Будущее композитного производства: синергия АВР и аддитивного производства

«Напечатывание поверх» готовых поверхностей CFRP и креплений (верхний левый), гибридизация процессов вроде 3D-печати и намотки нити (верхний правый), 3D-печать сердечников на АВР-ламинатах и АВР-кож на 3D-напечатанных сердечниках (нижний правый) и CEAD AM Flexbot 3D-печатает под 45 градусов (нижний левый). Фото: TU Munich, Chair of Carbon Composites

В сентябре я посетил виртуальный симпозиум «FUTURE COMPOSITE MANUFACTURING — AFP & AM», относящийся к автоматизированному размещению волокна (AFP) и аддитивному производству (AM). Этот симпозиум проводился кафедрой углеродных композитов (LCC) в Техническом университете Мюнхена (TUM, Мюнхен, Германия). Событие также включало исследовательского партнера TUM — Австралийский национальный университет (ANU, Канберра). Симпозиум обзор возможностей НИОКР по композитам в TUM и ANU, а также завершенных и текущих проектов с промышленными партнерами, включая AFPT, Airbus, BMW, CEAD, DLR, Fraunhofer, GKN Aerospace, INOMETA, SGL Carbon и Victrex.

Сотрудничество TUM с ANU началось в 2010 году с проекта AutoCRC для разработки баллонов для хранения сжатого природного газа (CNG) из термопластичных композитов. Совместные НИОКР продолжались с тех пор, включая формирование центра Australian Research Council по автоматизированному производству передовых композитов (AMAC) и трех основных направлений фокуса в ANU:

• Улучшение материалов
  • Наномасштабные материалы и покрытия для улучшения функциональных свойств углеродных композитов
  • Графен-усиленные препрег-ленты для тепловой и электрической проводимости
• Лазерная АВР
  • Проект с Ford для разработки композитно-усиленной стали
  • Цифровое управление смещением нагрева, например, стабильность процесса для углов/3D геометрий
• Передовые диагностики с рентгеновской КТ

 

Фото: «New Horizons by Merging AFP and AM» проф. др.-инж. Клауса Дрехслера, TUM Symposium Sep 2020.

 

Фото: Клаус Дрехслер, TUM Symposium Sep 2020.

Он обсудил сходства между экструзией материала (MEX), самым распространенным процессом для 3D-печати волокнисто-усиленных композитов, и АВР ISC:

• Локальное, повторяющееся тепловое воздействие
• Слоистое проектирование и ортотропные свойства материала
• Размещение материала вдоль запрограммированных 2D и 3D путей и термическая активация между слоями.

Дрехслер затем обсудил будущие потребности в композитах и как комбинация АВР и MEX может предоставлять решения, включая краткосрочные в инструменте и долгосрочные в высокопроизводительных, легких конструкциях, которые являются и стоимоэффективными, и экологически устойчивыми.

В обзоре возможностей LCC Дрехслер дал обзор его MEX-оборудования, а также прошлых и текущих НИОКР проектов в аддитивном производстве.

Что касается ISC АВР, недавние и текущие разработки в LCC включают:

• Головку намотки сосуда для поддержки индустриализации конструкций вроде сосудов под давление, включая баки для хранения водорода
• Замкнутый контур управления лазерным нагревом
• Использование жидкостно-охлаждаемого валика для консолидации
• Характеризацию лент для оптимизации ISC.

Разработки LCC в MEX и 3D-печати были дополнительно изучены в множестве презентаций в следующие 2 дня.

 

CEAD и крупномасштабная 3D-печать

Следующая презентация после ключевого доклада Дрехслера была дана Маартеном Логтенбергом, исполнительным директором CEAD (Дельт, Нидерланды). Основанная в 2014 году, CEAD продала коммерческие системы на основе своей технологии Continuous Fiber Additive Manufacturing (CFAM), как в виде портальной закрытой ячейки (CFAM Prime), так и робототехнической системы (AM Flexbot). LCC владеет последней (см. таблицу выше) и работает с LCC над несколькими проектами (см. статьи CW о CEAD и её работе с TUM LCC).

Основные моменты из презентации Логтенберга включали разработку CEAD гибридных решений, интегрирующих ЧПУ-фрезерование, большие нагревательные столы печати (1,2 м x 3 м и 1,2 м x 2 м) и нагревательные вращающиеся столы печати. Также преследуются еще более крупные ячейки и печать под 45 градусов, а также печать волокнисто-усиленных инструментов для серийного автоклавового производства коммерческих авиационных деталей.

Логтенберг отметил, что одной из главных проблем для 3D-напечатанных автоклавовых инструментов является тепловое расширение и инструменты намного крупнее 4 метров склонны расширяться слишком сильно (см. «Гибридное крупноформатное аддитивное инструментальное обеспечение»), что затрудняет достаточную компенсацию через дизайн инструмента. Решением, которое он предложил, является замена рубленого волокнистого усиления, используемого в основном до сих пор, на непрерывное волокно, наносимое системами вроде AM Flexbot.

Этот путь вперед был поддержан в презентации «Введение 3D-напечатанных трековых интенсификаторов для производства композитных флапов» Томас Херкнера в GKN Aerospace в Мюнхене, Германия. Эти 3D-напечатанные CFRP-интенсификаторы используются как инструментарий в производстве CFRP посадочных флапов для Airbus A350 и A330. Хотя эта успешная программа в GKN использовала рубленое волокнистое усиление, Херкнер показал дорожную карту для дальнейшего развития, которая включала использование непрерывного волокна в 3D-напечатанном инструментарии, а также, в конечном счете, в самих авиационных деталях.

Этот путь вперед был хорошо объяснен исследователем LCC Патриком Консулом в недавнем блоге CW:

Консул также выступал на симпозиуме TUM, рассматривая проектирование процесса для крупномасштабного экструзионного AM. Он обсудил, как стекловой переход и фазовый переход, показанные ниже, представляют наибольшее изменение свойств материалов рубленого волокнисто-усиленных гранул, которые плавятся и экструдируются в системах 3D-печати вроде CFAM и AM Flexbot.

 

Работа Консула проанализировала, как параметры MEX вроде вязкости полимера, температуры экструзии и крутящего момента влияют на кристалличность в напечатанном композите, что в свою очередь влияет на способность сваривать слои вместе во время 3D-печати. Помимо этого межслойного связывания, Консул также исследовал выравнивание волокон и остаточные напряжения в напечатанных слоях. Одним из представленных решений было использование лазера для предварительного нагрева подложки во время печати — широко используемое сегодня в ISC АВР термопластичных композитов — таким образом, перенося знания из АВР в AM. Первые эксперименты использовали кольцо управляемых лазерных диодов.

Коллега Консула, Матиас Фойхтгрубер, выступил позже в тот день, двигаясь от проектирования процесса и характеристики материалов к разработке виртуальной процессной цепочки для композитного AM.

Александр Мачински затем представил интеграцию бесконечных волокон в композитный AM, представив диаграмму ниже, которая стала основой для исправленной диаграммы, которую я использовал в статье CW Next-Gen Supplement о 3D-печати с непрерывным волокном. Мачински также обсудил работу в дизайне структур непрерывного волоконного AM и будущую разработку «напечатывания поверх» готовых CFRP деталей и поверхностей.

Другие интересные применения непрерывных волокон показал д-р Кристофер Эбель в SGL Carbon, включая усиление стальных подрамников автомобиля, сокращая количество деталей с 37 до 9 и резая вес на 41%. Другая концепция — 3D-намотка с тоупрегом, пропитанным мгновенно отвердевающей эпоксидной смолой для нагрузко-оптимизированных структур. Этот цифрово-ориентированный подход начинается с упрощения сложных нагрузок и топологической оптимизации, за которым следует автоматизированное производство. Полученные детали могут использовать формозамок вставок в структуры, позволяя вводить нагрузки без потери жесткости. Новейшие процессы 3D-металлопечати могут использоваться для таких вставок, дополнительно оптимизируя эффективность обработки нагрузок и снижение затрат.

Себастьян Новортны в DLR обсудил комбинирование 3D-печати с ISC АВР термопластичных композитов, включая 3D-печать на АВР-ламинатах и АВР на частично открытых 3D-напечатанных структурах. Первые эксперименты включали 3D-печать сердечника на готовом CFRP-коже и затем АВР/укладку ленты поверх 3D-напечатанного сердечника. Образцы создавались и затем подвергались тесту на растяжение-сдвиг для оценки сцепления кожа-сердечник.

Slideshow Title

Фото: Себастьян Новортны, DLR, TUM Symposium Sep 2020

Растяжимо-сдвиговые тесты купонов, сделанных с использованием гибридной 3D-печати и АВР. Фото: Себастьян Новортны, DLR, TUM Symposium Sep 2020

Фото: CEAD, TUM Symposium Sep 2020

Будущее применение компьютерной томографии во время производства композитов. Фото: Австралийский национальный университет, TUM Symposium Sep 2020

Разработочная работа с использованием лазерной АВР для создания гибридных CFRP-металлических структур. Фото: Австралийский национальный университет, TUM Symposium Sep 2020

Графен-усиленные препрег-ленты для тепловой и электрической проводимости. Фото: Австралийский национальный университет, TUM Symposium Sep 2020

Previous Next

Кристиан Ваймер, руководитель материалов для Airbus Central Research & Technology, обсудил 3D-печать с непрерывным волокном как часть развивающегося технологического ландшафта, нацеленного на снижение веса с снижением затрат и увеличением устойчивости, которые должны быть достигнуты для композитов, чтобы закрепить место на будущих самолетах. Он подчеркнул, что действительно эффективные 3D-композиты должны использовать:

• Правильные сырье и полуфабрикаты — волокна, полуфабрикаты
• Эффективные процессы и интерфейсы — AM термопластики, литье под давлением
• Адаптированный дизайн и размерность — интегральный, полностью 3D нагрузко-оптимизированный
• Поверхность и функциональность — ESN (электронный серийный номер), SHM (структурный мониторинг здоровья)

Он также обсудил необходимость биопроисходных волокон и смол для достижения срочных климатических и экологических целей устойчивости.

Симпозиум TUM включал много других презентаций, включая обзоры работ в ANU, и все были очень интересны, чтобы показать, как композиты движутся вперед и как LCC, работая с партнерами по всему миру, продолжает представлять, чего могут достичь композиты, и толкает нашу индустрию вперед.