Революция в композитах: аддитивное производство с непрерывным волокном от MOI Composites

Аддитивное производство с непрерывным волокном набирает обороты. По мере роста числа компаний, использующих и развивающих эту технологию, она несомненно сформирует будущее композитной промышленности.

Три ключевых преимущества

1. Изготовление без форм и оснастки — устраняет затраты и время на изготовление инструментов.
2. Многофункциональные структуры — возможность интеграции электропроводности, формупамяти, сенсорики.
3. Гибридное производство — ламинация поверх 3D-печати, фрезеровка в процессе печати, безграничные перспективы разработки материалов: от нитинониевых волокон с эффектом памяти формы до проводящих нанокомпозитов для жидкостного осаждения (LDM).

История MOI Composites

Компания Moi composites основана в феврале 2018 года инженером по материалам и профессором Маринелла Леви, инженером-конструктором Габриэле Натале и архитектором Микеле Тониццо. В 2013 году проф. Леви начала работать с 3D-печатью в Политехнике Милано. К 2014 году она создала +LAB в кафедре химии, материалов и химической инженерии «Джулио Натта». Её видение — объединить НИОКР, обучение и инновации в материалах, собрав инженеров, дизайнеров, исследователей и мекеров в мультидисциплинарный хаб аддитивного производства.

Хронология ключевых достижений

• 2014 — первый инструмент для 3D-печати термореактивных композитов с непрерывным волокном
• 2015 — патент WO2017085649A1
• 2016 — партнерство с Owens Corning и KUKA Robotics, проект и система печати Atropos
• 2017 — премия JEC Innovation Award, партнерство с Autodesk, финалист James Dyson Award, партнерство с COMAU

«Мы создали moi composites, чтобы производить коммерческие детали и участвовать в международных проектах», — объясняет Микеле Тониццо. «Мы открыли огромный рынок. Изготавливаем биомедицинские компоненты, детали для судостроения, нефтегаза и авиации, преимущественно из стекловолокна. Технология CFM позволяет создавать уникальные решения, невозможные традиционными методами».

Спектр смол и волокон

Система Atropos демонстрировала печать не только слой за слоем, но и вдоль нелинейных кривых, используя УФ-отверждение. «Сейчас мы печатаем УФ-отверждающимися эпоксидными, акриловыми и винилэфирными смолами», — говорит Тониццо. Акрил подходит для архитектурных деталей (прозрачен, не требует термической пост-отвержки), винилэфир — для морских, эпоксидка — для нефтегаза и авиации. Tg наиболее используемой винилэфирной смолы ~140 °C.

С углеродным волокном УФ-отверждение проблематично из-за непрозрачности и черного цвета. Компания исследует альтернативные матрицы и методы отверждения. Успешно печатают базальтовое волокно (полупрозрачное, коричневатое) и тестируют натуральные волокна. Достигнуто печатать стекловолокно до 2400 текс.

Проводящие волокна (включая нитинон с эффектом памяти формы) позволяют создавать формуменяющиеся структуры, например, для снятия напряжений в предварительно напряженных конструкциях.

3D-печать как часть гибридного производства

Atropos использует робота KUKA с рабочей зоной 0,5×0,5×0,5 м. Второе поколение — робот Comau (1,0×0,5×0,8 м). Технология масштабируется: демонстрировались роботы с вращательными столами и объемом 1,5×1,5×1 м.

Разрабатывается третье поколение универсальной печатающей головки с системой надавливания волокон, датчиками, резаком и фрезерным инструментом. Это сближает 3D-печать с автоматизированной укладкой волокон (AFP). «3D-печать не достигает производительности AFP, но CFM дает большую гибкость. Уже печатаем волокна толщиной 0,25 мм с идеальной укладкой по кривым», — отмечает Тониццо.

Пример гибридного подхода: 3D-печать внутреннего каркаса с подрезами и умной ориентацией волокон, затем ручная ламинация углеродным тканом и эпоксидкой с вакуумной отвержкой (VBO). Так создан протез SuPeRIOR — все внутренние элементы из одного непрерывного стекловолокна, внешняя оболочка — ручная укладка углерода. Конструкция снижает прогиб, повышает кастомизацию, резко сокращает стоимость и время производства.

Воксельная оптимизация и программное обеспечение

Проектирование сочетает воксельные алгоритмы Autodesk с алгоритмами оптимизации напряжений и траекторий Moi. Процесс итеративен, требует инженерных решений, а не полной автоматизации ИИ.

Мультиматериальное будущее и рыночный потенциал

Перспективы почти безграничны: от «плетения» непрерывным волокном до печати геополимеров (бетоноподобных материалов) для строительства. Owens Corning заинтересован в демонстрации стекловолокна с керамическими и бетонными матрицами — актуально для цифрового производства, энергоэффективного строительства, префабрикации и устойчивого развития.

«Мы определенно продолжим работу в этом направлении, а также с новыми полимерами и волокнами», — резюмирует Тониццо.

Продажа станков планируется в будущем. Сейчас фокус — производство деталей и внедрение технологии на объектах клиентов с использованием собственного ноу-хау, печатающей головки и ПО. Компания ищет инвесторов для масштабирования CFM-станков и процессов под коммерческие возможности.