Инновационный метод плазменной обработки металлических материалов и его коммерциализация

Введение
1. Высокочастотная плазма пониженного давления 6
1.1 Плазмотрон 8
2.2 Индуктивно - связанная плазма 10
2. Математическое моделирование 12
2.1 Классификация моделей 15
2.2 Пакет Comsol Multiphysics 17
3. Разработка инновационного метода обработки материалов с
помощью математического моделирования низкотемпературной плазмы 20
4. Экономическая составляющая метода 43
4.1 Анализ рынка и потенциальных потребителей 45
4.2 Экономическая эффективность 54
4.3 План мероприятий по внедрению метода 59
4.4 Оценка рисков использования метода 61
4.5 Патентное исследование 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
Список литературы 70

Купить

В современном обществе люди зачастую начали задумываться о
качестве того или иного изделия, а также - насколько долго оно прослужит.
Благодаря этому, производители находят различные способы и методы
повышения физических свойств производимой ими продукции. Например,
таких как прочность, шероховатость, термостойкость и т.д.
За счет высокого уровня потребительского спроса на качественные
изделия начинает возрастать потребность в технологических установках и
процессах, которые связаны с применением низкотемпературной плазмы.
В последние время различные отрасли промышленности более широко
заинтересованы в применении плазменных процессов. А именно –
использование плазменных установок для обработки материалов. При этом к
ним зачастую предъявляют определенные, а также наиболее актуальные
требования, которые направлены как на повышение эффективности
производства, так и на постоянное усовершенствование процессов и
поддержку последних научных и технических достижений на инновационном
уровне.
Широкое практическое применение низкотемпературной плазмы в
различных технологических процессах чаще всего определяется
конфигурацией свойств как теплового носителя с достаточно высокой
концентрацией энергии.
На данном этапе развития промышленности существует большое
количество разнообразных методов обработки материалов, но каждый из них,
улучшая какое-либо свойство исследуемого материала, ухудшает несколько
других.
Используя низкотемпературную плазму, в настоящее время
человечеству предоставляется возможность решать сложные технологические
задачи такие как резка по металлу, напыление термо- и жаростойких
покрытий, наплавка необходимого слоя на поверхность, специальная4
обработка термическим способом поверхности различных строительных
материалов.
В свою очередь, для получения низкотемпературной плазмы могут
использоваться различные виды электрических разрядов: дуговой,
высокочастотный индукционный (ВЧИ), высокочастотный емкостной (ВЧЕ),
сверхвысокочастотный (СВЧ). Наиболее распространенными на сегодняшний
день являются дуговые и ВЧ-плазмотроны [1].
ВЧИ-плазмотроны зачастую в разы преобладают над дуговыми по
множеству технологических характеристик, а также в большинстве случаев
могут обеспечить те или иные необходимые параметры для качественного
проведения плазменного процесса.
На сегодняшний день высокочастотные плазмотроны плотно
используются в научно-исследовательских лабораториях, а также на
технических заводах и в строительных сферах.
С увеличением мощностей ВЧИ-плазмотронов и ростом затрачиваемых
ресурсов на получение экспериментальных данных возникает потребность в
теоретических исследованиях, созданных с помощью математического
моделирования физического процесса.
Во- первых, проводя такие исследования, разработчики могут выделять
различные наиболее важные закономерности и параметры смоделированного
процесса. Во-вторых, моделирование процесса обладает множеством
особенностей, используя которые при проведении экспериментов на
плазменных установках повышается производительность и качество
исследовательских разработок, а также появляется экономическая
эффективность различных видов энергии и ресурсов.
Моделирование физического процесса – это прежде всего визуальное
представления различных действий данной установки, а уже в ходе
преобразования каждой детали или движения происходит понимание
конкретных зависимостей.5
Для упрощения решения поставленных задач используется
современный пакет для решения любых междисциплинарных физических
задач методом конечных элементов, сокращенно - пакет Comsol Multiphysics,
который подлежит постоянной модернизации.
Моделирование физического процесса с использованием различных
материалов и дальнейший его анализ представляет из себя совокупность
действий, связанных с разработкой нового метода, используемого на
производстве различной техники.
Данная работа направлена на создание инновационной методики, с
помощью которой будут улучшены не только физические характеристики
после обработки материала, но при этом будет иметь место экономическая
эффективность электрической энергии и затрат на ресурсы при проведении
экспериментов.
Актуальность работы тесно связана с достаточно большим
потребительским спросом на мелкогабаритные изделия высокого качества,
которые используются в труднодоступных местах, а также с обработкой
нанослоев материала для изменения определенных свойств и характеристик.
Целью магистерской диссертации является разработка инновационной
методики обработки материала посредством построения математической
модели плазменного процесса, а также оценка путей его продвижения.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить ряд задач:
1. построение геометрической модели плазменной установки;
2. анализ полученных данных;
3. выявление оптимальных положения образца для получения
предприятием финансовой выгоды;
4. проведение расчетов емкости рынка, экономической
эффективности, оценки конкурентоспособности, анализов риска;
5. составление плана мероприятий по внедрению разработанного
метода с учетом спроса потенциальных покупателей.6
1. ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ПЛАЗМА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
С помощью низкотемпературной плазмы струйного высокочастотного
(ВЧ) разряда пользователям предоставляется возможность модифицировать
различные поверхности материалов. Также позволяет находить эффективные
пути решения при обработке малогабаритных изделий, некоторых прослоек и
внешних поверхностей изделий непростой конфигурации, а также
разнообразных по составу и структуре материалов.
Основное отличие плазменного напыления с использованием ВЧИ –
плазмотрона пониженного давления (13,3 – 133 Па) от напыления плазмой при
атмосферном давлении в том, что сырьевой материал, который берется за
исходный, осаждает подложку слоем из паровой фазы, а не с помощью
оплавленных частиц. Покрытия, получаемые за счет это напыления, очень
похожи на тонкие пленки, которые изготавливаются, используя вакуумную
технологию. [2]
Наиболее важное применение ВЧ-разряды пониженного давления
получили в обработке материалов за счет того, что могут придавать
поверхности изделий необходимые свойства.
Так, низкотемпературная плазма зачастую используется для очистки
плоскости стальной пластины от различных мелких частиц, влаги,
минимальной величины дефектов, а также для полировки подложек изделий,
сделанных из металла. За счет такого воздействия с поверхности можно
удалить микродефекты, размер которых от 0,1 до 1 мкм.
Обрабатывая покрытия различных конструкций и материалов
высокочастотной плазмой пониженного давления появляется возможность
повышения прочности, увеличения стойкости к коррозии, уменьшения
шероховатости поверхности изделия за счет удаления трещин и рельефного
слоя, а также можно обеспечить эффективную очистку микро- или нанослоя
материала, ликвидировав разнообразные дефекты примесей.
Как известно, если в плазму добавить какой-либо реагирующий газ, то
по поверхности материала будет возможно протекание плазмохимического.
Купить