В последние годы наблюдается взрывной рост использования композиционных материалов в 3D-печати, нацеленный на преодоление ограничений традиционных производственных методов, экономию времени и средств. Основанный в январе 2021 года Институт новых промышленных материалов в Дэчжоу занимается исследованиями, разработкой и коммерциализацией технологий, связанных с морскими композиционными материалами, композитами для мобильной связи пятого поколения (5G), передовыми процессами производства композиционных материалов и высокотехнологичного оборудования. Помимо этого научно-­исследовательское учреждение активно сотрудничает с компанией Intamsys в реализации двух инициатив по применению 3D-печати в разработке и внедрении композитных деталей.

Прямое аддитивное производство как альтернатива традиционным методам изготовления композитных деталей

Один из проектов института — разработка впускных коллекторов авиационного двигателя. Впускные коллекторы напрямую влияют на производительность силовой установки, однако сложная конструкция создавала трудности в процессе разработки: сложность изготовления пресс-форм и трудоемкая вибрационная сварка означали рост временных затрат и стоимости, а также общее снижение эффективности опытно-­конструкторских работ.

Для решения этих проблем институт предпринял первую попытку аддитивного производства впускных коллекторов с использованием технологии экструзионной 3D-печати (FDM). После оценки и сравнения возможностей различных моделей FDM-3D-принтеров, характеристик материалов и сервисной поддержки институт остановился на аддитивной системе Funmat Pro 610HT от Intamsys и угленаполненном композите на основе полиэфирэфиркетона (PEEK-CF).

Инновационное применение 3D-печати в производстве композитных деталей

3D-принтеры Funmat Pro 610HT оптимизированы для работы с тугоплавкими конструкционными термопластами, такими как полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиримид (PEI, Ultem) и полифениленсульфон (PPSU). Оборудование совместимо с широким спектром полимерных материалов, включая кастомные. Термостатированная камера с прогревом до 300°C и двой­ной экструдер с максимальной температурой хотэндов 500°C позволяют эффективно работать с тугоплавкими полимерами и композитами, в том числе подверженными сильной усадке.

Габариты 3D-печатного коллектора в конечном виде составляют 218,4×216,4×95,4 мм. Дизайн оптимизирован под цифровое производство с применением аддитивных технологий, благодаря чему удалось добиться:

• 30‑процентного снижения массы за счет минимальной толщины стенок 1,7 мм против 3 мм в изделиях, полученных методом литья под давлением;

• высокой размерной точности в пределах ±0,2 мм, упрощающей монтаж детали;

• повышения прочности до 100 МПа, что на 30% выше показателей аналогов, изготовленных из стеклонаполненного нейлона 66 (PA66-GF) методом литья под давлением;

• высокой термостойкости, достаточной для продолжительной эксплуатации при температурах до 144 °C.

Стоимость производства аналогичной детали традиционными методами составила бы около $30 000 долларов США и заняла бы порядка полутора месяцев. 3D-печать позволяет изготавливать такие коллекторы цельными деталями с десятикратной экономией средств и всего за четыре – семь дней.

Внедрение 3D-печати в традиционные процессы: новая парадигма в производстве композиционных материалов

Помимо непосредственного изготовления компонентов из композитов сочетание 3D-печати с традиционными технологиями позволяет решать задачи, с которыми сталкиваются традиционные методы, обеспечивая оптимальную производительность и экономическую эффективность. Руководствуясь этой стратегией, институт в сотрудничестве с ведущим китайским университетом разработал роботизированную руку-манипулятор из композиционных материалов.

Несущая конструкция манипулятора напечатана на 3D-принтере Funmat Pro 610HT угленаполненным полиэфирэфиркетоном (PEEK-CF), оптимально подходящим для компонента с большими габаритами, сложной структурой и жесткими требованиями к прочности и массе. Опыт наглядно продемонстрировал возможность аддитивного производства сложных, максимально эффективных деталей из тугоплавких полимерных композитов.

Впоследствии несущую конструкцию обернули в препрег, получив легкий и прочный углепластиковый манипулятор с механическими характеристиками на уровне алюминиевых сплавов, но с минимальными издержками и без необходимости изготовления формовочной оснастки.

Инновационное применение 3D-печати в производстве композитных деталей

Помимо интеграции с процессами контактного формования с предварительной пропиткой 3D-печать обладает широкими возможностями применительно к другим технологиям, включая намотку, автоматизированную укладку и компрессионное формование.

Манипулятор из композиционных материалов

С помощью 3D-печати удалось добиться значительных успехов как в прямом аддитивном производстве, так и интеграции с традиционными процессами с повышением эффективности и снижением затрат на изготовление деталей из композиционных материалов. Сотрудничество Института новых промышленных материалов с компанией Intamsys продемонстрировало огромный потенциал технологий 3D-печати в проектировании, разработке и производстве композитных изделий. ■

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 3-2024