Разработка ученых Пермского Политеха позволит создавать более качественные изделия аддитивным методом

Аддитивное производство реализует послойное формирование изделия путем добавления материала к основе. 3D-печать используют в производстве крупногабаритных деталей для строительства, космической отрасли и многих других. Одним из перспективных методов 3D-печати является оплавление материала электронным лучом. При аддитивном производстве возникает необходимость контролировать процесс наплавки, чтобы уменьшить вероятность печати бракованных изделий. Для этого во время наплавки изделия происходит процесс восстановления цифрового образа наплавляемой детали. Ученые Пермского Политеха предложили метод восстановления цифровой модели детали на основе анализа сигнала тормозного рентгеновского излучения.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале "Дефектоскопия", 2023. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований совместно с Пермским краем и Минобрнауки РФ в рамках реализации национального проекта "Наука и университеты".

Наплавка детали электронно-лучевым методом достаточно длительный процесс, требующий непрерывного внимания оператора. С целью добиться полноценного контроля над процессом наплавки, ученые, параллельно с наплавкой, восстанавливают цифровую модель детали и в режиме реального времени сравнивают саму деталь и её цифровой образ.

Процесс восстановления детали происходит с помощью анализа сигналов от процессов излучения, сопутствующих наплавке, таких как световое, тепловое, рентгеновское излучение. Как раз системы контроля, основанные на регистрации сигнала рентгеновского излучения с помощью специальных датчиков, являются наиболее перспективными. По отклику рентгеновского излучения ученые восстанавливают вид цифровой модели детали.

"Например, у нас спрятан объект неизвестной формы в некой непрозрачной субстанции, и у нас нет никакой возможности посмотреть на этот предмет, а нам необходимо узнать его параметры. Чтобы восстановить неизвестную информацию мы можем пробивать скрывающую объект субстанцию инфракрасными, аудио и другими сигналами измеряя отклик, чтобы по данным значениям построить примерное представление о неизвестном предмете. Самый простой пример – когда сверкнула молния, и мы считаем секунды до того, как прогремит гром, чтобы рассчитать расстояние от нас до центра грозы – мы по вторичным признакам ищем параметр. Здесь же мы измеряем отклики рентгеновского излучения и по ним смотрим – какая форма валика наплавки, нет ли дефектов", – объясняет кандидат физико-математических наук Пермского Политеха, доцент кафедры "Высшая математика" Елена Кротова.

При взаимодействии электронного луча с материалом электроны, в результате торможения, теряют свою энергию. Так возникает рентгеновское излучение, локализованное в месте взаимодействия электронного луча с обрабатываемым материалом. Данные, полученные с датчика рентгеновского излучения, обрабатываются с помощью математического алгоритма восстановления поверхности. В результате решения задачи политехники пробуют данный метод восстановления поверхности детали на примере трех типов симметричных объектов: гауссова поверхность, полусфера, цилиндр. При сравнении восстановленных поверхностей с теми, которые должны получиться, результат был положительный, объекты соответствовали друг другу.

"Построенная методика основана на подходе "встреча посередине". Мы решаем прямую задачу – каким должен быть отклик в случае определенного набора поверхностей, и, навстречу, решаем обратную задачу – по отклику пытаемся восстановить вид поверхности", – поделилась ученая.

Полученные результаты могут использоваться для разработки систем оперативного контроля над процессом электронно-лучевой наплавки по известному распределению тормозного рентгеновского излучения, полученному из технологической зоны. Метод ученых ПНИПУ позволит создавать качественные изделия технологией трехмерной печати, которые востребованы при создании прототипов, совершенствовании объемных физических моделей сложных математических поверхностей.

Пресс-релиз