Пионерство анизотропной 3D-печати композитов для передовительного аддитивного производства

Основанная в 2014 году CEO Федором Антоновым, Anisoprint (Эш-сур-Альзетте, Люксембург) — одна из растущего числа технологических компаний, продвигающих 3D-печать композитов с непрерывным волокном. Однако она предпочитает быть известной как пионер в движении аддитивного производства (AM) от металлов к композитам.

«Направленные свойства композитов — это преимущество, а не недостаток», — говорит Антонов. «Унинаправленные углеродно-волокнистые композиты сильнее и легче металлов. Обычное производство и AM на базе металлов рассматривают направленную анизотропию композитов как недостаток, который нужно смягчить. Но подход Anisoprint использует эту анизотропию, ориентируя и укладывая волокна для точного соответствия структурным нагрузкам, значительно снижая вес детали при сохранении высокой прочности и жесткости».

Обеспечение более эффективных композитов

Антонов указывает, что обычное производство композитов использовало практики из металлургии, включая квази-изотропные ламинаты, сверление отверстий и механические крепежи. «Эти аннулируют преимущества веса и производительности композитов», — говорит Антонов. «Технология Anisoprinting предоставляет намного более быстрый и гибкий автоматизированный метод производства». Она также предлагает способ достижения более эффективных структур, теперь выдаваемых программами топологической оптимизации и генеративного дизайна.

«Природы наиболее эффективные структуры, как деревья и кости, используют направленные свойства, ориентируя несущий материал в основном вдоль путей нагрузки», — утверждает Антонов. Однако эти типы топологически оптимизированных структур трудно производить. Например, решетчатые структуры, которые обеспечили прочные и легкие адаптеры обтекателей полезной нагрузки для космических аппаратов, обычно производятся филаментной намоткой. Однако топологически оптимизированная версия, предлагающая дополнительные 30% экономию веса, больше не легко производится обычными композитными процессами, ни более недавним автоматизированным укладкой волокна (AFP).

«Обычные анизогрид филаментно-намотанные структуры достигаются с использованием канавок в оснастке, и относительно низкая объемная доля волокна в ребрах позволяет их пересечение», — говорит Антонов. «Эти типы анизогрид структур были нашей первоначальной целью. Но это не работает с AFP, потому что ваша объемная доля волокна всегда постоянна, и пересечение ребер без резки волокон или локальных вариаций толщины невозможно».

Управление волокном

Управление волокном — это техника, применяемая сейчас к производству композитов с использованием AFP, которая позволяет укладывать волокна по криволинейным траекториям — AFP традиционно использовал прямые линейные пути. Управление волокном позволяет оптимизировать путь волокна, и таким образом механический ответ композитной панели, для демонстрации более высокой производительности, чем с обычными ламинатами. В одном примере этот подход производит композитную подложку панели для солнечного массива космического аппарата, которая имеет на 44% более высокую первую собственную частоту (минимизирует амплитуду вибраций и позволяет быстрее затухание) чем эквивалентная обычная панель с прямыми путями волокон и той же массой. Альтернативно, панель более низкого веса может быть достигнута для той же частотной производительности.

«Anisoprinting — это комбинация решетчатых структур и управления волокном, используемая для достижения топологически оптимизированных деталей», — говорит Антонов. «Это ключевая технология для печати композитов. Например, как построить панели фюзеляжа коммерческого самолета, которые имеют вырезы или отверстия?»

Он дает три разных техники, которые используются для производства композитных образцов одинаковой толщины и веса, каждый со СНК-сверленными отверстиями (см. таблицу ниже). Он отмечает, что при испытаниях на сжатие образец, сделанный с управлением волокном, имеет предельную нагрузку на сжатие в два раза большую, чем квази-изотропный композит («черный алюминий») и на 30% выше против UD ламината постоянной жесткости. «Таким образом, управление волокном — мощный инструмент», — говорит Антонов. «Anisoprinting будет двигаться в сторону AFP управления волокном по мере увеличения объемной доли волокна и производительности, и AFP будет двигаться к нам с большей гибкостью».

«Гибкость», на которую ссылается Антонов, — это мера того, насколько возможно укладывать волокно вдоль любого пути в трехмерном пространстве. Arevo, другая компания, коммерциализирующая 3D-печать с непрерывным волокном, заявляет, что имеет этот тип гибкости. «Технология Arevo не сильно отличается от компаний AFP вроде Coriolis, Automated Dynamics, Electroimpact и т.д.», — говорит Антонов. «Они просто миниатюризировали её и вместо тонкой и широкой ленты используют толстую и узкую с лазерной головкой AFP. Это всё то же самое». Обратите внимание, что технология 3D-печати Arevo была робототехникой с самого начала. Как технология Anisoprint изменится при переходе на робототехнические платформы?

История Anisoprint и подход TS-TP

Антонов и его сооснователи (Андрей Азаров, Алексей Хазиев, Михаил Голубев и Зафер Гюрдал) были в новом университете в западной части Москвы под названием Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech), основанном в 2011 году. В 2014 году Антонов работал над построением нового центра Skoltech для технологий композитов и начал развивать 3D-печать. Директор центра композитов в то время был Зафер Гюрдал, который ушел в 2015 году, вернувшись в Центр МакНейра в Университете Южной Каролины. Последний теперь известен своим R&D в композитах и 3D-печати с непрерывным волокном.

«Мы решили выделиться из Skoltech, когда Зафер Гюрдал ушел», — объясняет Антонов. «К лету 2015 года мы разработали прототип головки печати CFC. Наша следующая цель — разработать настольный принтер».

Anisoprint представил свой настольный принтер Composer в 2017 году. Похоже на принтеры Markforged с непрерывным волокном, Composer Anisoprint использует два печатающих сопла: одно для непрерывного волокнистого армирования и одно для пластиковой матрицы. Размещенный в стеклянной печатающей камере, стеклянный стол Composer может нагреваться до 120°С, что позволяет минимизировать эффекты от усадки. В настоящее время он доступен в двух размерах:

• A3 (420 на 297 на 210 миллиметров)
• A4 (297 на 210 на 147 миллиметров)

Со стандартным диаметром сопла 0,4 миллиметра, скорость печати Composer указывается как 10–80 мм/сек без армирования и 1–20 мм/сек с непрерывным волокнистым армированием. Anisoprint может экструдировать многие пластики, включая PLA, PETG, ABS, нейлон и PC. Он может армировать их своими композитными материалами углеродного волокна (CCF) и недавно запустил композитный базальтовый волокнистый (CBF) печатающий материал.

Однако Anisoprint довольно отличается от других технологий 3D-печати с непрерывным волокном тем, что он сначала пропиткивает непрерывное волокнистое армирование термореактивным полимером, а затем экструдирует это в расплавленное термопластичное филамент во время печати. «Этот двухматричный подход обеспечивает низкую пористость, хорошее сцепление волокна с полимером и отличные механические свойства», утверждает Антонов.

Он продолжает: «Изобретатель филаментно-намотанного анизогрида для адаптера полезной нагрузки носителя Протон-М, В.В. Василиев, который в нашем совете советников, на самом деле показал, что эта идея использования двухматричных термореактивных-термопластичных (TS-TP) материалов имеет преимущества над использованием одиночной термореактивной или термопластичной матрицы. Материалы термореактивной матрицы имеют проблемы с ломкостью, так что матрица начинает трескаться гораздо раньше, чем волокно ломается. Василиев доказал, что он мог смягчить это двухматричным подходом».

Термореактивный, который использует Anisoprint — многоэпоксидный компонент, и конечные печатаемые ламинаты имеют содержание волокна до 45%, как протестировано Техническим университетом Мюнхена (TUM).

Робототехническое развитие против настольного

«Робот имеет другую печатающую головку, потому что вам нужно двигать головку, чтобы она вписывалась и достигала в ограниченные пространства во время печати», — объясняет Антонов. «В 2D плоскости это не проблема. Но в 3D пространстве вам нужно положить волокно туда, где уже есть некоторая структура. Идеальная доступность достигается с иглой. Поэтому нам нужен компромисс, более иголообразная печатающая головка».

Он отмечает другие различия, такие как промышленные контролы. «Настольные принтеры основаны на потребительской электронике, такой как Arduino. Но для более крупных робототехнических систем вам нужны промышленные управление движением и интерфейсы и всевозможные in-situ системы качества, такие как лазерное измерение, которое есть у Markforged на их более крупной машине. Вам также нужно модифицировать датчики и контролы нагрева/охлаждения». Он добавляет, что всё это требует времени и ресурсов, и их приоритет за последние два года был развитием настольной машины, но теперь они работают и над робототехническими системами.

Программное обеспечение: Aura

Антонов описывает программное обеспечение Anisoprint как гибкое, позволяющее и начинающим, и продвинутым пользователям. «Программное обеспечение легко использовать, но важно, чтобы R&D лаборатории имели способность менять параметры печати», — объясняет он. Действительно, клиенты включают исследовательский институт MFPA (Веймар, Германия), Brightlands Materials Center (Гелен, Нидерланды) и Технический университет Мюнхена, а также производителей, включая Schunk Carbon Technology, Airbus и BMW.

Партнерства для продолжения решений

Anisoprint, который позиционирует себя как открытая материальная платформа, также ищет развитие большего числа партнерств для новых печатающих материалов и деталей. В июне они анонсировали соглашение с мальтийским Thought3D для использования их клеев Magigoo. Они приклеивают первый печатающий слой к столу, предотвращая отслаивание детали. «Плохое сцепление первого слоя — одна из самых частых проблем, которая может испортить напечатанные детали, и не обязательно в начале сборки», — объясняет Антонов. «Это особенно важно для нашей открытой материальной системы, где клиент может выбирать из разных типов термопластиков. Каждый требует разных параметров печати, и поэтому мы ввели несколько настроек первого слоя в нашем слайсере Aura. Именно поэтому мы включим палочки Magigoo в каждую коробку Composer, чтобы убедиться, что у наших клиентов будет подходящее решение в руках для хорошего сцепления первого слоя».

Применения Anisoprinting

Anisoprint заявляет, что его технология может применяться во многих областях, от авиации до потребительских продуктов и здравоохранения. Один пример — опора сиденья самолета, выдерживающая 1,5 тонны нагрузки с 40% снижением веса против алюминия. С 100 такими креплениями в среднем однопролетном пассажирском самолете, это снижение веса может складываться в значительную экономию топлива и общих эксплуатационных расходов.

Другой случай — поршень для формовки йогуртовых стаканчиков, используемый в молочной производственной линии. Такие поршни обычно делаются из фрезерованного полиамида, но замена таких деталей при повреждении занимает три месяца, с остановкой производственной линии на это время. Деталь, напечатанная принтером Anisoprint Composer, как сообщается, имеет более длительный срок службы и сокращает простои производственной линии с 3 месяцев до 24 часов.

«Anisoprinting позволяет проектировать и производить оптимальные композитные структуры через коэкструзию композитного волокна», — говорит Антонов. «Термопластичные полимеры армируются непрерывными волокнами, консолидируются и отвердевают в рамках одностадийного полностью автоматизированного процесса, без постобработки. В результате мы получаем детали, которые в несколько раз прочнее, легче и дешевле традиционных металлов и пластиков и превосходят также обычные композиты».