Революция в гибком производстве деталей: AFP встречается с 3D-печатью

Основанная в 1986 году компания Electroimpact (Мукilteо, штат Вашингтон, США) — глобальный поставщик оснастки и производственной автоматизации, заявляющая о себе как о крупнейшем в мире интеграторе линий сборки самолетов. В сфере композитов компания известна своими передовыми технологиями высокоскоростной автоматической укладки ленты (ATL) и автоматизированной укладки волокна (AFP). Electroimpact подчеркивает свою инженерную сущность — 400 из 600 сотрудников имеют инженерные дипломы — разработки ведутся одной командой инженеров от концепции через проектирование, производство, монтаж и приемку заказчиком.

В июле 2020 года CW сообщала о новой системе Scalable Composite Robotic Additive Manufacturing (SCRAM) компании. Здесь мы публикуем интервью с частью инженерной команды SCRAM: менеджер проекта Коди Браун, инженер по разработке процессов и управления Райан Бишоф и ведущий механический инженер Рис Аллен. Их объяснение происхождения, внедрения и будущего этого аддитивного производства с непрерывным волокном дает представление о том, как может выглядеть следующее поколение композитного производства.

Нацеливание на крупномасштабный FDM

Браун: «Мы работали над этим четыре года, но хотели подождать, пока не сможем показать, что система производит реальные авиационные детали. Изначальная цель — создать крупномасштабный 3D-принтер методом наплавления нити (FFF), способный создавать сложные детали с непрерывным волокном. Мы не ставили целью разработку AFP-процесса, но пытаясь увеличить объемную долю волокна и достичь более высокой прочности печатаемых деталей, мы уперлись в стену с FFFF. Он просто не подходит для in-situ консолидации с высоким содержанием волокна и низкой пористостью. В итоге мы получили процесс, сочетающий термопластиковый композитный AFP с FFF с использованием необеспеченного и/или наполненного рубленым волокном филамента».

Аллен: «AFP на самом деле является аддитивным производственным процессом. В SCRAM мы используем его не в обычном способе с жестким стационарным инструментом, а печатаем инструмент, который затем можно вымыть, создавая действительно сложные геометрии, которые являются несущими».

Браун: «Мы можем разместить этот растворимый инструмент в местах, которые не заблокированы геометрически, чтобы создавать внутренние полости. Цель — не конкурировать с нашими крупными AFP-системами, а сделать максимально ловкую систему, максимально близкую к 3D-принтеру. Сделать это с истинными шестью степенями свободы и точностью — очень сложно. Получившаяся ячейка исключает крепежи и клеи, производя интегрированные сложные детали, которые можно очень быстро итерировать».

Высокая производительность для авиации

Браун: «Начальные приложения в авиации и обороне заставили нас начать с PEEK [полиэтериэтеркетон]. Затем мы работали с PEKK [полиэтеркетонкетон] и низкоплавикими PAEK [полиарилэтеркетоны] с драматическим успехом».

Бишоф: «Коэффициент термического расширения (КТР) — ваш главный враг. Именно поэтому использование PEEK так сложно — он любит кристаллизоваться и усаживаться. Хотя КТР для PEKK и других PAEK не равен нулю, их кристаллическая структура гораздо более контролируема и поэтому легче в работе. Альтернативные PAEK также предлагают намного лучшую технологичность и более высокую скорость укладки».

Аллен: «Термические градиенты нужно избегать из-за проблемы КТР, поэтому стараетесь держать процесс и деталь как можно более изотермическими. Иначе получаете деформацию. Использование нагреваемой камеры обязательно — даже если не держите высокую температуру — просто чтобы исключить сквозняки и чтобы одна часть печати не была при другой температуре, чем остальная».

Лазерная ячейка

Браун: «Многое, что позволяет эту систему, не существовало, когда мы начинали — включая PAEK-ленту, компактный высокомощный лазер, который мы используем, и настоящее CAM-пО для 6-осевого аддитивного производства».

«Голова SCRAM использует две сопла для 3D-печати по обе стороны от AFP-системы [фото в начале]. Одно печатает растворимый инструмент, другое — необеспеченный или рублено-волокнистый филамент. Видно, что одно оборудовано настилкой. Она держит набор зеркал для перенаправления лазерного луча вокруг кончика сопла и нагрева подложки. Это позволяет достичь исключительной межслойной прочности на сварке по сравнению с традиционным FFF. Светоисточники на системе — для освещения детали для камер [Рис. 2]. Мы используем их повсеместно, чтобы оператор мог безопасно видеть происходящее без опасности от лазера».

Материальные форматы и пористость

Браун: «Мы опробовали многие материалы, большинство из них сделаны под наши требования по волокну, смоле, объемной доле волокна и размерам. Недавно экспериментируем с более доступными коммерчески раскроенными токами. Рублено-волокнистые филаменты для FFF также делаются под наши спецификации с использованием той же смолы и волокна, что и для непрерывных лент. Использовали филаменты диаметром 1, 3,5 и 6,35 мм. Можем больше, но пока не было нужды».

«Достигаем 50-60% объемной доли волокна для AFP, но существенно меньше для FFFF-частей, так как они экструдируются. Пористость на уровне традиционных out-of-autoclave процессов, но драматически снижается по мере уточнения процесса. Используя материалы исключительного качества в лабораторных условиях, достигли пористости ниже 0,5%, измеренной КТ-сканированием. Как всегда, огромное количество переменных влияет на это число, и при производстве очень сложных деталей сохранение низкой пористости — вызов. Провели множество деструктивных и неразрушающих испытаний деталей и куpons, изготовленных на системе».

Высокоточный роботизированный контроль

Бишоф: «SCRAM обеспечивает высокоточную роботизированную технологию. Стандартные промышленные роботы — доступное решение для 6 степеней свободы при укладке и печати, но они ни в коем случае не достаточно точны для авиационного AFP. Мы годами разбирались, как применять эти роботы к авиационным AFP-системам. Нужно глубоко понимать фундаментальные проблемы достижения точности. У нас целая робототехническая группа из 60-70 инженеров, и это всё, чем они занимаются».

«Достичь высокой позиционной и траекторной точности — невероятно сложная задача. Есть неточности робота (КТР робота, люфты, вибрации и т.д.), внешней оси, калибровки точки инструмента, вращающегося обрамления детали и других источников. Неучет любого из них может быть катастрофическим при печати в истинном 3D-пространстве. Для решения мы выбрасываем родной контроллер робота и управляем всем через Siemens CNC. Затем добавляем запатентованную Electroimpact вторичную обратную связь на все оси робота, что снижает допуск с 30-40 милов [0,76-1,0 мм] до ±15 милов [0,38 мм]. Затем применяем высокопорядковую кинематическую компенсацию, достигая ±10 милов [0,25 мм]».

Скорость, наконечники и вращающийся стол печати

Браун: «Мы используем in-situ консолидацию, поэтому скорость нанесения не будет близка к термореактивным препрег-лентам. Это робот, а не крупная жесткая портальная платформа (как AFP), созданная для высоких скоростей. Скорость — не только укладка и печать, но и лид-тайм на инструмент. Реальная метрика: как быстро можно иметь в руках цифрово-изготовленную деталь?»

«Деталь на видео — 36 дюймов высотой (с напечатанной базой более 4 футов) и диаметром 16 дюймов. Если работать без остановки в сменах, можно произвести за пару дней — невероятно короткое время для получения детали в руках. Детали производятся прямо из CAD-файла, так что для итерации меняете CAD, перегенерируете траектории и печатаете новую деталь».

Аллен: «Сейчас для печати поддерживающего инструмента у нас масштабированный филаментный процесс. Пропускная способность медленная, что влияет на время печати. В июле мы ввели в эксплуатацию первый наконечник с винтовым экструдером для гранул. Это увеличит выход, но даст толстые швы, поэтому добавим фрезерный наконечник для обработки напечатанной поверхности».

Браун: «Будем иметь семейство совместимых наконечников, которые робот может автоматически брать и класть, выполняя широкий спектр аддитивных и субтрактивных функций. Процедура смены наконечника полностью автоматизирована — стандартная фича на всех наших AFP-системах и SCRAM. Весь наконечник крепится к роботу через модуль автоматического смены инструмента, есть стойки для хранения».

«Система печатает на внешнюю вращающуюся ось, управляемую CNC. Это нужно, потому что робот один не может достичь каждой точки на деталях, которые мы хотим делать. В перспективе поставим систему на рельсы для более крупных деталей, но сначала хотим отработать на этом масштабе. Обсуждали два робота, философски понимаем как. (У нас есть опыт интегрированных многороботных систем.) Но когда два робота работают в перекрывающихся зонах, управление становится крайне сложным».

Будущее гибкое производство становится возможным

Браун: «Эта многофункциональная ячейка даст ценность конечному заказчику. Ей не всегда нужно производить детали с непрерывным волокном. Добавляя экструзию и фрезеровку к укладке непрерывного волокна, мы расширяем диапазон и гибкость. Например, некоторые продемонстрированные структуры имеют субтрактивные функции внутри сборки детали. Робот затем проверяет поверхность и закрывает полость. Сейчас это невозможно без множественных этапов, спецоснастки и/или финальной сборки».

«Но есть тема еще шире, чем просто производство деталей. Долгосрочно этот подход может драматически сменить способ проектирования и производства авиационно-оборонных систем. Больше ни одна производственная линия не будет посвящена одному продукту. Вместо этого производство будет гибким. Если можно сократить оснастку, можно сократить запасные части на полках. Эта гибкость влияет на всю цепочку поставок, включая сокращение отходов из-за истечения срока годности материалов».

Бишоф: «С небольшим набором ячеек SCRAM и цифровыми проектами вам нужно держать на складе только сырье, вместо десятков жестких инструментов и термореактивных материалов с ограниченным сроком годности».

Браун: «Еще есть путь до настоящего такого производства, но теперь ясно видно, как это возможно».