Контроль аддитивного формообразования по сигналу коллектора отражённых электронов

Внедрение: 2019 г.

Технология аддитивного формообразования с подачей присадочной проволоки, получившая наименование EBF3 или EBAM (Electron Beam Additive Manufacturing), в ближайшем будущем может стать одним из наиболее перспективных методов прототипирования изделий в машиностроении, и в нашем портфолио мы ранее представляли работы [2], [3], [4] авторского коллектива МЭИ по этой тематике. 

В новой работе исследователей из МЭИ [1] предложен метод контроля расстояния между наплавленным валиком и электронной пушкой по сигналу, снимаемому с коллектора отраженных электронов. Проведен анализ сигналов после детектирования тока отраженных электронов, регистрируемых посредством АЦП E14‑140‑M при сканировании наплавляемого металлического валика, и обоснована техническая реализуемость метода. Предложены технические решения, позволяющие внедрить метод для непрерывного контроля и управления процессом аддитивного формообразования. Для обоснования актуальности предлагаемого технического решения авторы приводят схему процесса, показанную на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема процесса электронно-лучевого аддитивного формообразования с подачей присадочной проволоки: а – правильно выбранная величина рабочего отрезка, проволока подается непосредственно в ванну расплава; б – удлиненный рабочий отрезок, оплавление проволоки происходит над формируемым валиком; в – слишком малый рабочий отрезок, проволока упирается в подслой; г, д, е – соответствующие случаям а, б и в фотографии получаемых валиков; 1 – электронная пушка; 2 – отклоняющие катушки; 3 – электронный пучок; 4 – механизм подачи проволоки; 5 – присадочная проволока; 6 – жидкая ванна; 7 – формируемый валик; 8 – подслой.

Авторами была предложена схема детектирования тока отраженных электронов, обеспечивающая получение информации о расстоянии между электронной пушкой 1 и валиком 2 (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема детектирования тока отраженных электронов для контроля положения наплавляемого валика: 1 – электронная пушка; 2 – формируемый слой (валик); 3 – электронный пучок; 4 – присадочная проволока; 5 – жидкая ванна; 6 – отраженные электроны; 7 – коллектор; 8 – предусилитель; 9 – регистрируемый сигнал; I – перемещение луча при наплавке; II – перемещение луча при сканировании.

Для подтверждения работоспособности предложенного метода проводились теоретические и экспериментальные исследования. На рисунке 3 приведены результаты статистического моделирования взаимодействия электронного пучка с энергией 60 кЭв с металлическим валиком (в качестве материала валика в модели было выбрано железо) и медным коллектором.

Рисунок 3. Траектории отраженных электронов, рассчитанные с помощью статистической модели: в поперечной плоскости (слева); в продольной плоскости (справа); 1 – валик, 2 – коллектор, 3 – первичный электронный пучок.

На рисунке 4 показано семейство кривых, полученных при перемещении пучка поперек наплавляемого валика. Поскольку детектор имеет ограниченные размеры, то перемещение мишени (валика) относительно коллектора при прочих равных условиях будет приводить к изменению уровня полезного сигнала: при отдалении от коллектора регистрируемый ток будет уменьшаться.

Рисунок 4. Зависимости доли энергии, поглощенной коллектором, от смещения электронного луча относительно центра наплавляемого валика, полученные с помощью статистической модели при различных расстояниях между коллектором и валиком: 1 – 15 мм, 2 – 20 мм; 3 – 25 мм, 4 – 30 мм.

Для верификации полученных результатов были проведены экспериментальные исследования на установке ЭЛА‑15И. В качестве предусилителя использовалась схема инвертирующего усилителя на базе микросхемы AD‑711, а для регистрации сигнала – модуль АЦП E14‑140‑M. Кривые, полученные в результате экспериментов, приведены на рисунке 5. Частота дискретизации модуля АЦП была установлена на уровне 100 кГц. Частота развертки электронного пучка – 100 Гц. Кривая 1 типична для расстояния между коллектором и изделием, равного 15 мм, а кривая 2 – 20 мм. Коэффициент усиления предусилителя – 500. Ток пучка – 1 мА. Калибровка полученных зависимостей на текущем этапе исследований не проводилась, а в качестве физической модели валика в вакуумную камеру помещался стальной пруток диаметром 5 мм. Горизонтальное смещение коллектора относительно точки взаимодействия пучка с прутком выбиралось без каких-либо критериев экспериментально и составляло порядка 10 мм.

Рисунок 5. Экспериментально полученные зависимости напряжения, снимаемого с инвертирующего предусилителя, установленного на коллекторе отраженных электронов при токе пучка 1 мА: 1 – расстояние между коллектором и прутком, имитирующим валик, равно 15 мм, 2 – 20 мм.

Полученные зависимости подтверждают адекватность результатов, полученных с помощью модели, а также применимость предложенного метода определения величины рабочего отрезка (например, путем измерения максимальной амплитуды детектируемого сигнала, соответствующей положению луча в верхней точке валика). 

Работа выполнена в ФГБОУ ВО НИУ "МЭИ" при поддержке Российского научного фонда (проект № 17‑79‑20015).

Источник:

1. Щербаков А.В., Гапонова Д.А., Родякина Р.В. Контроль положения наплавленного валика в процессе аддитивного формообразования по сигналу коллектора отраженных электронов // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2019. – Т. 7, № 2. – С. 3‑8.
2. Изучение электронно-лучевой сварки с применением присадочной проволоки: [Электронный ресурс] // ООО «Л Кард». М,. 2020. URL: https://www.lcard.ru/portfolio/el_beam_welding. (Дата обращения: 09.11.2020).
3. Измерения пространственного распределения плотности тока технологических электронных пучков: [Электронный ресурс] // ООО «Л Кард». М,. 2020. URL: https://www.lcard.ru/portfolio/current_density. (Дата обращения: 09.11.2020).
4. Отработка технологии электронно-лучевого аддитивного формообразования: [Электронный ресурс] // ООО «Л Кард». М,. 2020. URL: https://www.lcard.ru/portfolio/additive_technologies. (Дата обращения: 09.11.2020).

Разработчик: Щербаков А.В., Гапонова Д.А., Родякина Р.В. (Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва)