Руководитель проекта: Валдайцева Екатерина Александровна
Стратегический технологический проект: Цифровые промышленные технологии
Текущая стадия проекта: разработка
Критические технологии: технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов; технологии получения и обработки функциональных наноматериалов
Проект направлен на создание научных основ и разработку системы инженерного компьютерного анализа и поддержки принятия решений для процессов обработки материалов концентрированными потоками энергии. Основной областью применения проекта являются технологии лазерной обработки материалов, прямого лазерного выращивания, лазерной порошковой наплавки, лазерной и лазерно-дуговой сварки.
Актуальность проекта связана с тем, что внедрение лазерных и аддитивных технологий в промышленное производство требует точного выбора режимов обработки. На практике подбор параметров часто связан с высокой неопределённостью, большим количеством экспериментальных испытаний и риском получения изделий с дефектами, отклонениями геометрии или остаточными деформациями. Применение компьютерного моделирования позволяет заранее оценить поведение материала и процесса, сократить объём натурных испытаний и повысить эффективность технологической подготовки производства.
Создаваемая система предназначена для инженеров-технологов машиностроительного производства. Она позволит выполнять численный анализ процессов обработки материалов, прогнозировать размер и форму формируемой поверхности, оценивать вероятность образования макродефектов, в том числе несплавлений, а также определять условия возникновения остаточных деформаций, способных привести к отклонению размеров изделия от заданных.
В основе проекта лежит разработка комплекса взаимосвязанных физико-математических моделей, описывающих процессы, происходящие при лазерной обработке и аддитивном производстве. В частности, предусматривается моделирование газопорошковой струи, нагрева и плавления частиц порошка, температурных полей на микро- и макроуровнях, формирования расплава и поверхности изделия, а также процессов образования стыковых и угловых соединений при лазерной и лазерно-дуговой сварке.
Цель проекта
Создание системы инженерного компьютерного анализа и поддержки принятия решений, обеспечивающей моделирование, прогнозирование и оптимизацию процессов лазерной обработки материалов и аддитивного производства.
Основные задачи проекта:
- Разработка физико-математических моделей процессов обработки материалов концентрированными потоками энергии.
- Создание модели газопорошковой струи для технологий прямого лазерного выращивания и лазерной порошковой наплавки.
- Моделирование нагрева и плавления частиц порошка при движении от сопла к зоне обработки.
- Разработка численных моделей температурного поля на микро- и макроуровнях.
- Моделирование формирования расплава и поверхности изделия при лазерной обработке и аддитивном производстве.
- Разработка алгоритмов оптимизации режимов обработки для снижения вероятности образования дефектов.
- Создание программных продуктов для численного прогнозирования параметров процессов обработки материалов.
- Формирование цифрового инструмента для поддержки принятия решений инженером-технологом при выборе способа и режима обработки.
Планируемые результаты проекта:
- система инженерного компьютерного анализа и поддержки принятия решений для технологий лазерной обработки материалов и аддитивного производства;
- программный продукт для численного прогнозирования характеристик газопорошковой струи сопел, применяемых при прямом лазерном выращивании и лазерной порошковой наплавке;
- программный продукт для численного прогнозирования температурного поля на различных масштабных уровнях;
- программный продукт для прогнозирования формирования поверхности изделия при лазерной обработке;
- алгоритмы подбора и оптимизации технологических режимов обработки;
- расчетные методики для прогнозирования дефектов, остаточных деформаций и геометрических отклонений изделий.
Научно-технологический задел
В рамках предшествующих этапов сформированы технические требования к системе компьютерного анализа и поддержки принятия решений, разработаны численные модели гидродинамики расплава, методики термометрирования процессов лазерной обработки, расчетные методики определения температурных полей при прямом лазерном выращивании крупногабаритных конструкций, а также математическая модель газопорошковой струи для технологий прямого лазерного выращивания и лазерной порошковой наплавки.
Назначение и область применения результатов проекта
Результаты проекта предназначены для применения в машиностроительном производстве при внедрении технологий лазерной обработки материалов, аддитивного производства, прямого лазерного выращивания, порошковой наплавки и сварки. Система может использоваться инженерами-технологами для выбора режимов обработки, оценки качества формируемых изделий и снижения рисков при разработке новых промышленных технологий.
Практическая значимость проекта
Реализация проекта позволит сократить время подбора технологических режимов, уменьшить количество экспериментальных испытаний, снизить материальные и финансовые затраты на разработку технологий, а также повысить стабильность и качество процессов обработки материалов. Использование системы на рабочих местах инженеров-технологов обеспечит более быстрый переход от моделирования к промышленному применению новых лазерных и аддитивных технологий.
