Помощь студентам в учебе
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
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
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.
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.
В ходе проделанной работы был разработан инновационный метод
обработки металлических материалов посредством математического
моделирования ВЧ – плазмы пониженного давления, а также проведены
анализ потенциальных потребителей, оценка конкурентоспособности, анализ
предполагаемых рисков и расчет экономической эффективности внедрения
метода в производство.
Исходя из полученных в практической части работы характеристик, мы
можем определить оптимальное положение образца в установке для
получения потребителем финансовой выгоды за счет экономии электрической
энергии, количества материала, а также времени, которые будут затрачены на
проведение тестовых мероприятий (экспериментов).
Описание портрета предполагаемого потребителя предоставило
возможность нахождения потенциальных потребителей разработанного
метода, а также ознакомления с их деятельностью, что, в свою очередь, служит
огромным шагом для дальнейшего продвижения идеи метода и поиска способа
его коммерциализации.
Оценка конкурентоспособности была проведена с целью подтверждения
актуальности данной темы, выявления как преимуществ, так и слабых сторон
метода и поиска способов их устранения, либо сведения к минимуму.
С помощью анализа предполагаемых рисков внедрения метода в
производство был выявлен один важных недостаток: незапатентованность
предлагаемой технологии. Но, исходя из результатов проведенного
патентного исследования, можем сделать вывод, что проблема решаема и
запатентовать метода необходимо в ближайшее время, либо может произойти
утечка информации.
Также был выполнен расчет некоторых показателей экономической
эффективности, что привело к подтверждению целесообразности дальнейшего
продвижения товара на рынок сбыта.69
В заключение хотелось бы отметить, что все поставленные
руководителем задачи были выполнены в срок и цель работы успешно
достигнута. Полученные результаты позволят создать принципиально новые
устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими их
современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих
областей техники.
обработки металлических материалов посредством математического
моделирования ВЧ – плазмы пониженного давления, а также проведены
анализ потенциальных потребителей, оценка конкурентоспособности, анализ
предполагаемых рисков и расчет экономической эффективности внедрения
метода в производство.
Исходя из полученных в практической части работы характеристик, мы
можем определить оптимальное положение образца в установке для
получения потребителем финансовой выгоды за счет экономии электрической
энергии, количества материала, а также времени, которые будут затрачены на
проведение тестовых мероприятий (экспериментов).
Описание портрета предполагаемого потребителя предоставило
возможность нахождения потенциальных потребителей разработанного
метода, а также ознакомления с их деятельностью, что, в свою очередь, служит
огромным шагом для дальнейшего продвижения идеи метода и поиска способа
его коммерциализации.
Оценка конкурентоспособности была проведена с целью подтверждения
актуальности данной темы, выявления как преимуществ, так и слабых сторон
метода и поиска способов их устранения, либо сведения к минимуму.
С помощью анализа предполагаемых рисков внедрения метода в
производство был выявлен один важных недостаток: незапатентованность
предлагаемой технологии. Но, исходя из результатов проведенного
патентного исследования, можем сделать вывод, что проблема решаема и
запатентовать метода необходимо в ближайшее время, либо может произойти
утечка информации.
Также был выполнен расчет некоторых показателей экономической
эффективности, что привело к подтверждению целесообразности дальнейшего
продвижения товара на рынок сбыта.69
В заключение хотелось бы отметить, что все поставленные
руководителем задачи были выполнены в срок и цель работы успешно
достигнута. Полученные результаты позволят создать принципиально новые
устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими их
современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих
областей техники.