Метод комплексного мониторинга газовой среды в процессе селективного лазерного плавления

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.

1. Григорьев 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/stcnvl

2. Williams 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.2021.102181

3. Jadhav 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/mdp2.94

4. Baroutaji 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/ma16010430

5. Yang 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/met11121883

6. Pauzon 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.2019.107873

7. Li 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/s00170-011-3566-1

8. Тарасова 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/stkuwi

9. Pivkin 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/10.1117/12.3022539

10. 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.