MMCS:

​Реализована спецификация компонентов системы и алгоритм ее функционирования. Составлена технологическая схема установки с необходимыми комплектующими. Составлены технологические карты процесса, касающиеся алгоритма функционирования системы в зависимости от используемых материалов и требуемых характеристик финального изделия.

2.3 Моделирование протекающих физических процессов в целях оптимизации технологии:​

- Проведено численное моделирование влияния варьирования состава впрыскиваемой газопорошковой смеси на параметры частиц перед ударом. Модель основана на численном решении уравнений Навье-Стокса с учетом влияния твердой фазы с последующим расчетом параметров инжектированных частиц с помощью уравнений движения твердой фазы в газе.

- Разработана численная модель, позволяющая производить оценки влияния структуры состава покрытия в зависимости от композиции газопорошковой струи. Модель основана на эмпирических уравнениях, описывающих зависимость коэффициента напыления порошка от свойств материала и параметров частиц перед ударом.

- Предложена и реализована численная модель, позволяющая производить оценки параметров наноструктурированных частиц перед ударом в зависимости от параметров газопорошковой струи.

2.4. Экспериментальное изучение микроструктурных, электрофизических и трибологических свойств получаемых 3D покрытий методами классической трибологии и измерений механических характеристик:

​Были получены результаты микроструктурных исследований многокомпонентного покрытия на основе нержавеющей стали и меди толщиной 1 мм на алюминиевой поверхности с перспективными эксплуатационными свойствами, проведены трибологические исследования покрытия с высокими усталостными характеристиками в условиях циклического механотермического воздействия, электрофизические испытания многокомпонентного покрытия на основе композиции «Инконель 625 + карбид кремния» выявившие высокие износостойкие и коррозионностойкие характеристики для коррозионной защиты поверхностей алюминиевых сплавов.

2.5. Разработка и тестирование на площадке многолучевого волоконного лазерного источника высокой интенсивности:​

- Лазерный источник представляет собой 4-хмодульную лазерную систему общей мощностью 800Вт (4x200Вт). Оригинальная, специально разработанная для данного проекта система управления обеспечивает одновременное управление всеми 4 лучами, а также независимое управление каждым лучом. Модульная конструкция лазерного источника и его компактность обеспечивают возможность его интеграции в производственное оборудование.

- Распределения мощности внутри пятна производится с помощью сканирующего фотоприемника LaserScope UFF100. Полученные распределения демонстрируют отличную стабильность лазерного излучения и хорошую симметрию лазерного пятна во всем диапазоне рабочих мощностей. Отклик реальной мощности лазера на модуляцию мощности (динамическое изменение мощности) проводился при различных частотах модуляции, от 100 Hz до 5 kHz.

2.6. Разработка усовершенствованной системы позиционирования (манипулирования) лазерного луча для обеспечения различных режимов работы (технологических стратегий производства):

​Оптическое сопряжение каждого оптического выхода многолучевого лазерного источника (оптического волокна) с системой позиционирования и манипулирования лазерными лучами осуществляется при помощи оптического коллиматора. Четыре оптических волокна на выходе многолучевого волоконного лазерного источника высокой интенсивности оптически сварены со специально разработанными коллиматорами, и представляют собой защищенную конструкцию для интеграции в индустриальную среду (заводская лаборатория, испытательный стенд, производственный цех). В гальваносканнере оптические коллиматоры жестко закреплены в стойках на общей платформе и оптически сопряжены с телескопическими объективами. Управление телескопическими объективами осуществляется через электронные модули гальваносканнера и позволяет в реальном времени изменять фокусировку каждого отдельного луча.

2.7 Разработка и реализация многоматериальной системы обработки порошков:​

- Предложен и опробован способ контроля подачи порошка с помощью дозаторов высокого давления специальной конструкции. В данной конструкции скорость подачи регулируется с помощью управления скоростью вращения направляющего диска и расходом инжектирующего газа.

- Предложено и опробовано техническое решение, позволяющее проводить регулировку расположения точки подачи порошка в сверхзвуковой газовый поток.

2.8. Моделирование протекающих физических процессов в целях оптимизации технологии:​

-Разработана и опробована оптимизированная численная модель высокоскоростного удара твердой частицы о преграду в условиях холодного газодинамического напыления. Модель основана на численном решении уравнений механики деформируемого твердого тела с учетом теплопроводности. Продемонстрирована зависимость характера деформации частицы от параметров удара и свойств напыляемого материала. Предложены эмпирические уравнения, позволяющие проводить учет адгезионных сил при моделировании деформации и таким образом повышающие точность расчета.

- Проведены расчёты тепловых полей, формы ванны расплава и остаточных напряжений применительно к процессам селективного лазерного плавления.

2.9. Экспериментальное изучение микроструктурных, электрофизических и трибологических свойств получаемых 3D покрытий методами классической трибологии и измерений механических характеристик:​

Для изготовления экспериментальных образцов использовались предварительно легированные порошки, полученные методом атомизации (распылением расплава в газовой среде): нержавеющая сталь SS316L и SS904L, сплав CuNi10, инструментальная сталь H13 и никелевый сплав Inconel 625. Для каждого из исследуемых материалов были подобраны оптимальные параметры плавления, был проведен факторный анализ. Для порошка SS 904L стабильная зона формирования единичного трека наблюдается при скоростях сканирования от 0,06 до 0,09 м/с и мощности лазера 25 Вт и от 0,06 до 0,18м/с при Р= 50 Вт. Единичные треки из стали SS 316L формировались на металлической подложке (SS 304L); толщина слоя порошка изменялась от 0 до 400 мкм. Для мощности лазера 50 Вт скорость сканирования составляла 0,04 – 0,28 м/с с шагом 0,02 м/с, а для 25 Вт – от 0,02 до 0,14 м/с с шагом 0,01 м/с. Максимальная толщина слоя, при которой исчезает стабильный режим образования треков (критическая толщина), составляет 300 мкм при мощности лазера 50 Вт и скорости сканирования 0,04 м/с. Для толщины слоя 50 мкм и мощности лазера 50 Вт стабильные единичные треки из SS 316L могут быть сформированы при скоростях сканирования V = 0.08-0.20 м/с. Для сплава CuNi10 были определены следующие оптимальные параметры: оптимальная скорость сканирования 0.08-0.14 м/с, мощность лазера 50 Вт, толщина слоя 50 мкм. Для стали H13 были определены следующие оптимальные параметры: оптимальная скорость сканирования 0.09-0.18 м/с, мощность лазера 50 Вт, толщина слоя 50 мкм.

Проведены эксперименты по изготовлению и экспериментальному изучению ХГН покрытий из нержавеющей стали типа 316L на алюминиевых подложках. Были определены оптимальные технологические параметры напыления таких покрытий, а также проведены исследования зависимости адгезионной прочности, электро/теплопроводности, износостойкости и микроструктуры покрытий от гранулометрии порошка (-45+15 мкм и -35+5 мкм) и стратегии изготовления покрытия.

В результате экспериментов было выявлено, что скорость перемещения сопла относительно подложки влияет на распределение пористости в покрытии. Средняя пористость покрытия зависит от гранулометрии порошка и составляет 4% и 7,5% для фракций -45+15 мкм и -35+5 мкм соответственно. Средняя микротвердость покрытий составила 296+-15 HV0.1. Также было получено, что частицы нержавеющей стали внедряются в поверхность алюминиевой подложки, что значительно увеличивает адгезионное сцепление покрытия и алюминиевой детали. Результаты измерения адгезионной прочности показывают, что адгезия составляет 80 МПа вне зависимости от типа использованного порошка. Измерения электропроводности и теплопроводности продемонстрировали, что в сравнении с литым материалом полученные покрытия имеют на 9 % и 15 % более низкую электропроводность и теплопроводность соответственно. Скорее всего, пониженные значения обусловлены окислением частиц при движении частиц в свободной струе рабочего газа.

Для полученных покрытий были проведены испытания на износ. Абразивный тест выполнен по стандарту ASTM G65. Результаты теста продемонстрировали, что износостойкость полученных покрытий несколько выше (6-8%), чем у литого материала.

3.1. Разработка методологии и дизайна оптического и электронного оборудования для интегрального контроля над технологическими процессами в ALAM и MMCS:​

MMCS:

Диагностический инструмент на основе ПЗС-камеры был специально разработан для визуализации в реальном времени частиц порошка в полете и для контроля в реальном времени размера и скорости частиц.

Камера основана на безусилительном ПЗС приемнике изображений Exview HAD CCD от Sony Inc. Цифровой поток данных контролируется специально разработанным програмным обеспечением, которое позволяет контролировать электронику ПЗС-камеры, производить автоматическую калибровку, визуализировать процесс, регистрировать данные, анализировать изображения в оттенках серого, обрабатывать полученные данные статистически и контролировать в реальном времени средние значения параметров потока порошка.

Неинтенсифицированная ПЗС-матрица изображений имеет высокий квантовый выход в ближнем ИК диапазоне (900-1000 нм). Число эффективных пикселей 1038x1366, размер отдельного элемента 8.6x16.6 мкм. Ахроматическая телескопическая оптическая система обеспечивает возможность обзора отдельной заданной области, также как и обзор всего потока частиц. Область обзора может быть изменена с 7x9 см² до 2.3x3 мм².

Система оптического контроля процесса холодного напыления включает в себя источник подсветки ParticleWatch c цветовой температурой от 5000 до 6000 K, который содержит лампу подсветки, фокусирующую оптику и отражатель. Диаметр освещаемой области составляет 20 мм. Оптическая ось источника подсветки расположена перпендикулярно потоку частиц. Свет рассеянный на частицах в полете регистрируется ПЗС-камерой в импульсно-периодическом режиме с частотой 10 Гц и минимальным временем регистрации 3 мкс. Блок управления системы ParticleWatch позволяет синхронизировать измерения параметров частиц ПЗС-камерой и включение источника подсветки с точностью до 1 мкс.

Процесс обработки изображения включает в себя три основных этапа: (1) начальная фильтрация изображения; (2) определение координат пикселей, соответствующих начальному и конечному положению траектории полета каждой частицы; (3) определение параметров частицы (размера, скорости).

Показано, что при скоростях частиц от 700 до 1000 м/с и диаметре больше 10 мкм, возможно определить распределения частиц по скоростям и по размерам.

Визуализация процесса с помощью ПЗС (прибор с зарядовой связью)-камеры и системы подсветки.

ALAM:

Слой переплавленного порошка, а также детали выстраиваемого объекта визуализированы ПЗС-камерой в специальном режиме увеличения благодаря использованию процедуры цифровой обработки изображений. Система эффективно защищена от лазерного излучения и поверхностного теплового излучения с помощью системы фильтров и дихроичных зеркал (контраст ~ 1011). Освещение рабочей зоны осуществляется с помощью четырех LED диодов на длине волны 440 нм. Благодаря этому, интенсивность рассеянного излучения LED на матрице видеокамеры превышает интенсивность рассеянного лазерного излучения и интенсивность поверхностного теплового излучения, за исключением зоны лазерного воздействия.

Измерение температуры в зоне лазерного воздействия двухволновым пирометром.

Температура измерялась в области лазерного воздействия двухцветовым пирометром собственной разработки со следующими характеристиками: температурный диапазон 1000-3500 К, 2 InGaAs фотодиода с оптическими фильтрами, пропускание на 1.26 мкм и 1.4 мкм, соответственно, с шириной полосы 100 нм, диаметр зоны температурных измерений – 560 мкм, длительность одного измерения – 50 мс.

В пирометрическую систему входят: оптический узел, который связан с электронным блоком с помощью оптоволокна; внутренний микропроцессор, который предназначен для управления операционными режимами: калибровкой, измерениями (выбор скорости и общей продолжительности измерений, выбор минимальных и максимальных значений температуры и т.д.) и запись данных (с использованием внутренней памяти). Специальное программное обеспечение разработано для управления прибором с персонального компьютера: осуществление сбора, записи, передачи и обработки данных, а так же графическое представление результатов.

Измерение термических градиентов в зоне лазерного воздействия с помощью ПЗС-камеры.

Распределение яркостной температуры зоны термического влияния измеряется ПЗС- камерой с разрешением 560x760 пикселей и экспозицией 3 мс. Камера откалибрована с помощью черного тела в диапазоне температур от 1200 до 2800 K.

С помощью вышеуказанной системы были получены следующие результаты:

Визуализация процесса позволяет отслеживать качество расстилки слоя порошка и геометрию зоны переплавленного порошка.

Показано, что при измерении пирометром и ПЗС-камерой сигнал из области лазерного воздействия является достаточно чувствительным для отслеживания изменений основных технологических параметров (толщина слоя порошка, расстояние между дорожками для последовательных проходов лазера, скорость сканирования и т.д.) и может быть использован для контроля качества изготовления в режиме реального времени.

3.2. Экспериментальное изучение микроструктурных, электрофизических и трибологических свойств получаемых 3D покрытий методами классической трибологии и измерений механических характеристик:​

Проведена серия тестов для различных покрытий, в том числе многоматериальных. Были успешно изготовлены покрытия и изделия типа титан-алюминий, никелевый суперсплав–медь-карбид вольфрма, нержавеющая сталь-медь-карбид кремния и других систем материалов. Показано, что такие свойства многоматериальных покрытий как шероховатость, электро- и теплопроводность, микротвердость и износостойкость существенно зависят как от композиции напыляемой смеси, так и выбора параметров напыления. Продемонстрировано, что варьирование давления рабочего газа и угла напыления знаительно влияет на пористость и шероховатость получаемых покрытий и изделий. Измерения электропроводности и теплопроводности продемонстрировали, что в сравнении с литым материалом полученные покрытия имеют в среднем на 9 % и 15 % более низкую электропроводность и теплопроводность соответственно.

Исследована лазерная наплавка „in-situ“ композиционных материалов на алюминиевой основе. Наплавляемый материал – порошок композиционного материала на алюминиевой основе с упрочнением кристаллами кремния (AlSi30). Материал подложки – сплав 2017. Установлено, что формирование стабильного валика наплавки возможно только при использовании предварительной пескоструйной обработки поверхности подложек из сплава алюминия 2017. Мощность лазерного излучения оказывала доминирующее влияние на процесс формирования валика наплавки из порошка AlSi30. Установлены оптимальные значения плотности энергии (~35 J/mm2) и плотности осаждения порошка (0,45*10-3 g/mm2). Трещинообразование в исследованном диапазоне параметров не зафиксировано. Твердость наплавленных валиков 140 HV. Повышение уровня механических свойств может быть достигнуто введением твердых частиц, как, например, SiC.

Проведены параметрические исследования наплавки жаропрочных, коррозионностойких и износостойких материалов на основе никеля (Ni-осн. 20Cr 10W 9Mo 4Cu 1C 1B 1Fe (сплав А), Ni осн. 15Cr 17W 4Si 3Fe 4B 1C (сплав Б)) и алюминия (Al-осн. 15Cu 16Fe 16Cr (сплав С)) на стальных (Сталь 45) и титановых (Ti 6Al 2Sn 4Zr 2Mo) подложках. Выявлены зависимости качества отдельных наплавленных валиков от технологических параметров, построены технологические карты процесса. Микроструктура никелевых сплавов характеризуется типичной дендритной структурой пересыщенного γ'-твердого раствора, эвтектики Ni3B и либо сетки вторичных карбидов, либо выделения первичных карбидов. Средняя микротвердость валиков из сплава А составила 470 HV0,2, а для сплава Б – 650 HV0,2. Были получены два типа микроструктур алюминиевого сплава в зависимости от степени перемешивания с подложкой – твердый раствор с выделением упрочняющей фазы и дендритная структура близкая к квазикристаллической структуре. Средняя микротвердость сплава С составила 750 HV0,2. Для всех сплавов изучена склонность к образованию горячих транс- и межкристаллических трещин, исследованы причины образования трещин и методы их уменьшения или полного устранения. Исследованы особенности лазерной обработки сплавов на основе никеля и алюминия, характерные явления и склонность к трещинообразованию. В работе применялось технологическое решение предподогрева подложки лазерным лучом непосредственно перед наплавкой для уменьшения количества трещин. Дополнительно проведены предварительные эксперименты со смесью сплава А и нитрида бора гексагональным hBN (в соотношении 92/8 масс.).

3.3. Разработка программного обеспечения для управления работой станка ALAM:​

Способ представления математической модели.

Реализован математический аппарат для представления триангулированных моделей в виде набора поперечных сечений. Для удобства визуализации и модуляции интенсивности, был использован графический способ представления слоя. Информация, хранящиеся в пикселе, используется как контейнер для параметров процесса (скорость, мощность лазера и др.).

В общем случае, процесс обработки сводится к определению координат x, y ближайшей точки к выбранному узлу, которые находятся из следующего уравнения: , где - координаты начала и конца линии соответственно. Причем, интенсивность заливки пикселя определяется из величины ошибки – площади образованной прямой. Если прямая пересекает только один пиксель, то площадь правее и ниже отрезка равна . Если же надо рассмотреть два пикселя, то площадь нижнего пикселя составляет , а верхнего - , где m -тангенс угла наклона (0 <= m <= 1). Интенсивность заливки позволит определять необходимые параметры спекания. Помимо этого, разработанное программное обеспечение позволяет генерировать сигналы управления движением лазерного луча, согласно выбранным параметрам и стратегии. Используется алгоритм построчного заполнения с затравкой. Затравочный пиксель на интервале извлекается из стека, содержащего затравочные символы. Интервал с затравочным пикселем заполняется влево и право от затравки вдоль сканирующей строки до тех пор, пока не будет найдена граница. В переменных Xлев и Xправ заполняются крайний левый и крайний правый пикселы интервала. В диапазоне Xлев<=X<=Xправ проверяются строки, расположенные непосредственно над и под текущей строкой. Далее определяется, есть ли в них еще незаполненные пикселы. Если есть (т.е. не все пикселы граничные, или уже заполненные), то в указанном диапазоне крайний правый пиксел в каждом интервале отмечается как затравочный и помещается в стек.

Способ передачи данных в системе.

Управляющая плата SP-ICE является центром системы программного регулирования без обратной связи. Динамическая модель централизованной САУ может быть представлена в следующем виде: , где w – входной управляющий сигнал, k – модулированный сигнал управления платой, l – сигнал регулирования лазерного источника, s – сигнал регулирования сканатора. Основной объект управления – прецизионный гальванометрический сканатор, регулирующий перемещение зеркал в сканирующей головке. Интеграция платы и рабочей станции происходит посредством PCI интерфейса. В качестве регулятора используется ЦП платы управления, который согласует работу лазера и сканирующей головки. Двумерный сканатор имеет скорость позиционирования около 7 м/с, задержка движения составляет около 0,32 мс. Плата связана со сканатором посредством цифрового интерфейса XY2-100, с длинной машинного слова 20 бит, который обеспечивает скорость передачи данных до 2 Мбит/с. Регулирование параметров источника излучения происходит с помощью физического аналогового интерфейса. Время, прошедшее от генерации управляющего импульса до его исполнения много меньше критического времени процесса (в данном случае менее 1 мс). Для управления системой разравнивания порошка используются четыре микропроцессорных устройства, связанных при помощи ряда интерфейсов. В персональном компьютере используется две управляющих микропрограммы – одна для работы со сканаторной головкой посредством интерфейса PCI с использованием управляющей платы. Посредством интерфейса USB подключено специально разработанное устройство управления процессом расстилки порошка, разработанное в рамках проекта на базе микроконтроллера XMega256A3, к которому с использованием интерфейса UART подключено устройство индикации и мониторинга процесса на базе микроконтроллера XMega32A4. USB интерфейс, используемый в модуле управления расстилкой порошка, реализуется посредством аппаратного USB-UART моста на базе чипа FT232RL. Таким образом, в компьютере создается виртуальный COM-порт, что значительно упрощает разработку программного обеспечения. Скорость обмена данными составляет 128000 бод, проверка четности и стоп-бит не используется. Мастером интерфейса является компьютер, контроллер настроен на slave режим. Взаимодействие по интерфейсу UART между модулем расстилки порошка и модулем индикации осуществляется по аппаратному интерфейсу UART с аналогичными настройками. Мастером является устройство расстилки порошка, в контроллере данного устройства предусмотрена аппаратная обработка поступающих сообщений от компьютера посредством вызова прерываний. Данные передаются пакетами по одному байту, структура, которого состоит четырех битов количества шагов и четырех битов статуса, определяющих номер привода, направление перемещения и запрос обратной связи в компьютер.

Во время простоя программа в компьютере каждые 0,5 секунды инициирует запрос обратной связи с предоставлением контроллером информации по всем используемым датчикам.

Разработанная САУ позволяет задавать и обеспечивать контроль таких операционных параметров, как мощность лазера и скорость сканирования, толщина слоя порошка, а также реализует прерывания в работе лазерного источника в необходимые моменты времени.

3.4. Разработка программного обеспечения для управления работой станка MMCS:

​- Разработана методика представление изготавливаемой формы в виде ряда поперечных сечений Управление траекторией перемещения сопла с целью конструирования трехмерных ХГН покрытий осуществляется с помощью шестиосевого робота-манипулятора. Требуемая геометрия объекта определяется с помощью программного пакета SolidWorks и сохраняется в виде стандартного CAD файла. Далее происходит обработка данного файла с помощью программы Robostudio со специальными дополнениями, написанными на языке C++.

3.5. Промышленная валидация разработанных систем ALAM и MMCS, технологии и материалов:​

MMCS:

- Проведены функциональные испытания напыленных многоматериальных покрытий на базе суперсплавов, меди, титана и нержавеющей стали. Тесты покрытий продемонстрировали уникальное сочетание свойств, позволяющих применять полученные изделия в области биотехнологий, автомобилестроения и авиастроения.

- Экспериментально показано, что одной из наиболее перспективных систем материалов является система на основе никелевых суперсплавов с добавлением меди и упрочняющей фазы типа карбид вольфрама-кобальт либо карбид хрома-никель. Данная система может быть использована для локального повышения износостойкости некоторых зон в двигателях внутреннего сгорания, что позволит повысить его производительность.

- Продемонстрировано, что покрытия на основе титана и его сплавов могут быть использованы в биомедицинских приложениях, в частности при производстве имплантов. Получаемое с помощью MMCS изделие имеет шероховатость, благоприятную для остеоинтеграции. Технологический процесс позволяет сохранить низкий уровень окислов в получаемом изделии.

ALAM:

- Проведены экспериментальные исследования сплавленных многоматериальных изделий на базе мартенситно-стареющей стали и кобальт-хромового сплава, аустенитной стали и медного сплава. Тесты изделий показали возможность сочетания различных свойств, позволяющих применять полученные детали в аэрокосмической области, в областях биотехнологий и машиностроения.

- Экспериментально было подтверждено, что одной из наиболее перспективных систем материалов является система на основе медного сплава и стали. Данная композиция может быть использована для локального повышения теплопроводности и износостойкости некоторых зон, что позволит значительно сократить затраты при производстве сложных деталей скольжения, а также охлаждающих каналов высокопрочных пресс-форм.

- Было показано, что изготовленные изделия системы кобальт-хром могут быть использованы в биомедицинских приложениях, в частности при производстве имплантов. ALAM позволяет получать компоненты сложной конечной формы, что особенно актуально для биомедицинских протезов и имплантов, каждый из которых имеет индивидуальную геометрию.


 
№  п/п
Статья
(авторы, название статьи, том, номер страницы и наименование издания)
Авторы статьи (работники или учащиеся вуза), являющиеся членами научного коллектива лаборатории
Импакт
-фактор
издания
1. Шишковский И., Смуров И., [en] Функциональные градуированные покрытия на основе Ti методом трехмерной лазерной наплавки//Materials Letters, 73, 2012, стр. 32-35. И.В. Шишковский, И.Ю. Смуров 2.322
2. М. Дубенская, М. Павлов, С. Григорьев, И. Смуров, [en] Определение яркостной температуры и восстановление настоящей температуры в лазерной наплавке, используя инфракрасную камеру. // Surface and Coatings Technology, 220 (2013), стр. 244–247.  М.А. Дубенская, М.Д. Павлов, С.Г. Григорьев, И.Ю. Смуров 2.102
3. А. Сова, А. Окунькова, С. Григорьев, И. Смуров, [en] Нанесение покрытий методом холодного газодинамического напыления из нержавеющей стали 316L  на алюминиевую поверхность с последующей пост-обработкой лазером // Surface and Coating Technology, 2013, в печати, доступна он-лайн 31 Июля 2013, DOI 10.1016/j.surfcoat.2013.07.052 С.Н. Григорьев, А.А. Окунькова, И.Ю. Смуров, А.А. Сова 2.102
4. А. Сова, С. Григорьев, А. Кочеткова, И. Смуров, [en] Влияние рсположения точки впрыска порошка на эффективность предподогрева порошка в холодном газодинамическом напылении: численное исследование // Surface and Coating С.Н. Григорьев, А.И. Кочеткова, И.Ю. Смуров, А.А. Сова 2.102
5. Штанский Д.В., Батенина И.В., Ядройцев И.А., Ряшин Н.С., Кирюханцев-Корнеев П.В., Кудряшов А.Е., Шевейко А.Н., Житняк И.Ю, Глушакова Н.А., Смуров И.Ю., Левашов Е.А., [en] Новый комбинированный подход к металлокерамическим имплантам с контролируемой топографией поверхности,
Химсоставом, слепой пористостью и смачиваемостью// Surface and Coatings Technology, 208, 2012, стр. 14-23.
И. Ядройцев, И.Ю. Смуров 2.102
6. Сова А., Клинков С., Косарев В., Ряшин Н., Смуров И., [en] Первый шаг в изучении напыления алюминиевых и медных порошков методом холодного напыления через микросопло, используя гелий// Surface & Coatings Technology 220 (2013), стр. 98–101. А.А. Сова, И.Ю. Смуров 2.102
7. Смуров И., Дубенская М., Зайцев А., [en] Всесторонний анализ лазерной наплавки с помощью оптической диагностики и численное моделирование// Surface and Coatings Technology, 2020 (2013), стр. 112-121. И.Ю. Смуров, М.А. Дубенская 2.102
8. А. Сова, М. Дубенская, С. Григорьев, А. Окунькова и И. Смуров, [en] Параметры газопорошковой сверхзвуковой струи в холодном напылении с использованием маски// ; Journal of Thermal Spray Technology, Том 22, Выпуск 4 (2013), Стр. 551-556 С.Г. Григорьев, А.А. Окунькова, И. Ю. Смуров, А.А. Сова 1.812
9. А. Сова, А. Окунькова, С. Григорьев, И. Смуров, [en] Скорость частиц, ускоренных микросоплом холодного газодинамического напыления: Экспериментальные измерения и численное моделирование// Journal of Thermal Spray Technology, 2013, Том. 22(1), стр. 75-80 С.Н. Григорьев, А.А. Окунькова, И.Ю. Смуров, А.А. Сова 1.812
10. Шишковский И.В., Морозов Ю.Г., [en] Электрические и магнитные свойства многослойных полимерных структур с нановключениями без обработки методом Селективного Лазерного Спекания. // Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Том. 13, №2, 1440-1443 (2013). doi :10.1166/ jnn .2013.6010 И.В. Шишковский 1.570
11. И. Смуров, М. Дубенская, С. Григорьев, А. Назаров, [en] Оптическая диагностика в Лазерной Наплавке материала Ti6Al4V//Journal of Thermal Spray Technology, Декабрь  2012, Том 21, Выпуск 6, стр. 1357-1362. И.Ю. Смуров, М.А. Дубенская, С.Г. Григорьев, А.П. Назаров 1.481
12. А. Сова, А. Окунькова, С. Григорьев, И. Смуров, [en] Потенциал холодного газодинамического напыления как технологии аддитивного производства // International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, в печати, доступна он-лайн 02 Августа 2013, DOI 10.1007/s00170-013-5166-8 С.Н. Григорьев, А.А. Окунькова, И.Ю. Смуров, А.А. Сова 1.205
13. М. Дубенская, С. Григорьев, И. Жирнов, И. Смуров,[en] Параметрический анализ СЛП, используя комплексную оптическую диагностику// Rapid Prototyping Journal, принято 01-Авг-2013. М.А. Дубенская,  С.Н. Григорьев, И.В. Жирнов, И. Ю. Смуров, 1.000
14. Ядройцев И., Ядройцева И., Бертран П., Смуров И., [en] Факторный анализ процесса селективного лазерного плавления: параметры и геометрические характеристики полученных единичных валиков // Rapid Prototyping Journal 18 (3), 2012, стр. 201-208. И. А. Ядройцев, И.Ю. Смуров 1.000
15. Тарасова Е., Журавлева И., Шишковский И., Ружечко Р., [en] Послойное спекание с помощью лазера функционально градуированных пористых ЦТС керамопластов// Phase Transitions - A Multinational Journal. 2013. Опубликовано он-лайн 19/06/13 doi: 10.1080/01411594.2013.803105 И.В. Шишковский 0.960
16. Шишковский И.В., Кузнецов М.В., Морозов Ю.Г., [en] Послойное изготовление, структура и электромагнетические свойства фаз перовскита гибридным процессов: самораспостраняющийся высокотемпературный синтез и селективное лазерное спекание. // Phase Transitions - A Multinational Journal. 2013. Опубликовано он-лайн  2/05/13 doi:10.1080/01411594.2013.786079 И.В. Шишковский 0.960
17. М. Дубенская, М. Павлов, С. Григорьев, Е. Тихонова,  И. Смуров, [en] Всесторонняя оптическая диагностика  процесса Селективного Лазерного плавления// JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering, том. 7, №. 3, 2012, стр. 236-243. М.А. Дубенская, М.Д. Павлов, С.Г. Григорьев, Е.П. Тихонова,  И.Ю. Смуров 0.920
18. В. Вейко, Э. Агеев, М. Сергеев, А. Петров, М. Дубенская, [en] Модификация фоточувствительного стекла за счет излучения инфракрасного  СО2-лазера// JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering, том. 8, № 2, 2013, стр. 155-160. М.А. Дубенская 0.920
19. И. Ядройцев, Ф. Бертран, Г. Антоненкова, С. Григорьев, И. Смуров, [en] Использование морфологии валика/слоя для разработки функциональных изделий методом Селективного Лазерного Плавления// Journal оf Laser Applications,  Том 25, Номер 5, ноябрь 2013. Doi: 10.2351/1.4811838. И.А. Ядройцев, С.Г. Григорьев, И.Ю. Смуров 0.574
20. М. Дубенская, И. Смуров, С. Григорьев и М. Павлов, [en] Комплексный анализ разработкаи композитов сталь - TiС методом непосредственного нанесения металла// Journal оf Laser Applications, Том  25, Номер  4, август 2013. Doi: 10.2351/1.4807624. М.А. Дубенская, И.Ю. Смуров, С.Г. Григорьев, М.Д. Павлов 0.574
21. Ломовский О.И., Голубкова Г.В., Ядройцев И.А., Смуров И.Ю., [en] Лазерно-индуцированные реакции порошка Si со стальной подложкой// Inorganic Materials, 48 (3), 2012, стр. 263-266. И. А. Ядройцев, И.Ю. Смуров 0.376
22. А.П. Алхимов, В.Ф. Косарев, С.В. Клинков, А.А. Сова и Г.В. Трубачеев, [en] Формирование конической зоны разделения при столкновении сверхзвуковой струи о препятствие при процессе холодного напыления, Thermophysics and Aeromechanics, 2012, Том 19, стр.  225-232 А.А. Сова 0.304
23. Шишковский И.В., Морозов Ю.Г., Фокеев С.В., Волова Л.Т., [en] Лазерное получение и сравнительное тестирование пористых матриц из титана и никелида титана в качестве хранилища для стволовых клеток. // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2012. Том. 50, 9/10. стр. 606-618. doi: 10.1007/s11106-012-9366-9. И.В. Шишковский 0.262
24. Шишковский И., Щербаков В., Ядройцев И., Смуров И., [en] Особенности электрического сопротивления и фазовой структуры в 3D-пористом нитиноле после СЛС/СЛП. // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science. Том. 226., Выпуск 12. 2012,2982-2989. doi:10.1177/0954406212440766 И.В. Шишковский 0.262
25. А.П. Алхимов, В.Ф, Косарев, С.В. Клинков и А.А. Сова, [en] Влияние конической области разделения на холодного газодинамического напыление// Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2012, Том. 53, №. 6, стр. 948-953. А.А. Сова 0.253
26. Григорьев С. Н., Тарасова Т. В., Назаров А. П., Влияние термообработки на структурно-фазовый состав и свойства жаропрочных кобальтовых сплавов, полученных методом селективного лазерного плавления // Перспективные материалы Григорьев С. Н., Тарасова Т. В., Назаров А. П. 0.399
27. Григорьев С.Н., Тарасова Т.В., Гвоздева Г.О., Новотни С., Микро-лазерная наплавка сплавов системы AL – SI // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 5. С. 16-21. Григорьев С.Н., Тарасова Т.В. 0,354
28. Смуров И.Ю, Мовчан И.А., Ядройцев И.А., Окунькова А.А., Конов С.Г., Антоненкова Г.В., Экспериментальное аддитивное прямое производство с помощью лазера, Вестник МГТУ «Станкин»№ 2 (20), 2012 Смуров И.Ю, Мовчан И.А., Ядройцев И.А., Окунькова А.А., Конов С.Г., Антоненкова Г.В. 0,261
29. Смуров И.Ю., Ядройцев И.А., Мовчан И.А., ОкуньковаА.А., Черкасова Н.Ю., Антоненкова Г.В., Аддитивное производство с помощью лазера. Проведение экспериментальных работ, «Вестник МГТУ «Станкин» №1 (18), 2012 Смуров И.Ю., Ядройцев И.А., Мовчан И.А., Окунькова А.А., Черкасова Н.Ю., Антоненкова Г.В. 0,261
30. Тарасова Т.В., Назаров А.П. Исследование процессов модификации поверхностного слоя и изготовления трехмерных машиностроительных деталей посредством селективного лазерного плавления // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2013. №2(25). С. 17-21 Тарасова Т.В., Назаров А.П. 0,261
31. Павлов М.Д., Тарасова Т.В., Назаров А.П., Окунькова А.А., Влияние предварительной подготовки поверхностей изделий на качество покрытий, полученных лазерной наплавкой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 12. С. 31-34. Павлов М.Д., Тарасова Т.В., Назаров А.П., Окунькова А.А. 0,235
32. Тарасова Т.В., Гвоздева Г.О. , Структурообразование в заэвтектических сплавах системы Al–Si при лазерной обработке поверхности // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 12. С. 35-40. Тарасова Т.В. 0,235
33. А.В. Маранц, А.А. Сова, В.К. Нарва, И.Ю. Смуров, Получение покрытий методом холодного напыления с последующей лазерной обработкой // Упрочняющие технологии и покрытия, №8, 2013, с. 21-28  А.А. Сова, И.Ю. Смуров 0,235
34. Попова Е.В., Тарасова Т.В., Смуров И.Ю., Сарбаев Б.С., Применение лазерной наплавки для устранения дефектов в титановых сплавах // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2012. № 03. С. 50-50 Тарасова Т.В., Смуров И.Ю. 0,100
35. Тарасова Т.В., Гвоздева Г.О., Исследование процессов лазерного легирования поверхности алюминиевых сплавов // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2012. № 03. С. 48-48.   Тарасова Т.В. 0,100

 
№ п/п
Название
1. Способ изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов
2. Способ изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов
3. Устройство для изготовления изделий из композиционных порошкообразных  материалов
4. Устройство для изготовления материальных объектов из композиционных материалов
5. Устройство для получения изделий из порошкообразных материалов
6. Устройство для изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов
7. Управление двигателем подачи порошка системы аддитивного лазерного спекания
 8. Способ восстановления изделий из титановых сплавов
9. Способ получения алюмосиликатного огнеупорного материала
10. Управление системой послойной смены порошка устройства селективного лазерного спекания
11. Мониторинг состояния системы управления устройством селективного лазерного спекания
12. Управление с обратной связью системой послойной смены порошка устройства селективного лазерного спекания
13. Устройство для селективного лазерного спекания заготовок из порошковых материалов
14. Порошковая композиционная смесь для лазерной наплавки на металлическую подложку
15. Способ получения композиционных покрытий из порошковых материалов
16. Измерение пространственных координат маркеров при помощи технологии фотограмметрии
17. Измерение пространственных подвижных объектов в процессе производства при помощи обработки цифрового видеосигнала
18. Способ изготовления изделий сложной формы из порошковых систем
19. Устройство для получения изделий из порошкообразных материалов
Back to top