Композитная 3D-печать: растущая технология, готовая к промышленному воздействию

Композитная 3D-печать, хотя и الناشющая, обладает огромным нереализованным потенциалом.

По отчёту SmarTech Analysis, рынок композитной 3D-печати к следующей десятилетию достигнет почти 10 млрд долларов — существенная возможность роста.

Статья рассматривает преимущества, готовые к рынку технологии и реальные применения, движущие композитную 3D-печать вперёд.

Что такое композит?

Композиты сочетают полимерную матрицу с усиливающим материалом — короткими (chopped) или непрерывными волокнами. Полученный материал предлагает превосходную прочность и жёсткость по сравнению с неусиленными полимерами и во многих случаях может заменять металлы вроде алюминия.

Эти улучшенные свойства делают композиты востребованными для оснастки и конечных деталей в аэрокосмике, автопроме, промышленных товарах и нефтегазовом секторе.

Преимущества композитной 3D-печати

Традиционное композитное производство часто требует ручной укладки, дорогого оборудования для отверждения и формовочной оснастки — делая процесс трудоёмким, капиталоёмким и сложным для масштабирования. 3D-печать автоматизирует весь рабочий процесс, управляемый ПО, с минимальным ручным вмешательством, нужным только на постобработке.

Ключевые преимущества: сокращение материальных отходов, более быстрый turnaround и способность создавать сложные геометрии, невозможные конвенциональными методами.

Непрерывные vs короткие волокна

В 3D-печати используются два типа волоконного усиления: короткие волокна — нити под миллиметром, смешанные в полимер, и непрерывные волокна — длинные нити, интегрированные с термопластиками вроде PLA, ABS, Nylon, PETG и PEEK. Детали с непрерывными волокнами лёгки, но соперничают с металлом по прочности.

Углеродное волокно — самое популярное усиление, за ним стекловолокно и кевлар.

Технологии композитной 3D-печати на рынке

К 2020 году рынок всё ещё был в зачаточном состоянии, доминировали системы Fused Filament Fabrication (FFF), экструдирующие термопластиковый филамент. FFF обрабатывает филаменты с короткими волокнами закалённой стальной соплой, а непрерывное волоконное печать требует второй соплы для осаждения непрерывной нити.

Markforged: пионер непрерывной волоконной печати

Markforged ввела непрерывную волоконную 3D-печать в 2014 году с Mark One. Принтер использует две соплы — одну для пластикового филамента, другую для нитей углеродного волокна. Хотя новые модели сменили Mark One, базовая технология осталась неизменной.

Сегодня Markforged предлагает линейку настольных и промышленных принтеров, отличающихся в функциональном прототипировании и производстве конечных деталей и оснастки.

Технология Desktop Metal Micro Automated Fibre Placement (μAFP)

Desktop Metal расширила свою FFF-экспертизу в композиты с принтером Fiber, запущенным в ноябре 2019 года. Сочетая Автоматизированную укладку волокна (AFP) с FFF, система Fiber вкладывает непрерывное волокно в нейлон, PEEK, PEKK и стекловолокно-усиленный нейлон.

Подход μAFP снижает зависимость от ручной укладки, сокращая затраты на труд и ускоряя производство мелких композитных деталей: приспособлений, фикстур и лёгких гоночных компонентов.

Технология Anisoprint Composite Fibre Coextrusion (CFC)

Российско-люксембургский стартап Anisoprint представил Composite Fibre Coextrusion (CFC) — экструзионный процесс, усиливающий пластик непрерывными волокнами прямо во время печати, без предварительной ламинации. Пользователи могут выбирать из PETG, ABS, PC, PLA, Nylon и регулировать плотность композитного наполнения.

Настольный принтер Composer от Anisoprint сменил промышленный ProM IS 500, способный на четыре сменные печатающие головки для многоматериальных и многокомпозитных деталей.

Композитная 3D-печать встречает робототехнику

Интеграция робототехники с композитной печатью расширяет гибкость объёма сборки и геометрическую сложность. Arevo, например, использует лазерную осаждение предпропитанного непрерывного углеродного волокна, нагреваемого лазером и сжимаемого роликом — зеркаля Direct Energy Deposition, используемое в металлической печати.

Осаждающая головка смонтирована на многоосевом роботизированном манипуляторе, позволяя осаждение слоёв в любой ориентации и устраняя типичную Z-направленную слабость конвенциональных слойных принтеров.

Continuous Composites

Американская Continuous Composites использует семиосевого робота для подачи сухого углеродного волокна в печатающую головку, пропитывающую его быстроотверждающейся фотореактивной смолой, отверждающей в полёте для поддержки-свободных сборок.

Fortify: Digital Light Processing для композитов

Технология Digital Composite Manufacturing (DCM) Fortify адаптирует Digital Light Processing (DLP) к композитным деталям. Магнитное поле выравнивает короткие углеродные волокна в фоточувствительной смоле, производя высокоточные композиты с контролируемой прочностью, жёсткостью и теплопроводностью в трёх измерениях.

Fortify фокусируется на оснастке, партнёрствуя с Royal DSM и Henkel после привлечения 10 млн долларов в серии A. Коммерческий запуск запланирован на следующий год.

Impossible Objects и Composite-Based Additive Manufacturing (CBAM)

Impossible Objects представила CBAM, где листы углеродного волокна струйно печатаются жидким связующим, затем покрываются полимерным порошком, прилипающим только к напечатанным областям. После повторного слоения стопка сжимается и нагревается для спекания порошка в усиленный композит.

Принтер CBAM-2, запущенный в 2019 году, обрабатывает листы 12×12 дюймов (≈30×30 см) и сейчас поддерживает PEEK, Nylon 12 и длинноволокнистый углерод или стекло. Дополнительные материалы в разработке.

Применения композитной 3D-печати

Композитная 3D-печать охватывает прототипирование, оснастку и конечные детали по множеству секторов.

Крупногабаритная оснастка для лопастей в авиации

Bell Helicopters сотрудничала с системой Large Scale Additive Manufacturing (LSAM) Thermwood для производства 6-метрового композитного инструмента для формовки лопастей вертолёта. Гибридный аддитивно-вычитательный подход LSAM позволил быстрое производство с тёсными допусками и автоклавной готовностью, сократив время производства оснастки с месяцев до дней.

Композитные подъёмные инструменты

Wärtsilä заменила тяжёлые стальные подъёмные инструменты на 75 % более лёгкий углерод-усиленный полимерный инструмент, напечатанный на Markforged X7. Инструмент поднимает 960 кг, а переход сэкономил 100 000 € в затратах на оснастку.

Велосипедные рамы из углеродного волокна

Роботизированный процесс печати Arevo создаёт рамы, равномерно прочные во всех трёх измерениях, адресуя анизотропию традиционной филаментной печати. Их рамы стоят около 300 $ — существенно ниже конвенциональных углеродных рам за 1000–2000 $.

Композитная 3D-печать: расширяем пределы производства

Хотя всё ещё молодая, композитная 3D-печать набирает тягу в производстве, предлагая более быструю, более автоматизированную производстве сложных композитных деталей. Она позволяет дизайнерам заменять металл высокопроизводительными, стоимостно-эффективными композитами, снижая материальные и трудовые затраты при сохранении прочности и долговечности.

Эти преимущества позиционируют композитную 3D-печать как стандартный инструмент в арсенале современного композитного производителя.