В дисертаційній роботі вперше висвітлено проблему динамічного відхилення геометричних параметрів інструменту від кінематичної моделі багатокоординатного маніпулятора в процесі адитивного виробництва на основі електродугового зварювання плавким електродом в середовищі захисних газів, більш відомого, як Wire and Arc Additive Manufacturing або WAAM.
Було встановлено, що постійне збільшення відхилення присадного дроту від центральної точки інструменту негативно впливає на стабільність процесу вирощування і якість поверхонь вирощуваних об’єктів. Погіршення якості та точності геометрії деталей знижують їх механічні властивості, а також погіршують ефективність використання матеріалів та екологічність виробництва.
В результаті виконання дисертаційної роботи було вирішено актуальну науково-прикладну задачу покращення керованості процесу формоутворення наплавлених шарів металу і нормалізації нерівномірності бокових поверхонь WAAM деталей, а також зменшення відхилень форми, що в комплексі покращило ефективність використання матеріалів, дозволило зменшити потребу в надлишковій постобробці та покращити експлуатаційні властивості необроблених деталей.
Наукова новизна роботи полягає у встановленні залежності нерівномірності поверхонь вирощуваних об’єктів від напружено-деформованного стану присадного дроту, зносу контактного наконечника і від динамічних процесів у ванні розплавленого металу, що комплексно впливають на процес формоутворення валиків із жароміцних сплавів при WAAM.
При цьому було вперше встановлено і доведено зв’язок зносу контактного наконечника і відхилення присадного дроту від центральної точки інструменту з утворенням нерівномірностей поверхонь деталей, виготовлених методом WAAM.
Вперше експериментально-розрахунковим шляхом встановлено залежність нелінійної зміни інтенсивності зношування контактного наконечника в процесі WAAM від напружено-деформованого стану присадного дроту, динамічна зміна якого визначає умови контактної взаємодії наконечника з дротом. Виявлено закономірність зниження інтенсивності зношування контактного наконечника зі збільшенням кривизни присадного дроту або збільшенням величини зносу контактного наконечника, що пояснюється зменшенням контактної сили при зменшенні пружної деформації. Встановлено стійкий зв’язок і визначено функціональну залежність величини зносу контактного наконечника від нормальної сили контактної взаємодії, довжини використаного дроту, його радіусу кривизни, жорсткості і твердості матеріалу. Визначено функціональний зв’язок між величиною відхилення присадного дроту від центральної точки інструменту і величиною зносу контактного наконечника. Розроблені математичні моделі описують комплексний вплив напружено-деформованого стану дроту на його відхилення і дозволяють передбачити величину відхилення в процесі вирощування.
Вперше вирішено теоретичні та прикладні задачі покращення контрольованості формоутворення валиків, які забезпечують зменшення відхилень форми бокових поверхонь при WAAM шляхом обмеження часу існування постійної ванни розплавленого металу. Це дозволило встановити раціональні режими вирощування та забезпечити зменшення відхилення форми бокових поверхонь вирощених деталей на величину до 60% і покращити стабільність вирощуваної геометрії в три рази за рахунок зменшення стандартного відхилення до 0,08 мм.
Вперше впроваджено і розраховано параметр еквівалентна ширина стінки, який обґрунтовує необхідність компенсації падіння міцності вирощеної стінки внаслідок впливу дефекту, утвореного зносом контактного наконечника, і встановлює залежність між міцністю необробленої і обробленої стінок без урахування впливу мікроструктури.
Вперше розроблено і обґрунтовано методику компенсації відхилення присадного дроту від центральної точки інструменту для WAAM на основі GMAW програмним шляхом, згідно якої координати центральної точки інструменту в кінематичній моделі робота набувають змінного характеру, який керується нейронними моделями на основі експериментальних і статистичних даних. Таким чином забезпечується постійна позиційна точність положення присадного дроту з відхиленням до ±0,2 мм за координатою X і ±0,12 мм за координатою Y.
Практичне значення одержаних результатів полягає у значному покращенні точності та повторюваності вирощуваної геометрії, що дозволяє значно підвищити ефективність використання матеріалу, скоротити час виробництва і зменшити необхідність в постобробці. Розроблені розрахунково-експериментальні моделі дозволяють прогнозувати робочий цикл контактних наконечників зварювальних пальників. Алгоритм компенсації відхилення присадного дроту від центральної точки інструменту розроблено з урахуванням можливості впровадження не тільки в адитивному виробництві, а і роботизованій чи автоматизованій відновлювальній наплавці.
