Геометричне моделювання очищення парових потоків матеріалів у вакуумі - Автореферат

Матеріали, які отримують за допомогою технології фізичного осадження з парової фази (Physical Vapor Deposition), відіграють суттєву роль в сучасній промисловості, й можна очікувати, що в майбутньому їх застосування значно розшириться. Актуальні геометричні задачі, які виникають при розгляді проблеми покращення якості шарів матеріалів, що напилюються, неперервно повязані з імітаційним дослідженням просторового розподілу багатократно відбитих променів і розрахунком опроміненості поверхонь, яка створюється цими променями, побудовою поверхонь катакаустик. Дисертаційна робота виконувалась у Національному технічному університеті України «КПІ» у відповідності з планом науково-дослідних робіт кафедри автоматизації проектування енергетичних процесів і систем, а також в рамках науково-дослідної роботи «Розробка процесу лазерно-дугового наплавлення та автоматизованої системи визначення його технологічних параметрів» (Тема № 2146-п). Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні задачі: провести аналіз геометричних методів моделювання, та виділити ті, які відповідають умовам створення моделі процесу очищення парових потоків матеріалів у вакуумі; запропонувати метод розрахунку опроміненості поверхні відбитими променями; вакуум промінь тривимірний в контексті розробки програмної системи імітаційного моделювання та візуалізації очищення парових потоків матеріалів здійснити реалізацію запропонованих методів, з умовою роботи в режимі реального часу процесу;Процес горіння дуги супроводжується викидом рідких крапель (стан яких у процесі польоту переходить у твердий) або твердих часток, що потрапляють з парою на деталь та формують шорсткувату поверхню, погіршуючи гомогенність шару покриття (рис.2). В другому розділі розглянуто методи формоутворення робочих відбиваючих поверхонь електронно-іонного обладнання та методи розрахунку багатократного відбиття променів від поверхонь, які апроксимовані трикутними відсіками площин та задані у неявній і векторно-параметричній формі. Для моделювання очищення потоку плазми від макрочасток поверхню фільтру задано у вигляді каналової поверхні (рис.6): ,(2) де - радіус-вектор, який задає точки твірного кола; , - матриця переміщення вздовж осі на величину та відповідно; - матриця повороту навколо осі на кут ; - матриця повороту навколо осі на кут , помножений на коефіцієнт . Задамо осьову лінію поверхні фільтра плазми відкритого типу у параметричному вигляді: ,де - матриця повороту навколо осі ; , - пара кутів, яка задає точку на кривій; та - геометричні характеристики фільтру (див. рис.10).(4) Розроблена теоретична база дослідження диференціалів відображень надала можливість знаходження аналітичного запису опроміненості поверхні , яка створюється відбитими променями: (11) де - повний потік, який йде від джерела; , - параметр, який відповідає точці перетину променя з поверхнею та зі сферою одиничного радіусу поверхні хвилі точкового джерела променів; , - вектор нормалі у точці та відповідно.Значення для практики полягає в розробці методів розрахунку ступеню очистки парового потоку і розрахунку товщини осаджуємого покриття. Показано, що проведення полігонізації поверхні є необхідним кроком для швидкого розрахунку точок перетину променя і поверхні, та її візуалізації. Удосконалено спосіб формоутворення апроксимаційної трубчастої поверхні на основі нової функції радіального базису та розроблено алгоритм розрахунку точок перетину променя з ізоповерхнею. Показано, що завдання апроксимаційної трубчастої поверхні за допомогою функції радіального базису є набагато компактнішим (на кілька порядків), порівняно з апроксимацією трикутниками, в той час, як контрольована точність апроксимації дозволяє набагато швидше розраховувати точки перетину променя і поверхні (на кілька порядків). Зясовано, що функція складності операції пошуку точки перетину променя та моделі при використанні октального дерева є нелінійною та має локальний мінімум, одночасно з цим, відносний розмір структури даних дерева демонструє степеневу залежність від висоти дерева.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації вирішена науково-прикладна проблема геометричного моделювання процесу очищення парових потоків матеріалів у вакуумному обладнанні. У рамках розроблених моделей запропоновані нові методи розрахунку просторового розподілу багатократно відбитих променів.

Значення для науки полягає в розробці моделей поведінки однократно та багатократно відбитих променів та методів утворення фотореалістичних зображень поверхонь геометричних моделей.

Значення для практики полягає в розробці методів розрахунку ступеню очистки парового потоку і розрахунку товщини осаджуємого покриття.

При вирішенні поставлених задач отримані наступні теоретичні і практичні результати: Проведено формалізацію способів побудови робочих поверхонь електронно-іонного обладнання. Зясовано, що існуючі конструкції рефлекторів можуть бути формоутворенні за допомогою кінематичного способу. Показано, що проведення полігонізації поверхні є необхідним кроком для швидкого розрахунку точок перетину променя і поверхні, та її візуалізації.

Удосконалено спосіб формоутворення апроксимаційної трубчастої поверхні на основі нової функції радіального базису та розроблено алгоритм розрахунку точок перетину променя з ізоповерхнею. Показано, що завдання апроксимаційної трубчастої поверхні за допомогою функції радіального базису є набагато компактнішим (на кілька порядків), порівняно з апроксимацією трикутниками, в той час, як контрольована точність апроксимації дозволяє набагато швидше розраховувати точки перетину променя і поверхні (на кілька порядків).

Створено алгоритмічну основу розрахунку багатократного відбиття променів від поверхонь апроксимованих трикутними відсіками площин, та заданих у неявній і векторно-параметричній формі. Встановлено, що для складних рефлекторів точка перетину променя з поверхнею може бути знайдена лише за допомогою ітераційних методів.

Визначено залежності показників октального дерева від кількості трикутників у складі моделі робочої поверхні обладнання та висоти дерева. Показано, що залежність часу, необхідного для побудови дерева, від висоти дерева є лінійною функцією, яка не залежить від кількості трикутників у моделі.

Зясовано, що функція складності операції пошуку точки перетину променя та моделі при використанні октального дерева є нелінійною та має локальний мінімум, одночасно з цим, відносний розмір структури даних дерева демонструє степеневу залежність від висоти дерева.

Отримано рівняння сімї поверхонь однакової опроміненості. В результаті дослідження рівняння показано, що кожна з поверхонь однакової концентрації енергії складається з двох порожнин, які можуть вироджуватись в одну.

Встановлено, що поверхня однакової концентрації енергії, яка відповідає параметру , є поверхнею катакаустики з точністю до лінійного приросту відображення, яке породжує поверхня рефлектору.

Отримано рівняння опроміненості, яка створюється у точці простору променями точкового джерела та джерела у невласній точці, однократно відбитими поверхнею рефлектора.

Розвязано задачу розрахунку товщини осаджуємого покриття. Показано, що товщина конденсату в точці поверхні дорівнює добутку опроміненості і тривалості перебігу процесу.

Розроблено методику імітаційного геометричного дослідження просторового розподілу багатократно відбитих променів за допомогою сферичних та гіперсферичних карт відбиття, яка не залежить від складності поверхні рефлектора. Показано, що читабельність карт значно підвищується при перетворенні карт на площину.

Встановлено, що динаміку поведінки джерела макрочасток на поверхні катода можна описати за допомогою фрактального кластеру. Розроблено метод моделювання фрактальних агрегатів, розмірність яких збігається з розмірністю процесу.

Розраховано ступінь очищення плазми для чотирьох модифікацій фільтрів відкритого типу з фрактальною моделлю джерела макрочасток. Показано, що зменшення сумарного кута вигину S-подібного каналу з колом у перерізі витка від значення 180о до 150о суттєво не відображається на фільтрувальних характеристиках плазмоводу (0.1%), але дає змогу підвищити ефективність транспортування потоку за рахунок зменшення довжини каналу.

За допомогою гіперсферичних карт багатократного відбиття зясовано, що ступінь очищення плазмового потоку при використанні S-подібного плазмоводу є більшою у порівнянні з плазмоводом у вигляді чверті тора - 99.2% проти 99.85% (для соленоїдів з колом у перерізі витків) та 96% проти 99.5% (для соленоїдів з прямокутником у перерізі).

Встановлено, що залежність ступеня забрудненості плазми від довжини S-подібного криволінійного фільтру відповідає кривій Больцмана.

Проведено програмну реалізацію запропонованих методів та алгоритмів, що утворило фундамент цілісної системи імітаційного моделювання та візуалізації очищення парових потоків матеріалів у вакуумі.

Розроблено методи візуалізації поверхонь з урахуванням відбиття променів навколишнього середовища та із застосуванням постобробки зображення тривимірної сцени, які стали невідємним елементом фотореалістичності робочих поверхонь устаткування.

Розроблено методику оптимізації процесу візуалізації парових потоків матеріалів, яка надала змогу створення програмного забезпечення, яке працює в режимі реального часу процесу.

Результати досліджень впроваджено у Науково-технічному комплексі «Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона» Національної академії наук України при розробці удосконаленої методики нанесення покриттів конденсацією з парової фази з використанням метода електронно-променевого випаровування матеріалів та в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича при розробці вакуумно-дугового нанесення якісних жаростійких покриттів із сплавів системи COCRALY на підкладки з жароміцних нікелевих суперсплавів.

1. Демчишин А. А. Особливості формування зображень геометричних обєктів з накладанням текстур / Н. М. Аушева, А. А. Демчишин // Прикладна геометрія та інженерна графіка. Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2004. - Вип. 4, т. 28. - С. 74-78.

Особистий внесок здобувача: здобувач розробив спосіб динамічного накладання текстур навколишнього середовища із застосуванням проміжних поверхонь.

2. Демчишин А. А. Постпроцесінг ділянки зображення тривимірної сцени / Н. М. Аушева, А. А. Демчишин // Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 2 (43). - С. 14-19.

Особистий внесок здобувача: здобувач розробив теоретичну та алгоритмічну базу способу фотореалістичної візуалізації фізичних процесів за допомогою обробки ділянки зображення тривимірної сцени.

3. Демчишин А. А. Вплив геометричних параметрів фільтра на ступінь очищення плазмового потоку / Н. М. Аушева, А. А. Демчишин // Геометричне та компютерне моделювання. - Х. : Харківський державний університет харчування та торгівлі, 2007. - Вип. 17. - С. 193-198.

Особистий внесок здобувача: здобувач дослідив вплив геометричних параметрів криволінійного фільтра відкритого типу на ступінь очищення плазмового потоку від макрочасток.

4. Демчишин А. А. Побудова карт багатократного відбиття макрочасток / Н. М. Аушева, А. А. Демчишин // Міжвузівський збірник „Наукові нотатки”. - Луцьк : ЛДТУ, 2008. - Вип. 22, ч. 2. - С. 19-24.

Особистий внесок здобувача: здобувач запропонував спосіб кількісної оцінки відбивальних властивостей фільтру плазми, яка дає змогу робити висновок про напрямок розповсюдження та густину потоку макрочасток.

5. Демчишин А. А. Побудова поверхонь однакової концентрації енергії / А. А. Демчишин // Міжвідомчий науково-технічний збірник «Прикладна геометрія та інженерна графіка». - К. : КНУБА, 2008. - Вип. 80. - С. 332-338.

6. Демчишин А. А. Побудова тривимірних карт багатократного відбиття макрочасток / А. А. Демчишин // Прикладна геометрія та інженерна графіка. Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. -Мелітополь : ТДАТУ, 2009. - Вип. 4, т. 42. - С. 119-125.

7. Демчишин А. А. Геометричне моделювання процесу очищення плазми за допомогою поверхні у неявній формі / Н. М. Аушева, А. А. Демчишин // Геометричне та компютерне моделювання. - Х. : Харківський державний університет харчування та торгівлі, 2009. - Вип. 24. - С. 104-109.

Особистий внесок здобувача: здобувач запропонував нову функцію поля та спосіб побудови поверхні фільтра плазми у неявній формі; розробив алгоритм пошуку точок перетину променя з ізоповерхнею.

8. Демчишин А. А. Застосування диференціалу площі відбиваючої поверхні для розрахунку товщини осаджуємих покриттів / Н.М. Аушева, А.А. Демчишин // Прикладна геометрія та інженерна графіка : [міжвідомча наук.-техн. збірка / відповід. ред. Михайленко В. Є.]. - К. : КДТУБА, 2010. - Вип. 83. - С. 98-102.

Особистий внесок здобувача: здобувач знайшов параметричне рівняння опроміненості, яка створюється відбитими променями на поверхні деталі довільної форми.

9. Демчишин А. А. Оптимизация рендеринга трехмерных сцен / Н. Н. Аушева, А. А. Демчишин // Известия Белорусской инженерной академии. - 2005. - № 1 (19)/1. - С. 247-250.

Особистий внесок здобувача: здобувач напрацював методику оптимізації швидкості етапів візуалізації сцени.

10. Demchyshyn A. Fractal Modeling of Vacuum Arc Cathode Spots / N. Ausheva, A. Demchyshyn // Visualization and Computer Vision 2007 (WSCG’2007): the 15th International Conference in central Europe on Computer Graphics : Short Communications Proceedings. - Plzen (Czech Republic), 2007. - P. 111-116.

Особистий внесок здобувача: здобувач розробив фрактальну модель поведінки катодних плям та провів експериментальні дослідження.

11. Демчишин А. А. Характеристики цилиндрического магнетрона и реактивное напыление в нем пленок бинарных соединений / [Гончаров А. А., Демчишин А. В., Демчишин А. А. и др.] // Журнал технической физики. - СПБ. : - 2007. - Т. 77, вып. 8. - С. 114-119.

Особистий внесок здобувача: здобувач отримав графіки залежності товщини напилених плівок від коефіцієнту заломлення покриття.

12. Demchishin A. Characteristics of a Cylindrical Magnetron and Reactive Sputtering of Binary Compound Films / [Goncharov A. A., Demchishin A. V., Demchishin A. A., and others]. Technical Physics. - Moscow, 2007. - Vol. 52, No. 8. - P. 1073-1078.

Особистий внесок здобувача: здобувач отримав графіки залежності товщини напилених плівок від коефіцієнту заломлення покриття.