У дисертаційній роботі узагальнено науково-прикладне уявлення про сучасні технологічні процеси електродугового адитивного виробництва (WAAM) великогабаритних функціональних виробів із високоміцних низьколегованих (HSLA) сталей типу MoNiVa. Використання технології WAAM дозволяє створювати металеві конструкції складної геометричної форми з високою швидкістю наплавлення та мінімальними матеріальними витратами, що відкриває широкі перспективи для цифрового виробництва відповідальних компонентів для важкого машинобудування, транспортної та енергетичної галузей.
Визначено основні термогідродинамічні та реологічні проблеми промислової реалізації пошарового 3D-друку із зазначених сталей. Встановлено, що підвищена кінематична в'язкість розплаву погіршує здатність металу до вільного латерального розтікання та знижує ефективність змочування. В умовах вільного просторового формоутворення це призводить до нестаціонарних коливань і просторового блукання ванни розплаву, що спричиняє утворення внутрішніх дефектів (локальних міжшарових несплавлень, макропористості), значне зростання хвилястості бічних поверхонь та стікання металу з ризиком раптового колапсу деталі. Відповідно, вирішено актуальну науково-прикладну задачу розробки методології кіберфізичного та термодинамічного керування макрогеометрією WAAM-структур для стабілізації процесу та забезпечення формоутворення, наближеного до кінцевої форми.
З використанням комплексу розрахунково-аналітичних та експериментальних досліджень визначено закономірності сумісного впливу активного захисного середовища та енергетики дугового розряду на реологію ванни розплаву. Уперше для умов WAAM багатошарових структур зі сталей типу MoNiVa формалізовано роль захисного газового середовища як активного технологічного чинника керування формоутворенням. Встановлено, що цілеспрямоване регулювання концентрації вуглекислого газу в аргоні інверсує температурний коефіцієнт поверхневого натягу, активуючи доцентрову конвекцію Марангоні та прецизійно змінюючи макрогеометрію шару. Крім того, уточнено закономірності прояву масштабного ефекту газової активності: показано, що за низького тепловкладення випереджальна кристалізація розплаву внаслідок ендотермічної дисоціації молекул CO2 обмежує конвективний перерозподіл металу, що зумовлює нелінійну деградацію площі поперечного перерізу.
Під час дослідження кіберфізичних механізмів масопереносу вперше зафіксовано та математично описано ефект, визначений у роботі як «енергетичний парадокс WAAM». Доведено, що синергетичний контур джерела живлення адаптивно реагує на контракцію дуги примусовим кінематичним дроселюванням масоподачі, через що режими з найнижчим лінійним тепловкладенням парадоксально формують найвищу питому об’ємну енергоємність.
Для подолання реологічних бар'єрів і негативного впливу тугоплавких оксидних плівок на основі молібдену і ванадію обґрунтовано механізм підвищення стабільності формоутворення шляхом застосування дискретно-імпульсного режиму CMT Cycle Step. Встановлено, що імпульсний характер масопереносу та високоенергетичні піки струму створюють потужний електродинамічний вплив, який динамічно диспергує оксидні оболонки та стабілізує макрогеометрію. Набули подальшого розвитку методи прогнозування геометрії шляхом розробки багатофакторних топологічних моделей, які довели феномен просторової стабільності дискретного масопереносу, де висота шару виступає стійкою технологічною константою, незалежною від коливань складу газу.
Для практичного використання у виробничих умовах рекомендовано раціональний технологічний режим електродугового адитивного вирощування сталей типу MoNiVa, який передбачає застосування дискретного режиму CMT Cycle Step у захисному середовищі з вмістом 5–10 % CO2 при лінійному тепловкладенні 310–330 Дж/мм. Доведено, що таке поєднання забезпечує стабільне формоутворення з коефіцієнтом корисної ширини понад 95 %, відсутністю зафіксованої макропористості у досліджених перерізах та значним скороченням припусків на подальшу механічну обробку.
На базі розроблених та валідованих прогностичних моделей створено автономний розрахунковий алгоритм у вигляді Python-модуля, призначений як технологічна основа для інтеграції у промислові CAM-системи. Практична цінність модуля полягає в автоматизованому розрахунку базових параметрів траєкторії вирощування, зокрема кроку зсуву інструменту та інкременту підйому по осі Z. Це дає змогу формалізувати вибір технологічних параметрів, мінімізувати залежність результату від суб'єктивного досвіду оператора, суттєво скоротити кількість пробних наплавлень і підвищити загальну відтворюваність процесу проєктування WAAM-структур.
