Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

УДК 621.9.048

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення ефективності лазерного сплавлення порошкового матеріалу керуванням формою газопорошкового струменя

Спеціальність 05.03.07-Процеси фізико-технічної обробки

Кондрашев Павло Васильович

Київ 2011 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» на кафедрі лазерної техніки та фізико-технічних технологій

Науковий керівник:Доктор технічних наук, професор Коваленко Володимир Сергійович, НТУУ «КПІ», професор кафедри

Офіційні опоненти:Доктор технічних наук, старший науковий співробітник Лихошва Валерій Петрович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу технології багатошарового лиття та покриттів

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Сороченко Валерій Григорович Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля, НАН України старший науковий співробітник лабораторії №19

Захист дисертації відбудеться «19» грудня 2011 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.15 при Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37, корп.19, ауд. 435.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37.

Автореферат розісланий «10» листопада 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради д.т.н., проф.Рижов Р.М.

газопорошковий струмінь лазерний сплавлення

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Технологія «Rapid Prototyping», яка використовує у якості інструменту сфокусований лазерний промінь, широко використовується високорозвиненими країнами у всьому світі, для безпосереднього виготовлення, наприклад штампів, пресформ та інше. Її широке застосування пов'язане з подорожчанням сировини, енергоносіїв, мінімізацією часу, який витрачається на впровадження у виробництво нових видів продукції.

Завдяки вдосконаленню лазерної технології та устаткування для реалізації технології швидкого прототипування, стало можливим виготовлення найвідповідальніших вузлів конструкції надзвукових літальних апаратів. Порівняно з традиційним надшвидким різанням, технологія «Rapid Prototyping», котра використовує у якості інструменту сфокусований лазерний промінь, дозволяє створювати вироби не тільки з металевих, але й з керамічних матеріалів.

Не зважаючи на стрімкий розвиток лазерної техніки та технології, перед розробниками стоять питання підвищення продуктивності та якості формоутворення виробів з порошкових матеріалів, створення систем контролю та інш. Тому, розробка ефективних лазерних технологій, спрямованих на підвищення якісних показників виробів, виготовлених за допомогою швидкого прототипування, безумовно є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами:

робота виконувалась в рамках державних науково-технічних програм (тема №2120, номер державної реєстрації 0106U002037; тема №2254, номер державної реєстрації 0100U002574;тема №2752, номер державної реєстрації 0104U003405; тема №2913, номер державної реєстрації 0106U002037; тема №2352п, номер державної реєстрації 0110U002330), а також міжнародного проекту Українського Науково-Технологічного Центру №3350.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи: Підвищити ефективність процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

-розроблена методологія та виконано комплекс досліджень, спрямованих на підвищення ефективності та якості лазерного сплавлення порошкового матеріалу, шляхом керування формою газопорошкового струменя;

-встановлені залежності (теоретичні та експериментальні), які описують вплив форми газопорошкового струменя на формування макро-та мікроструктури сплавлених виробів;

-розроблено та досліджено засоби та системи для удосконалення процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу, які здатні підвищити продуктивність та якість отриманих виробів;

-розроблено математичне забезпечення, яке дозволяє не тільки керувати автоматизованими лазерними технологічними комплексами, але й вибирати оптимальні режими процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу;

-розроблені технологічні процеси та необхідна оснастка для підвищення ефективності та якості реалізації технології «Rapid Prototyping».

Об'єктом досліджень є процес лазерного сплавлення порошкового матеріалу.

Предметом досліджень є визначення впливу форми газопорошкового струменя на теплофізичні та ерозійні процеси при лазерному сплавленні порошкової суміші.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились з застосуванням методу Ейлера (метод ломаних), також автором дисертаційної роботи були застосовані теоретичні положення гідравліки, в якості стандартної (к-е) моделі Лаундера-Соплдинга для розрахунку турбулентності суцільної та дисперсної фаз з малими градієнтами турбулентних пульсацій, у програмному комплексі Ansys CFX.

Експериментальні дослідження проводилися на спеціалізованому лазерному технологічному комплексі науково-дослідницької лабораторії лазерної техніки та технології кафедри ЛТФТ ММІ НТУУ «КПІ», обробка результатів експериментальних досліджень проводилась з використанням ресурсів лабораторії растрової електронної мікроскопії Інженерно-Фізичного Факультету НТУУ «КПІ».

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному, автором вперше:

-розроблена методика чисельних розрахунків аеродинамічних показників засобу доставки порошкового матеріалу у зону обробки, яка дозволяє проектувати коаксіальні сопла та визначати схеми обробки;

-встановлена закономірність, при якій зменшення геометрії кутів утворюючих сопел веде до зсуву «фокусу» порошкової композиції відносно зрізу сопла, та визначає зміну поперечної концентрації порошкового матеріалу у зоні дії сфокусованого лазерного випромінювання;

-розроблені математичні моделі процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу, які доцільно використовувати в якості керованих впливів, спрямованих на підтримку постійного рівня якості виробів, отриманих по технології швидкого прототипування;

-спроектований пристрій коаксіальної подачі порошкового матеріалу до зони дії сфокусованого лазерного випромінювання, який у сукупності з розробленою методикою визначення оптимальних режимів процесу лазерного сплавлення порошкової композиції дозволив покращити суцільність внутрішньої мікроструктури сплавлених валків до показника 0,13%.

Практичне значення одержаних результатів:

-використання пристрою коаксіальної подачі порошкового матеріалу до зони дії сфокусованого лазерного випромінювання у сукупності з визначеними оптимальними режимами технологічного устаткування, дозволило покращити якісні показники сплавлених виробів, шляхом покращення суцільності (кількість пустих фрагментів, раковин, мікротріщин у відсотковій формі) внутрішньої мікроструктури сплавлених валків до показника W=0,13%.

-результати теоретичних та експериментальних досліджень були впроваджені на підприємстві: ТОВ «Аквітек» при виготовленні пресових валів, на які був нанесений фрагментований візерунок з висотою примітива 0,5 мм.

Слід відзначити, що розроблена технологія дозволяє замінити традиційне виготовлення валів електрохімічним методом, що дає можливість зменшити екологічне навантаження на навколишнє середовище.

Особистий внесок здобувача. Автором роботи проведено:

-розрахунок аеродинамічних показників коаксіального сопла, а саме проведено розрахунок руху дисперсної та суцільної фаз з використанням програмного комплексу Ansys CFX, за якими у подальшому було розроблено пристрій коаксіальної подачі порошкового матеріалу;

-встановлена закономірність, при якій зміна геометрії кутів утворюючих сопел є ефективним фактором впливу на просторове розподілення потоку порошку, а саме, зміни фокальної площини концентрації порошку а також форми газопорошкового струменя;

-встановлені оптимальні режими процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу, які забезпечують мінімальну суцільність внутрішньої мікроструктури сплавлених валків;

-розроблено пристрій коаксіальної подачі порошкового матеріалу до зони дії сфокусованого лазерного випромінювання, який дозволяє контролювати зміну просторового розподілення газопорошкового струменя та керувати зміною поперечної концентрації порошку у потоці газу.

-розроблені математичні моделі (висота Н, ширина В, продуктивність Т, суцільність внутрішньої мікроструктури сплавлених валків W) процесу лазерного сплавлення порошкової композиції, які доцільно використовувати в якості розрахунку керованих впливів спрямованих на підтримку постійного рівня якості сплавлених виробів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались на міжнародних науково-технічних конференціях «International Congress Lasers and Electro-Optics» («ICALEO»), «ICALEO-2006», у м. Скотсдеіл, 2006 р., США, «ICALEO-2007» у м. Орландо, 2007 р. США, «International Symposium for Electromachining (ISEM-XVI)», у м. Шанхай, КНР 2010 р., «International Symposium on Nanomanufacturing (ISNM 2008)» у м. Афіни, Греція 2008р., «International Conferences 5 th LANE 2007» Sept. 25-28, 2007, у м. Ерланген, Німеччина, «International Conference on Laser Technologies in Welding and Materials Processing» у м. Кацивелі у 2003, 2005, 2007, 2009 та 2011 р.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 14 наукових праць, у тому числі 4 статті у наукових фахових виданнях за переліком ВАК України, 10 статей у міжнародних наукових виданнях.

Структура і обсяг роботи.

Дисертація складається з списку умовних позначень, введення, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 94 найменувань, додатків. Дисертаційна робота містить 129 сторінок машинописного тексту, 36 рисунків та 12 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні до дисертаційної роботи висвітлена актуальність теми та сформульовані основні положення, що подаються на захист, обґрунтовані наукова новизна та практична цінність роботи.

Перший розділ дисертаційної роботи присвячений аналізу літературної інформації, яка висвітлює сучасний стан технології «Rapid Prototyping», методи та технологічні підходи реалізації технології швидкого виготовлення деталей з порошкових матеріалів, а також проаналізовані схеми подачі порошкового матеріалу до зони дії сфокусованого лазерного випромінювання при реалізації метода безпосереднього вдування порошкової композиції у зону обробки. Показано вплив схеми подачі порошкового матеріалу до зони обробки на якість та продуктивність реалізації технології «Rapid Prototyping», базовою складовою якої є процес лазерного сплавлення порошкового матеріалу. Також висвітлені переваги та недоліки кожної з схем подачі порошкового матеріалу до зони дії сфокусованого лазерного випромінювання. А саме:

-подача порошкового матеріалу під певним кутом до дії сфокусованого лазерного випромінювання. Дана схема застосовується переважно для реалізації технології лазерного наплавлення (ремонт, реставрація, підвищення механічних характеристик готових деталей). Характерною особливістю даної схеми є те, що газопорошковий струмінь формує у зоні дії сфокусованого лазерного випромінювання достатньо великі за площею поперечного перерізу ділянки порошкової композиції. При чому розмір цих ділянок прямо пропорційний величині кута подачі порошкового матеріалу у зону обробки, недоліком даної схеми є неможливість роботи у «фокусі» газопорошкового струменя. Дана схема виправдовує себе, коли присутні великі площі обробки;

-подача порошкового матеріалу коаксіально лазерному випромінюванню. Дана схема компенсує недолік попередньої схеми. Але слід відзначити, що існуючі засоби доставки порошкової композиції у зону дії сфокусованого лазерного випромінювання, які використовуються в даній схемі позбавлені можливості керування формою газопорошкового струменя. В більшості випадків мають достатньо складну технологічну конструкцію, складність юстирування та як наслідок велику собівартість виготовлення та обслуговування.

Таким чином, на підставі літературного огляду, який присвячений сучасному стану технології «Rapid Prototyping», з урахуванням перелічених вище вад та недоліків схем подачі порошкової композиції у зону обробки, сформульовані задачі та напрямки наукових досліджень.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячений опису використаного експериментального устаткування, до складу якого входять (технологічний лазер зібраний на базі серійного ЛТН-103, довжина хвилі випромінювання л=1,06 мкм потужність до 250 Вт, система оптичного контролю, бункер для зайвого порошкового матеріалу, система позиціювання, система дозування порошкового матеріалу, пристрій коаксіальної подачі порошкової композиції до складу якого входять внутрішні та зовнішні сопла з геометрією кутів утворюючих 30°, 40°, 50°, система керування комплексом). Також у даному розділі наведені методики визначення потужності лазерного випромінювання, діаметра лазерного променя, масової витрати порошкової композиції ПГСР-3 (базова складова нікель). У другому розділі також приведений загальний математичний апарат, який був застосований при статистичній обробці експериментальних даних, розрахунку коефіцієнтів рівняння регресії та статистичної обробки моделей процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу, які отримані методами повно факторного експерименту.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений дослідженню впливу форми газопорошкового струменя на якість та продуктивність лазерного сплавлення порошкового матеріалу ПГСР-3. При дослідженні впливу форми газопорошкового струменя на якісні показники процесу лазерного сплавлення порошкової композиції, було застосовано чисельне моделювання поводження газопорошкового струменя у зоні дії сфокусованого лазерного випромінювання. Для вирішення поставленої задачі було використано математичний апарат програмного комплексу Ansys CFX, який забезпечує вирішення великої кількості різноманітних задач в гідрогазодинаміці.

Для розрахунку руху багатофазних потоків Ansys CFX використовує два методи: Лагранжа та Ейлера. Метод Лагранжа здатний достовірно описувати рух поодиноких частинок дисперсної фази, фракція якої не перевищує 100 мкм. При цьому враховується їх пружне зіткнення зі стінкою сопла. В нашому випадку розмір порошкового матеріалу становить 60 мкм, тобто середовище з частинками розміром менше 100 мкм в рамках даного методу вважається як суцільне. Отже, саме тому доцільно використовувати в якості чисельних розрахунків дисперсної фази газопорошкового струменя метод Ейлера, який представлений залежністю (1). Турбулентність для двох фаз розраховувалась за використанням стандартної (k-е) моделі Лаундера-Соплдинга, залежність (2). Дана модель застосовується при моделюванні потоків з малими градієнтами турбулентних пульсацій, яка здатна достовірно проводити розрахунки багатофазних низьких по Рейнольдсу турбулентних вихорів:

,(1)

де o-показник ступеня старих значень переміщення частинки дисперсної фази;

n-показник ступеня нових значень переміщення частинки дисперсної фази;

-швидкість пересування частинки дисперсної фази.

,(2)

де -скалярний коефіцієнт енергії турбулентного потоку;

-скалярний коефіцієнт розсіювання потоку;

-постійна турбулентності;

-фактор обраний для здійснення зв'язку між шкалою довжини та довжиною вихору;

-випадкова величина, яка обирається для того щоб виявити випадковість турбулентного потоку.

Чисельні розрахунки моделювання процесу поводження газопорошкової суміші, яка подається у зону дії сфокусованого лазерного випромінювання через коаксіальні сопла (які мають різноманітні конструкції) були проведені за допомогою наступного алгоритму:

-створення трьохвимірної (параметричної) моделі коаксіального сопла;

-створення трьохвимірної моделі внутрішньої порожнини коаксіальних сопел та позначення регіонів, які описують граничні умови розрахунку;

-створення розрахункової сітки внутрішньої порожнини коаксіальних сопел з позначенням граничних умов на заданих регіонах;

-безпосередній розрахунок траєкторії руху потоку порошку та аналіз отриманих результатів.

На підставі результатів (рис. 1, а-в) чисельного моделювання процесу поводження газопорошкового струменя у просторі проведеного за допомогою програмного комплексу Ansys CFX, слід відзначити, що розподіл концентрації потоку порошку в площині, перпендикулярній осі траєкторії руху газопорошкового струменя залежить від кутів утворюючих зовнішнього та внутрішнього сопел. А саме, при збільшенні кута геометрії утворюючих спостерігається ріст площі поперечної концентрації порошкової композиції у зоні дії сфокусованого лазерного випромінювання (рис. 1, в). Це пояснюється дуже малою відстанню «фокусу» газопорошкового струменя від зрізу коаксіального сопла, завдяки великому значенню кутів утворюючих зовнішнього та внутрішнього сопел 80°.

На підставі результатів чисельного моделювання процесу транспортування частинок порошку в потоці газу, встановлена залежність (рис. 2), при якій змінення кутів геометрії утворюючих сопел спричинює змінення положення «фокальної» відстані газопорошкового струменя від зрізу сопла. А також отримано зручний інструмент, в якості чисельного моделювання руху дисперсної та суцільної фази у просторі, який дозволяє проектувати засоби доставки порошкової композиції у зону дії сфокусованого лазерного випромінювання, та наперед визначати схеми обробки.

а)б)в)

Рис. 1. Концентрація дисперсної фази газопорошкового струменя в площині перпендикулярній осі лазерного випромінювання: а)-геометрія кутів утворюючих сопел 30°; б)-геометрія кутів утворюючих сопел 40°; в)-геометрія кутів утворюючих сопел 50°.

Рис. 2. Залежність поперечної концентрації порошку в площині перпендикулярній осі дії лазерного випромінювання від кутів утворюючих сопел: Н-відстань від зрізу сопла до площини поперечної концентрації порошку; В-кути утворюючих зовнішнього та внутрішнього сопел.

а)б)в)

Рис. 3. Загальний вигляд газопорошкових струменів: а)-кути геометрії утворюючих 30°; б)-кути геометрії утворюючих 40°; в)-кути геометрії утворюючих 50°.

Загальний вигляд просторового розподілу газопорошкового струменя для трьох випадків кутів геометрії утворюючих зовнішнього та внутрішнього сопел зображено на рис. 3, а)-в). Для перевірки адекватності розрахунків чисельного моделювання просторового руху суцільної та дисперсної фаз, та можливості керування формою газопорошкового струменя, завдяки зміні кутів геометрії утворюючих зовнішнього та внутрішнього сопел на виході з пристрою коаксіального сопла за допомогою програмного комплексу Ansys CFX, було проведено експериментальне вимірювання положення «фокусу» (максимальна концентрація порошкової суміші в площині перпендикулярній осі руху газопорошкового струменя) потоку порошку для зовнішніх та внутрішніх сопел різної геометрії кутів утворюючих. На підставі результатів експериментального вимірювання (рис. 4) доведена адекватність чисельного моделювання просторового розподілу суцільної та дисперсної фаз, можливість керування формою газопорошкового струменя та максимальною концентрацією порошкової композиції у зоні обробки, завдяки зміні кутів геометрії утворюючих зовнішнього та внутрішнього сопел засобу доставки порошкової суміші ПГСР-3 в зону дії сфокусованого лазерного випромінювання. Також слід відзначити, що при збільшенні кута утворюючих геометрії зовнішнього та внутрішнього сопел положення «фокусу» газопорошкового струменя зменшувалось. Та навпаки при зменшенні геометрії положення «фокусу» потоку порошку збільшувалось. Так для сопел з геометрією утворюючих 30° положення «фокусу» газопорошкового струменя з урахуванням масштабного коефіцієнту (рис. 4) знаходиться на відстані 7 мм від зрізу сопла (рис. 4, а). Для сопел з геометрією кутів утворюючих 40° відповідно 4,9 мм (рис. 4, б), для сопел з геометрією кутів утворюючих 50° відстань дорівнює 3,5 мм (рис. 4, в).

а) б) в)

Рис. 4. Загальний вигляд газопорошкових струменів на виході з пристрою коаксіального сопла з позначенням масштабного коефіцієнта 0,7 мм: а)-кути геометрії утворюючих зовнішнього та внутрішнього сопел 30°; б)-кути геометрії утворюючих зовнішнього та внутрішнього сопел 40°; в)-кути геометрії утворюючих зовнішнього та внутрішнього сопел 50°; 1-сопло; 2-відстань «фокусу» газопорошкового струменя.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений дослідженню та оптимізації процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу ПГСР-3. Зокрема, підвищенню якісних показників сплавлених валків. Які оцінювалися суцільністю внутрішньої мікроструктури поверхні (кількість пустих фрагментів, раковин, мікротріщин виражених у відсотковій формі)

а) б) в)

Рис. 5. Залежність висоти сплавленого валка Н від геометрії кутів утворюючих сопла А для різних положень підкладки відносно зрізу сопла Б: а)-масова витрата порошкового матеріалу 0,2 г/с, швидкість переміщення підкладки 1 мм/с; б)-масова витрата порошку 0,3 г/с, швидкість переміщення підкладки 2 мм/с; в)-масова витрата порошку 0,4 г/с, швидкість переміщення підкладки 3 мм/с.

мікрошліфів, зроблених за допомогою растрового електронного мікроскопа РЕМ106-И лабораторії Інженерно-Фізичного Факультету НТУУ «КПІ». При проведенні дослідження процесу лазерного сплавлення порошкової композиції ПГСР-3, на підставі попередньо проведеного аналізу апріорної інформації та процедури експериментального відсіювання були встановлені технологічні фактори, які необхідно зафіксувати у стабільному стані. Тобто стабільними факторами впливу є довжина хвилі, потужність, густина потужності лазерного випромінювання, діаметр променя, тип порошкового матеріалу (базовий матеріал композиції), його геометричні властивості (дисперсність 60 мкм), тип транспортуючого газу. Фактори, яким потрібно задати певний інтервал варіювання це, геометрія кутів утворюючих сопла х₁, масова витрата порошкового матеріалу х₂, швидкість переміщення підкладки х₃, положення підкладки відносно зрізу сопла х₄,. Також були встановлені границі факторних просторів незалежних змінних та доведена їх нелінійність впливу на функції відгуків висоти (Н), ширини (В), продуктивності (Т), суцільності (W). На підставі результатів експериментального відсіювання був проведений по методиці планування основний експеримент, з застосуванням не композиційного плану Бокса-Бенкена. Були отримані адекватні математичні моделі процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу для функцій відгуків висоти (Н), ширини (В), продуктивності (Т), суцільності (W) внутрішньої мікроструктури сплавлених валків. Також графоаналітичним методом зроблено попередній аналіз математичних моделей процесу лазерного сплавлення, шляхом варіювання технологічними факторами, які мають мінімальну інерційність впливу на відгуки (геометрія утворюючих сопла, положення підкладки відносно зрізу сопла. Як видно з графічної залежності рис. 5, а) при масовій витраті порошкового матеріалу 0,2 г/с, положенні підкладки відносно зрізу сопла 5 мм, швидкості переміщення підкладки 1 мм/с, та сопла з геометрією кутів утворюючих 40° спостерігається максимальний показник висоти сплавлених валків 1,1 мм. Це пояснюється, головним чином, мінімальним показником швидкості переміщення підкладки 1 мм/с. Мінімальний показник висоти (Н) (рис. 5, в) спостерігається при масовій витраті порошкового матеріалу 0,4 г/с, положенні підкладки відносно зрізу сопла 3 мм, швидкості переміщення підкладки 3 мм/с, та сопла з геометрією кутів утворюючих 30°. Це пояснюється максимальним показником масової витрати порошкової композиції та максимальною швидкістю переміщення підкладки, за рахунок чого зменшується інтервал тривалості лазерного випромінювання на порошкову суміш.

Також слід відзначити, що змінення функції відгуку висоти сплавлених валків відбувається наступним чином. Для сопла з геометрією кутів утворюючих 40° спостерігається максимальні показники функції відгуку висоти у діапазоні 0,9…1,1 мм для трьох випадків (рис. 5, а-в). Це пояснюється максимальним показником дисперсної фази у зоні впливу лазерного випромінювання, що призводить до сплавлення великих об'ємів порошкового матеріалу. Зворотна картина спостерігається для сопел з геометрією кутів утворюючих 30° та 50° (рис. 5, а, в). Це пояснюється зменшенням дисперсної фази у зоні обробці, за рахунок чого формуються фрагменти сплавленого порошкового матеріалу менші за геометрією, порівняно з попередніми випадками.

Максимальне значення ширини (В) сплавленого валка (1,3 мм рис. 6, б) спостерігається при масовій витраті порошкової композиції 0,3 г/с, положенні підкладки 5 мм, швидкості переміщення підкладки 2 мм/с, та кутами геометрії утворюючих 40°. Це пояснюється головним чином збільшенням кількості дисперсної фази у потоці газу, що обумовлено розташуванням підкладки у «фокусі» газопорошкового струменя (рис. 6, б). Внаслідок цього до зони дії лазерного випромінювання потрапляє більші об'єми порошкової суміші. Мінімальні показники ширини (В) сплавлених валків 0,95 мм (рис. 6, в) спостерігаються при масовій витраті порошкової композиції 0,4 г/с, положенні підкладки 7 мм, швидкості переміщення підкладки 3 мм/с та кутів геометрії утворюючих 30°. Це пояснюється значним показником масової витрати порошкової композиції та швидкістю переміщення підкладки, що призводить до зменшення інтервалу впливу лазерного випромінювання на порошковий матеріал. Загальне змінення функції ширини (В) можна охарактеризувати наступним чином. Максимальні показники ширини (В) у діапазоні 1,2…1,3 мм (рис. 6, а-в) спостерігаються для геометрії кутів утворюючих 40° та положення підкладки 5 мм (фокус газопорошкового струменя для даної геометрії кутів утворюючих). Це пояснюється як і в попередньо розглянутому випадку, збільшенням кількості дисперсної фази у дії лазерного випромінювання, що призводить до сплавлення великих об'ємів порошкової композиції. Мінімальні показники ширини сплавлених валків (В) у діапазоні 0,95…1,05 мм (рис. 6, а-в)

а) б) в)

Рис. 6. Залежність ширини сплавленого валка В від геометрії кутів утворюючих сопла А для різних положень підкладки відносно зрізу сопла Б: а)-масова витрата порошкового матеріалу 0,2 г/с, швидкість переміщення підкладки 1 мм/с; б)-масова витрата порошку 0,3 г/с, швидкість переміщення підкладки 2 мм/с; в)-масова витрата порошку 0,4 г/с, швидкість переміщення підкладки 3 мм/с.

обумовлені мінімальною кількістю дисперсної фази у зоні дії сфокусованого лазерного випромінювання при умові віддалення підкладки в обидві напрямки від «фокусу» газопорошкового струменя, внаслідок чого у зоні обробки формуються великі ділянки поперечного перерізу потоку порошку. Мінімальна геометрія сплавленого валка (висота 0,426 мм, ширина 1,14 мм) спостерігається на рис. 7, а) для сопла з геометрією кутів утворюючих 30°. Максимальні показники висоти 1,098 мм та ширини 1,348 мм сплавленого валка спостерігаються на рис. 7, б) для сопла з геометрією кутів утворюючих 40°. Незначне зменшення висоти та ширини сплавленого валка до показників 0,711 мм та 1,109 мм відповідно спостерігається на рис. 7, в). Головним показником якості сплавлених виробів є суцільність внутрішньої мікроструктури сплавлених фрагментів. Тому для дослідження внутрішньої мікроструктури сплавлених валків було зроблено мікрошліфи з наступним аналізом суцільності (функція відгуку W) поверхні шліфа.

Оскільки досліджувана площа поверхні мікрошліфів складає, ширина 1 мм висота 0,75 мм (обумовлена технічними можливостями растрового електронного мікроскопа РЭМ106-И), та середньостатистичний розмір пустої ділянки має значення 0,002 мм, то кількість пустих фрагментів у 1000 шт., даної досліджуваної області дорівнюватиме 100%. Саме ці початкові умови були використані у подальших розрахунках суцільності. Змінення показників суцільності внутрішньої мікроструктури сплавлених валків представлена у вигляді (рис. 8, а-в) графічних залежностей суцільності (W) від геометрії кутів утворюючих пристрою коаксіальної подачі порошкової суміші (А), для різних значень положення підкладки відносно зрізу сопла (Б). Кількісні показники суцільності, для

а)б)в)

Рис. 7. Морфологічна структура сплавлених валків з реальними розмірами висоти та ширини при восьмидесятикратному оптичному збільшенні оптики: а)-геометрія кутів утворюючих сопла 30°, масова витрата порошку 0,2 г/с, швидкість переміщення підкладки 3 мм/с, положення підкладки відносно зрізу сопла 7 мм; б)-геометрія кутів утворюючих сопла 40°, масова витрата порошку 0,3 г/с, швидкість переміщення підкладки 1 мм/с, положення підкладки відносно зрізу сопла 5 мм; в)-геометрія кутів утворюючих сопла 50°, масова витрата порошку 0,2 г/с, швидкість переміщення підкладки 2 мм/с, положення підкладки відносно зрізу сопла 7 мм.

зручності переведені у відсоткову форму. Найгірші показники суцільності близько 4% (кількісні показники пустих ділянок) сплавленого валка спостерігається на рис. 8, а) для сопла з кутами геометрії утворюючих 30°, положення підкладки 7 мм, швидкості переміщення підкладки 1 мм/с. Це пояснюється низьким показником масової витрати порошку 0,2 г/с та низькою швидкістю переміщення підкладки 1 мм/с. Також велика площа поперечного перерізу газопорошкового струменя у зоні обробки обумовлена віддаленням положення підкладки від «фокусу» газопорошкового струменя. Це призводить до потрапляння в зону дії сфокусованого лазерного випромінювання газопорошкового струменя з низькою концентрацією дисперсної фази та подальшим формоутворенням фрагментів з достатньо великим змістом пустих ділянок. Найкращі показники суцільності близько 1,2 % спостерігаються при кутах геометрії утворюючих 40°, швидкості переміщення підкладки 2 мм/с, масової витрати порошкового матеріалу 0,3 г/с, та відстані від зрізу сопла 5 мм (рис. 8, б). Головний фактор формоутворення фрагментів з близькою до ідеальної мікроструктури сплавленого валка є збігання положення підкладки з положенням «фокусу» газопорошкового струменя. Це пояснюється впливом сфокусованого лазерного випромінювання на ділянку газопорошкового струменя, який має максимальну поперечну концентрацію дисперсної фази. Це призводить до формоутворення газопорошкового струменю з високим змістом дисперсної фази у зоні обробки. Аналогічні показники суцільності мікроструктури валків, приблизно 4% (рис. 8, в), спостерігаються для кутів геометрії утворюючих сопла 30°, швидкості переміщення підкладки 3 мм/с, масової витрати порошкового

а)б)в)

Рис. 8. Залежність суцільності сплавленого валка W від геометрії кутів утворюючих сопла А для різних положень підкладки відносно зрізу сопла Б: а)-масова витрата порошкового матеріалу 0,2 г/с, швидкість переміщення підкладки 1 мм/с; б)-масова витрата порошку 0,3 г/с, швидкість переміщення підкладки 2 мм/с; в)-масова витрата порошку 0,4 г/с, швидкість переміщення підкладки 3 мм/с.

матеріалу 0,4 г/с, та положенні підкладки від зрізу сопла 3 мм (рис. 8, а). Це пояснюється головним чином невеликою відстанню підкладки від зрізу сопла 3 мм вище за положення матеріалу 0,4 г/с, та положенні підкладки від зрізу сопла 3 мм (рис. 8, а). Це невеликою відстанню підкладки від зрізу сопла 3 мм вище за положення «фокусу» газопорошкового струменя, та великим показником швидкості переміщення підкладки 3 мм/с. Це призводить до формоутворення газопорошкового струменя з великою площею поперечного перерізу та низькою концентрацією дисперсної фази у потоці газу, що спричинює утворення фрагментів сплавленої порошкової композиції з достатньо великим змістом пустих ділянок. Також слід відзначити (рис. 8, а-в) спостерігається залежність між розмірами геометрії сплавлених валків та суцільністю внутрішньої мікроструктури валків. Тобто зі зменшенням геометрії відбувається збільшення пустих фрагментів, що призводить до погіршення суцільності сплавлених валків, та безпосередньо впливає на якість майбутніх виробів. Це пояснюється головним чином браком потужності лазерного випромінювання та неможливістю в наслідок цих умов розширити діапазон показників масової витрати порошкового матеріалу до більших значень (система дозування дозволяє отримувати масову витрату порошкового матеріалу до 2,5 г/с розділ 2). На рис. 9, а)-в) в якості прикладу, представлено вигляд поверхні мікрошліфів сплавлених валків для трьох кутів геометрії утворюючих коаксіального сопла 30°, 40° та 50°, с позначенням загальної кількості пустих фрагментів. Оптичне збільшення складає 2000 крат (рис. 9, а, б) та 2500 (рис. 9, в), площа досліджувальної поверхні мікрошліфа складає, ширина 1 мм висота 0,75 мм (обумовлена технічними можливостями електронного растрового мікроскопу РЭМ106-И зазначено вище). Як видно з рис. 9, а)-в), зміна кутів геометрії утворюючих пристрою коаксіальної подачі порошкової композиції впливає на показники суцільності внутрішньої мікроструктури сплавлених валків. А саме максимальні показники суцільності внутрішньої мікроструктури валків спостерігаються при застосуванні коаксіального сопла з геометрією кутів утворюючих 30° та 50° (рис. 9, а, в) 9, 14 шт. відповідно). Мінімальний показник відповідає соплу з кутами геометрії утворюючих 40° (рис. 9, б 4 шт.). Для проведення оптимізації процесу лазерного сплавлення порошку ПГСР-3, (визначення максимальних показників суцільності внутрішньої мікроструктури сплавлених фрагментів), було застосовано обчислювальну процедуру, яка має назву «рідж-аналіз», яка базується на методі невизначених множників Лагранжа. Оскільки пошук оптимальних режимів процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу являє собою достатньо складну задачу з великими затратами машинного часу, автором роботи було розроблена програма, яка дозволяє в автоматичному режимі визначити максимальні показники суцільності внутрішньої мікроструктури сплавлених валків. Результати розрахунків оптимальних режимів процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу наведені у табл. 1.

а)б)в)

Рис. 9. Загальний вигляд мікрошліфів внутрішньої мікроструктури сплавлених валків с загальною кількістю пустих ділянок: а)-кути геометрії утворюючих сопла 30°; б)-кути геометрії утворюючих сопла 40°; в)-кути геометрії утворюючих сопла 50°.

Таблиця 1. Оптимальні режими процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу

г	R	x1	x2	x3	x4	X1	X2	X3	X4	Н, мм	В, мм	Т, мм3/с	W, %
1,5	0,2	0,1	0	-0,1	0	40,7	0,3	1,9	5	1	1,3	1,3	1,3

де г-невизначений множник Лагранжа; R-радіус сфери навколо центру експерименту.

а)б)в)

Рис. 10. Загальний вигляд мікрошліфів внутрішньої мікроструктури сплавлених валків с позначенням загальної кількості пустих фрагментів кути геометрії утворюючих сопла-40°, масова витрата порошкового матеріалу-0,3 г/с, швидкість переміщення підкладки 1,9 мм/с, відстань від зрізу сопла 5 мм: а)-кількість пустих фрагментів-2 шт.; б)-1 шт.; в)-1 шт.

На підставі отриманих розрахунків слід відзначити, що оптимальні показники функцій відгуків висоти (Н), ширини (В), продуктивності (Т) та суцільності (W) знаходяться поблизу центра експерименту (табл. 1). Для підтвердження адекватності теоретичних розрахунків оптимальних режимів лазерного сплавлення порошкового матеріалу була проведена додаткова серія (3 повторення) експерименту (рис. 10, а-в) на визначених оптимальних режимах, з невеликою корекцією фактора впливу Х₁,. А саме, було застосовано сопло з геометрією кутів утворюючих 40°, це обумовлено невеликою розбіжністю (0,7°) значень геометрії кутів утворюючих виготовленого сопла, порівняно з розрахованим 40,7° (табл. 1). Така розбіжність показника незалежної змінної, згідно проведених попередньо розрахунків аеродинамічних показників коаксіального сопла, не може вплинути на кінцевий результат експерименту. Проведена додаткова серія експерименту підтвердила адекватність теоретичних розрахунків оптимальних режимів лазерного сплавлення порошкового матеріалу ПГСР-3. Середній з трьох повторів показник суцільності (W) має значення 0,13%.

Слід відзначити, що розрахункове значення суцільності внутрішньої мікроструктури сплавлених валків складає (W) 1,3% (табл. 1), дана розбіжність розрахункового та експериментального значення суцільності (W) відповідає обраній при розрахунках похибці у межах 5%.

ВИСНОВКИ

1. Результати проведених досліджень показали можливість підвищення якості сплавлених виробів шляхом покращення суцільності (кількість пустих фрагментів, раковин, мікротріщин) внутрішньої мікроструктури до показника W=0,13%, оптимізацією взаємного положення каустичної поверхні сфокусованого лазерного випромінювання, форми та «фокусу» газопорошкового струменя.

2. Встановлена закономірність, яка визначає зміну фокальної площини концентрації порошкового матеріалу, форми газопорошкового струменя від геометрії кутів утворюючих сопел та доведено, що зменшення кутів утворюючих сопел веде до зсуву «фокусу» потоку порошкової композиції відносно зрізу сопла.

3. В факторному просторі, що досліджувався, встановлені оптимальні режими процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу (геометрія кутів утворюючих 40°, масова витрата порошкового матеріалу 0,3 г/с, швидкість переміщення підкладки 1,9 мм/с, положення підкладки відносно зрізу сопла 5 мм).

4. Розроблені математичні моделі процесу лазерного сплавлення порошкової композиції, які в подальшому можуть бути використані в якості розрахунку керованих впливів, спрямованих на підтримку постійного рівня якості виробів.

5. Підтверджена адекватність теоретичних розрахунків стосовно можливості керування формою газопорошкового струменя пристроями коаксіальної подачі порошкової композиції.

6. Встановлено, що чисельне моделювання процесу транспортування частинок порошку в потоці газу дозволяє проектувати коаксіальні сопла та наперед визначати схеми обробки.

7. Розроблено пристрій коаксіальної подачі порошкового матеріалу до зони дії сфокусованого лазерного випромінювання, який дозволяє контролювати зміну просторового розподілення газопорошкового струменя та керувати рівнем дисперсної фази порошкової композиції у зоні обробки.

8. Використання спроектованого пристрою коаксіальної подачі порошкового матеріалу до зони дії сфокусованого лазерного випромінювання, у сукупності з розробленою методикою визначення оптимальних режимів процесу лазерного сплавлення порошкової композиції, дозволяють підвищити якісні показники виробів.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. V.S. Kovalenko. Study of the Process of Rapid Prototyping with laser beam / V.S. Kovalenko, M.I. Anyakin, P.V. Kondrashev, [at al.] // «Технологічні системи», №1/45/2009, с. 36-46. Здобувачем розроблено моделювання технологічного процесу.

2. V.S. Kovalenko. Дослідження технології лазерної обробки стентів / V.S. Kovalenko, M.I. Anyakin, P.V. Kondrashev, [at al.] // Технологічні системи, №2/46/2009, с. 77-83. Здобувачем проведено експериментальні дослідження.

3. V.S. Kovalenko. Some results of studying laser micromachining at medical stents manufacturing / V.S. Kovalenko, M.I. Anyakin, P.V. Kondrashev, [at al.] // International Journal of Nanomanufacturing (IJNM) Issue: Volume 6, Number 1-4 / 2010 Pages: 253-263. Здобувачем проведено опрацювання результатів експерименту.

4. Попіль Ю.С. Газолазерне різання тонколистових металів з використанням воднево-кисневого полум'я / Попіль Ю.С., Корж В.М., Кондрашев П.В. // Вісник національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», Серія машинобудування, №61, том 2, 2011 р. с. 109-112. Здобувачем проведені експериментальні дослідження.

5. M.I. Anyakin. Study of the process of cubic boron nitride laser cutting / M.I. Anyakin, P.V. Kondrashev, A. Mukhoid [at al.] // «International Conference on Laser Technology in Welding and Materials Processing», Katsiveli, Ukraine May. 2003. Здобувачем запропонована схема експериментального устаткування.

6. M.I. Anyakin. Study of the Process of Rapid Prototyping with laser beam / M.I. Anyakin, P.V. Kondrashev, A. Mukhoid [at al.] // «Proceedings of International Congress «ICALEO'2006», Scottsdale, USA, Oct. 2006. Здобувачем зроблено опрацювання результатів експерименту.

7. V.S. Kovalenko. Optimal Conditions for Process of Rapid Prototyping / V.S. Kovalenko, M.I. Anyakin, P.V. Kondrashev, [at al.] // «International Conference on Laser Technology in Welding and Materials Processing», Katsiveli, Ukraine May 2005. Здобувачем зроблено опрацювання результатів експерименту.

8. V.S. Kovalenko. The quality and productivity increase of laser machining with additional scanning of laser beam / Kovalenko, M.I. Anyakin, P.V. Kondrashev, [at al.] // «International Conference on Laser Technology in Welding and Materials Processing», Katsiveli, Ukraine May. 2007. Здобувачем проведені експериментальні дослідження.

9. V.S. Kovalenko. Study of assist gas flow in tube work piece in laser cutting / V.S. Kovalenko, M.I. Anyakin, P.V. Kondrashev, [at al.] // «International Conference on Laser Technology in Welding and Materials Processing», Katsiveli, Ukraine May. 2007. Здобувачем розроблено чисельне моделювання рідкої фази.

10. V.S. Kovalenko. Study of the work gas flow on the laser cut parameters in tube workpiece / V.S. Kovalenko, M.I. Anyakin, P.V. Kondrashev, [at al.] // «Proceedings of International Congress «ICALEO'2007», Orlando, USA, Nov. 2007. Здобувачем проведено опрацювання результатів експерименту.

11. V.S. Kovalenko. Study of the Assist Gas Flow during Laser Cutting of Tube Workpieces and its Applications in Medicine / V.S. Kovalenko, M.I. Anyakin, P.V. Kondrashev, [at al.] // «Proceedings of International Conferences 5th LANE 2007» Sept. 25-28, 2007 Erlangen, Germany. Здобувачем проведені експериментальні дослідження.

12. V.S. Kovalenko. Studying of the peculiarities of laser micromachining at medical stents manufacturing / V. Kovalenko, J. Meijer, M. Anyakin, P. Kondrashev, [at al.] // «CIRP Journal of Materials Processing Technology». Здобувачем проведено опрацювання результатів експерименту.

13. M.I. Anyakin. Investigation of Laser Cutting of Stents / M.I. Anyakin, O. Stepura,P. Kondrashev, [at al.] // «Proceeding of 4 International Conference on Laser Technology in Welding and Materials Processing», Katsiveli, Ukraine May. 2009. Здобувачем проведені експериментальні дослідження.

14. V.S. Kovalenko. Research on laser micromachining at medical stents manufacturing / V.S. Kovalenko, J. Meijer, J.Yao, P. Kondrashev, [at al.] // «Proceedings of 16 th International Symposium for Electromachining (ISEM-XVI)», Shanghai, People's Republic of China. Здобувачем запропонована схема експериментальних досліджень.

АНОТАЦІЯ

Кондрашев П.В. Підвищення ефективності лазерного сплавлення порошкового матеріалу керуванням формою газопорошкового струменя. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07-Процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». Київ, 2011.

Дисертація присвячена розробці методів та підходів, спрямованих на підвищення якості та продуктивності реалізації технології «Rapid Prototyping». За допомогою чисельного моделювання руху двохфазного потоку у програмному комплексі Ansys CFX, були розраховані оптимальні аеродинамічні показники засобу доставки порошкового матеріалу у зону дії сфокусованого лазерного випромінювання та розроблено пристрій коаксіальної подачі порошкової композиції у зону обробки. Адекватність теоретичних розрахунків була перевірена експериментальним шляхом, з застосуванням сучасної сервісної техніки відео реєстрації та антропоморфного роботизованого комплексу РМ-01. Результати комп'ютерного моделювання поводження газопорошкового струменя у зоні дії сфокусованого лазерного випромінювання, показали можливість керування формою та дисперсним складом порошкової композиції у зоні обробки, та довели можливість використання чисельного моделювання, в якості універсального засобу для проектування коаксіальних сопел. Експериментальні дослідження проводились за допомогою математико-статистичних методів, що дозволило отримати адекватні квадратичні моделі висоти (Н), ширини (В), продуктивності (Т), суцільності (W) внутрішньої мікроструктури сплавлених примітивів, крім того визначено технологічні фактори (геометрія кутів утворюючих сопла, положення підкладки відносно зрізу сопла) процесу лазерного сплавлення порошкового матеріалу, які мають мінімальну інерційність впливу на функції відгуків, що дає можливість підтримувати постійний рівень якості лазерного сплавлення порошкової композиції. В роботі також представлена розроблена методика оптимізації режимів лазерного технологічного устаткування, які забезпечують найкращі показники суцільності (кількісні показники пустих фрагментів, раковин, мікротріщин виражених у відсотковій формі) внутрішньої мікроструктури сплавлених примітивів.

Ключові слова: лазер, сплавлення, порошкова композиція, чисельне моделювання.

АННОТАЦИЯ

Кондрашев П.В. Повышение эффективности лазерного сплавления порошкового материала управлением формой газопорошковой струи. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07-Процессы физико-технической обработки. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». Киев, 2011.

Диссертация посвящена разработке методов и подходов, направленных на повышение качества и производительности реализации технологии «Rapid Prototyping». В работе представлено использование современных средств численного моделирования, для расчетов аэродинамических показателей средства доставки порошкового материала ПГСР-3 в зону воздействия сфокусированного лазерного излучения, с целью определения оптимальной технологической конфигурации приспособления коаксиальной подачи порошкового материала, реализованных при помощи компьютеризированных систем и специализированного программного обеспечения, в частности программного комплекса Ansys CFX. Математический аппарат данного программного продукта, позволяет решать задачи любого рода в гидрогазодинамике, например определение дисперсного состава порошковой композиции в зоне обработки и пр. Адекватность теоретических расчетов была проверена экспериментальным путем, с использование современной сервисной техники видео регистрации, а также антропоморфного робототизированого комплекса РМ-01. Результаты компьютерного моделирования поведения газопорошковой струи в зоне воздействия сфокусированного лазерного излучения, показали возможность управления формой и дисперсным составом порошковой композиции в зоне обработки, а также доказали возможность использования численного моделирования, в качестве универсального средства для проектирования коаксиальных сопел. Экспериментальная составляющая научно-исследовательской работы, с учетом сложности протекания всех механизмов процесса лазерного сплавления порошкового материала, выстраивалась по методике полно-факторного эксперимента, что позволило значительно сократить ресурсы машинного времени и получить минимальную погрешность экспериментальных данных. На основании полученных адекватных моделей высоты (Н), ширины (В), производительности (Т), сплошности (W) (количественные показатели пустых фрагментов, раковин, микротрещин в процентном соотношении) сплавленных примитивов (сплавленные фрагменты порошковой композиции ПГСР-3, имеющие примитивную морфологическую структуру профиля), было проведено графоаналитическое исследование процесса лазерного сплавления порошкового материала. В результате данного анализа были выявлены технологические факторы (геометрия углов образующих сопла, положение подкладки относительно среза сопла), которые имеют минимальную инерционность влияния на функции откликов высоты, ширины, производительности, сплошности, что дает возможность, воздействуя на эти параметры технологического оборудования, поддерживать постоянный уровень качества процесса лазерного сплавления порошкового материла. В завершающей фазе работы показана разработанная методика оптимизации режимов лазерного технологического оборудования, которые обеспечивают наилучшие показатели сплошности внутренней микроструктуры сплавленных примитивов (W=0,13%). Результаты разработанной методики были апробированы на предприятии ООО «Аквитек» при производстве прессовых валов, разработанная технология позволяет заменить традиционный электрохимический метод изготовления фрагментированного рисунка, что существенно снижает экологическую нагрузку на окружающую среду.

Ключевые слова: лазер, сплавление, порошковая композиция, численное моделирование.

SUMMARY

Kondrashev P.V. Efficiency increase of powder materials laser sintering by means of controlled gas-powder jet. Manuscript.

Thesis for the scientific degree of Candidate of Technical Sciences in the speciality 05.03.07-«Processes of physicotechnical processing». National technical university of Ukraine «Kyiv Polytechnical Institute». Kyiv, 2011.

This thesis is dedicated to the development of methodology and techniques for the increase of quality and productivity of «Rapid Prototyping» technology. Optimal aerodynamic characteristics of the delivery of powder material into the processing zone were investigated by means of numerical modeling of multiphase streams using Ansys CFX software. Coaxial powder supply unit was also developed in terms of this research. The adequacy of the results of theoretical investigation was verified experimentally using video capturing equipment and anthropomorphic robotized complex РМ-01. The results of numerical simulation of gas-powder stream behavior in the processing zone proved that it is possible to control shape and content of powder mixture in the processing zone. It was also found that numerical modeling is a universal tool that could be used for the design of coaxial nozzles.