Производственные инновации для профессионалов

Аддитивные технологии для композитных материалов

3D-печать, как известно, относится к аддитивным технологиям, к коим изначально, ещё задолго до 3D, относилось и производство композитов. Компания «Анизопринт» разработала технологию 3D-печати композитом, которая совмещает две эти сферы, но и одновременно абсолютно новая для них обеих.

Прежде всего стоит поговорить об углепластике — короле композитов. Однонаправленный углепластик в несколько раз прочнее и легче алюминия, гораздо легче стали при схожих прочностных характеристиках. В своё время он был очень популярен в производстве высоконагруженных ответственных конструкций — ракетах и самолётах. Особенность в том, что его высокая прочность лежит вдоль волокон, вдоль направления армирования. В поперечных направлениях свойства гораздо ниже. Почему-то это посчитали недостатком и начали исправлять. Слои однонаправленного углепластика стали укладывать друг на друга под разными углами, чтобы получить так называемый квазиизотропный ламинат, который инженеры, работающие в этой области, любят называть «черным алюминием».

По свойствам он как листовой алюминий, используется примерно в таких же конструкциях: фюзеляж самолёта, крыло, корпус ракеты. После того, как свойства углепластика «размазались» в разные стороны, его прочность стала примерно в 10 раз меньше, то есть приблизилась к обычному алюминию. Таким образом, все преимущества однонаправленного углепластика были потеряны, но при этом появилось много проблем, связанных с технологией, ударной прочностью, особенностями разрушения, соединениями таких узлов между собой. Из-за этого в последнем поколении гражданских самолётов было 50–60% композитов, а в следующем ожидается ещё в два раза меньше. У «Боинга» была программа Dreamliner, которая как раз по этой причине стала провальной. Углепластик пытались «исправить» и сделать «всенаправленным», но ничего не получалось.

Новый подход

Мы увидели в однонаправленности композита не недостаток, а преимущество. Из композитов очень эффективно делать сетчатые конструкции.

На рис. 1 изображён адаптер полезной нагрузки ракеты-носителя «Протон-М», который сделан из углепластика, но не из чёрного алюминия, а в виде сетчатой конструкции с рёбрами определённого направления и определённой плотности.

Рис. 1. Адаптер полезной нагрузки ракеты-носителя «Протон-М»

Рис. 1. Адаптер полезной нагрузки ракеты-носителя «Протон-М»

Рис. 2. Аналог из сэндвича углепластика

Рис. 2. Аналог из сэндвича углепластика

Рис. 3. Аналог алюминия

Рис. 3. Аналог алюминия

Деталь весит около 50 килограммов и выдерживает нагрузку 200 тонн. Аналогичная деталь, сделанная из сэндвича углепластика, весит на 30 процентов больше и выдерживает меньшую нагрузку (рис. 2). Алюминиевые демонстрируют ещё меньшие показатели (рис. 3).

В сетчатой конструкции композит работает только вдоль волокон. У него нет возможности работать поперёк, поэтому все его анизотропные свойства используются наиболее эффективно.

Управляемая укладка волокон

Есть ещё одно интересное направление помимо сетчатых конструкций, называемое fiber steering — управляемая укладка волокон. Волокна укладываются не под фиксированными углами прямолинейно, а по криволинейным траекториям таким образом, чтобы направления волокон в каждой точке соответствовали направлениям векторов главных напряжений в детали.

Рассмотрим панель фюзеляжа самолёта с досмотровым отверстием, изготовленную методом автоматизированной выкладки по криволинейным траекториям. Сейчас этот метод иногда тоже называют 3D-печатью, хотя этой технологии несколько десятков лет и она давно и активно используется для изготовления деталей из композитов.

Рис. 4. Траектории укладки волокон по слоям

Рис. 4. Траектории укладки волокон по слоям

Рис. 5. Результаты испытаний панели фюзеляжа самолета с разными способами укладки волокон

Рис. 5. Результаты испытаний панели фюзеляжа самолёта с разными способами укладки волокон

Были проведены сравнительные испытания таких деталей из чёрного алюминия (рис. 5). Файбер-стиринговая панель при том же весе и характере нагрузок выдерживает на 30 процентов большую нагрузку на сжатие (105 тонн). При этом наблюдается совершенно другой характер разрушения.

Одна из наших основных идей заключалась в том, чтобы дать возможность инженерам-конструкторам изготавливать, производить и проектировать действительно эффективные конструкции из композитов. Уходить от чёрного алюминия и делать так, чтобы анизотропия материала из недостатка, как многие считали, стала главным преимуществом. Мы хотели делать композиты, в которых можно произвольно управлять направлением анизотропии и степенью анизотропии в каждой точке материала.

Зная, как работает деталь, зная условия нагружения, расчётные случаи, внутренние усилия и напряжение, можно было бы в каждой точке фокусировать свойства материала именно в том направлении, в котором это нужно. Таким образом, получается целое дополнительное пространство для оптимизации. Мы можем оптимизировать не только форму деталей, но и их внутреннюю структуру.

К сожалению, традиционные автоматизированные технологии изготовления деталей из композитов не позволяют укладывать волокна произвольно в каждой точке. Тогда мы обратились к 3D-печати.

Композиты в мире 3D-печати

Когда мы говорим, что печатаем углепластиком, слышим, что все им печатают. Но обычно это пластик, наполненный рублеными волокнами, по сути — обычный пластик с наполнителем — изотропный материал, в котором мы никаким направлением этих волокон не управляем. Никаких свойств, даже близко приближающихся к свойствам настоящих композитов, там нет. Материал получается в два-три раза более жёстким, чем обычный пластик, иногда он может быть чуть прочнее, но ничего нового с точки зрения проектирования и технологии в целом этот подход не дает. Это обычный FDM или, как в этом случае, SLS, когда мы в полиамидный порошок добавляем мелко рубленное волокно.

Непрерывные волокна: намотка и выкладка препрега

Кроме рубленых волокон есть интересный вариант с волокнами длинными, например — технологии ламинирования.

Берутся листы заранее пропитанной термопластом углеродной ткани, так называемые «препреги». В одной зоне этот лист раскраивается по контуру слоя, возможно ультразвуком, потом в другой зоне он прикатывается, ламинируется, таким образом формируется слой. Получается чистой воды чёрный алюминий, только изготовленный на специальной машине. То есть это такой квазиизотропный материал, в котором есть все недостатки чёрного алюминия, такие как разрыв волокон и, как следствие, концентрация напряжений и краевые эффекты, которые приводят к тому, что очень слабыми местами становятся отверстия и места соединений.

Следующий шаг, чуть ближе к тому, что мы начали делать, — это экструзия термопласта с непрерывным волокном. По сути, это FDM-технология, только в процессе печати в сопло непрерывно добавляется армирующее волокно. Довольно много научных групп во всем мире занимается подобными вещами.

Здесь проблема в том, что конструкционные волокна не являются мононитью, они состоят из сотен или тысяч микронных нитей, и если мы просто добавляем это волокно в расплав вязкого пластика, он не попадает внутрь, не пропитывает волокно и не формирует композит. А в композите должно быть армирующее волокно и связующее вещество, которое соединяет все компоненты между собой, заставляя их работать вместе. В данном случае этого не происходит. Поэтому хотя прочность на растяжение может быть достаточно большой, на сжатие никаких особых характеристик в таких материалах нет. Если смотреть на микроскопию, внутри очень много пор между волокнами.

Второй подход, чуть более удачный, так называемая «выкладка препрега» — это когда мы берем то же самое волокно, например, углеродное или стеклянное, и заранее, на специальной установке, пропитываем его вязким пластиком под большим давлением либо вымачиваем в растворе и потом выпариваем и протягиваем через фильеру. То есть мы пытаемся заранее поместить этот вязкий пластик внутрь волокна. На выходе получаем пропитанную нить, которая традиционно в композитной отрасли называется препрегом. Это полуфабрикат для изготовления композита. И дальше мы этот «препрег» через сопло разогреваем и экструзией или выкладкой формируем деталь.

Наверное, самый известный пример в мире 3D-печати непрерывным волокном (выкладки препегов) — это довольно давно предлагаемые системы американской компании Markforged. В этих системах тоже присутствует заранее пропитанное нейлоном углеродное волокно и сопло, в котором оно разогревается и которым выкладывается. Кроме того, есть еще дополнительное сопло для печати просто пластиком. У принтеров Markforged достаточно хорошие характеристики. Прочность уже свыше 700 мегапаскалей. Есть выбор типов армирующих волокон. Но, судя по множеству исследований микроструктуры этих материалов, там содержится очень большое количество пор. Возможно, это объясняется недостаточной пропиткой или свойством нейлона набирать воду и вскипать при печати.

Технология коэкструзии (composite fiber co-extrusion — CFC)

В отличие от описанных методов, в технологии «Анизопринт» мы заранее пропитываем волокно, но не термопластом, а реактопластом, что позволяет обеспечивать более качественную, более дешёвую, более надёжную пропитку. Этот процесс называется коэкструзией.
Так как такое волокно уже расплавить нельзя, в процессе печати мы к нему добавляем отдельно пластик. И на выходе получается двухматричный композит, в котором внутри волокна у нас есть нерасплавляемый реактопласт, который обеспечивает пропитку волокна, а между волокнами — термопласт, который их связывает.

В нашем случае пластик может быть любым. Если нужен негорючий пластик, или цветной, или пластик со стойкостью к определённым химическим или температурным воздействиям или окружающей среде, — вы можете выбрать тот, который вам подходит. Все основные поверхностные свойства материала определяются именно связующим — матрицей.

За счёт того, что волокно и пластик подаётся раздельно в один экструдер, можно в каждой точке локально менять объёмную долю волокна и пластика. Мы можем подавать меньше пластика — тогда у нас увеличивается объёмная доля волокна, можем подавать больше пластика — тогда она уменьшается. Можно подобрать оптимальные для предполагаемых нагрузок значения, не тратя больше материала, чем нужно, и не повышая вес детали.

Мы можем управлять степенью анизотропии и, что более важно, печатать сетчатые конструкции с пересечениями волокон внутри одного слоя. То есть можно укладывать армирующие волокна друг на друга, под любыми нужными углами, в пределах каждого слоя индивидуально. При этом у нас не растёт толщина слоя в месте пересечения, у нас изменяется только объёмная доля волокон в этом самом месте.

Благодаря такой технологии мы получаем материал в десятки раз прочнее пластика, прочнее и легче металлических аналогов с такими же свойствами. Важный для многих компаний и будущего технологии момент: помимо выдающихся свойств материала конечные детали получаются ещё и более дешёвыми, чем их аналоги из других материалов. Внедрение технологии «Анизопринт» позволяет существенно сократить издержки производства, при этом получая не менее (а часто и более) эффективную замену во множестве сфер от оснастки на производственных линиях до деталей корпусов самолётов и автомобилей.

Применение

У технологии «Анизопринт» множество сфер применения: от авиации до потребительских товаров. При массовом внедрении практически любая компания в мире могла бы уменьшить издержки производства. Посмотрим на более близкий к жизни пример из сферы производства повседневных товаров.

Рис. 6. Схема печати по технологии СFC

Рис. 6. Схема печати по технологии СFC

На производственную линию молочного бренда нужен поршень для формирования стаканчиков для йогурта. Когда оригинальная деталь из фрезерованного полиамида подвергается разрушению, замену нужно заказывать в сторонней компании и ждать 3 месяца. В это время производственная линия останавливается: компания несет убытки из-за остановки в производстве продукта. Увеличить срок службы и сократить время простоя производства можно, заменив деталь на напечатанную на 3D-принтере Anisoprint Composer. Поршень из композитного углеволокна печатается за сутки, сокращая время простоя производства с 3 месяцев до 24 часов (рис. 7).

Рис. 7. Пример замены поршня для производственной линии молочного производства

Рис. 7. Пример замены поршня для производственной линии молочного производства

Одна из особенностей — при печати на Anisoprint Composer можно выбирать, какой пластик использовать в качестве связующего (PETG, ABS, PC, PLA, Nylon и т. д.). Технология коэкструзии предполагает армирование пластика прямо в процессе печати, а не до этого, как в других случаях. Таким образом, можно получать материал с особыми свойствами, необходимыми для конкретной ситуации и сферы. Например, для производственной линии, где детали промываются перекисью, мы напечатали вилку с использованием пластика PETG — устойчивого к перекиси (рис. 8).

Рис. 8. Пример замены детали «вилка» для молочного производства

Рис. 8. Пример замены детали «вилка» для молочного производства

Вилка передвигается на валу по производственной линии, цепляет бутылочку и увозит в зону промывки, деталь промывается перекисью. Оригинальная деталь из фрезерованного полиамида изготавливается на заказ в течение 3 месяцев. В это время производственная линия останавливается, из-за чего компания несёт убытки. Деталь заменили на напечатанную из устойчивого к перекиси PETG, армированного композитным углеволокном. Время печати составило 6 часов — время простоя производства сократилось на несколько месяцев. Кроме того, благодаря устойчивости к перекиси увеличился срок службы вилки.

Три продукта — одно решение

ПО

Подготовить 3D-модель, задать схему армирования и объёмную долю армирующих волокон в разных частях детали можно с помощью разработанного в «Анизопринт» программного обеспечения — слайсера «Ауры». В нем можно управлять армированием, задавать пластиковый периметр и пластиковое заполнение, композитные периметры, композитное заполнение, поддержки — весь функционал обычного слайсера + функционал для работы с армирующим волокном.
Хранение, обработка и запуск печати полностью автоматизированы и производятся с локального компьютера, что обеспечивает конфиденциальность и безопасность данных разрабатываемых моделей.

Рис. 9. Проектирование с помощью ПО «Аура»

Рис. 9. Проектирование с помощью ПО «Аура»

Материал

Для армирования применяется созданное в «Анизопринте» композитное волокно. Изначально было доступно только углеволокно, недавно компания объявила о появлении композитного базальтового волокна. Детали из последнего получаются еще более дешевыми при схожих прочностных характеристиках: в 15 раз прочнее пластика, в 5 раз легче стали, в 1,5 раза прочнее и легче алюминия. Композитное базальтовое волокно отлично подойдёт для производства корпусных токонепроводящих элементов — базальт радиопрозрачен.

Принтеры

Печать осуществляется на принтерах Anisoprint Composer (рис. 10, 11), сейчас доступны две модели: A3 с объёмом области печати 420×297×210 мм и А4 (297×210×147 мм).

Рис. 10. Принтер Anisoprint Composer

Рис. 10. Принтер Anisoprint Composer

Рис. 11. Печатная головка «Анизопринт» на роботе «Кука»

Рис. 11. Печатная головка «Анизопринт» на роботе «Кука»

Главным преимуществом машин «Анизопринт» является возможность печатать сетчатые структуры, что в конечном итоге снижает вес детали, а как следствие, время и стоимость производства (рис. 12, 13).

Рис. 12. Способы армирования по технологии CFC (слева направо, сверху вниз): сплошное заполнение, армированные периметры, ромбическое армирование, изогридное армирование, анизогридное армирование

Рис. 12. Способы армирования по технологии CFC (слева направо, сверху вниз): сплошное заполнение, армированные периметры, ромбическое армирование, изогридное армирование, анизогридное армирование

Рис. 13. Разные типы заполнения углепластиком по технологии CFC

Рис. 13. Разные типы заполнения углепластиком по технологии CFC

Несмотря на множество неоправдавшихся ожиданий от аддитивных технологий, эра 3D-печати все же придёт — у нас как у общества совершенно нет шансов этого избежать. Преимущества перед традиционным производством очевидны, так что нужно лишь работать над изучением и внедрением аддитивных технологий. Применение найдётся для различных подходов: композитов, металлов и пластиков, но способ, которым мы проектируем и производим вещи, изменится. И это будет более естественный и эффективный путь. 

Автор: Фёдор Антонов, компания «Анизопринт», anisoprint.ru

Источник журнал «Аддитивные технологии » № 3-2019

Источник

Поделиться

Заметили ошибку? Сообщите нам: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy andTerms of Service apply.