Производство композитов в сущности является аддитивным процессом и всегда было связано с конструктивной эффективностью в нашем трехмерном мире.
Однако сообщество 3D-печати развивалось медленно. Более 30 лет 3D-печать оставалась на уровне 2,5D; детали изготавливались слоями на плоской основе (2D) для формирования трехмерной структуры, однако прочность в третьем измерении была небольшой. Этот недостаток в направлении оси Z известен с 1980-х годов, но для его устранения почти ничего не было сделано. Тем не менее, 3D-печать поразила воображение общественности и выросла до отрасли с оборотом 7 миллиардов долларов в год. Этот успех прежде всего связан с невероятно находчивыми молодыми умами, которые преодолели множество препятствий ранних технологий 2,5D-печати. Но они пренебрегали третьим измерением.
ВНЕДРЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ранние технологии быстрого прототипирования превратились в аддитивное производство (АП) — не только прототипов, но и функциональных компонентов для практического применения в строительстве. В сфере композиционных материалов это делают с самого начала, а мы продвигаемся от ручной укладки до автоматической “печати» конструкций из композитов. Автоматическая выкладка нитей была огромным шагом вперед; этот процесс сейчас широко применяется для точного размещения непрерывного волокна согласно векторам распределения нагрузки, при изготовлении высококачественных трехмерных конструкций. Boeing 787, Airbus A350 и Lockheed F-35 представляют собой примеры конструкций, в которых используются детали, изготовленные методом автоматической выкладки нитей.
Однако при производстве термореактивных препрегов все еще требуется ручная укладка мешков и отверждение в автоклаве, поэтому оно не считается полностью аддитивным производством.
Такие компании-новаторы, как Stratasys и Markforged, стали использовать рубленое и непрерывное волокно, соответственно, в своих 2,5D-принтерах, что существенно улучшило свойства в двух измерениях, но третье измерение осталось без изменений.
РАЗВИТИЕ ТРЕТЬЕГО ИЗМЕРЕНИЯ
Наконец, спустя столько лет, сообщество 3D-печати осознало, что оно пренебрегало третьим измерением. Компания Stratasys создала свою технологию RC3D (Robotic Composite 3D), расширяющую моделирование методом послойного наплавления (FDM) с экструзией термопластика, армированного рубленым волокном, в трех измерениях посредством использования роботов с шарнирными манипуляторами2. Укладка низкопрочного рубленого волокна в направлении векторов распределения нагрузки согласно технологии RC3D – это несомненное улучшение, но что насчет высококачественного армирования непрерывным волокном? Компании AREVO и moi composites (см. фото слева) делают именно это — укладку непрерывного волокна в трех измерениях, используя передовую робототехнику и творческие вариации на тему FDM для печати высококачественных трехмерных конструкций из композиционных материалов.
Наряду с сообществом специалистов по 3D-печати, небольшая, но растущая группа исследователей разработала систему консолидации на месте (ISC) термопластичных композиционных материалов (TPC). Их цель с самого начала состояла в аддитивном производстве термопластичных композиционных материалов, наполненных непрерывным волокном. Третье измерение всегда имело решающее значение, и компания Automated Dynamics более 30 лет использовала систему консолидации на месте при серийном производстве высококачественных деталей из термопластичных композиционных материалов (см. фото справа).
Печать конструкций в трех измерениях. Такие процессы, как производство непрерывного волокна (CFM; слева) компании moi composites и консолидация на месте (ISC; справа) компании Automated Dynamics, позволяют создавать конструкции из композиционных материалов в трех измерениях. В технологии CFM используются УФ-отверждаемые термореактивные композиты, в ISC используются термопластичные композиты, нагреваемые лазером. Все материалы наполнены непрерывным волокном во всех трех измерениях. Источник: moi composites и Automated Dynamics.
Наконец, по прошествии стольких лет, аддитивное производство и консолидация на месте объединяются в оптимальных процессах и конструкциях.
ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ
Люди – удивительные существа (во всяком случае, большинство из нас), которые развивались миллионы лет. Я не могу так долго ждать развития нашей отрасли. К счастью, мы можем взять самый важный алгоритм природы и ускорить его, используя компьютеры вместо генов. Диверсификация-выбор-репликация-повторение можно выполнять миллиарды раз в секунду, используя современные компьютеры и генетические алгоритмы для поиска оптимальных решений. Именно это и делается в топологической оптимизации и генеративном дизайне для получения максимальной прочности и минимального веса конструкций.
За этим процессом интересно наблюдать; как конструкции развиваются из блочных деталей, которые обычно производятся с помощью субтрактивных технологий (например, обработка на станке с ЧПУ) в более органичные конструкции, производимые с помощью аддитивных технологий. Истинная прелесть этого процесса заключается в том, что изготовление таких оптимизированных конструкции с помощью аддитивной технологии менее затратно, поскольку их сложность не повышает стоимость — то есть, при более сложных формах печатается меньше материала, поэтому требуется меньше времени и материалов, чтобы напечатать конструкцию с оптимизированной топологией. Automated Dynamics и другие компании используют эту технологию для инструментов, сердечников и даже составных конструкций.
БЕЗИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Почему бы не избавиться от инструментов и не напечатать детали из композиционных материалов в свободном пространстве? Такую задачу поставила компания General Atomics, разрабатывая процесс производства композиционных материалов без инструментов. Идея состоит в том, чтобы использовать одного робота для укладки композиционного материала с применением технологий моделирования методом послойного наплавления или консолидации на месте, а другого, синхронизированного робота, — для формирования конструкции в свободном пространстве. Эта технология находится в зачаточном состоянии, но дает представление о том, как может выглядеть будущее для производства композиционных материалов.
ПЕРСПЕКТИВЫ
Йоги Берра однажды сказал: “Сложно делать прогнозы, особенно на будущее”. Однако я могу предсказать, что новаторские молодые умы будут творить на мощном фундаменте, воздвигнутом нами, и создавать конструкции, которые сегодня мы не можем даже вообразить. Я не могу дождаться этого.
