В настоящее время аддитивное производство заняло свою нишу в технологиях обработки материалов. Из наиболее популярных аддитивных технологий наибольший интерес вызывает процесс прямого лазерного выращивания. Технология нашла свое место в создании крупногабаритных изделий авиапромышленности, гребных винтов и водомётных движителей, крупногабаритных кронштейнов и деталей машин, сосудов высокого давления и подобных изделий. Создание физически адекватной модели процесса поможет лучше понимать влияние технологических параметров на протекание процесса прямого лазерного выращивания, а также предоставит возможность рассчитать изменение геометрических и микроструктурных характеристик выращиваемого изделия при изменении технологических параметров. Подобные расчеты могут быть востребованы специалистами при разработке технологии изготовления выращиваемого изделия. Предлагаемый подход в построении математической модели процесса является главным отличием от ранее выполненных исследований в этом направлении. Данная работа описывает элементы математической модели процесса прямого лазерного выращивания, разработанной преимущественно на аналитических решениях, применяемых для описания сложных физических процессов. Это позволяет уменьшить количество необходимых вычислительных ресурсов, и тем самым способствует быстрому решению задач без существенной потери в точности получаемого результата. Под элементами математической модели понимаются расчетные элементы модели, описывающие такие физические процессы, как: нагрев и охлаждение мишени и газопорошковой струи, газодинамика газопорошковой струи, гидродинамика внутри ванны расплава и прочие. Сам по себе процесс прямого лазерного выращивания включает в себя множество взаимосвязанных физических процессов. В качестве метода исследования был использован метод декомпозиции на отдельные физические процессы. Инициирующим является процесс нагрева материала лазерным излучением, поэтому именно с него и начинается построение модели прямого лазерного выращивания. Результаты модели процесса теплопереноса являются входными параметрами для моделей гидродинамики, газодинамики и параметров стабильности процесса. Ключевыми параметрами модели является мощность лазерного излучения, массовый расход порошка, коэффициент использования материала, скорость перемещения рабочего инструмента и теплофизические свойства материала. Выполненные исследования и полученные результаты дают представление о динамике температурных полей и геометрии формируемых слоев в процессе прямого лазерного выращивания. Полученная математическая модель используется для первичного подбора технологических параметров режима.

Nowadays, additive manufacturing has taken its place in materials processing technologies. Of the most popular additive technologies, the process of direct laser deposition is of greatest interest. The technology has found its place in the creation of large-sized aircraft industry products, propellers and water-jet propellers, large-sized brackets and machine parts, pressure vessels and similar products. The creation of a physically adequate model of the process will help to better understand the influence of technological parameters on the course of the direct laser deposition process, and will also provide an opportunity to calculate the change in the geometric and microstructural characteristics of the deposition product when changing technological parameters. Specialists when developing a technology for manufacturing a deposition product can demand such calculations. The proposed approach to constructing a mathematical model of the process is the main difference from previous studies in this direction. This work describes the elements of a mathematical model of the direct laser deposition process, developed primarily on analytical solutions used to describe complex physical processes. This allows you to reduce the amount of required computing resources, and thereby contributes to the rapid solution of problems without a significant loss in the accuracy of the result. The elements of the mathematical model are understood as the design elements of the model describing such physical processes as: heating and cooling of the target and the gas-powder jet, the gas dynamics of the gas-powder jet, the hydrodynamics inside the molten bath, and others. The direct laser deposition process itself involves many interrelated physical processes. The method of decomposition into separate physical processes was used as a research method. The process of heating the material by laser radiation is the initiating one; therefore, it is from this that the construction of the model of direct laser deposition begins. The results of the model of the heat transfer process are the input parameters for the models of hydrodynamics, gas dynamics and process stability parameters. The key parameters of the model are the power of laser radiation, the mass flow rate of the powder, the utilization rate of the material, the speed of movement of the working tool, and the thermophysical properties of the material. The studies performed and the results obtained give an idea of the dynamics of the temperature fields and the geometry of the layers formed in the process of direct laser deposition. The obtained mathematical model is used for the primary selection of technological parameters of the mode.