Как 3D-печать революционизирует производство композитов

По данным 3D Science Valley, композиционные материалы нашли применение во множестве сфер. Они предоставляют проверенные материалы и методы для производства ценных компонентов, особенно ключевых авиационных узлов. Применение композитов продолжает расширяться, а сегодня 3D-печать ускоряет этот прогресс. Развитие аддитивных технологий открывает путь к изготовлению деталей из композитов без форм, а также предлагает новые варианты производственных методов для отрасли.

Более гибкое производство композитов

Тренд развития 3D-печати — аддитивного производства направлен на многомерное углубление, ориентацию на серийное производство и расширение прикладного использования. Путь к индустриализации лежит через сочетание новых материалов и новых производственных процессов.

«Композит» — это, как правило, термореактивный или термопластичный полимерный байндер, армированный непрерывными или прерывистыми волокнами: углеродными, стекловолокнами или натуральными (джут, лен, арамид, базальт).

В авиации, например, в 1970 году пассажирские лайнеры не содержали композитов, а современный Boeing Dreamliner на 80% состоит из них. В автопроме GE в 1980-х заменила многие стальные детали (бамперы, корпуса воздушных фильтров) пластиковыми. Детали из углеродного волокна, изготовленные аддитивными методами, могут успешно замещать множество существующих узлов тем же путем.

Относительно авиации, самыми ранними возможностями для 3D-печати углеродных композитов в автопроме могут стать антикрылья, рули или ручки дверей, с последующим переходом к крупным структурным элементам.

Наиболее ценным конечным рынком для композитов сегодня является авиакосмическая отрасль. Там они применяются в обшивке фюзеляжа, стропелах, ребрах; крыльевых конструкциях (обшивка, длингоны, стропела); хвостовых узлах; дискретных компонентах (оконные районы, внутренние элементы: багажные отсеки, переборки). Стены внутри самолета также часто изготавливаются из композитов.

Другие крупные рынки по объему материалов — ветроэнергетика (лопатки ветряков из композитов).

Для производства композитов роль аддитивного производства заключается в более эффективном и быстром изготовлении деталей, которые трудно или невозможно получить традиционными методами при мелкосерийном или поштучном производстве. Аддитивные технологии делают это возможным, а использование непрерывных волокон при печати вносит элементы прочности и жесткости, выводя эксплуатационные свойства детали на новый уровень.

5 технологий 3D-печати композитов

1. Внутринасадная пропитка (In-situ impregnation): сухие волокна подаются в сопло, где матричный материал впрыскивается одним или несколькими входными каналами при коэкструзии. Матрица нагревается, а волокна пропитываются in-situ перед укладкой.

2. Коэкструзия с предпропитанной лентой (Co-extrusion with towpreg): вместо сухих волокон в сопло подается предпропитанная лента (towpreg/тонкая предпропитанная лента), нагревается и коэкструдируется с другим матричным материалом. Обычно матрица в обоих случаях одинакова. Исключение — Anisoprint, где матрица предпропитанной ленты термореактивна, а при коэкструзии — термопластична.

3. Экструзия towpreg (Towpreg extrusion): исходный towpreg нагревается и экструдируется без добавления других материалов.

4. Внутринасадная консолидация (In-situ consolidation): процесс аналогичен масштабированной версии автоматизированной укладки волокна (AFP) для термопластов: входящая термопластичная лента/предпропитанная лента консолидируется (плавляется и укладывается под давлением) непосредственно при укладке. Сырье нагревается внешним источником энергии в сопле, затем укладывается и консолидируется валиками под давлением.

5. Встроенная пропитка (Inline impregnation): аналогично 3D-намотке нити, волокно пропитывается по мере подачи в печатающую головку. Как и при экструзии towpreg, укладка происходит через сопло.

Развитие применения 3D-печати композитов

Какие детали можно уже производить из композитов, или производство которых станет проще благодаря аддитивным технологиям?

В авиации широко используются различные кронштейны и крепежи — особенно в аэродинамических конструкциях. Например, ряды рам и стропел внутри обшивки фюзеляжа. При текущем подходе для крепления рам и структур к обшивке требуются механические крепежи. Это выполняется с помощью сложных кронштейнов и крепежей, изготовленных традиционными методами (прессовка), но в будущем это можно делать эффективнее аддитивными технологиями в зависимости от объема и материаловых требований.

Конечно, 3D-печать композитов имеет прикладной потенциал не только в крупномасштабных проектах вроде авиации, но и в мелких сценариях.

Аддитивное производство делает композиты все более практичными для мелких, сложных и мелкосерийных деталей. Например, производитель композитов Hexcel использует свой процесс «HexAM» для 3D-печати компонентов беспилотников (UAV).

Когда речь идет о мелкосерийных, довольно сложных деталях, очевидным кандидатом на замену становится современная механически обработанная металлическая деталь. Замена металла композитами — основной вектор отрасли уже около 50 лет. Однако вызовы, которые ставят аддитивные композиты перед заменой металла, должны быть решены.

Поставщики услуг 3D-печати

На рынке сегодня много поставщиков услуг 3D-печати, что затрудняет выбор. В конце статьи рекомендуем профессионального провайдера — JTR Machine. Это одна из лучших компаний по 3D-печати в Китае. Они предоставляют клиентам комплексные продуктовые решения, выбирая 3D-печать или традиционную ЧПУ-обработку в зависимости от характеристик изделия, чтобы выполнить детали и продукты наиболее правильным образом. Если вам нужен такой профессиональный партнер для решения производственных задач, свяжитесь с нами.