Информационно-измерительная система для контроля геометрических параметров зоны селективного лазерного плавления на основе морфологической обработки термоизображений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Жирнов, Иван Владимирович

  • Жирнов, Иван Владимирович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2017, МоскваМосква
  • Специальность ВАК РФ05.11.16
  • Количество страниц 213
Жирнов, Иван Владимирович. Информационно-измерительная система для контроля геометрических параметров зоны селективного лазерного плавления на основе морфологической обработки термоизображений: дис. кандидат технических наук: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям). Москва. 2017. 213 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жирнов, Иван Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ КОНТРОЛЯ В ЛАЗЕРНЫХ АДДИТИВНЫХ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Аддитивное производство: технологии и материалы, перспективы и прогнозы

1.2 Особенности технологии селективного лазерного плавления

1.3 Активный контроль как способ повышения качества технологического процесса

1.4 Оптическая диагностика как метод контроля процесса СЛП

1.4.1 Методы и инструменты оптической диагностики

1.4.2 Пирометрия процесса СЛП

1.4.3 Структура системы видеомониторинга СЛП

1.4.4 Интегрированные системы оптической диагностики процесса СЛП

1.4.5 Инфракрасные датчики излучения в процессе СЛП

1.5 Интегральная оптическая диагностика

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ ВАННЫ РАСПЛАВА

2.1 Основные положения термографии и законов теплового излучения

2.2 Активная и пассивная термографии

2.3 Принцип измерения температуры инфракрасной камерой

2.4 Выбор инфракрасного диапазона

2.4.1 Коэффициент излучения реальных поверхностей

2.5 Принцип калибровки инфракрасных камер

2.6 Математическое моделирование геометрии формы и распределения температуры ванны расплава при лазерном воздействии

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ

3.1 Материалы и методы

3.1.1 Описание оптической информационно-измерительной системы для диагностики процесса

3.1.2 Описание экспериментальной установки для селективного лазерного плавления

3.1.3 Описание инфракрасной камеры FLIR Phoenix RDAC ™

3.1.4 Калибровка ИК-камеры

3.2 Методика обработки данных на выходе измерительной информационной системы

3.3 Порядок выполнения измерений

3.4 Проведение экспериментов на литом материале

3.4.1 Восстановление истинной температуры в зоне лазерного воздействия

3.5 Визуализация процесса селективного лазерного плавления металлического плавления в зоне лазерного воздействия

3.6 Восстановление истинной температуры плавления металлического порошка INOX 316L

3.7 Влияния скорости сканирования и мощности лазерного излучения на геометрию ванны расплава

3.8 Влияние защитной среды на процесс селективного лазерного плавления

3.8.1 Оптическая диагностика лазерной обработки литого материала

3.8.2 Оптическая диагностика СЛП порошка SS 316L (толщина слоя порошка 40 мкм)

3.8.3 Оптическая диагностика СЛП порошка SS 316L (толщина слоя порошка 80 мкм)

3.8.4 Оптическая диагностика СЛП порошка SS 410

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗОНЫ СЛП НА ОСНОВЕ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕРМОИЗОБРАЖЕНИЙ

4.1 Морфологическое представление температурного поля единичного трека

4.2 Бинарное распознавание термоизображения единичного трека

4.3 Критерий качества единичного трека

4.4 Экспериментальное исследование процесса контроля селективного лазерного плавления

4.5 Метрологический анализ разработанного метода контроля

4.6 Пути дальнейшего совершенствования систем селективного лазерного

плавления с активным контролем по термоизображениям треков

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ В СКОРОСТНЫХ ПРОЦЕССАХ СПЕКАНИЯ ПОРОШКОВЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АЛГОРИТМ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕРМОИЗОБРАЖЕНИЯ В СРЕДЕ МАТНСАБ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ДАННЫЕ РАСЧЕТОВ ПОГРЕШНОСТИ РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», 05.11.16 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительная система для контроля геометрических параметров зоны селективного лазерного плавления на основе морфологической обработки термоизображений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Бурное развитие промышленности в конце ХХ -начале XXI века коснулось также и инновационных подходов к изготовлению деталей. Одним из таких подходов являются развивающиеся аддитивные технологии. Аддитивное производство (АП) к настоящему времени позволяет получать металлические и неметаллические прототипы, а также функциональные изделия, которые почти не требуют последующей механической обработки, как, например, аддитивное производство методом селективного лазерного плавления (СЛП) порошка.

Согласно высокоавторитетному отчету Терри Волерса (Wohlers Report 2013, Wohlers Associates) мировой рынок аддитивного производства в 2013 году составил $2.200 млн, причем средний ежегодный прирост достиг 25% в последние несколько лет. Эксперты отмечают, что по прогнозу до 2021 года, мировой рынок может вырасти в 5 раз и составить $10.800 млн. Таким образом, развитие технологий аддитивного производства становится значимым фактором в увеличении конкурентоспособности промышленных предприятий России, в особенности наукоемких предприятий энергетики, транспорта и авиационно-космической промышленности. Сегодня Россия имеет около 2% рынка аддитивного производства (в основном, в части производства изделий и прототипов) и только начинает внедрять эти инновационные технологии в промышленность. Успехи конкурентов России в области автомобилестроения, авиастроения и космической отрасли, в частности, объясняются применением деталей, изготовленных методами аддитивного производства и быстрого прототипирования. Значительное развитие технологий аддитивного производства за рубежом в последние годы определилось, в первую очередь, большой заинтересованностью промышленности в данных технологиях, большим количеством научно-исследовательских работ и активной поддержкой государства. В странах с наиболее развитым состоянием технологий аддитивного производства появились малые бизнес-предприятия,

самостоятельные или в составе большого завода, оказывающие услуги по производству изделий методами селективного лазерного плавления.

Изготовление детали сложной геометрической формы методом СЛП длится 10-20 часов и осуществляется в закрытом пространстве без достаточного оптического доступа, что объясняется необходимостью работы в стационарной защитной атмосфере, подогреве рабочей зоны и требованиями безопасности для рабочего персонала. В течение длительного времени оператор остается без какой-либо информации о качестве технологического процесса. Отсутствие оперативного контроля в лазерной обработке является одним из главных препятствий на пути ее широкого промышленного внедрения. Оптическая диагностика, т.е. сбор различной оптической информации из рабочей зоны технологического процесса, может быть адаптирована как современный метод активного контроля. Известно, что полная интенсивность излучения из зоны лазерного воздействия включает в себя отраженное лазерное излучение, излучение плазмы и тепловое излучение из ванны расплава и зоны термического влияния, разделение которых не является тривиальным процессом. Таким образом, сбор и интерпретация сигналов представляют определенную трудность, и восстановление реальной температуры в зоне обработки становится важной проблемой. Способы оптимизации процесса и контроль в режиме реального времени на основе мониторинга сигнала из зоны обработки, природа которого не ясна, не является универсальным и может быть использован только в ограниченном диапазоне параметров процесса (этого добиваются различными технологическими приемами в процессе оптической диагностики).

Учитывая время изготовления изделия, а также критическую необходимость обеспечения качества полученного изделия (для целевых потребителей технологии, таких как авиакосмическая отрасль, атомное машиностроение и ВПК), стоимость ошибки возрастает многократно. Можно заключить, что отсутствие контроля процессов СЛП в значительной степени тормозит их внедрение в промышленность. Применение методов оптической диагностики позволит визуализировать процессы лазерной обработки, контролировать качество

процесса, анализируя сигнал, полученный диагностическим оборудованием. Расшифровка и анализ обратного сигнала при помощи современного программного обеспечения позволит автоматически управлять качеством получаемого валика или поверхности в процессе изготовления. Таким образом, инновационная технология СЛП, очевидно, нуждается в измерительной информационной системе для непрерывного контроля зоны лазерного воздействия.

Открываются возможности активного контроля СЛП. При этом в традиционных «вычитающих» технологиях такой активный контроль широко применяется.

Степень разработанности. Решение проблем контроля процесса селективного лазерного плавления является актуальной задачей. На сегодняшний момент представлены работы по использованию различных способов мониторинга и визуализации процесса. Основные типы используемых приборов, такие как пирометры, высокоскоростные камеры с ПЗС-матрицей и инфракрасные камеры, широко используются в научных исследованиях лазерных процессов.

Существенный вклад в исследование процесса селективного лазерного плавления внес Жан-Пьер Крут. Множество работ с его участием рассматривают вопросы контроля качества изделий, получаемых методом СЛП. Под его руководством разработаны системы, позволяющие контролировать размеры конечных изделий со сложнопрофильной геометрией. Кроме того, некоторые исследования Крута направлены на внедрение видеокамер в оптический путь установки, позволяющие визуализировать зону лазерной обработки. Значимые работы в области оптической диагностики процесса селективного лазерного плавления принадлежат и российским ученым - Смурову И.Ю и Дубенской М.А. Авторы использовали интегрированный в оптическую систему установки СЛП пирометр для измерения температуры, а также исследовали влияние на нее параметров лазерного плавления (толщина слоя порошка, расстояние между треками, стратегия сканирования). Множество исследований, направленных на установление влияния рабочих параметров (мощности лазерного излучения, скорости сканирования, толщины слоя порошка, стратегии сканирования) и

свойств материала на качество изготавливаемого объекта, а также моделирование процесса СЛП были проведены профессорами Ядройцевым И.А. и Ядройцевой И.А.

Большое количество работ по созданию диагностических систем было проведено Thombansen и, Gatej A., Pereira M., Craeghs T., Qijsters S., Furumoto Alkahari M.R.

В большинстве исследований использовались системы наблюдения, установленные на одном оптическом пути вместе со сканирующей лазерной оптикой. Это накладывает некоторые ограничения на возможности мониторинга, как-то: низкое пространственное разрешение, установка зеркал для одного диапазона длин волн. Для измерения температуры с использованием пирометра необходима калибровка через всю оптическую систему, в связи с этим некоторые авторы устанавливают диагностические приборы непосредственно в зоне обработки. Существующие разработки направлены в основном на диагностику и понимание явлений, происходящих в зоне лазерного воздействия. На данный момент в промышленных установках СЛП не реализован активный контроль.

Основываясь на достижениях в области оптического мониторинга процесса СЛП, возникает актуальная задача создания измерительной информационной системы контроля. В качестве контролируемого объекта необходимо использовать распределение температуры, а именно геометрию ванны расплава, в качестве измерительного прибора - инфракрасную камеру. Процесс управления осуществлять, при помощи изменения параметров сканирования.

Цель работы - повышение качества формообразования изделия на основе непрерывного контроля формирования единичных треков в процессе СЛП.

Для достижения поставленной цели решаются следующие научные задачи:

• анализ существующих методов оптической диагностики процесса селективного лазерного плавления металлического порошка;

• разработка методики измерения температуры в зоне лазерного воздействия;

• определение влияния основных параметров процесса селективного лазерного плавления (мощность лазерного излучения, скорость сканирования лазерного луча, толщина слоя порошка) на температуру в зоне обработки, на термоцикл металлической поверхности без порошка и на термоцикл поверхности со слоем порошка различной толщины;

• определение размеров ванны расплава и непосредственно прилегающей к ней рабочей зоны, а также наблюдение явлений, происходящих в процессах селективного лазерного плавления;

• определение фактора, по изменению параметров которого осуществляется технологическое воздействие на процесс;

• разработка алгоритма измерительной информационной системы непрерывного неразрушающего контроля стабильности процесса формирования единичного трека;

• морфологический анализ термоизображений зоны лазерного воздействия, полученных посредством инфракрасной камеры;

• разработка принципа построения и структуры системы активного контроля процесса на основе морфологического анализа термоизображений с помощью инфракрасной ПЗС- камеры.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

• получена оценка значения температуры в ванне расплава и в зоне термического влияния в процессе селективного лазерного плавления металлических порошков;

• разработана методика измерения температуры в процессе селективного лазерного плавления металлического порошка (Приложение А);

• определено влияние основных технологических параметров процесса СЛП, а именно: мощности лазерного излучения, скорости сканирования луча и толщины слоя порошка на тепловые процессы в зоне спекания порошка различных материалов (INOX 304L, INOX 316L, Alloy 410, 15-5 PH);

• определена связь между типичным распределением температуры в зоне воздействия лазера и стабильностью/нестабильностью процессов спекания порошка, которая открывается перспективы для определения «технологических окон» для широкого класса металлических порошков и различных установок селективного лазерного плавления;

• выявлен определяющий фактор для контроля геометрического параметра СЛП - распределение температурного поля вдоль трека;

• на основе морфологического анализа термоизображений разработан принцип и алгоритм измерительной информационной системы непрерывного неразрушающего контроля стабильности процесса формирования единичного трека.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в:

• разработанном методе восстановления истинной температуры при помощи инфракрасной камеры в зоне лазерного воздействия в процессе селективного лазерного плавления металлического порошка;

• полученных коэффициентах излучения для металлических порошков при температуре плавления в инфракрасном диапазоне от 3 до 5 мкм;

• установленной связи температуры и геометрии ванны расплава с мощностью лазерного излучения и скоростью сканирования;

• разработанном алгоритме измерительной информационной системы контроля стабильности процесса формирования единичного трека;

• предложенном принципе непрерывного неразрушающего контроля с обратной связью для управления параметрами сканирующей системы (мощность лазерного излучения, скорость сканирования) на основе морфологического анализа термоизображений.

Методология и методы. При выполнении теоретических и экспериментальных работ использовались методы теории термографии, теории серого тела, современные программные средства (MathCAD, Matlab, OriginPro). Эксперименты

выполнялись с использованием стандартных и оригинальных методик, а также калиброванных измерительных приборов. Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная методика измерения температуры в зоне лазерного воздействия (Приложение А).

2. Результаты исследования влияния основных параметров процесса селективного лазерного плавления (мощность лазерного излучения, скорость сканирования лазерного луча, толщина слоя порошка) на температуру в зоне обработки, на термоцикл металлической поверхности без порошка и на термоцикл поверхности со слоем порошка различной толщины.

3. Определяющий фактор, по изменению параметров которого осуществляется технологическое воздействие на процесс.

4. Результаты анализа размеров ванны расплава и непосредственно прилегающей к ней рабочей зоны, а также явлений, происходящих в процессах селективного лазерного плавления.

5. Результаты морфологического анализа термоизображений зоны лазерного воздействия, полученных посредством инфракрасной камеры.

6. Разработанный принцип построения и структура системы активного контроля процесса на основе морфологического анализа термоизображений с помощью инфракрасной ПЗС- камеры.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечена математическими расчетами на основе линейной модели нагрева полубесконечного тела непрерывно действующим гауссовым тепловым источником, предложенной профессором Рыкалиным. Эксперименты проводились в сертифицированных лабораториях с использованием аттестованных приборов и оборудования. Обработку результатов измерений осуществляли с использованием статистических методов и специального программного обеспечения. Была достигнута согласованность экспериментальных данных с расчетами для основных рабочих параметров процесса СЛП. Основные положения работы отражены в научных трудах, которые

включают 4 патента на полезную модель, 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации трудов соискателей ученых степеней, 14 статей в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus.

Основные результаты работы представлены на международных и всероссийских симпозиумах и конференциях: XIII Международной научно-технической конференции (Пенза, 2015); XX Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова (Москва, 2014); XVII Международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (декабрь, 2013); XVI Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2014); IUTAM Symposium on Growing solids Symposium Materials (Москва, 2015); II Международной конференции «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» (Москва, 2016).

Результаты исследований, представленные в работе, апробированы в научно-исследовательских лабораториях ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» и Национальной инженерной школы г.Сент-Этьенн (ENISE, Франция) в ходе прохождения стажировки в рамках Стипендии Президента Российской Федерации для обучения за рубежом в 2014-2015гг. Стажировка проходила под руководством кандидата технических наук, профессора Национальной инженерной школы г.Сент-Этьенн, Университет Лиона, Франция, Дубенской Марии Андреевной.

Материалы работы использованы при выполнении гранта № 14-19-01647 Российского Научного Фонда (2014-2016г.) «Исследование высокотемпературного тепло- и массопереноса при селективном лазерном плавлении порошка и лазерной наплавке методами оптической диагностики».

По названию и содержанию материалов диссертационная работа соответствует п. 6 раздела «Области исследований» Паспорта специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)».

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ КОНТРОЛЯ В ЛАЗЕРНЫХ

АДДИТИВНЫХ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Аддитивное производство: технологии и материалы, перспективы и прогнозы

Под аддитивными технологиями (additive manufacturing) принято понимать технологии создания трехмерных функциональных объектов методом послойного добавления материала [1]. Все аддитивные технологии используют компьютерное и программное обеспечение, необходимые для моделирования трехмерных объектов (CAD, САПР и т.д.), непосредственно производственную установку и расходный материал. Спроектированная в среде САПР математическая модель детали передается на производственную установку, которая разбивает модель на слои (горизонтальные сечения) и при необходимости добавляет так называемые подпорные конструкции. Затем происходит "выращивание" объекта слой за слоем [2].

Аддитивные технологии различны между собой используемым материалом и способом его нанесения, тем не менее, для всех процессов концепция создания модели основывается на послойном наращивании. Материалом для создания объектов может быть пластик, бетон, гипс, деревянное волокно, поликарбонат, металл, живые клетки или шоколад [3].

Разработкой технических стандартов и терминологии аддитивных технологий занимается организация ASTM International (American Society for Testing and Materials). Стандарт ASTM F2792 дает определение аддитивных технологий так: «Процесс объединения материала с целью создания объекта из CAD-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от "вычитающих" производственных технологий» [4].

Так называемыми "вычитающими" технологиями обозначаются механообработка - удаление («вычитание») материала из заготовки. Рекомендованы два основных термина - Additive Fabrication (AF), Additive Manufacturing (AM), также допускается название «технологии послойного синтеза» [4].

В международном сообществе, так же, как и в России, конкретной классификации аддитивных технологий пока не принято. Различные авторы подразделяют их:

• по используемым материалам (жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и т. д.);

• по наличию или отсутствию лазера;

• по методам подвода энергии для фиксации слоя построения (с помощью теплового воздействия, облучения ультрафиолетовым или видимым светом, посредством связующего состава и т. д.);

• по способу формирования слоя.

Принцип формирования слоя делит аддитивные технологии на два вида. Особенность первого вида, Bed Deposition, заключается в том, что перед началом процесса создается слой материала, например, насыпают на рабочую платформу порошковый материал и разравнивают порошок с помощью валика или «ножа», создавая таким образом ровный слой материала определенной толщины; затем выборочно (селективно) обрабатывают порошок в сформированном слое лазером или иным способом, скрепляя частички порошка (переплавляя, сплавляя или склеивая) в соответствии с текущим сечением исходной CAD-модели. Положение плоскости построения неизменно. При этом часть строительного материала (в данном случае - порошка), которая не попала в контур сечения модели, остается нетронутой. Для данной технологии используется термин «селективное лазерное плавление» или «селективный синтез» (по-английски SLS/SLM - Selective Laser Sintering/Melting), если источником концентрированной энергии является лазер [4].

Ко второму виду аддитивных технологий, Direct Deposition («прямое или непосредственное осаждение (материала)»), относятся технологии, в которых

используемый материал подается непосредственно в точку, куда подводится энергия и где происходит в данный момент построение фрагмента детали. Наиболее распространенным видом такой технологии является «Лазерная наплавка» [5].

Можно также выделить наиболее популярные технологии аддитивного производства:

FDM (Fused deposition modeling) — послойное построение изделия из расплавленной пластиковой нити (Рисунок 1.1). Это самый распространенный способ SD-печати в мире, на основе которого работают миллионы SD-принтеров — от самых дешевых до промышленных систем трехмерной печати. FDM-принтеры работают с различными типами пластика, самым популярным и доступным из которых является ABS. Изделия из пластика отличаются высокой прочностью, гибкостью, прекрасно подходят для тестирования продукции, прототипирования, а также для изготовления готовых к эксплуатации объектов [6]. Крупнейшим в мире производителем пластиковых SD-принтеров является американская компания Stratasys [6].

Рисунок 1.1. Изделия из пластика, произведенные на SD-принтере [6]

SLS/SLM - Selective Laser Sintering/Melting — селективное лазерное спекание/плавление металлических порошков (СЛС/СЛП). Этот вид является самый распространенным методом создания трехмерных функциональных деталей из металла (Рисунок 1.2.). С помощью этой технологии можно изготавливать сложные по геометрии металлические изделия, которые по своим качествам превосходят литейное и прокатное производство [7]. К основным производителям установок СЛП относятся:

• Arcam (Швеция, EBM-технология);

• Concept Laser (Германия);

• EOS (Германия);

• Phenix Systems (Франция) в составе 3D Systems (США);

• Realizes (Германия);

• Renishaw (Великобритания);

• SLM Solutions (Германия);

• 3D Systems (США).

X

Л -}

I

■yj

Рисунок 1.2. Металлические изделия, выращенные методом СЛП [6,7,8] [8, 9]

SLA (сокращенно от Stereolithography) — лазерная стереолитография, отверждение жидкого фотополимерного материала под действием лазера. Эта технология аддитивного цифрового производства ориентирована на изготовление высокоточных изделий с различными свойствами (Рисунок 1.3). Крупнейшим производителем SLA-принтеров является американский концерн 3D Systems [6].

Рисунок 1.3. Примеры лазерной стереолитографии [6]

Отдельного внимания заслуживают технологии быстрого прототипирования. Это способы трехмерной печати, с помощью которых изготавливают прототипы

для визуальной оценки, тестирования или мастер-модели для создания литейных форм.

В авиастроительной отрасли используется выражение "buy to fly", означающее отношение приобретенной массы материала к той, которая реально «полетела» в качестве детали в составе самолета. По разным данным это отношение составляет 20:1 для сложных деталей. Использование аддитивных технологий позволяет уменьшить этот показатель до 1,5:1 [10].

В 2013 году около 40% созданного в мире оборудования аддитивного производства установлено в США, 15% - в Германии. 63% всех аддитивных машин произведено в США [10]. Основные отрасли использования аддитивных технологий - это авиационная и автомобильная отрасли США и Европы. На рисунке 1.4 показано распределение установленных машин аддитивного производства по странам мира (за все время ведения статистики с 1988 года). Российский сектор составляет всего 1,3%.

Рисунок 1.4 Распределение инсталляций машин аддитивного производства по

странам мира [10]

Широкое применение аддитивных технологий в промышленности ограничивает ряд сдерживающих факторов. Например, при изготовлении мелких деталей высокая стоимость используемых материалов не является проблемой, но при более крупных объемах и тиражах это становиться серьезным препятствием.

По прогнозам аналитической компании Canalys, объем мирового рынка 3D-печати в 2016 году может вырасти на 50% по сравнению с 2015 годом - до $3,8 млрд, а в 2018 году достигнет $16,2 млрд. Рост объема будет обусловлен расширением использования аддитивных технологий в области архитектуры, медицины, авиационно-космической, оборонной и ядерной отраслях [11].

Российский рынок аддитивного производства является молодым и сконцентрирован, главным образом, на создании изделий и прототипов, занимая всего около 2% в мировом масштабе. Тем временем, развитие аддитивных технологий позволило другим странам достигнуть серьезных успехов в ключевых отраслях. Этому способствовали спрос на них в промышленном секторе, развитие научно-исследовательской базы и поддержка государства.

Для развития технологии в стране необходима комплексная работа сразу в нескольких направлениях: и подготовка квалифицированного персонала, и формирование новых стандартов, и принятие новых нормативных документов. Не менее важной проблемой является отсутствие в России серийного производства порошков. Тем не менее, некоторые точечные действия в этом направлении предпринимаются как отдельными чиновниками, так и учеными. Так заместитель председателя правительства Российской Федерации Дмитрий Рогозин, отвечающий в правительстве за ВПК, предлагает развивать концепцию «цифровой фабрики» с полным циклом производства, от проектирования до получения готового изделия. Такие фабрики могли бы включать в себя аддитивные технологии, высокопроизводительные автоматизированные линии для быстрого изготовления электронной компонентной базы, роботизированное управление производством, национальные CAD-, CAE-, CAM-системы, новые технологии сборочного производства, системы управления жизненным циклом изделия. По его мнению, для внедрения концепции «цифровой фабрики» и, в частности, развития аддитивных технологий необходимы совместные усилия со стороны Военно-промышленной комиссии, Минпромторга РФ и Фонда перспективных исследований [12].

В России, по словам Д. Рогозина, существуют компании и научные центры, за счет которых может происходить развитие аддитивных технологий: МЦЛТ, ЗАО «НИИ ЭСТО», ЗАО «НТ-МДТ», ГК «Промтехнология», МГТУ им. Баумана, МГТУ «СТАНКИН», МИСИС, МАИ. В их арсенале есть оборудование высокого уровня, способное провести научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) и проконтролировать качество работ на каждом этапе. Помимо этого, в России работают небольшие компании, предлагающие оборудование зарубежных производителей. Однако, по убеждению заместителя председателя правительства, «слабостью и тех, и других является отсутствие комплексного подхода и несогласованность действий по освоению и внедрению цифровых технологий» [12].

Похожие диссертационные работы по специальности «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», 05.11.16 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жирнов, Иван Владимирович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Petrovic, V. Additive layered manufacturing: sectors of industrial application shown through case studies / V. Petrovic, J. Vicente Haro Gonzalez, O. Jorda Ferrando, et al. // International Journal of Production Research. - 2011. - V. 49, № 4. - P. 10611079.

2. Gu, D. D. Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms / D.D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R.Poprawe. // International materials reviews. - 2012. - V. 57, № 3. - P. 133-164.

3. Wohlers Report 2015: 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry Annual Worldwide Progress Report. / T. Wohlers, T.Caffrey: Wohlers Associates, 2015.

4. ASTM A. F2792-2012 Standard terminology for additive manufacturing technologies. - ASTM International, 2012.

5. Weisheit, A. Direct Laser Cladding, Current Status and Future Scope of Application / A. Weisheit, A. Gasser, G. Backes et al. // Laser-Assisted Fabrication of Materials. - Springer Berlin Heidelberg, 2013. - P. 221-240.

6. Официальный сайт организации «3DPrint» [электронный ресурс]: офиц. сайт // организация «3DPrint». - Режим доступа: https://3dprint. com (дата обращения 3.10.2014).

7. Mumtaz, K. A. High density selective laser melting of Waspaloy / K. A. Mumtaz, P. Erasenthiran, N.Hopkinson // Journal of materials processing technology. - 2008. - V. 195, № 1. - P. 77-87.

8. Официальный сайт фирмы «SLM-solutions» [электронный ресурс]: офиц. сайт // фирма «SLM-solutions». - Режим доступа: https://slm-solutions.com (дата обращения 3.10.2014).

9. Шишковский, И.В. Лазерный синтез функциональных мезоструктур и объемных изделий. / И.В.Шишковский - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.

10. Wohlers Report 2013: Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry. / Wohlers T. T. - Colorado, 2013..

11. Официальный сайт аналитической компании «Canalys» [электронный ресурс]: офиц. сайт // аналитическая компания «Canalys». - Режим доступа: https: //www. canalys .com (дата обращения 10.09.2014).

12. Официальный сайт издания «Российская газета» [электронный ресурс]: офиц. сайт // издание «Российская газета». - Режим доступа: https://rg.ru (дата обращения 10.09.2014).

13. Zhang, Y. Melting and resolidification of a subcooled mixed powder bed with moving Gaussian heat source / Y. Zhang, A. Fajhri. // Journal of Heat Transfer. - 1998. - V. 120, № 4. - P. 883-891.

14. Agarwala, M. Direct selective laser sintering of metals / M. Agarwala, D. Bourell, J. Beaman et al. // Rapid Prototyping Journal -1995. - V. 1, № 1. - P. 26-36.

15. Bartolo, P. J. S. Virtual and Rapid Manufacturing / P. J. S. Bartolo, H. A. Almedia, N. F. Alves // Proceedings of the 3rd International Conference on Advanced Research in Virtual and Rapid Prototyping - Leiria, Portugal: Taylor & Francis, 2008.

16. Yadroitsev, I. Selective laser melting: Direct manufacturing of 3D-objects by selective laser melting of metal powders. / I.Yadroitsev; ed. Lap Lambert Academic Publishing. - Germany: Saarbuken, 2009.

17. Yadroitsev, I. Application of laser assisted technologies for fabrication of functionally graded coatings and objects for the International Thermonuclear Experimental Reactor components / I. Yadroitsev, P. Bertrand, B. Laget et al. // Journal of nuclear materials. - 2007. - V. 362, № 2. - P. 189-196.

18. Yadroitsev, I. Strategy of manufacturing components with designed internal structure by selective laser melting of metallic powder / I. Yadroitsev, L. Thivillon, P. Bertrand, et al. // Applied Surface Science -2007. - V. 254, № 4. - P. 980-983.

19. Yadroitsev, I. Manufacturing of fine-structured 3D porous filter elements by selective laser melting / I. Yadroitsev, I. Shishkovsky, P. Bertrand et al. // Applied Surface Science. - 2009. - V. 255, № 10. - P. 5523-5527.

20. Yadroitsev, I. Use of track/layer morphology to develop functional parts by selective laser melting / I. Yadroitsev, P. Bertrand, G. Antonenkova et al. // Journal of Laser Applications. - 2013. - V. 25, № 5. - P. 052003.

21. Bremen, S. Selective Laser Melting / S. Bremen, W. Meiners, A. Diatlov // Laser Technik Journal. - 2012. - V. 9, № 2. - P. 33-38.

22. Kruth, J-P. Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting / J-P. Kruth, P. Mercelis, J. Van Vaerenbergh, et al. // Rapid prototyping journal.

- 2005. - V. 11, № 1. - P. 26-36.

23. Mercelis, P. Residual stresses in selective laser sintering and selective laser melting / P. Mercelis, J.-P. Kruth. // Rapid Prototyping Journal. - 2006. - V. 12, № 5. -P. 254-265.

24. Yasa, E. The investigation of the influence of laser re-melting on density, surface quality and microstructure of selective laser melting parts / E. Yasa, J. Deckers, J.P.Kruth. // Rapid Prototyping Journal. - 2011. - V. 17, № 5. - P. 312-327.

25. Vandenbroucke, B. Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts / B. Vandenbroucke, J.P. Kruth. // Rapid Prototyping Journal. - 2007. - V. 13, № 4. - P. 196-203.

26. Yadroitsev, I. Factor analysis of selective laser melting process parameters and geometrical characteristics of synthesized single tracks / I. Yadroitsev, I. Yadroitsava, P. Bertrand et al. // Rapid Prototyping Journal. - 2012. - V. 18(3). - P. 201-208.

27. Thijs, L. A study of the microstructural evolution during selective laser melting of Ti-6Al-4V / L. Thijs, F. Verhaeghe, T. Craeghs, et al. // Acta Materialia. - 2010. - V. 58, № 9. - P. 3303-3312.

28. Tammas-Williams, S. XCT analysis of the influence of melt strategies on defect population in Ti-6Al-4V components manufactured by selective electron beam melting / S. Tammas-Williams, H. Zhao, F. Léonard et al. // Materials Characterization. - 2015.

- V. 102. - P. 47-61.

29. Li, R. Balling behavior of stainless steel and nickel powder during selective laser melting process / R. Li, J. Liu, Y. Shi et al. // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2012. - V. 59, № 9-12. - P. 1025-1035.

30. Gu, D. Balling phenomena in direct laser sintering of stainless steel powder: metallurgical mechanisms and control methods / D. Gu, Y.Shen. // Materials & Design.

- 2009. - V. 30, № 8. - P. 2903-2910.

31. Gu, D. Processing conditions and microstructural features of porous 316L stainless steel components by DMLS / D. Gu, Y.Shen. // Applied Surface Science. - 2008.

- V. 255, № 5. - P. 1880-1887.

32. Niu, H. J. Instability of scan tracks of selective laser sintering of high speed steel powder / H. J. Niu, I. T. H.Chang. // Scripta Materialia. - 1999. - V. 41 (11). - P. 1229-1234.

33. Kruth, J.-P. Selective laser melting of iron-based powder / J.-P. Kruth, L. Froyen, J. Van Vaerenbergh et al. // Journal of Materials Processing Technology. - 2004.

- V. 149, № 1. - P. 616-622.

34. Zaeh, M. Investigations on residual stresses and deformations in selective laser melting / M. Zaeh, G.Branner // Production Engineering. - 2010. - V. 4, № 1. - P. 35-45.

35. Yadroitsev, I. Parametric analysis of selective laser melting technology / I. Yadroitsev, P. Bertrand, I. Smurov // Applied Surface Science -2007. - V. 253, № 19. -P. 8064-8069.

36. Yadroitsev, I. Strategy of fabrication of complex shape parts based on the stability of single laser melted track / I. Yadroitsev, I. Yadroitsava, I. Smurov // SPIE LASE. - International Society for Optics and Photonics. - 2011. - P. 79210C-79210C-13.

37. Волосов, С.С. Приборы для автоматического контроля в машиностроении / C. С. Волосов, Е.И.Педь - М.: Машиностроение, 1970.

38. Волосов, С.С. Управление качеством продукции средствами активного контроля / С.С. Волосов, З. Ш. Гейлер // Изд-во стандартов. - 1989.

39. Балакшин, Б.С. Самоподнастраивающиеся станки. Управление упругими перемещениями системы СПИД. Сборник статей. / Б.С.Балакшин; Под ред. Балакшина Б. С. - М.: Машиностроение, 1970.

40. Рыкалин, Н.В. Расчеты тепловых процессов при сварке : монография /

H.В. Рыкалин - М.: Машгиз, 1951.

41. Smurov, I. Temperature monitoring by optical methods in laser processing /

I. Smurov, M. Doubenskaia // Laser-Assisted Fabrication of Materials - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. - P. 373-422.

42. Doubenskaia, M. Determination of true temperature in selective laser melting of metal powder using infrared camera / M. Doubenskaia, I. Zhirnov, V. I. Teleshevskiy et al. // Trans Tech Publications / Ed. Forum M. S. - V. 834 -2015. - P. 95-104.

43. Elhadj, S. Combined Infrared Thermal Imaging and Laser Heating for the Study of Materials Thermophysical and Processing Properties at High Temperatures / S. Elhadj, M.J. Matthews, S.T. Yang // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. -2014. - V. 39, № 3. - P. 175-196.

44. Zhirnov, I. Optical Monitoring and Numerical Simulation of Temperature Distribution at Selective Laser Melting of Ti6Al4V Alloy / I. Zhirnov, I. Yadroitsava, I.Yadroitsev // Materials Science Forum. - V. 828 -Trans Tech Publications, 2015. -P. 474-481.

45. Smurov, I. Laser process optical sensing and control / I. Smurov. // IV International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing: proceedings of the conference - Munich, 2007. - P. 537-546.

46. Kruth, J.-P. Feedback control of selective laser melting / J.-P. Kruth, P. Mercelis, J. Van Vaerenbergh et al. // 3rd international conference on advanced research in virtual and rapid prototyping: proceedings of the conference - 2007. - P. 521-527.

47. Назаров, А.П. Исследование процессов модификации поверхностного слоя и изготовления трехмерных машиностроительных деталей посредством селективного лазерного плавления / А.П. Назаров, Т.В.Тарасова // Вестник МГТУ "СТАНКИН". - 2013. - T. 2. - C. 17-21.

48. Неделько, А.Ю. Преимущества и недостатки бесконтактного измерения температуры / А.Ю. Неделько // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2005. - V. 7. - P. 29-30.

49. Tran, C.D. Infrared Multispectral Imaging: Principles and Instrumentation / C.D. Tran // Applied Spectroscopy Reviews. - 2003. - V. 38, № 2. - P. 133-153.

50. Госсорг, Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение / Ж. Госсорг - Мир, 1988.

51. Doubenskaia, M. Optical monitoring of Nd: YAG laser cladding / M. Doubenskaia, P. Bertrand, I. Smurov // Thin Solid Films. - 2004. - V. 453-454. - P. 477485.

52. Furumoto, T. Investigation of laser consolidation process for metal powder by two-color pyrometer and high-speed video camera / T. Furumoto, T. Ueda, M.R. Alkahari et al. // CIRP Annals-Manufacturing Technology. - 2013. - V. 62, № 1. - P. 223-226.

53. Craeghs, T. Feedback control of Layerwise Laser Melting using optical sensors / T. Craeghs, F. Bechmann, S. Berumen et al. // 6th International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering (LANE 2010): proceedings of the conference - V. 2 -

2010. - P. 506-514.

54. Craeghs, T. Determination of geometrical factors in Layerwise Laser Melting using optical process monitoring / T. Craeghs, S. Clijsters, E. Yasa et al. // Optics and Lasers in Engineering. - 2011. - V. 49, № 12. - P. 1440-1446.

55. Craeghs, T. Online Quality Control of Selective Laser Melting / T. Craeghs, S. Clijsters, E. Yasa et al. // 20th Sеolid Freeform Fabrication (SFF) symposium: proceedings of the conference - Austin, USA, 2011. - P. 212-226.

56. Брамсон, М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. / М.А.Брамсон: Наука, 1964.

57. Doubenskaia, M. Definition of brightness temperature and restoration of true temperature in laser cladding using infrared camera / M. Doubenskaia, M. Pavlov, S. Grigoriev et al. // Surface and Coatings Technology. - 2013. - V. 220. -P. 244-247.

58. Schwerdtfeger, J. In situ flaw detection by IR-imaging during electron beam melting / J. Schwerdtfeger, Singer R., C.Korner // Rapid Prototyping Journal - 2012. -V. 18, № 4. - P. 259-263.

59. Lehti, A. Correlation between pyrometer monitoring and active illumination imaging of laser assisted additive manufacturing of stainless steel / A. Lehti, L. Taimisto, H. Piili et al. // International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO): proceedings of the conference - Laser Institute of America, Orlando, FL, US,

2011. - P. 196-204.

60. Wi<?cek, B. Multispectral system for measuring the radiation parameters of steel slag during the discharge of steelworks furnace / B. Wi<?cek, K. Pacholski, T. Swi^tczak // 11th International Conference On Quantitative Infrared Thermography (QIRT): proceedings of the conference - Naples, Italy, 2012.

61. Pavlov, M. Pyrometric analysis of thermal processes in SLM technology / M. Pavlov, M. Doubenskaia, I. Smurov // 6th International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering (LANE 2010): proceedings of the conference - Erlangen, Germany, 2010.

62. Doubenskaia, M. Optical system for on-line monitoring and temperature control in selective laser melting technology / M. Doubenskaia, M. Pavlov, Y. Chivel. // Key Engineering Materials. - 2010. - V. 437. - P. 458-461.

63. Lott, P. Design of an optical system for the in situ process monitoring of selective laser melting (SLM) / P. Lott, H. Schleifenbaum, W. Meiners et al. // Physics Procedia. - 2011. - V. 12. - P. 683-690.

64. Device for monitoring laser engineering processes. Appl. №2008130836/28: B23K 26/02 / Y. Chivel, I. Smurov, B. Laget; Publ. №02371704 Appl: 25.07.2008; Date of patent: 27.10.2009.

65. Lehti, A. Spectrometrical Monitoring of Laser Sintering Process of Ceramic Material / A. Lehti. - 2011.

66. Thombansen, U. Tracking the course of the manufacturing process in selective laser melting / U. Thombansen, A. Gatej, M.Pereira // SPIE LASE -International Society for Optics and Photonics, 2014. - P. 896300-896300-7.

67. Craeghs, T. Detection of process failures in Layerwise Laser Melting with optical process monitoring / T. Craeghs, S. Clijsters, J. P. Kruth et al. // Physics Procedia.

- 2012. - V. 39. - P. 753-759.

68. Марков, М.Н. Приемники инфракрасного излучения. / М.Н. Марков: Наука, 1968.

69. Вавилов, В.П. Тепловизоры и их применение. / В.П. Вавилов, А.Г.Климов.

- М.: Интелуниверсал, 2002.

70. Bayle, F. Selective Laser Melting process monitoring with high speed infra-red caméra and pyrometer / F. Bayle, M. Doubenskaia // Fundamentals of Laser Assisted Micro-and Nanotechnologies - International Society for Optics and Photonics, 2008. -P. 698505-698505-8.

71. Krauss, H. Thermography for monitoring the selective laser melting process / H. Krauss, C. Eschey, M. F. Zaeh. // 23rd Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium: proceedings of the conference - The University of Texas at Austin. -P. 999-1014.

72. Furumoto, T. Monitoring of laser consolidation process of metal powder with high speed video camera / T. Furumoto, M. R. Alkahari, T. Ueda et al. // Physics Procedia. - 2012. - V. 39. - P. 760-766.

73. Thombansen, U. Illumination for Process Observation in Laser Material Processing / U. Thombansen, M.Ungers. // Physics Procedia. - 2014. - V. 56. - P. 12861296.

74. Kruth, J. P. On-line monitoring and process control in selective laser melting and laser cutting / J. P. Kruth, J. Duflou, P. Mercelis et al. // 5th LANE Conference, Laser Assisted Net Shape Engineering: proceedings of the conference. - V. 1 - 2007. -P. 23-37.

75. Pajani, D. Mesure par thermographie infrarouge. / D.Pajani: ADD Editeur,

1989.

76. Gaussorgues, G. La thermographie infrarouge: Principes, technologies, applications. / G.Gaussorgues; Tec&Doc.Lavoisier. - 4ème édition, 1999.

77. Clerjaud, L. Méthode d'hétérodynage pour la caractérisation de propriétés thermophysiques par thermographie infrarouge dans une large gamme spatiale et temporelle: diss. ... docteur: 4040; Université de Bordeaux, 2010.

78. Блох, А.Г. Основы теплообмена излучением. / А.Г. Блох: Гос. знерг. изд-во, 1962.

79. Pavlov, M. Application des dispositifs de diagnostic optique multi-spectraux dans les procédés de fabrication additive: fusion sélective par laser et projection laser coaxiale: diss. ... docteur: 2011ENISE0007, 2011.

80. Берг, Л.Г. Введение в термографию. / Л.Г. Берг: Наука, 1969.

81. Howell, J.R. Thermal radiation heat transfer. / J.R. Howell, M.P. Menguc, R.Siegel: CRC press, 2010.

82. Жоров, Г.А. Излучательная способность металлов при нагревании на воздухе/ Г.А. Жоров // Теплофизика высоких температур. - 1967. - T. 5, № 3. - C. 450-457.

83. Петров, В.А. Излучательная способность высокотемпературных материалов. / В.А. Петров: Наука, 1969.

84. Gusarov, A.V. Modelling of radiation transfer in metallic powders at laser treatment/ A.V. Gusarov, J.-P.Kruth // Modelling of radiation transfer in metallic powders at laser treatment. - 2005. - V. 48, № 16. - P. 3423-3434.

85. Ho, C.Y. Electrical resistivity and thermal conductivity of nine selected AISI stainless steels / C.Y. Ho, T.K. Chu // Thermophysical and electronic properties information analysis center lafayette in. - 1977. - V. 45. - P. 51.

86. German, R.M. Powder metallurgy processing of thermal management materials for microelectronic applications / R.M. German, K.F. Hens, J.L.Johnson // International Journal of Powder Metallurgy. - 1994. - V. 30(2). - P. 205-215.

87. Gusarov, A.V. Radiation transfer in metallic powder beds used in laser processing / A.V. Gusarov, I.Smurov // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. - 2010. - V. 111(17). - P. 2517-2527.

88. Doubenskaia, M. Parametric analysis of SLM using comprehensive optical monitoring / M. Doubenskaia, S. Grigoriev, I. Zhirnov et al. // Rapid Prototyping Journal.

- 2016. - V. 22, № 1.

89. Zhirnov, I.V. Optical monitoring of selective laser melting: influence of scanning speed and laser power on the melt pool geometry on the surface of INOX 316L powder layer / I.V. Zhirnov, I.Yu. Smurov, M.A. Doubenskaia // Vestnik MGTU Stankin.

- 2015. - V. 3(34). - P. 52-56.

90. Zhirnov, I. Optical monitoring and diagnostics of SLM processing for single track formation from Co-Cr alloy / I. Zhirnov, P. Podrabinnik, M. Tokbergenov et al. // Materials Science Forum - - 2015. - V. 834, - P. 51-60.

91. Пытьев, Ю.П. Методы морфологического анализа изображений. / Ю.П.Пытьев, А.И.Чуличков - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ В СКОРОСТНЫХ ПРОЦЕССАХ СПЕКАНИЯ ПОРОШКОВЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Методика

измерения температурных полей и термоциклирования в скоростных процессах спекания

порошковых функциональных материалов

Дата введения в действие: « » 2015 г

Москва - 2015г.

Термины, определения, условные обозначения и сокращения, принятые в тексте

СЛП - селективное лазерное плавление/спекание.

ИК-камера (тепловизор, инфракрасная камера) - устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности.

Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео — это научный способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей.

Градиент температурный - величина изменения температуры на единицу длины в направлении распространения теплоты, т. е. по направлению нормали к изотермической поверхности. Выражают в Кельвинах на метр (К/м) или в градусах Цельсия на метр (°С/м).

Бесконтактная оптическая диагностика - неразрушающий вид дистанционного контроля с использованием оптических приборов.

Единичный трек или одиночный валик (в СЛП) - результат взаимодействия движущегося лазерного источника с подложкой либо со слоем металлического порошка.

Микроструктура - строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях при помощи металлографического микроскопа.

Металлографический микроскоп - специальный вид оптического микроскопа, предназначенный для исследования структуры сплавов (металлография) и др. твёрдых, преимущественно непрозрачных тел.

Металлографический шлиф - полированный образец металла, предназначенный для металлографического исследования.

Пробоподготовка - комплекс действий над объектом анализа (образцом), направленный на подготовку его к металлографическому анализу.

Металлографический анализ - изучение макро- и микроструктуры металлов и сплавов с помощью визуального наблюдения при различных увеличениях.

Металлография - наука о структуре металлов и сплавов; раздел металловедения. Металлография исследует закономерности образования

структуры металла, изучает его макроструктуру и микроструктуру, атомно-кристаллическое строение, влияние структуры на механические, электрические, магнитные и другие свойства. Металлография включает в себя и физические методы контроля и исследования металлов, такие как определение теплоёмкости и электросопротивления, неразрушающий контроль металлов и др.

Дифракционный спектр - график зависимости интенсивности излучения от угла дифракции.

Оптическое разрешение пирометра - этот показатель рассчитывается как отношение диаметра пятна (круга) на поверхности, излучение с которого регистрируется пирометром, к расстоянию до объекта.

Яркостная температура - это такая температура, которую имело бы абсолютно чёрное тело, обладающее такой же интенсивностью в данном диапазоне частот.

Коэффициент излучения или полный коэффициент излучения е является мерой, определяющей ту часть энергии по всем диапазонам длин волн, которую составляет излучение данного тела от полного излучения черного тела при той же температуре.

Абсолютное черное тело - физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

1. Область применения

Настоящая методика предназначена для измерения температурных полей и термоциклирования в скоростных процессах спекания порошковых функциональных материалов в качестве метода лежащего в основе непрерывного контроля процесса с использованием обратной связи при изготовлении изделий в установках селективного лазерного плавления.

2. Общие положения

2.1 Наименование и обозначение объекта исследования:

2.1.1. тестовые образцы типа «одиночный валик»;

2.1.2. изображения, полученные при помощи ИК-камеры;

2.2 Цель работы:

2.2.1 Получение температурных полей и оценка скоростей нагрева и охлаждения в зоне лазерного воздействия в процессе спекания порошковых функциональных материалов.

3. Требования к средствам измерений, вспомогательным устройствам, материалам, реактивам

3.1 При выполнении измерений применяют средства измерений, вспомогательные устройства, материалы и реактивы, приведенные в приложении 2.

3.2 Средства измерений, вспомогательные устройства, материалы и реактивы, указанные в приложении 2, могут быть заменены другими, обеспечивающими требуемые параметры, настоящей методике или ТЗ на выполняемые измерения, по согласованию с руководителем работ.

4. Метод (методы) измерений

4.1 Измерения температурных полей и термоциклирования в скоростных процессах спекания порошковых функциональных материалов выполняют методом бесконтактной оптической диагностики при помощи ИК-камеры и пирометра, как по-отдельности, так и в интегральной системе.

4.2 Бесконтактную оптическую диагностику процесса спекания порошковых функциональных материалов осуществляют в двух различных схематических исполнениях:

- установка оптических измерительных приборов (ИК-камера и пирометр) непосредственно в рабочей зоне, под углом не меньше 450 к зоне лазерного воздействия (Рисунок 1, область 1);

- расположение оптических измерительных приборов (ИК-камера и пирометр) соосно лазерному излучению в одном оптическом пути (Рисунок 1, область 2).

Рисунок 1. Схема различных исполнений систем оптической диагностики процесса спекания функциональных порошковых материалов: 1 - расположение средств измерения в зоне обработки, 2 - расположение средств измерения по одному оптическому пути с лазерным излучением

4.3 Для получения распределения температуры в рабочей зоне необходимо использовать данные полученные с помощью ИК-камеры. Для получения среднего значения температуры в конкретной области применяется пирометр.

5. Требования безопасности

При проведении измерения температурных полей и термоциклирования в скоростных процессах спекания порошковых функциональных материалов следует соблюдать требования по безопасности работы с порошками, безопасности работы с устройствами, оборудованными механическими перемещающимися узлами и лазерами, безопасности при работе с электрическими установками, а также требования пожарной безопасности. 5.1 Требования безопасности при работе с порошками:

5.1.1 СанПиН 2.2.4.548—96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений»;

5.1.2 ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны»;

5.1.3 ГОСТ 12.4.034-2001 «Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Классификация и маркировка»;

5.1.4 ПБ 11-493-02 «Общие правила безопасности для металлургических и коксохимических предприятий и производств»;

5.1.5 ОППБ «Общие правила промышленной безопасности для организаций, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности опасных производственных объектов»;

5.1.6 ПБ 11-555-03 «Правила безопасности при производстве порошков и пудр из алюминия, магния и сплавов на их основе»;

5.1.7 ГОСТ 123-2008 «Кобальт. Технические условия»;

5.1.8 ГОСТ 9721-79 «Порошок кобальтовый. Технические условия»;

5.1.9 ТУ 48-19-265-91 «Карбид вольфрама порошкообразный»;

5.1.10 ТУ 48-19-456-88 «Карбид вольфрама порошкообразный марки 95»;

5.1.11 ТУУ 24.6-33876998-001-2006 «Литой карбид вольфрама»;

5.1.12 ISO DTS 12901-1 «Нанотехнологии: Руководство по безопасному обращению и утилизации синтезированных наноматериалов»

5.1.13 Правила безопасности при производстве соответствующих

порошковых материалов, инструкции по охране труда при производстве соответствующих порошковых материалов.

5.2 Требования лазерной безопасности:

5.2.1 ГОСТ 12.1.040-83 «ССБТ. Лазерная безопасность. Общие положения»;

5.2.2 ГОСТ Р 50723-94 «Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий»;

5.2.3 ГОСТ 12.0.004-76 «ССБТ» - Организация и обучение работающих на лазерных установках. Требования безопасности»;

5.2.4 ГОСТ 12.4.026—76 «ССБТ. Цвета сигнальные и знаки безопасности»;

5.2.5 СНиП 2125—80 «Санитарно-гигиенические нормы допустимых уровней ионизации воздуха производственных помещений»;

5.2.6 СанПиН 5804—91 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров».

5.3 Требования электрической безопасности:

5.3.1 ГОСТ 12.2.003-91 «ССБТ. Оборудование производственное. Общие требования безопасности»;

5.3.2 ГОСТ 12.2.049-80 «ССБТ. Оборудование производственное. Общие эргономические требования»;

5.3.3 ГОСТ 12.2.107-85 «Система стандартов безопасности труда. Шум. Станки металлорежущие. Допустимые шумовые характеристики»;

5.3.4 ГОСТ 12.2.007.0-75 Изделия электротехнические. Общие требования безопасности;

5.3.5 ГОСТ 12.1.019-79 ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты;

5.3.6 ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.;

5.3.7 Правила устройства электроустановок (ПУЭ);

5.3.8 Правилам эксплуатации электроустановок потребителей;

5.3.9 Правилам техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей;

5.3.10 ГОСТ 12.4.124-83 ССБТ. Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования.

5.4 Требования пожарной безопасности:

5.4.1 ГОСТ Р 12.3.047-98 Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля;

5.4.2 ГОСТ 12.1.004—91. Пожарная безопасность. Общие требования;

5.4.3 ГОСТ Р 53295-2009 Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности.

5.5 Требования безопасности работ:

5.5.1 персонал, проводящий работы, должен надеть спецодежду, подготовить к использованию средства индивидуальной защиты ГОСТ 12.4.011-89 «Средства защиты работающих. Общие требования и классификация»;

5.5.2 персонал, проводящий работы, должен проверить исправность оборудования, инструмента, целостность лабораторной посуды;

5.5.3 персонал, проводящий работы, должен проверить исправность и работу вентиляции, вытяжного шкафа;

5.5.4 персонал, проводящий работы, должен выставить информационные знаки, предупреждающие об опасности работ по ГОСТ 12.4.026-76.

5.6 Требования к информированию:

Операторы, инженеры, персонал, принимающий участие в выполнении работ, а также сторонние люди, находящиеся в одном помещении с установкой селективного лазерного плавления или с другими установками, участвующими в подготовке или выполнении процесса производства, должны быть оповещены об опасностях, требованиях к безопасности, а также правилах безопасности. Лица, допущенные к непосредственной работе, должны пройти инструктаж по охране труда, стажировку и проверку знаний требований охраны труда. Результаты оповещения и проверки знаний заносятся в журнал техники безопасности.

Ответственность за исполнение вышеперечисленных операций возлагается на ответственного работника по охране труда, ответственного лица или руководителя работ.

6 Требования к квалификации операторов

К проведению измерения температурных полей и термоциклирования в скоростных процессах спекания порошковых функциональных материалов допускается персонал, имеющий высшее или среднее специальное образование, соответствующую профессиональную подготовку, прошедший обучение и (при необходимости) аттестацию на оборудовании для оптической диагностики промышленных процессов, металлографическом микроскопе, имеющий не менее одного года (при необходимости), прошедший инструктаж по электро- и радиационной безопасности и изучивший:

- эксплуатационную документацию объекта испытаний и средств проведения работ;

- эксплуатационную документацию средств измерения;

- санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4.548—96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений»;

- государственный стандарт ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны»;

- государственный стандарт ГОСТ 12.4.034-2001 «Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты органов дыхания. Классификация и маркировка»;

- правила технической эксплуатации электроустановок потребителей;

- правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей;

- настоящую методику;

- другие правила безопасности, установленные на предприятии.

При проведении работ персонал обязан соблюдать требования и правила безопасности согласно приведённым документам и связанным с ними документам,

не ограничиваясь ими.

Операторы, инженеры, персонал, принимающий участие в выполнении исследований, а также сторонние люди, находящиеся в одном помещении с технологическим и контрольно-измерительным оборудованием, должны быть оповещены об опасностях, требованиях к безопасности, а также правилах безопасности. Лица, допущенные непосредственно к работе, должны пройти инструктаж по охране труда, стажировку и проверку знаний требований охраны труда. Результаты оповещения и проверки знаний заносятся в журнал техники безопасности. Ответственность за исполнение вышеперечисленных операций возлагается на ответственного работника по охране труда, ответственного лица или руководителя работ.

7 Требования к условиям измерений

7.1 Исходные порошковые материалы должны представлять собой сплавы или механические смеси. Химический состав материала порошков не регламентируется настоящей методикой и определяется в результате научных или технологических изысканий;

7.2 измерения температурных полей и термоциклирования в скоростных процессах спекания порошковых функциональных материалов выполняют на установках селективного лазерного плавления, доступных к разработке и изготовлению, либо имеющихся в свободной продаже;

7.3 используемые параметры лазерного излучения должны быть достижимы не менее, чем на двух установках селективного лазерного плавления, представленных в свободной продаже;

7.4 лазерное излучение, используемое в качестве теплового источника для селективного сплавления порошка должно быть с длиной волны 10,6 мкм, или 1,064 мкм, или 1,07 мкм, или 1,03 мкм;

7.5 диаметр лазерного луча на технологической подложке или на слое порошка должен быть не более 150 мкм.

7.6 работы должны проводиться в нормальных климатических условиях:

7.7 температура окружающего среды 20±10 оС,

7.8 относительная влажность воздуха не более 80%,

7.9 атмосферное давление 100±10 кПа,

7.10 напряжение питающей сети 220±22 В,

7.11 частота питающей сети 50,0±0,4 Гц;

7.12 исследования должны проводиться в помещении, оборудованном системой вентиляция (допускается локальная вентиляционная установка) в соответствии с ГОСТ 12.4.021-75 «Системы вентиляции. Общие требования. ТУ». Допускается применять естественную вентиляцию помещений через окна, двери (рекомендуется исключительно в качестве дополнительного способа проветривания);

7.13 помещение должно быть оборудовано системой защитного заземления или зануления по ГОСТ 12.1.030-81 «Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление». Рекомендуется, чтобы помещение было оборудовано устройством защитного отключения по ГОСТ Р 51327.1-2010 «Выключатели автоматические, управляемые дифференциальным током, бытового и аналогичного назначения со встроенной защитой от сверхтоков. Часть 1. Общие требования и методы испытаний».

7.14 средства измерения должны быть откалиброваны согласно ГОСТ Р 8.619 -2006 для тепловизоров (ИК-камера) и ГОСТ 8.130-74 для пирометров.

7.15 шероховатость поверхности подложки должна лежать в диапазоне Ra 3,2 -0,1 (5 - 10 классы обработки);

7.16 средства измерения температуры и источник лазерного излучения должны работать в разных диапазонах длин волн;

7.17 зона измерения температуры и область лазерного воздействия должны находится в защитной инертной газовой среде ГОСТ 5272-68.

8 Подготовка к выполнению измерений, в том числе требования к отбору проб

8.1 При подготовке к выполнению измерений проводят следующие работы:

8.1.1 загрузку исследованного и подготовленного исходного порошкового материала в порошковый бункер установки селективного лазерного плавления;

8.1.2 установку технологической подложки на платформу установки селективного лазерного плавления;

8.1.3 обработку электронной модели (электронных моделей) в программном обеспечении установки селективного лазерного плавления;

8.1.4 подготовку оборудования к старту процесса производства;

8.1.5 порошок не должен находиться в контакте с атмосферой длительное время, которое, как правило, необходимо для перемещения порошка от герметичной тары для постоянного или временного хранения в порошковый бункер установки селективного лазерного плавления;

8.1.6 технологическая подложка должна устанавливаться в специальные посадочные места платформы установки селективного лазерного плавления. Технологическая подложка должна иметь погрешность параллельности к уровню установки (определяется по специальным меткам или устройствам, поставляющимися вместе с установкой селективного лазерного плавления) не более 0,005 мм;

8.1.7 установить средства измерения согласно одному из вариантов, указанных в пункте 4.2 настоящей методике;

8.1.8 сфокусировать область измерения на датчик средства измерения;

8.1.9 проверить наличие калибровочных файлов для оптических средств измерений;

8.1.10 установить оптимальные параметры съемки ИК-камеры: пространственное (размер кадра) и временно разрешение (частота кадров);

8.1.11 установить оптимальные параметры измерения пирометра: частота измерения;

8.1.12 проверяют по внешнему осмотру состояние системы оптической диагностики, соединительных проводов и кабелей, работоспособность средств измерения согласно техническому описанию на каждое из применяемых средств измерения.

9. Порядок выполнения измерений

При выполнении измерений температурных полей и термоциклирования в скоростных процессах спекания порошковых функциональных материалов выполняют следующие операции:

- растил первичного слоя порошка на установке селективного лазерного плавления;

- в случае установки системы оптического контроля непосредственно в рабочей зоне, необходимо произвести настройку фокусного расстояния средств измерения от поверхности слоя металлического порошка;

- провести регистрацию воздействия лазерного излучения на слой металлического порошка в точке;

- установка оптимальных параметров средств измерения для регистрации излучения объекта исследования;

- регистрация процесса плавления заданного контура «одиночного валика» или объекта исследования при помощи средств измерения температуры;

- проведение пробоподготовки объекта плавления для дальнейшего исследования;

- исследование микроструктуры с целью установления границ плавления.

9.1 Растил первичного слоя порошка на установке селективного лазерного плавления

9.1.1 Растил первичного слоя порошка должен осуществляться на жестко закрепленной подложке в установке селективного лазерного плавления согласно нормативным документам на установку. Толщина слоя порошка

задается как удвоенное значение среднего размера гранул в гранулометрическом распределении порошка.

9.2 Регистрация воздействия лазерного излучения на слой металлического порошка в точке

9.2.1 Необходимо провести предварительную регистрацию процесса плавления слоя порошковых функциональных материалов в точке, для определения целесообразности применения затемняющих фильтров исключающих "засветку" средств измерения.

9.3 Установка оптимальных параметров средств измерения для регистрации излучения объекта исследования

9.3.1 Режимы работ выбираются в соответствии с нормативной документацией на порошковые материалы, инструкций к средствам подготовки исходных материалов, а также регламентов подразделения предприятия. 9.4 Регистрация процесса плавления заданного контура «одиночного валика» или объекта исследования при помощи средств измерения температуры.

9.4.1 Регистрация процесса при помощи ИК-камеры осуществляется методом покадровой (видео) записи изображения области измерения с определенной частотой кадров, временем интеграции и разрешением. Параметры съемки зависят от скорости протекания процесса и выбираются для конкретного измерения.

9.4.2 При измерении температуры в скоростных процессах спекания порошковых функциональных материалов при помощи пирометра необходимо выставить минимальную частоту измерений и небольшое оптическое разрешение (4:1).

9.5 Пробоподготовка, изготовление металлографических шлифов: 9.5.1 Запрессовка

Запрессовку образцов в субстрат для подготовки к шлифовке проводят на автоматизированном оборудовании. Выбор субстрата осуществляют в соответствии с методическими рекомендациями производителя оборудования. Расчёт количества субстрата осуществляют по таблицам, приведённым в

руководстве пользователя, исходя из диаметра запрессовочного цилиндра и высоты образца. Перед запрессовкой образца необходимо убедиться в отсутствии заусенцев, оставшихся после отрезки образца, при наличии -удалить их надфилем. Подготовку оборудования к запрессовке и уборку рабочего места по окончании работ следует выполнять в соответствии с инструкцией по эксплуатации оборудования. 9.5.2 Выравнивание и полировка

Шлифовку и полировку образцов производят на автоматизированном оборудовании. Перед началом работ необходимо включить компрессор и проверить давление в пневмосистеме, подготовить набор расходных материалов для промокания шлифов и протирания держателя образцов и частей оборудования.

Программу пробоподготовки для материала образцов выбирают согласно методическим рекомендациям производителя оборудования, при необходимости проводят её корректировку.

После шлифования контролируемая поверхность микрошлифа обрабатывается на полировальном станке, с частотой вращения диска 800-1000 об/мин. Полирование производят на плотном, хорошего качества сукне (или фетре), туго натянутом на горизонтальный диск станка и пропитанном полирующей жидкостью. Перед полированием, а также периодически в процессе работы сукно необходимо тщательно промывать горячей водой без моющих средств. Используют полировочные жидкости с различным размером абразивного зерна: 12, 9, 6, 3, 1 мкм, которые, как правило, используют последовательно. Окончательную обработку проводят на финишных полировочных жидкостях с размером зерна: 0,5 или 0,1. Полировочную жидкость готовят, размешивая в 1 л дистиллированной воды 10-20 г окиси хрома Сг203 или окиси алюминия А1203. Наиболее тонкий равномерной зернистости абразив получается при отстаивании смеси в течение 6 ч. В течение всего процесса полирования сукно необходимо смачивать полирующей жидкостью, шлиф не прижимать к диску с усилием во избежание прижога его

поверхности. Сила прижима может также влиять на наличие трещин в шлифе, поэтому во многих случаях рекомендуется полировать шлифы при минимально возможных усилиях. Направление полирования изменяют регулярно перпендикулярно рискам на микрошлифе, оставшимся после шлифования, кроме микрошлифов из двухслойной стали. Полирование считают законченным, когда при осмотре с помощью оптического микроскопа или лупы не наблюдается царапин или других дефектов. Чтобы образец не ржавел (и не взаимодействовал с окружающей атмосферой), его обрабатывают в этиловом ГОСТ 17299-78 «Спирт этиловый технический. Технические условия» или изопропиловом спирте ГОСТ 9805-84 «Спирт изопропиловый. Технические условия», и помещают в эксикатор - специальное приспособление без доступа воздуха, с поглотителями влаги по ГОСТ 3956—76 «Силикагель технический. Технические условия».

По окончанию работ проводят обслуживание оборудования в соответствии с инструкцией по эксплуатации. 9.5.3 Травление

Травление металлографических шлифов проводится в вытяжном шкафу химическим или электролитическим способом в соответствующем реактиве до чёткого выявления микроструктуры металла шва, зоны термического влияния и основного металла. Подбор реактива и режим травления осуществляют в зависимости от химического состава материала образцов. Для выявления границ зёрен используют реактивы согласно ГОСТ 5639-82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна». При работе с химическими реактивами следует соблюдать правила техники безопасности подразделения предприятия, настоящей методики и др.

Выявление микроструктуры химическим способом должно осуществляться методом погружения в реактив или протиркой контролируемой поверхности ватным тампоном, пропитанным реактивом. При травлении методом погружения необходимо, чтобы смачиваемая поверхность микрошлифа полностью покрывалась реактивом во избежание окисления при попадании

воздуха. Для получения более чёткой микроструктуры рекомендуется травление шлифа 2-4 раза с полированием на станке после каждого травления.

Травление микрошлифов разных материалов выполняют последовательно: сначала травят с полированием основной металл низколегированного материала до получения чёткой структуры, затем - высоколегированный слой электролитическим способом в соответствующем реактиве.

Реактив с микрошлифа после травления удаляют водой, затем протирают ватным тампоном, пропитанным спиртом, и сушат с помощью фильтровальной бумаги или сухим воздухом. Исследование микрошлифа производится с помощью металлографических микроскопов ГОСТ 8074-82 «Микроскопы инструментальные. Типы, основные параметры и размеры. Технические требования» на различных увеличениях:

- 100 для выявления микродефектов и определения величины зерна;

- (100-500) для классификации структурных составляющих;

- (500-1000) для выявления, дисперсности закалочных структур, карбидов, нитридов и интерметаллидных фаз.

Подготовленные металлографические шлифы следует хранить в эксикаторах для предотвращения окисления поверхности. Не допускается касаться поверхности шлифов руками и острыми предметами, а также класть шлифы полированной поверхностью вниз во избежание её повреждения. 9.6 Исследование микроструктуры образцов

Исследование микроструктуры проводят на металлографическом микроскопе с использованием компьютерной системы анализа изображения. При работе на микроскопе следует руководствоваться инструкцией по его эксплуатации.

9.6.1 Измерение геометрических параметров наплавленных участков на образцах

Измерение высоты валика, ширины валика и глубины проплавления на единичных образцах проводят с помощью металлографического микроскопа.

Выбирают увеличение, при котором в одном поле зрения будет находиться весь валик (покрытие) и зона проплавления. Измерения проводят с помощью стандартных средств измерения длины, входящих в программное обеспечение микроскопа.

9.6.2 Для дальнейшего определения температуры по данным полученным из средств измерения, на шлифах для каждого валика необходимо определить ширину зоны плавления (Рисунок 2.).

10. Обработка результатов измерений

Обработку результатов измерений выполняют следующим способом:

- анализ данных полученных с ИК-камеры и пирометра,

- экспортирование баз данных в программу для построения графиков (Excel, Origin, и тд.)

- определение уровня цифрового сигнала каждого из средств измерения, соответствующего температуре плавления,

- расчет коэффициента излучения,

- определение истинной температуры, расчет скоростей охлаждения и градиентов температур для конкретных порошковых функциональных материалов.

10.1 Анализ данных полученных с ИК-камеры и пирометра

При помощи программного интерфейса ИК-камеры необходимо провести покадровый анализ зарегистрированного видео. Выделить кадры, на которых

ширина зоны плавления

Рисунок 2. Схематическое изображение валика.

запечатлен процесс плавления металлического порошка. Построить продольное и поперечное сечения кадра через точку с максимальным уровнем сигнала (Рисунок 3). Построение графиков необходимо выполнить для всех кадров, на которых запечатлен процесс.

[1 ■[пянГ^тР^* 1 ■С^Нг'^

Рисунок 3. Кадр с изображением ванны расплава (слева), распределение сигнала продольного и поперечного сечения для конкретного кадра (справа).

Так как пирометр не строит изображение, то на выходе сразу получается зависимость сигнала в области измерения по времени.

10.2 Экспортирование баз данных в программу для построения графиков

Данные, полученные при помощи ИК-камеры и пирометра, необходимо переместить в программное обеспечение для численного анализа данных и научной графики. Для восстановления температуры, расчета скоростей нагрева/охлаждения и градиента температур необходимо экспортировать данные продольных и поперечных распределений сигнала, полученные с изображений ИК-камеры, а также данные зависимости сигнала по времени с пирометра. Остальные данные в виде матрицы изображений, средних сигналов и т. д. экспортируются по согласованию с руководителем работ.

10.3 Определение уровня цифрового сигнала каждого из средств измерения, соответствующего температуре плавления

Для восстановления истинной температуры необходимо соотнести цифровой сигнал средства измерения с реальной температурой объекта и с яркостной температурой. Для перевода цифрового сигнала средства измерения в яркостную температуру используют калибровочную кривую, полученную при поверке средства измерения. Значение ширины зоны плавления, полученное после исследования микроструктуры образцов, накладывают на поперечное распределение сигнала в кадре с ИК-камеры (Рисунок 4), установив значение

уровня сигнала для температуры плавления конкретного металлического

порошка.

X

го

я

X

I X

с£

0 х

А

1 а

В

0

го с; п

1 и. X и а

I

о ■

о

Рисунок 4. Поперечное распределение сигнала ИК-камеры для трех измерений с наложенными ширинами зон плавления.

Для сопоставления уровня сигнала пирометра с температурой плавления на графиках распределения сигнала по времени находят «полку затвердевания», соответствующую температуре плавления (Рисунок 5).

к

5

ГЦ Ш«

£ 5 —

ее а

I 8

полка ипвсрдиканин

-

ОН» В| !»,■ И1М ММ,4 ««.Г 01 НО ОН»,» 0141,1

прем я. с

Рисунок 5. Распределение сигнала пирометра во времени.

10.4 Расчет коэффициента излучения

Для расчета коэффициента излучения, играющего важную роль в восстановлении истинной температуры исследуемого объекта, исходя из закона Планка, необходимо использовать следующую формулу:

где с = 2,99792458*108 м*с-1 : скорость света,

к = 6,626076*10-34 Дж*с : постоянная Планка, Тек - яркостная температура чёрного тела, Тткпе - реальная температура объекта, X - длина волны средства измерения.

Коэффициент излучения рассчитывается для каждого из средств измерения, если они используют разные длины или диапазоны волн. Для каждого металлического порошка коэффициент излучения будет различен. 10.5 Определение истинной температуры, расчет скоростей охлаждения и градиентов температур для конкретных порошковых функциональных материалов При восстановлении истинной температуры, используя данную методику, необходимо указывать, что коэффициент излучения не изменяется с температурой. Это позволяет использовать найденный коэффициент излучения в точке плавления

ко всему диапазону температур в области обработки. Значения температуры рассчитывают по формуле:

j, _ he

кЛ-\п(1-£х+ехеНс/кЛТЬ) '

где с = 2,99792458*108 м*с-1 : скорость света,

к = 6,626076*10-34 Дж*с : постоянная Планка, Т - яркостная температура чёрного тела, £х - коэффициент излучения.

Скорости охлаждения и градиенты температур определяются для продольных распределений температуры на изображении ИК-камеры и

дТ

графиках, полученных с пирометра путем дифференцирования — [°С/м] для

дТ

градиентов температур и — [°С/с] для скоростей охлаждения.

11. Оформление результатов измерений

11.1 Результаты измерений оформляются в соответствии с протоколом указанном в приложении 3.

11.2 Протокол измерений проверяется и подписывается руководителем работ.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.