doi: 10.52899/24141437_2025_01_97
УДК: 62-5

Порошковая лазерная наплавка как элемент системы машиностроения индустрии 4.0

Вознесенская А. А., Чкалов Р. В., Киреев А. В., Разносчиков А. С., Кочуев Д. А.
Язык статьи: русский
Ссылка для цитирования: Вознесенская А.А., Чкалов Р.В., Киреев А.В., Разносчиков А.С., Кочуев Д.А. Порошковая лазерная наплавка как элемент системы машиностроения индустрии 4.0 // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2025. Т. 4, № 1. С. 97–106. DOI: https://doi.org/10.52899/24141437_2025_01_97

Аннотация

В данной работе рассмотрена проблема подачи порошкового материала для систем лазерной наплавки в соответствии с требованиями цифровизации современного производства, представлен обзор существующих конструкций, их преимущества и недостатки. Целью обзора было по имеющимся литературным данным представить концепцию системы подачи порошка, повышающую общую технологичность, контроль и автоматизацию процесса наплавки. Рассмотрены основные проблемы систем подачи порошкового материала, приводящие к определенным технологическим трудностям современного производства и повышающие долю последующей механической обработки в технологическом процессе, а также пути решения проблем порошковой подачи материала в зону лазерной наплавки. Представлены ключевые аспекты, связанные с работой систем подачи порошкового материала, приводятся рекомендации для проектирования оптимальной системы подачи порошкового материала в зону лазерного воздействия, приближающей технологию порошковой наплавки к системам, соответствующим индустрии 4.0. На основе обзора предложена концепция системы подачи порошка, повышающая общую технологичность, контроль и автоматизацию процесса наплавки. Цифровизация процесса достигается за счет использования системы датчиков и снижения инерционности процесса подачи порошкового материала путем оптимизации конструкции подающего механизма и места расположения дозирующего узла в системе порошковой лазерной наплавки. Ключевые слова: аддитивные технологии; порошковый материал; система подачи порошкового материала; лазерная наплавка, градиентные материалы.

Список литературы

1. Kenett RS, Swarz RS, Zonnenshain A, editors. Systems engineering in the fourth industrial revolution: Big data, novel technologies, and modern systems engineering. John Wiley and Sons; 2019. 611 p. doi: 10.1002/9781119513957
2. Wang H, Liu W, Tang Z, et al. Review on adaptive control of laser-directed energy deposition. Opt Eng. 2020;59(7):070901. doi: 10.1117/1.OE.59.7.070901
3. Kladovasilakis N, Charalampous P, Kostavelis I, et al. Impact of metal additive manufacturing parameters on the powder bed fusion and direct energy deposition processes: A comprehensive review. Prog Addit Manuf. 2021;6:349–365. doi: 10.1007/s40964-021-00180-8
4. Ghanavati R, Lannunziata E, Norouzi E, et al. Design and development of SS316L-IN718 functionally graded materials via laser powder bed fusion. Mater Lett. 2023;349:134793. doi: 10.1016/j.matlet.2023.134793
5. Parihar RS, Setti SG, Sahu RK. Recent advances in the manufacturing processes of functionally graded materials:
a review. Sci Eng Compos Mater. 2018;25(2):309–336. doi: 10.1515/secm-2015-0395
6. Voznesenskaya AA, Raznoschikov AS, Galkin AF, et al. Distribution of laser radiation in opaque porous media. J Phys Conf Ser. 2022;2316(1):012018. doi: 10.1088/1742-6596/2316/1/012018
7. Herzog D, Seyda V, Wycisk E, Emmelmann C. Additive manufacturing of metals. Acta Materialia. 2016;117:371–392. doi: 10.1016/j.actamat.2016.07.019
8. Demir AG, Kim J, Caltanissetta F, et al. Enabling multi-material gradient structure in laser powder bed fusion. J Mater Process Technol. 2022;301:117439. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117439
9. Errico V, Posa P, Fusco A, et al. Intralayer multi-material structure stainless-steel/nickel-superalloy fabricated via laser-powder bed fusion process. Manuf Lett. 2023;35:11–15. doi: 10.1016/j.mfglet.2022.11.004
10. Chernikov AS, Voznesenskaya AA, Davydov NN, et al. Gradient materials formation by laser cladding of powder compositions. J Phys Conf Ser. 2018;1109(1):012062. doi: 10.1088/1742-6596/1109/1/012062
11. Goodarzi DM, Pekkarinen J, Salminen A. Analysis of laser cladding process parameter influence on the clad bead geometry. Weld World. 2017;61:883–891. doi: 10.1007/s40194-017-0495-0
12. Bax B, Rajput R, Kellet R, Reisacher M. Systematic evaluation of process parameter maps for laser cladding and directed energy deposition. Addit Manuf. 2018;21:487–494. doi: 10.1016/j.addma.2018.04.002
13. Janicki D. Laser cladding of Inconel 625-based composite coatings reinforced by porous chromium carbide particles. Opt Laser Technol. 2017;94:6–14. doi: 10.1016/j.optlastec.2017.03.007
14. Fu F, Zhang Y, Chang G, Dai J. Analysis on the physical mechanism of laser cladding crack and its influence factors. Optik. 2016;127(1):200–202. doi: 10.1016/j.ijleo.2015.10.043
15. Balu P, Leggett P, Hamid S, Kovacevic R. Multi-response optimization of laser-based powder deposition of multi-track single layer hastelloy C-276. Mater Manuf Process. 2013;28(2):173–182. doi: 10.1080/10426914.2012.677908
16. Bridgwater J. Mixing of powders and granular materials by mechanical means — A perspective. Particuology. 2012;10(4):397– 427. doi: 10.1016/j.partic.2012.06.002
17. Toyserkani E, Khajepour A, Corbin S. 3-D finite element modeling of laser cladding by powder injection: effects of laser
pulse shaping on the process. Opt Lasers Eng. 2004;41(6):849–867. doi: 10.1016/S0143-8166(03)00063-0
18. Arrizubieta JI, Lamikiz A, Cortina M, et al. Hardness, grainsize and porosity formation prediction on the Laser Metal Deposition of AISI 304 stainless steel. Int J Mach Tools Manuf. 2018;135:53–64. doi: 10.1016/j.ijmachtools.2018.08.004
19. Tan H, Shang W, Zhang F, et al. Process mechanisms based on powder flow spatial distribution in direct metal deposition. J Mater Process Technol. 2018;254:361–372. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.11.026
20. Arrizubieta JI, Martínez S, Lamikiz A, et al. Instantaneous powder flux regulation system for Laser Metal Deposition. J Manuf Process. 2017;29:242–251. doi: 10.1016/j.jmapro.2017.07.018
21. Jinping Q, Baoshan S, Yanhong F, Hezhi H. Dependence of solids conveying on screw axial vibration in single screw extruders. J Appl Polym Sci. 2006;102(3):2998–3007. doi: 10.1002/app.24658
22. Weerasinghe VM. Laser cladding with pneumatic powder delivery. In: Weerasinghe VM, Steen WM, editors. Applied laser tooling. Dordrecht: Springer Netherlands; 1987. P. 183–211. ьdoi: 10.1007/978-94-009-3569-3
23. Winkler G. Analysing the vibrating conveyor. Int J Mech Sci. 1978;20(9):561–570. doi: 10.1016/0020-7403(78)90014-0
24. Soshi M, Yau C, Kusama R. Development and evaluation of a dynamic powder splitting system for the directed energy deposition (DED) process. CIRP Annals. 2020;69(1):341–344. doi: 10.1016/j.cirp.2020.04.048