Авторы: Дмитрий Киселёв, инженер-исследователь лаборатории композитной 3D-печати Центра технологий материалов (ЦТМ) Сколковского института науки и технологий («Сколтех»)

Андрей Азаров, д.т.н., профессор кафедры «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ им. Н.Э. Баумана, сооснователь и бывший технический директор компании «Анизопринт»

Развитие человечества неразрывно связано с технологическим прогрессом. Покорение небесных высот, освоение космического пространства, достижение высоких скоростей — все это подталкивает инженеров к поиску новых путей повышения эффективности техники. Большую роль здесь играет исследование новых материалов и разработка и совершенствование технологий их переработки в конечное изделие.

В настоящее время все больший интерес вызывают полимерные композиционные материалы (ПКМ). Сочетание прочных армирующих волокон и легкой полимерной матрицы позволяет получать исключительно легкие и прочные детали. Эти материалы в значительной степени превосходят металлические сплавы по удельным механическим характеристикам, что делает их идеальными для отраслей, в которых критически важно снизить массу конструкции без потери прочности. Так, композиты широко применяются в ракетостроении, постепенно внедряются в самолетостроение и судостроение, а также широко используются для производства спортивного инвентаря.

Композиционные материалы можно разделить на две большие группы по типу армирования: наполненные короткими (дисперсными) волокнами и армированные непрерывными нитями. Сосредоточимся на материалах, армированных непрерывными нитями, так как именно они позволяют достичь наибольшей прочности и жесткости. Характерной чертой таких материалов является анизотропия, то есть неоднородность свой­ств в разных направлениях. Материал обладает высокой прочностью в направлении армирования, вдоль волокон. Прочность же поперек волокон достаточно низкая, она сопоставима с прочностью полимерной матрицы. Поэтому идеальной композитной конструкцией является конструкция, работающая только в одном направлении — вдоль волокон. К сожалению, на практике такие конструкции встречаются довольно редко. Поэтому инженерам приходится учитывать анизотропию при проектировании, изобретая различные конструктивные схемы, позволяющие уложить волокна так, чтобы деталь выдерживала все требуемые нагрузки.

Первые попытки побороть анизотропию привели к созданию слоистых композитов. Суть этого подхода заключается в последовательной укладке чередующихся композитных слоев, каждый из которых ориентирован под углом к предыдущему. По совокупности прочностных и весовых характеристик слоистые композиты близки к конструкциям из листового алюминия. Более рациональным решением стали сетчатые конструкции (рис. 1), в которых несущими элементами являются однонаправленные ребра. Такой подход позволяет наиболее эффективно реализовать потенциал композиционного материала, так как в сетчатой конструкции материал работает только в одном направлении — вдоль ребра, а соответственно, и вдоль волокон. Еще одним интересным подходом в области производства композитов является управляемая укладка. В отличие от традиционных подходов, где армирующие элементы укладываются по жестко заданным траекториям, здесь волокна ориентированы по криволинейным траекториям с учетом того, как действует нагрузка в каждой конкретной точке детали (рис. 2). Управляемая укладка позволяет создать эффективную структуру детали за счет расположения волокон только в тех местах, где это необходимо. А совместив сетчатые конструкции с управляемой укладкой, можно вывести эффективность композитных конструкций на новый уровень.

Рис. 1. Сетчатая композитная конструкция

Рис. 2. Пластина с управляемой укладкой волокон

Однако традиционные технологии изготовления деталей из композиционных материалов не позволяют в полной мере реализовать управляемую укладку волокон. Автоматизированные технологии производства сетчатых конструкций накладывают жесткие ограничения на геометрию изделия и траектории ребер. Все это стало толчком для разработки новых методов производства композитов, в том числе за счет внедрения аддитивных технологий.

Аддитивные технологии, также известные как 3D-печать, стремительно трансформируют современное производство. Сегодня такие технологии уже используются не только для прототипирования, но и для изготовления деталей реальных конструкций. В отличие от традиционных технологий, где материал удаляется или деформируется, 3D-печать работает по принципу послойного построения, то есть формирования детали происходит путем добавления материала. Аддитивные технологии позволяют создавать детали сложной геометрической формы, которые практически невозможно изготовить традиционными методами. Важной особенностью также является высокая степень автоматизации процесса производства [1].

В сфере аддитивных технологий композиционные материалы быстро нашли свое место. Однако основная их масса представлена материалами, наполненными короткими волокнами. Такие материалы обладают высокой технологичностью и простотой внедрения, так как они совместимы с большинством современных 3D-принтеров. Их применение позволяет повысить механические характеристики по сравнению с ненаполненными материалами. Тем не менее потенциал наполненных пластиков ограничен из-за низкого прироста характеристик. В последние годы фокус исследований постепенно смещается в сторону технологий с использованием непрерывных волокон. Комбинация аддитивных технологий и непрерывных композитных нитей позволяет создавать детали со сложной внутренней структурой, контролировать анизотропию свой­ств и эффективно армировать нагруженные зоны в автоматическом режиме [2].

Технологии композитной 3D-печати и основные игроки рынка

Рассмотрим наиболее распространенные технологии 3D-печати с непрерывными волокнами. На сегодняшний день безусловным лидером являются технологии, в основе которых лежит процесс экструзии материала. Свое признание они получили благодаря простоте и относительно невысоким требованиям к оборудованию. Такие технологии можно разделить на две группы, различающиеся по принципу подачи материала: технологии подачи композитной нити и технологии с одновременной экструзией [2].

Процесс изготовления деталей по технологии подачи композитной нити во многом схож с классической FFF-печатью. Принципиальная особенность заключается в наличии двух независимых экструдеров. Основная цель использования первого, пластикового экструдера заключается в формировании внешнего облика, геометрии печатной детали. Помимо этого он также используется для создания поддерживающих структур, печати внутреннего заполнения и т. д. В качестве материалов здесь используются термопластичные полимеры, в том числе наполненные короткими волокнами. Второй экструдер, композитный (рис. 3), выполняет принципиально иную задачу. Он применяется для формирования внутренней силовой структуры, которая воспринимает основную механическую нагрузку. Здесь уже используются волокна различного вида, пропитанные термопластичным полимером.

Рассмотрим теперь основные особенности представленной группы. Высокая степень автоматизации процесса производства деталей, которая присуща всем аддитивным технологиям, не обошла стороной и технологию экструзии композитной нити. Большим преимуществом также является стабильность технологии и предсказуемые характеристики напечатанного изделия. Однако наряду с преимуществами стоит отметить и недостатки такого подхода. Главным из них является крайне низкая гибкость в формировании армирующих структур.

Рис. 3. Технология экструзии композитной нити

Рис. 4. Технология коэкструзии композитной нити

На практике это означает, что возможно создание только усиленных периметров и усиленного сплошного заполнения. Реализация более сложных структур, например, сетчатых, затруднено. Причиной этому является невозможность варьирования объемной доли волокна в процессе печати [3].

Ярким представителем рассмотренного подхода является технология армирования непрерывными нитями (CFR — Continuous Fiber Reinforcement) компании Makrforged [4]. Основанная в 2013 году, компания является старейшим игроком на рынке композитной 3D-печати. Оборудование компании позволяет изготавливать не только прототипы, но и детали, применяющиеся в реальных конструкциях. Пользователям предлагается закрытая экосистема, включающая в себя оборудование, полимерные и армирующие материалы, а также программное обеспечение для создания управляющих программ для принтеров.

Свои исследования в этой области проводят и российские компании. На сегодняшний день активно ведет разработки компания Stereotech. Основной фокус компании направлен на разработку пятикоординатного FFF-принтера. Однако компания видит потенциал и в применении непрерывных углеродных волокон [5].

До недавнего времени разработками в этой области занималась и пермская компания F2 Innovation, но приостановила исследования из-за очень узкого рынка композитной 3D-печати [6].

Одновременная экструзия материалов во многом похожа на экструзию композитной нити. Один экструдер также используется для печати пластиковых сущностей, второй — для выкладки волокна (рис. 4). Принципиальное отличие здесь кроется в устройстве композитного экструдера и системе подачи материала. Композитный экструдер имеет два канала, а в процессе печати в него одновременно подаются два материала: полимерная нить (матрица) и композитное волокно [2]. В качестве матричного материала используются термопласты, которые широко распространены в FFF-печати. Армирующий материал представлен в виде тонкой нити, предварительно пропитанной термопластом или реактопластом.

Одновременная экструзия материалов имеет ряд существенных преимуществ. Такой подход позволяет изменять подачу пластика, варьируя объемную долю волокна в процессе печати, что способствует производству более сложных схем армирования, учитывающих реальные эксплуатационные условия. Все это обеспечивает максимальную прочность в нагруженных зонах, избегая избыточного использования материала в ненагруженных областях. Отдельно хочется отметить возможность производства сетчатых композитных структур [7]. Таким образом, одновременная экструзия существенно расширяет класс изготавливаемых изделий.

Наиболее показательным примером данной группы является технология коэкструзии композитной нити (Composite Fiber Coextrusion — CFC) российско-­люксембургской компании Anisoprint [8]. Компания была основана в 2015 году и быстро стала одним из ключевых игроков на рынке композитной печати. В России коллектив наряду с развитием технологии занимался разработкой, производством и поставкой оборудования и материалов для 3D-печати по указанной технологии. 3D-принтеры от компании Anisoprint позволяют изготавливать изделия сложной формы и сложной внутренней структуры на основе низкотемпературных пластиков с плоскими схемами армирования.

В 2025 году развитие технологии CFC продолжила компания FibreSeeker. Коллектив, поставив перед собой цель сделать печать с непрерывными нитями доступнее, представил рынку новый 3D-принтер — FibreSeeker 3

[9]. Добиться результатов команда планирует не только за счет снижения стоимости оборудования, но и за счет удешевления композитных нитей. Все это заметно выделает компанию среди других участников рынка композитной печати.

Еще одним подходом к композитной печати является использование композитных лент (рис. 5). Так, в 2020 году компания Desktop Metal представила публике свою технологию производства композитов методом трехмерной печати. В основе процесса производства лежит технология Micro Automated Fiber Placement (µAFP), являющаяся модификацией технологии автоматизированной выкладки волокна (Automated Fiber Placement) [10]. Главным отличием здесь является использование вместо нитей лент, выкладка которых осуществляется с использованием прикаточного ролика [2, 11]. Главным недостатком такого подхода являются ограничения, накладываемые на кривизну траектории, возникающие из-за невозможности изгиба ленты в плоскости слоя.

Рис. 5. Технология выкладки композитных лент 

Рис. 6. Технология пропитки сухого жгута в печатной головке

Альтернативным методом производства композитов является подход, предполагающий использование непропитанных волокон (рис. 6). Суть подхода заключается в подаче непропитанного волокна непосредственно в печатающую головку, в которой происходит его пропитка полимерным связующим. Наиболее распространенным матричным материалом являются фотополимерные смолы. За счет малой вязкости они позволяют равномерно пропитать волокно. Представленный метод выделяется высокой технологичностью и способностью формирования сложных криволинейных путей армирования без повреждения волокон. Основным минусом являются низкие механические характеристики получаемых деталей, что существенно сужает сферу применения [12].

Лидером в этом направлении выступает компания Continuous Composites [13]. Ее решение предполагает интеграцию специализированной печатающей головки c промышленным роботом-­манипулятором. Подобная конфигурация открывает путь к производству крупногабаритных композитных деталей. В качестве материалов компания предлагает углеродные волокна и УФ-отверждаемые смолы.

Ограничения композитной 3D-печати и пути их преодоления

К сожалению, несмотря на присутствующий интерес, рынок композитной 3D-печати остается довольно

специфической областью. Крупных игроков в этой сфере немного, особенно в Российской Федерации [14]. Рынок композитной трехмерной печати в сравнении с полимерной печатью достаточно мал. По данным консалтингового агентства Precedence Research, объем рынка композитной 3D-печати в 2024 году составил всего 324,79 миллиона долларов США, в то время как рынок полимерной печати оценивается в 2,86 миллиарда долларов США в том же году [15].

Основным барьером на пути широкого внедрения технологий 3D-печати с непрерывными волокнами остается высокая стоимость. В реалиях российского рынка приобретение подобного оборудования является серьезным финансовым испытанием. Цена за такой 3D-принтер зачастую превышает несколько миллионов руб­лей. При этом практически отсутствует доступ к зарубежному оборудованию. Не менее ощутима и ценовая нагрузка на расходные материалы. Если катушку наполненного пластика можно приобрести в среднем за несколько тысяч руб­лей, то композитные нити находятся в совершенно другом ценовом диапазоне, их средняя цена превышает десятки тысяч руб­лей за катушку. Все это создает дополнительные сложности для предприятий и является сдерживающим фактором при принятии решения о покупке такого оборудования.

Важным ограничением также является сложность работы с композиционными материалами. Анизотропия свой­ств диктует свои правила проектирования деталей. Главным камнем преткновения тут выступает невозможность использования геометрии, которая ранее применялась для аналогичной детали из металлических или полимерных материалов. Ключевым моментом также является и необходимость планирования траекторий армирования уже на этапе разработки облика будущей детали. Для корректного армирования необходимо учитывать нагрузки, которые будут воздействовать на ту или иную область рассматриваемого объекта. Параллельно этапу проектирования протекает стадия выбора материалов. Тут необходимо опираться не только на нагрузки и внешние факторы, которые оказывают влияние на деталь, но и учитывать экономическую составляющую проекта. К сожалению, в настоящее время отсутствуют инструменты, которые позволили бы автоматизировать хотя бы одну стадию проектирования деталей под 3D-печать с непрерывными волокнами. Все это делает необходимым наличие знаний и опыта работы с композитами, а цена ошибки велика из-за дорогостоящих материалов.

Весомый вклад также вносят и существующие ограничения технологий. Так, например, низкая скорость изготовления композитов негативно влияет на привлекательность 3D-печати с непрерывными волокнами. Еще один важный аспект заключается в ограничениях, накладываемых на геометрию деталей. Большинство компаний представляют широкой публике трехкоординатные 3D-принтеры. Такое оборудование позволяет производить детали только с плоскими схемами армирования, то есть нагрузки должны быть параллельны плоскости слоя. Эту проблему позволяет решить использование многокоординатных систем позиционирования, таких как пятикоординатные 3D-принтеры и роботы-­манипуляторы (рис. 7). Основной загвоздкой в этом случае является невозможность использования алгоритмов планирования путей армирования, которые применялись для плоских схем. В настоящее время также отсутствуют подходы, позволяющие генерировать пространственные траектории армирования в автоматическом режиме. Так или иначе, основной фокус исследований смещается в сторону многокоординатной композитной печати.

Рис. 7. Многоосевая композитная 3D-печать с применением промышленного робота

Заключение

Рассмотренные технологии композитной 3D-печати, ведущие игроки рынка и существующие технические вызовы демонстрируют, что данная область находится на стыке нескольких революционных направлений: аддитивного производства, материаловедения и цифрового проектирования. Композитная 3D-печать открывает новые возможности для создания высокопрочных и легких конструкций со сложной геометрией. Технология позволяет не только оптимизировать форму деталей, но и программировать траектории укладки волокон в соответствии с действующими нагрузками, что недостижимо традиционными методами производства композитов.

Несмотря на значительный прогресс, индустрия сталкивается с рядом существенных вызовов: необходимостью перехода от трехосевой к многоосевой печати, повышения скорости изготовления деталей и разработки новых методов проектирований изделий. Тем не менее потенциал технологии огромен. По мере преодоления технических ограничений и снижения стоимости оборудования и материалов композитная 3D-печать будет находить все более широкое применение в промышленности. ■

Литература

1. Kali M. Additive Manufacturing Technologies: an actual overview / M. Kali, G. Laudani, G. Baiamonte et. al // Advances in Design Engineering IV, 2024.   Pp. 700–710.

2. Jiahui L. Additively manufacture d fiber-­reinforced composites: A review of mechanical behavior and opportunities / L. Jiahui, D. Yvonne, H. Xiaodong et. al // Journal of Materials Science & Technology: electronic journal.  URL: www.elsevier.com/locate/jmst. — Publication date: 02.03.2022.

3. Justo J. Characterization of 3D printed long fibre reinforced composites / J. Justo, L. Tavara, L. Garcia-­Guzman, F. Paris // Composite Structires: электронный журнал. —        URL: www.elsevier.com/locate/compstruct. — Publication date: 21.11.2017.

4. Markforged: сайт. — URL: https://markforged.com

5. Stereotech: сайт. — URL: https://5dtech.pro

6. F2 Innovation: сайт. — URL: https://f2innovations.ru

7. Федулов Б. Н. Алгоритм топологической оптимизации конструкции, выполненной из анизотропного материала с учетом параметров ориентации армирования / Б.Н. Федулов, А.Н. Федоренко, Ф.К. Антонов, Е.В. Ломакин // Вестник ПНИПУ. Механика.  Пермь: ПМНИПУ, 2021.  С. 182–189.

8. Anisoprint: сайт. — URL: https://anisoprint.com

9. FibreSeeker: сайт. — URL: https://fibreseek3d.com

10. Desktop Metal: сайт. — URL: https://www.desktopmetal.com

11. Ueda M. 3D compaction printing of a continuous carbon fiber reinforced thermoplastic / M. Ueda, S. Kishimoto, M. Yamawaki et al. // Composite Part A: electronic journal. — URL: www.elsevier.com/locate/compositesa

12. Ipekci A. Experimental and statistical analysis of robotic 3D- printing process parameters for continuous fiber reinforced composites / A. Ipekci, B. Ekici // Journal of composite materials: electronic journals. — URL: journals.sagepub.com/home/jcm.

13. Continuous Composite: сайт. — URL: https://continuouscomposites.com

14. Трубашевский Д.С. Российский рынок аддитивного производства на новом витке / Д.С. Трубашевский // Полимерные материалы.  2025.  № 9.  С. 28–35.

15. Precedence Research: сайт. — URL: https://www.precedenceresearch.com

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 1-2026