izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2025-6-23-31izmertech-2413Research ArticleИЗМЕРЕНИЯ В ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХMEASUREMENTS IN INFORMATION TECHNOLOGIESМетод комплексного мониторинга газовой среды в процессе селективного лазерного плавленияA method for the comprehensive monitoring of gas environments during selective laser meltinghttps://orcid.org/0009-0009-7359-9871ПимушкинЯ. И.PimushkinYa. I.

Ярослав Игоревич Пимушкин

Москва

Yaroslav I. Pimushki

Moscow

yaroslav-pimushkin@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0004-6453-069XФедотенкоЕ. Д.FedotenkoE. D.

Екатерина Дмитриевна Федотенко

Москва

Ekaterina D. Fedotenko

Moscow

kat.fedotenko@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8239-5354ГригорьевС. Н.GrigorievS. N.

Сергей Николаевич Григорьев

Москва

Sergey N. Grigoriev

Moscow

s.grigoriev@stankin.ruМосковский государственный технологический университет «СТАНКИН»РоссияMoscow State University for Technology “STANKIN”Russian Federation2025131220257462331Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20252025ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2413

Современные аддитивные технологии, в частности селективное лазерное плавление, позволяют создавать изделия со сложной геометрией и требуемыми физико-механическими характеристиками. На качество конечного изделия влияет состав газовой среды в рабочей камере установок, реализующих селективное лазерное плавление. Наиболее критично окисление расплавленного металла, которое приводит к образованию дефектов формы и ухудшению механических свойств готового изделия. Существующие стандартные системы мониторинга, основанные на удалённом расположении датчиков, не обеспечивают достаточной полноты информации о газовой среде в рабочей камере установок, например, о локальных флуктуациях состава газовой среды непосредственно в ванне расплава и образовании газообразных окислителей – оксидов азота NOx и паров воды. Предложен и экспериментально обоснован метод комплексногомониторинга газовой среды, основанный на детектировании суммарной концентрациимолекулярного кислорода, NOx и индикаторов влаги H2, NH3. Разработана архитектура информационно-измерительной системы комплексного мониторинга газовой среды. Система интегрируется в существующее промышленное оборудование без его конструктивных изменений. По результатам экспериментальных исследований на технологических машинах EOS M 280 (Electro Optical Systems, Германия) и Farsoon FS 121M (Farsoon, Китай) подтверждено образование NOx в процессе плавления и показано, что предложенным методом можно получить более точную информацию о составе газовой среды, чем с использованием стандартных систем. Разработанная информационно-измерительная система комплексногомониторинга предназначена длямногоуровневого контроля состава газовой среды путёмавтоматического управления подачей газов на основе многопараметрического анализа в реальном времени. Применение системы позволяет получить более полную картину о химическом составе среды в рабочей камере установки селективного лазерного плавления и адекватно реагировать на риски окисления, минимизируя дефекты и повышая качество изделий.

Modern additive technologies, in particular selective laser melting, allow the creation of products with complex geometries and the required physical and mechanical characteristics. The quality of the final product is infl uenced by the composition of the gas environment in the working chamber of selective laser melting installations. The most critical factor is the oxidation of molten metal, which leads to the formation of shape defects and deterioration of the mechanical properties of the finished product. Existing standard monitoring systems based on remote sensors do not provide suffi cient information about the gas environment in the working chamber of the installations, for example, about local fl uctuations in its composition directly in the melt bath and the formation of gaseous oxidants – nitrogen oxides NOx and water vapour. A method for comprehensive monitoring of the gas environment has been proposed and experimentally validated, based on the detection of the total concentration of molecular oxygen, NOx and moisture indicators H2, NH3. The architecture of an information and measurement system for comprehensive monitoring of the gas environment has been developed. The system can be integrated into existing industrial equipment without any design changes. Experimental studies on EOS M 280 (Electro Optical Systems, Germany) and Farsoon FS 121M (Farsoon, China) technological machines have confi rmed the formation of NOx during the melting process and shown that the proposed method can provide more accurate information about the state of the atmosphere than standard systems. The developed information and measurement system for comprehensive monitoring is designed to prevent oxidative processes in the working chamber of a selective laser melting installation by means of multi-level control of the gas environment composition. Automatic gas supply control based on real-time multi-parameter analysis provides a more complete picture of the chemical composition of the environment and allows for an adequate response to oxidation risks, minimising defects and improving product quality.

селективное лазерное плавлениегазовая средакомплексный мониторингоксиды азотаокислительные дефектымногопараметрический анализавтоматическое управлениеинформационноизмерительная системаselective laser meltinggas environmentcomprehensive monitoringnitrogen oxidesoxidation defectsmultiparameter analysisautomated controlinformation and measurement systemРабота выполнена при финансовой Российского научного фонда (грант № 21-79-30058-П)This work was supported by the Russian Science Foundation (grant No. 21-79-30058-P).ReferencesГригорьев С. Н., Смуров И. Ю. Перспективы развития инновационного аддитивного производства в России и за рубежом. Инновации, (10(180)), 76–82 (2013). ht tps://elibrary.ru/stcnvlGrigor’ev S. N., Smurov I. Yu. Prospects for the development of innovative additive manufacturing in Russia and abroad. Innovacii, (10(180)), 76–82 (2013). (In Russ.) https://elibrary.ru/stcnvlWilliams R., Bilton M., Harrison N., Fox P. The impact of oxidised powder particles on the microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V processed by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing, 46, 102181 (2021). https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102181Williams R., Bilton M., Harrison N., Fox P. The impact of oxidised powder particles on the microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V processed by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing, 46, 102181 (2021). https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102181Jadhav S., Vleugels J., Kruth J.-P., Humbeeck J., Vanmeensel K. Mechanical and electrical properties of selective laser melted parts produced from surface oxidized copper powder. Material Design & Processing Communications, (2(2)), e94 (2019). https://doi.org/10.1002/mdp2.94Jadhav S., Vleugels J., Kruth J.-P., Humbeeck J., Vanmeensel K. Mechanical and electrical properties of selective laser melted parts produced from surface oxidized copper powder. Material Design & Processing Communications, (2(2)), e94 (2019). https://doi.org/10.1002/mdp2.94Baroutaji A., Arjunan A., Beal J., Robinson J., Coroado J. The infl uence of atmospheric oxygen content on the mechanical properties of selectively laser melted AlSi10Mg TPMS-based lattice. Materials, (16(1)), 430 (2023). https://doi.org/10.3390/ma16010430Baroutaji A., Arjunan A., Beal J., Robinson J., Coroado J. The infl uence of atmospheric oxygen content on the mechanical properties of selectively laser melted AlSi10Mg TPMS-based lattice. Materials, (16(1)), 430 (2023). https://doi.org/10.3390/ma16010430Yang P., Guo X., He D., Tan Z., Shao W., Fu H. Selective laser melting of high relative density and high strength parts made of minor surface oxidation treated pure copper powder. Metals, (11(12)), 1883 (2021). https://doi.org/10.3390/met11121883Yang P., Guo X., He D., Tan Z., Shao W., Fu H. Selective laser melting of high relative density and high strength parts made of minor surface oxidation treated pure copper powder. Metals, (11(12)), 1883 (2021). https://doi.org/10.3390/met11121883Pauzon C., Hryha E., Forêt P., Nyborg L. Effect of argon and nitrogen atmospheres on the properties of stainless steel 316 L parts produced by laser-powder bed fusion. Materials & Design, 179, 107873 (2019). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107873Pauzon C., Hryha E., Forêt P., Nyborg L. Effect of argon and nitrogen atmospheres on the properties of stainless steel 316 L parts produced by laser-powder bed fusion. Materials & Design, 179, 107873 (2019). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107873Li R., Liu J., Shi Y., Wang L., Jiang W. Balling behavior of stainless steel and nickel-powder during selective laser melting process. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 59, 1025–1035 (2012). https://doi.org/10.1007/s00170-011-3566-1Li R., Liu J., Shi Y., Wang L., Jiang W. Balling behavior of stainless steel and nickel-powder during selective laser melting process. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 59, 1025–1035 (2012). https://doi.org/10.1007/s00170-011-3566-1Тарасова Т. В., Гусаров А. В., Протасов К. Е. и др. Исследование структуры и свойств тонких элементов металлических решетчатых конструкций, изготовленных методом селективного лазерного плавления. Упрочняющие технологии и покрытия, (2(230)), 61–70 (2024). https://doi.org/10.36652/1813-1336-2024-20-2-61-70 ; https://elibrary.ru/stkuwiTarasova T. V., Gusarov A. V., Protasov K. E. et al. Study of structure and properties of thin elements of metal lattice structures manufactured by selective laser melting. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya, (2(230)), 61–70 (2024). (In Russ.) https://doi.org/10.36652/1813-1336-2024-20-2-61-70 ; https://elibrary.ru/stkuwiPivkin P. M., Gusarov A. V., Khmyrov R. et al. Physical and technological aspects of formation of metal matrix composites by laser-powder bed fusion. In: Proc. SPIE: Laser + Photonics for Advanced Manufacturing, Strasbourg, France, 07–12 April 2024, 1300510. SPIE (2024). https://doi.org/10.1117/12.3022539Pivkin P. M., Gusarov A. V., Khmyrov R. et al. Physical and technological aspects of formation of metal matrix composites by laser-powder bed fusion. In: Proc. SPIE: Laser + Photonics for Advanced Manufacturing, Strasbourg, France, 07–12 April 2024, 1300510. SPIE (2024). https://doi.org/10.1117/12.3022539Wirth F., Frauchiger A., Gutknecht K., Cloots M. Infl uence of the inert gas fl ow on the laser powder bed fusion (LPBF) process. In: Advances in Additive Manufacturing, AIAM 2021. Springer, Cham (2021). https://doi.org/10.1007/978-3-030-54334-1_14.Wirth F., Frauchiger A., Gutknecht K., Cloots M. Infl uence of the inert gas fl ow on the laser powder bed fusion (LPBF) process. In: Advances in Additive Manufacturing, AIAM 2021. Springer, Cham (2021). https://doi.org/10.1007/978-3-030-54334-1_14.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.