Закажите обратный звонок +7 (901) 701-39-79 info@3dnetprint.com
Ежедневно с 09:00 до 21:00

Доступная карбоновая 3D печать у вас дома

3D печать композитными материалами

Опубликовано: 2016-07-20 23:08:21
Просмотров 24265

Здравствуйте, друзья и коллеги!

Я хочу написать, большой (не рекламный, хотя и рекламного-то никогда не было) пост о нашей разработке. Кое-кто из вас, наверное, читал пост годичной давности на GeekTimes (не мой, правда), некоторые видели живьем, некоторые слышали мои лекции или выступления, но большинство, скорее всего, даже не подозревает, о чем я хочу сейчас рассказать. Итак, вперед!

Все вы конечно знаете, что такое 3D-принтер. Особенно, если речь идет об FDM 3D-принтере. Все мы знаем, на что эти машины способны и прекрасно знаем, на что они не способны. А не способны они печатать функциональные детали, за редким исключением. То есть те детали, которые применяются в конструкциях реальных изделий, а не их макетов, моделей или прототипов. Почему? Ключевая причина - физико-механические характеристики, то есть, в первую очередь, прочность и жесткость материала.

Научный подход
Давайте посмотрим на цифры

Предел прочности алюминиевого сплава (дюраля) Д16Т составляет, примерно, 450 МПа, модуль упругости 70 ГПа. Для PLA пластика соответствующие значения будут, примерно, 30 МПа и 2 ГПа. Разница по прочности в 15 раз, по модулю в 35 раз. Возьмем самый крутой полимер, доступный сейчас на рынке для 3D-печати. Это, конечно, полиэфирэфиркетон (ПЭЭК, PEEK), например, от немецкой Indmatec. Прочность 98 МПа, модуль 4 ГПа. Уже лучше, но разница, все равно, колоссальная.

Модуль упругости - это коэффициент, характеризующий сопротивление материала растяжению или сжатию при упругой деформации.

Прочность - это максимальные напряжения, которые может выдержать материал, а напряжения - это сила, отнесенная к площади, так что можно сделать деталь в 4.5 раза толще, и она будет выдерживать такую же нагрузку, но тогда увеличивается ее масса.

А что с массой? Плотность алюминия 2,7 г/см3, ПЭЭК - 1,3 г/см3, так что одна и та же деталь (в смысле, выдерживающая одни и те же нагрузки) из ПЭЭК будет, примерно, в 2 раза тяжелее алюминиевой. Конечно, благодаря особенностям 3D-печати можно сделать деталь топологически оптимальной и выиграть в весе за счет более сложной формы конструкции, но не в 2,5 раза!

Что же делать?

Вариант 1 - SLS/SLM/EBM и прочие металлические технологии печати. Но это слишком дорого, и, как правило, промышленность не может себе позволить такие издержки. Тем более не могут себе это позволить простые, так сказать, мэйкеры.

Вариант 2 - композиты. Начну издалека. Как говорит нам Википедия, композит - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. Самые простые примеры композитов вокруг нас - железобетон, ДСП, природные структуры (дерево, кортикальная кость, и др.). Основная идея проста: есть армирующий наполнитель, прочный и жесткий, как, например, арматура в железобетоне, и связующее - материал, заставляющий работать элементы армирующего наполнителя вместе и перераспределяющий нагрузку между ними. Ни для кого не секрет, что из композитов делается львиная доля корпусов ракет, яхт и небольших судов, лопасти ветрогенераторов, фюзеляжи легкомоторных и многих современных широкофюзеляжных самолетов, таких как, например, Boeing 787 Dreamliner или Airbus A350XWB, корпуса гоночных автомобилей и даже элементы некоторых серийных машин, например BMW серии i. Вообще тут стоит сказать, что композиты бывают очень разные: армированные частицами, короткими или рублеными волокнами, непрерывными волокнами, хаотически или направленно. "Король" конструкционных композитов - углепластик, или в просторечии карбон - это полимер, армированный направленными непрерывными углеродными волокнами. Именно из углепластика делаются корпуса ракет, самолетов, болидов формулы-1 и множество других хай-энд изделий и не только.

Для наглядности, вернемся к цифрам. Прочность угленаполненного (хаотически армированного рубленным углеволокном) ПЭЭК (например, Victrex 150CA30) составляет 265 МПа, модуль упругости – 28 ГПа. Это примерно в 2-3 раза меньше, чем у дюраля. Конструкционный углепластик имеет прочность (тут, внимание) при растяжении вдоль направления армирования порядка 2500 МПа, что на порядок больше, чем у хаотически армированного, в разы больше, чем у дюраля, больше чем у титана и любой закаленной мартенситной стали. Модуль упругости (опять же) при растяжении вдоль направления армирования 150 ГПа, плотность – 1,5 г/см3.

Прочность при растяжении поперек волокон у углепластика составляет порядка 50 МПа, модуль упругости – 10 ГПа. Сразу видно, что главная особенность такого материала заключается в направленном характере свойств. То есть этот материал обладает уникальными характеристиками вдоль направления укладки волокон, и значительно более скромными - поперек. Такая особенность материала называется анизотропией . Многие считают анизотропию главным недостатком композитов и проектируют изделия так, чтобы материал стал «квазиизотропным» - то есть слои однонаправленного углепластика укладываются друг на друга в разных направлениях, и свойства как бы размазываются во всех направлениях равномерно. Этот подход в авиации еще называют «черный алюминий». Так до сих пор проектируется большинство самолетов.

Этот подход в корне неверный. Анизотропия – это основное достоинство композитов! Все очень просто: чудес в природе не бывает. Не может быть материал одновременно доступным, технологичным, легким, прочным и жестким, да еще и во всех направлениях одинаково (даже в тех, где это не нужно).

Уникальность композитов заключается именно в том, что они позволяют искусственно выделить некоторое локальное внутреннее направление и как бы сфокусировать все свойства именно в этом, выделенном направлении. Поэтому композиты должны проектироваться так, чтобы основные внутренние усилия (напряжения) распределялись в материале при действующих нагрузках именно вдоль направления укладки волокон. А еще углепластик крайне нежелательно сверлить, фрезеровать, резать и бить по нему кувалдой, о чем некоторые, кстати, часто забывают.

Вообще, к сожалению, существующие технологии производства изделий из композитов позволяют изготавливать оптимальные с точки зрения схемы армирования детали в очень ограниченном наборе случаев. Иными словами, отсутствуют технологии изготовления изделий произвольной формы из композитов с заранее заданной внутренней структурой (схемой армирования). Тут и приходит на ум концепция 3D-печати или, вернее сказать, ЧПУ экструзии. Так что вернемся к теме.

Обзор
А вообще есть кто-нибудь?

Что сделано в мире в области 3D-печати композитов? Оказывается, не так уж и много. В основном это материалы на основе рубленых волокон для SLS (например, Windform XT), с прочностью порядка 90 МПа, для FDM (например, WiColorfabb XT-CF20) с прочностью 76 МПа, а также ряд других аналогичных продуктов и проектов.

Но все же рубленое волокно — это рубленое волокно. Из непрерывных волокон на рынке сейчас представлена только американская компания MarkForged со своими принтерами The Mark One и The Mark Two.

Тут уже мы имеем прочность 700 МПа, что больше дюраля и сравнимо с титаном. Модуль упругости – 45 ГПа. Что ж, очень неплохо. А что по поводу цены? «Голый» принтер The Mark One стоит от £2990, а The Mark Two стоит от $5500, в то время как за 50 см куб. материала основатель компании Грег Марк просит $150, то есть чуть меньше $3000 за килограмм.

Здесь, конечно, справедливости ради, следует отметить, что машина у них действительно отличного качества. Среди минусов можно отметить следующие:

  • «облачный» софт, который сильно ограничивает возможности машины.
  • малая область печати — 300х160 мм.
  • высокая цена.

Есть также ещё ряд научных проектов в этой области. Среди которых, в первую очередь, стоит отметить японцев из Токийского университета, коллективы Orbital Composites и Arevo Labs. Еще есть футуристический концепт Freespace Composites , но там, к сожалению, не видно никакого прогресса.

Такой подход позволяет изготавливать на 3D-принтере реальные силовые конструкционные детали для использования в элементах аэрокосмической, автомобильной техники, для персональной медицины и спорта. Причем все это можно делать у себя дома или в офисе.

Анизопринт
Соединяем мир 3D-печати с миром высокопрочных композитных материалов

Теперь, наконец, о том, что сделали мы - с картинками, по которым все соскучились. Мы долго занимались проектированием и оптимизацией изделий из композитов и независимо от MarkForged пришли к идее ЧПУ коэкструзии волокна с пластиком как новой универсальной автоматизированной технологии изготовления изделий из композитов. И нашли изящное решение основной проблемы.

Так в чем же проблема? Казалось бы, все очень просто. Взял FDM принтер и засунул в струйку расплавленного пластика углеродное (или стеклянное, арамидное, базальтовое) волокно - и все получится. Но на самом деле любое волокно состоит из сотен, а то и тысяч (как в случае углеродного волокна) микронных нитей. Расплав термопласта имеет достаточно высокую вязкость, и в отличие от существенно более текучих реактопластов, не всасывается внутрь волокна за счет капиллярного эффекта и не заполняет пространство между нитями, а лишь обволакивает волокно снаружи, и композита не получается.

Для решения этой проблемы можно, как, например, MarkForged, заранее изготавливать пропитанное термопластом композитное волокно на специальной установке термопластичной пултрузии и потом использовать это волокно для печати. Но для этого требуются большие давления, относительно высокие усилия протяжки, которые при таком маленьком диаметре фильеры вызывают повреждение значительного объема нитей, необходимость подбора параметров для каждого нового типа пластика вплоть до полного перепроектирования пултрудера. Мы пошли другим путем – в отличие от MarkForged наш экструдер имеет 2 входа: один для армирующего волокна, другой - для пластика.

Таким образом мы можем использовать разные типы пластиков, а также варьировать объемной долей волокна в материале за счет изменения скорости подачи пластика. А волокно мы изготавливаем отдельно, на собственной установке, пропитывая специальным составом, который обеспечивает, с одной стороны, пропитку волокна, а с другой – его адгезию к пластику в процессе печати. Таким образом, мы получаем трёхкомпонентный, или двухматричный, композит, в котором один полимер склеивает между собой нити внутри волокна, а другой – полученное композитное волокно. Вот примерно так выглядит наша печатная головка, установленная на раму от Prusa i3 Hephestos 2, на выставке в Париже.

Вот некоторые примеры изделий, изготовленных при помощи нашей технологии.

А вот, наконец, физико-механические характеристики: прочность при растяжении 740 МПа, модуль упругости 50 МПа. Как у MarkForged, но нам есть куда расти. Если вы посмотрите теперь на изделия MarkForged и на наши изделия, то становится сразу видно, что у MarkForged объемная доля волокна в конечном изделии невелика, что может давать существенное преимущество с точки зрения жесткости конструкции (при использовании «сэндвичей»), но по прочности от обычного пластика сильно отличаться не будет. В наших изделиях мы стараемся реализовать все преимущества композитов – гибкое управление ориентацией армирования и объемной долей волокна, а также показать преимущества сетчатых анизогридных конструкций.

Если Вы желаете распечатать свои идеи из композитов на 3D-принтере, то обращайтесь к нашему другу и партнёру 3DNetPrint.

Следите за нами на Facebook.

Copyright Фёдор Антонов © 2016

Генеральный директор компании "Анизопринт"