Разработка исследователей из Пермского Политеха поможет избежать дефектов в деталях самолетов

Сегодня во многих областях промышленности успешно используют металлические детали, полученные с помощью 3D-печати. В частности, послойная проволочная наплавка позволяет получать различные крупногабаритные изделия для авиастроения: обтекатели для двигателей,  детали корпуса самолетов и другие части конструкций. Но в них часто встречаются дефекты – в частности, неравномерная структура и пористость. Эти особенности снижают их качество и механические свойства: прочность и стойкость к износу. Ученые Пермского Политеха изучают влияние вибрационных воздействий на процесс проволочной наплавки, который используют при создании металлических изделий. Разработчики создали математическую модель, которая позволит наиболее эффективно и качественно изготовлять новые детали.

Результаты исследования ученые представили в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика» (2022). В работе также приняли участие специалисты Института механики сплошных сред УрО РАН (Пермь, Россия) и исследователи из Автономного университета Коауила (Сальтильо, Мексика). Разработка реализована при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Пермского края в рамках проекта международной исследовательской группы «Моделирование послойного синтеза наплавкой проволочных материалов в реальном времени. Разработка прототипа ПО».  

Реализация предложенной математической модели в виде программного обеспечения позволит рассчитывать оптимальные параметры процесса проволочной наплавки. Прямых аналогов продукта нет в России и за рубежом. Итоговый программный комплекс обеспечит импортозамещение зарубежных программ, что позволит создавать новые металлические изделия гораздо быстрее и дешевле, обеспечив технологический суверенитет страны.

– В процессе наплавки проволока оплавляется под воздействием теплового источника, и жидкий металл стекает на подложку. С помощью вибрационных воздействий можно влиять на силу поверхностного натяжения расплавленного металла, что сказывается на движении жидкости. Это позволяет управлять толщиной и высотой наплавляемого слоя, а также изменять свойства материалов, улучшать свариваемость без дополнительной обработки, сокращать технологический цикл и время производства и снижать себестоимость изделий. Мы предложили математическую модель течения жидкости с учетом поверхностного натяжения, применив метод гидродинамики сглаженных частиц. Этот метод имеет высокий потенциал производительности, что позволит точно и быстро моделировать процесс создания больших деталей, – отмечает один из разработчиков, аспирант кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов» Пермского Политеха, младший научный сотрудник Роман Давлятшин. 

Для верификации математической модели ученые провели серию численных экспериментов, смоделировав процесс отрыва висячей капли воды от цилиндрического подвеса, на который действовала вибрация. Данные качественно и количественно совпали с результатами натурных экспериментов. 

– С помощью серии численных экспериментов со сталью мы определили, как поверхностное натяжение расплава зависит от скорости воздействия вибраций. Удалось выявить, что при вибрации со скоростью 2 м/с поверхностное натяжение снижается на 30 %. Это обеспечивает непрерывное стекание металла с проволоки и улучшает качество наплавляемого изделия. А использование метода гидродинамики сглаженных частиц повышает производительность вычислений и позволяет напрямую моделировать вибрационные воздействия, – рассказывает руководитель проекта, профессор кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов» Пермского Политеха, доктор технических наук, проректор по разработкам и инновациям Дмитрий Трушников.

По словам исследователей, разработанная математическая модель позволяет изучать влияние вибрации на натяжение различных жидкостей, в том числе жидких материалов. Это помогает определить оптимальные параметры производства при минимальном количестве натурных экспериментов. Разработка сможет улучшить качество важных изделий, сократить время их производства и снизить стоимость изготовления.