CC BY
2
УДК 539.21:621.785 НАБЛЮДЕНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ
ИЗДЕЛИЙ SLM ТЕХНОЛОГИИ Чуканов Александр Николаевич1\ д.т.н., вед. научн. сотр. (e-mail: [email protected]) Цой Евгений Владимирович1, аспирант (e-mail: [email protected]) Яковенко Александра Александровна2, к.т.н., технолог (e-mail: [email protected]) Матвеева Анна Владимировна3), учитель физики (e-mail: [email protected]) 1 Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого университет, Тула, Россия 2) ООО «Металлург-Туламаш», Тула, Россия 3)ЧОУЛицей при ТГПУ им. Л.Н. Толстого, Тула, Россия
В данной статье описана методика получения и обработки цифровых данных видеофиксации (машинное зрение - DIC) результатов процесса деформации образцов порошковых нержавеющих сталей, изготовленных по аддитивной технологии SLM. Анализируютсмя проблемы, оказывающие влияние на достоверность наблюдения наличия и количественных характеристик волновых спектров локальной пластической деформации.
Ключевые слова: порошковые сплавы, система Cr-Ni-Mo, SLM-технология, растяжение, машинное зрение, оптическое изображение, АЦП, локальные деформации, волновой спектр.
Введение. Неоднородность анизотропной структуры изделий прокатных технологий создаёт в них в условиях нагружения подвижные микрообъёмы локализованной пластичности. Эти медленные автоволновые процессы приводят к фрагментации изделий и разрушению [1,2].
Авторы данной работы совершенствуют методику фиксации волнового характера локализованной пластической деформации (ЛПД) в анизотропных материалах аддитивных технологий (АТ). [3-6]. Цель данной работы -разработка технологии цифровой видеофиксации и оценка достоверности получения с её помощью информации о волновых спектрах деформации в образцах АТ. Материал и методики исследования. Исследовали образцы порошковой нержавеющей стали марки 03Х18Н12М2 (аналог AISI 316L) изготовленные по SLM-технологии в двух направлениях сканирования относительно платформы 3d-принтера SLM280 2.0HL. На поверхность образцов предварительно наносили разметочную лазерную сетку (1х1мм). Образцы подвергали растяжению (ГОСТ 1497-84, тип I) на воздухе при комнатной температуре с постоянной скоростью захватов. Для наблюдения и фиксации проявлений ЛПД в образцах АТ анализировали использование технологии машинного зрения (МЗ). Процесс испытания фиксировали
двумя путями. 1. Используя оборудование и ПО на базе DIC (digital image correlation)-технологии МЗ компаний Correlated Solutions, Inc. (USA) - Vic-3D EDU. 2. Используя видеозапись в режиме 4k, на цифровую фотокамеру Canon EOS 250D (с объективами Canon EF-S18-55 mm, f/4-5,6 IS STM и Canon Ultrasonic EF 28-105 mm, 1:3,5-4,5 II USM) с сохранением в формате .mov. Полученную в 2) видеоинформацию оператор обрабатывал в графических редакторах Photo Shop и «Компас-3d». В обоих случаях решали задачу измерения длин элементов сетки 1'(мм) и их изменение (относительной деформации-5) с шагом в 10 сек [5,6].
0,45
'160CE-KVHÜ
170секуцц
-D,05
20
40
60
во 100 I, ММ
а б
Рисунок 1 - Распределение локализованных деформаций по длине образца; система Vic 3d EDU (а) и обработка оператором (б)
Использованный в работе метод корреляции цифровых изображений DIC основан на цифровой видеосъемке процесса деформации объекта, модели или образца во время испытания, и компьютерной обработке с корреляционным анализом полученных изображений. Аппаратная часть DIC - это камеры технического зрения (смарт-камеры), с оборудованием, обеспечивающим съемку и передачу кадра. Программная часть - алгоритмы на базе классических математических преобразований и/или нейронных сетей. При съёмке использовали: мультиволновой светодиодный источник света. Оптический датчик синхронизации ¿71145 с платформой Arduino и микропроцессором STM32 (фиксация объекта в месте съемки, энкодер или сигнал с ПЛК). Камера МЗ с совместимым объективом, выдавала кадр заданных параметров (цвет, битность, разрешение, размер) с нужной скоростью. ПК c установленным ПО применяли для приёма, обработки изображения с камеры и передачи полученных данных на исполнительные элементы или в базу данных. Метод позволял отслеживать перемещение поверхности образца во время испытаний на растяжение, сжатие, изгиб. Vic-3D EDU измеряет поля деформаций и напряжений, форму поверхности (в трехмерных системах DIC). Изображение образца автоматически делится на сектора и анализируется перемещение рисунка поверхности (естественного или нанесенной разметки). Максимум корреляции соответствует перемещению поверхности и даёт длину и направление вектора для каждого элементарного окна. Результаты экспериментов и их
анализ. На основе видеофиксации процесса растяжения образца получали графики зависимостей деформации участков его поверхности. Анализировали результаты, полученные в автоматическом режиме средствами ПО У1с-3Б ЕБП (рис.1 а), и полученные оператором по алгоритму, разработанному авторами [4], зависимости локальной относительной деформации 5 (5=(/к-/0)//0) элементов разметочной сетки за время испытаний (0 - 190 сек) (рис. 1б). В ходе анализа выявили существенные недостатки комплекса У1с-3Б ЕБП, ограничивающие фиксацию и анализ ЛПД. Малое разрешение камер (2,3 Мпик), не позволило провести тонких измерений локальных деформаций образца. На полученных в У1с-3й-ЕВи зависимостях локальных деформаций не регистрируется волновой характер ЛПД. Это, по-видимому, связано с низкой точностью (анализа спекл-структуры) и усреднением экспериментальных и расчётных данных.
Обработка оператором с применением фотограмметрии [7] массивов экспериментальных данных позволила обнаружить ступенчатый периодический характер увеличения высоты максимумов ЛПД в течении времени нагружения образца (рис. 2а).
а) б)
Рисунок 2 - Зависимости локальной относительной деформации 5 (а) и удлинений А/ (б) участков Т образца от времени испытания
На зависимостях 5=//) и 5=/(^), фиксировали волновые спектры, развивающиеся в течении нагружения, а также многостадийное движение их отдельных максимумов (рис. 1 б,2а).
Оценка значимости результатов. Для подтверждения достоверности фиксации волновых спектров ЛПД зависимости, полученные оператором: (5=/(Д), (5=/(^), (d5/df)=f(/i), (d5/dt)=f(ti), и их количественные характеристики подвергли дополнительному анализу с целью учёта возможной погрешности, связанной с аналогово-цифровым преобразованием (АЦП) проецируемого оптического изображения. Посредством матрицы фотокамеры оно трансформируется в видеоизображение (аналоговый электрический сигнал или поток цифровых данных), подвергаемое дальнейшему количественному анализу оператором в графических редакторах. Характеристики светочувствительной матрицы и объектива позволили получить изображение с
разрешением 1920 пикселей по ширине и 1080 пикселей по высоте (120 точек на дюйм). Для получения информации о цвете объекта матрицу фотосенсоров накрывают матрицей светофильтров (мозаичный узора Байера), каждый из которых пропускает красный, зеленый или синий свет (RGB) и задерживает остальные. Восстановление полного цветного изображения (цвета каждого пикселя) добиваются интерполяцией микропроцессором фотокамеры. Она происходит на этапе, дематризации или масштабирования и заключается в получении ожидаемых значений в неизвестных точках изображения на основе уже имеющихся данных. Эта особенность АЦП в совокупности с изменением разрешения полученного графического материала после его представления для обработки в специализированном ПО является причиной погрешности измерения элементов изображения. Размерность объекта (элемента цифрового изображения) при представлении в графическом ПО получается меньше, чем в реальности. Так, при длине элемента разметочной сетки на поверхности образца в 2 мм, на изображении в графическом редакторе его длина будет соответствовать ~ 1,3 мм, т.е. порядка ~65% от исходного размера.
При обработке отдельных изображений видеоряда авторы разработали алгоритм установления положения границ линии разметки. Цвет пикселов, составлявших край линии, был неоднороден. Размер пиксела был равен 0,169652 мм (рис. 3). Максимальное число пикселов были условно белые (светлые), а часть других были более тёмными. За границу линии принимали край протяжённого блока светлых пикселов. Ширина полосы разметки составляла, как правило, 7-9 пикселов, т.е. ~1,3.. .1,52 мм (рис.4).
Рисунок 3 - Изображение размеченного образца: общее (а); увеличенное (б); с пикселами (в)
АЦП, а также дискретизация обрабатываемого затем графического материала (150 точек на дюйм) создавали погрешность измерения Ali порядка ~ 0,09 мм (что составляет ~ 6,9 % от размера элемента сетки li в пересчете на размерность программного обеспечения.
Рисунок 4 - Результаты измерения пиксела в линии разметки
Эту погрешность, считая её вычислительной и неустранимой, вычитали из высоты максимумов волновых спектров на зависимостях (ö=/(/i).
Выводы. 1. Разработана методика фиксации в нагруженных 3d образцах АТ волновых спектров локализованной деформации. 2. Выявлены основные этапы и проведена оценка накопления величины погрешности при расчёте ЛПД. 3. Подтверждено наличие в структуре нагруженных образцов АТ формирования и перемещения локальных микрообъёмов повышенной пластичности (очагов локализованной деформации), создающих характерный волновой спектр.
Благодарности. Представленные в данной статье исследования выполнены на средства гранта администрации Тульской области 2022 г.: «Исследование механизма волнового характера деформации и его связи с ор-тотропией физико-механических свойств изделий селективного лазерного сплавления» (договор ДС/126).
Список литературы
1. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск, Наука, Сиб. отд-ние. 1990. 255 с.
2. Зуев Л.Б., Данилов В.И. Медленные автоволновые процессы при деформации твёрдых тел // Физическая мезомеханика.- 2003.- т.6.-3 1.- С. 75-94.
3. Чуканов А.Н. Анизотропия физико-механических свойств при послойном лазерном синтезе // «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», посвящ. 150-ю акад. А. А. Байкова: Сб. на-учн. статей МНПК. (18.09.2020 г); Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2020. - 271 с. - С. 244-247.
4. Чуканов А.Н., Терёшин В. А., Цой Е.В., Матвеева А.В. Машинное зрение в анализе волновых спектров деформации аддитивных изделий SLM-технологии//«Перспективные материалы науки, технологий и производства», МНПК (24.05. 2022 года); Сб. научн. статей Юго-Зап. гос. ун-т. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2022. - 377 с.- С. 325-329.
5. Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В., Матвеева А.В. Волновой характер деформации при растяжении изделий послойного лазерного синтеза // 7 ВНТК с межд. уч. «Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении (МТО-62)» (10-11.02. 2022 г.): Сб. научн. статей., Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2022. С. 206-210.
6. Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В., Матвеева А.В. Структура волнового спектра пластической деформации изделий SLM-технологии//XVII МНПК «Современные
инструментальные системы, информационные технологии и инновации».- Сб. научн. тр. (17-18.03.2022 г.).- Юго-Зап. гос. ун-т, Курск: ЮЗГУ, 2022. - 386 с. - С. 369-372.
7. Чуканов А.Н., Цой Е.В., Яковенко А.А., Малий Д.В., Гончаров С.С. Фотограмметрия в фиксации и анализе локализованной деформации 3d образцов//4 МНПК «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», посвященная памяти академика А.А. Байкова (СМП-04)».- Сб. научн. тр. (15.09.2023 г.).- Юго-Зап. гос. ун-т, Курск: ЮЗГУ, 2023.
Chukanov Alexander Nikolaevich, Doctor of Technical Sciences, leading researcher L.N. Tolstoy Tula State Pedagogical University, Tula, Russia
Tsoi Evgeny Vladimirovich, post-graduate student, L.N. Tolstoy Tula State Pedagogical University, Tula, Russia
Yakovenko Alexandra Aleksandrovna, Candidate of Technical Sciences, process engineer. LLC "Metallurgtulamash", Tula, Russian Federation.
Matveeva Anna Vladimirovna, physics teacher, Private educational institution Lyceum at L.N. Tolstoy Tula State Pedagogical University, Tula, Russia OBSERVATION OF WAVE PROCESSES DURING DEFORMATION OF SLM TECHNOLOGY PRODUCTS
Abstract. This article describes a technique for obtaining and processing digital video recording data (machine vision - DIC) of the results of the deformation process of samples of powder stainless steels manufactured using additive SLM technology. The problems that have arisen that affect the reliability of the observation of the presence and quantitative characteristics of the wave spectra of local plastic deformation are identified.
Keywords: powder alloys, Cr-Ni-Mo system, SLM technology, stretching, machine vision, optical image, ADC, local deformations, wave spectrum.
