Аддитивное производство непрерывно армированных полимерных композитов с использованием промышленных роботов: Обзор

Введение

В настоящее время аддитивное производство (АП) является быстро растущим рынком, технологии которого приобретают все большее значение в рамках перехода к передовому промышленному производству. Долгое время основное внимание уделялось 3D-печати металлических [1–5] и полимерных материалов [6–9], но растет интерес к более сложным областям применения и новым типам материалов – так называемым современным или передовым материалам (advanced materials). С точки зрения потенциала по их внедрению выделяют 5 типов перспективных материалов [10]: техническая (оксидная, карбидная) керамика [11; 12]; полимеры (семейства PAEK – такие, как PEEK и PEKK) [13; 14]; металлы (тугоплавкие металлы – вольфрам и молибден) [15; 16]; 4D-материалы (материалы с памятью формы) [17–20]; композиты, в частности полимерные композиционные материалы (ПКМ) с непрерывными волокнами [21; 22].

На сегодняшний день традиционное производство ПКМ, осуществляемое в основном с использованием тканых волокнистых листов и термоотверждаемых смол, является одним из трудоемких и дорогостоящих производственных процессов [23]. Тем не менее на мировом рынке композиты остаются одним из быстрорастущих и быстроразвивающихся промышленных сегментов. В настоящее время ожидается, что технологии АП будут играть важную роль в этом процессе благодаря широкому спектру появляющихся коммерчески доступных технологий и процессов.

Не так давно компания «VoxelMatters» (Великобритания), занимающаяся маркетинговыми исследованиями и аналитикой в области индустрии АП, представила карту технологий и существующих компаний, предлагающих коммерческие системы для реализации процессов 3D-печати [24]. Эта карта позволяет пользователям разобраться со всеми существующими технологиями 3D-печати и направлениями, по которым развивается АП различных материалов, в том числе полимерных композитов. Сотрудники компании «VoxelMatters» также отмечают [25], что из всех семейств материалов полимерные композиты, армированные волокном, в том числе непрерывными волокнами, обладают уникальными свойствами и преимуществами, а использование 3D-печати позволит расширить применение данных материалов за счет более эффективного, экономичного и быстрого производства деталей с уникальным сочетанием конечных функциональных свойств.

В настоящее время существуют компании, предлагающие настольные системы для 3D-печати ПКМ с непрерывными волокнами. Однако производство ПКМ с использованием таких 3D-принтеров имеет ряд недостатков, среди которых основным является направление укладки волокон исключительно в плоскости платформы построения [26]. Это играет важную роль при проектировании и создании изделий, поскольку наиболее высокие механические свойства достигаются при приложении нагрузки вдоль направления армирования. Такой недостаток делает невозможным получение широкого спектра деталей, нагрузка на которые не лежит в одной плоскости. Для решения этой и других проблем настольных 3D-принтеров создается соответствующее оборудование на базе промышленных роботов-манипуляторов. Такой способ обеспечивает новые возможности и задает новые стандарты к производству ПКМ. Среди основных преимуществ следует отметить большую рабочую область построения роботов, в отличие от настольных 3D-принтеров, а также создание пространственно армированных полимерных композитных изделий, которое возможно благодаря большему количеству степеней свободы робота-манипулятора. В работах [27–31] подробно описаны особенности получения таких изделий и материалов с точки зрения планирования траектории инструмента, кинематики, предотвращения столкновений робота, а также технологических ограничений, возникающих в процессе печати.

В данном обзоре основное внимание уделяется анализу существующих на сегодняшний день технологий 3D-печати пространственно армированных ПКМ с добавлением непрерывных волокон на базе промышленных роботов-манипуляторов. Представлены основные передовые компании, поставляющие готовые коммерческие системы, а также рассмотрен опыт успешного использования данных систем при изготовлении армированных деталей.

Существующие технологии 3D-печати
непрерывно армированных ПКМ

Развитие технологий 3D-печати ПКМ с непрерывными волокнами происходит плавно, но достаточно с высокой скоростью, что приводит к появлению множества новых терминов и технологий. Сотрудниками Мюнхенского технического университета была проведена работа по созданию концепции для стандартизации процессов 3D-печати непрерывно армированных ПКМ, сложность которой во многом обусловлена особенностями реализации процессов печати различными компаниями [29]. Однако на сегодняшний день уже имеются некоторые тенденции к категоризации процессов, основанной на особенностях подачи армирующего и матричного материалов в печатающую голову и их осаждения в процессе построения деталей. На рис. 1 представлены существующие на сегодняшний день схемы реализации процесса и компании, предоставляющие коммерческие системы по 3D-печати ПКМ с добавлением непрерывных волокон.

Видно, что на данный момент существуют 5 схем реализации процесса роботизированной 3D-печати непрерывно армированных ПКМ с коммерчески доступным оборудованием. Ниже представлены основные достигнутые на сегодняшний день результаты по каждой из этих схем.

1. In situ пропитка

Принцип данной технологии состоит в том, что непрерывное сухое волокно пропитывается «на месте» (in situ) в экструзионной головке принтера специальными термореактивными либо термопластичными полимерными материалами с последующими экструзией материала через сопло и его отверждением. Основными компаниями, использующими процесс in situ пропитки и применяющими промышленные роботы-манипуляторы, являются «Continuous Composites» (США) [33], «Orbital Composites» (США) [34] и «Moi Composites» (Италия) [35]. В качестве армирующих материалов в основном используются углеродные, базальтовые волокна, реже стекловолокно и натуральные волокна.

Компания «Continuous Composites», основанная в 2015 г., разработала запатентованную технологию 3D-печати – «Continuous Fiber 3D Printing» (CF3D), где непрерывное сухое волокно пропитывается «на месте» специальной термореактивной смолой быстрого отверждения. Когда материал проходит через сопло, он мгновенно отверждается с помощью УФ-источника света. Как отмечают в компании [36], применение промышленного робота позволяет укладывать материал в любом направлении, оптимизируя ориентацию армирующих волокон в зависимости от конструкции изготавливаемой детали. Запатентованная компанией технология CF3D может быть реализована на портальных роботах-манипуляторах либо с использованием промышленного робота для гибкого производства. Благодаря применению 6-координатного робота фирмы «Comau» компания создает сложные детали и компоненты, например элемент лонжерона крыла самолета из углеродного волокна (рис. 2, б).

В качестве армирующего материала компанией «Continuous Composites» используются структурные волокна (углеродные, стеклонаполненные, кевларовые) или функциональные волокна (оптические, металлические). Матричный полимерный материал выбирается исходя из механических свойств, теплопередачи и устойчивости к воздействию окружающей среды в соответствии с эксплуатационными требованиями изделия.

Успешное применение технологии CF3D наблюдается и в ряде исследовательских лабораторий университетов [37–40]. Авторы [40] продемонстрировали результаты работы по определению механических свойств ПКМ, изготовленных по технологии CF3D с использованием промышленного робота-манипулятора «Comau». Были исследованы образцы из высокотемпературного термореактивного акрилового полимера GF-2 и высокопрочного углеродного волокна T-1100 с объемной долей 41,5 %. Полученные образцы имели модуль Юнга, равный 122 ГПа, и прочность при растяжении 1599 МПа, что составляет 89 % (137 ГПа) и 55 % (2926 МПа) от теоретического значения соответственно. Авторы [40] отмечают, что полученные в ходе исследования результаты являются достаточно высокими для данной сферы АП, что делает технологию CF3D перспективной при изготовлении деталей из ПКМ.

Компания «Orbital Composites», основанная в 2014 г., изначально позиционировала себя в 3D-печати компонентов для космического применения. На сегодняшний день компания развивает собственную технологию 3D-печати, где непрерывное сухое волокно пропитывается «на месте» термопластичным полимерным материалом с последующим уплотнением роликом. В настоящее время производитель предлагает 3 типа 3D-принтеров на основе промышленных роботов: «Orbital e-» – 6-осевой робот для образовательной и исследовательской деятельности с платформой построения 1,2×1,2 м и возможностью печати высокотемпературными термопластами; «Orbital S» – робот промышленного класса с уникальной системой перемещения манипулятора, где точки крепления не являются фиксированными, что позволяет настроить процесс печати крупногабаритных деталей со всех сторон (рис. 2, в); «Orbital F» – 3D-принтер контейнерного типа для изготовления крупногабаритных композитных конструкций.

3D-принтеры компании «Orbital Composites» имеют возможность нагрева сопла до температуры свыше 500 °С, что позволяет печатать матричным материалом из всех существующих низкотемпературных термопластов, а также высокотемпературных материалов, включая PEEK, PEKK и др.

Компания «Moi Composites», основанная в 2018 г. на базе Миланского политехнического университета, разработала технологию 3D-печати из непрерывно армированного ПКМ под названием «Continuous Fiber Manufacturing» (CFM), где пропитка осуществляется с использованием эпоксидной смолы, винилэфира и акрила с непрерывными стеклянными, углеродными, базальтовыми и другими волокнами (рис. 2, д). Помимо изготовления 3D-принтеров компания производит инструментальные головки для 3D-печати, которые могут интегрироваться с любыми 4-осевыми станками с ЧПУ для гибкой масштабируемой печати.

В качестве термореактивных матричных материалов компания «Moi Composites» применяет реактопласты на основе эпоксидной смолы, сложных виниловых эфиров, а также акриловых композиций. В качестве армирующих компонентов используются непрерывные стекловолокна, углеродные и базальтовые волокна. В настоящее время в разработке находятся арамидные и натуральные волокна. В компании отмечают, что акриловые материалы применяются для архитектурных деталей, так как материал прозрачен и не требует температуры для отверждения/постотверждения. Материалы на основе сложных виниловых эфиров используются для деталей морской отрасли, материалы на основе эпоксидной смолы – для деталей нефтегазовой и аэрокосмической отраслей.

2. Коэкструзия препрега

Принцип данной технологии заключается в коэкструзии композитного, предварительно подготовленного препрега, содержащего непрерывные волокна, с добавлением термопласта для обеспечения адгезии к матричному материалу. Основными компаниями, применяющими процесс коэкструзии препрега на базе роботов-манипуляторов, являются «Anisoprint» (Люксембург) [41] и CEAD (Нидерланды) [42].

Компания «Anisoprint», основанная в 2015 г., разработала собственную технологию 3D-печати «Continuous Fiber Coextrusion» (CFC), где используются два сопла с матричным и армирующим материалами. Сопло для армирующего материала включает в себя две отдельные катушки: одна – со жгутом из непрерывных волокон, пропитанных реактопластом, другая – с термопластичным филаментом для адгезии армирующего жгута к матрице, которые подаются в один экструдер. Такая схема реализации процесса позволяет контролировать объемное соотношение волокон, а применение робота – задавать сложные криволинейные траектории при 3D-печати (рис. 3, а). Конечные изготовленные детали представляют собой конструкции из ПКМ, состоящего из термореактивного, термопластичного полимеров и непрерывных волокон.

Матричным материалом могут служить различные низкотемпературные термопласты, включая PC, PLA, TPU, PETG и PA. В качестве армирования могут быть использованы препреги с углеродными, стеклянными, арамидными, базальтовыми, борными непрерывными волокнами.

Стоит отметить, что роботизированная технология коэкструзии препрега от компании «Anisoprint» находит широкое применение в различных отраслях промышленности [43–48]. Авторы [48] продемонстрировали результаты работы по исследованию 3D-печати конформных траекторий с помощью промышленных роботов для оболочечных конструкций, изготовленных из ПКМ с использованием технологии коэкструзии. Основные этапы работы заключались в разработке производственной системы, планировании конформных траекторий и тестировании производительности. Оборудование включало робот «Universal Robots UR10e» с коэкструзионной головкой и настольный 3D-принтер «Anisoprint Composer A4». В процессе исследования были изготовлены 3 образца (рис. 4): первый – получен на 3-осевом оборудовании «Composer A4»; у второго – коническая часть также выполнена на 3D-принтере, а ребра жесткости изготовлены роботизированной системой; третий – произведен по конформному способу роботизированной системой. У детали, выполненной конформным способом, значения прочности на сжатие и жесткость на 258,6 и 134,9 % выше, чем у детали, полученной на 3D-принтере с 3 степенями свободы.

Компания CEAD, основанная в 2014 г., специализируется на производстве крупногабаритных роботизированных 3D-принтеров и разрабатывает собственную запатентованную технологию «Continuous Fibre Additive Manufacturing» (CFAM), где печатающая головка объединяет непрерывное волокно с расплавленными термопластичными гранулами (рис. 3, б, в).

3. Экструзия препрега

Данная технология заключается в экструзии композитного, предварительно подготовленного препрега, пропитанного термопластичным полимером и содержащего непрерывные волокна. Среди коммерческих компаний, использующих технологию экструзии препрега совместно с промышленными роботами-манипуляторами, можно выделить компанию «Ingersoll Machine Tools» (США) [49].

Компания основана в 1891 г., а с 2003 г. входит в состав корпорации «Camozzi Group» (Италия). Основным ее направлением является производство габаритных станков для металлообработки, 3D-печати и автоматического размещения волокон. С 2015 г. компания начала развиваться в сфере АП и к настоящему времени предлагает 5 коммерчески доступных решений, в числе которых «MasterPrint Linear», «MasterPrint 3X» и «MasterPrint 5X». Установки представляют собой крупногабаритные 3D-принтеры для широкоформатной печати ПКМ. Также компания предлагает два решения на базе промышленных роботов-манипуляторов для 3D-печати непрерывно армированных ПКМ – «MasterPrint Robotic» и «MasterPrint Continuous Filament» (рис. 5).

4. In situ консолидация

Технология уплотнения «на месте» также известна как автоматизированный процесс размещения волокон, где волокно в виде препрега пропускается через сопло и нагревается с помощью дополнительного источника тепла непосредственно на выходе. На рынке производителей оборудования присутствуют компании, предлагающие настольные решения, в то время как основным производителем, использующим промышленные роботы, является крупнейшая компания «Electroimpact» (США) [50].

Компания «Electroimpact», основанная в 1986 г., применяет для 3D-печати роботизированные системы на базе технологии автоматизированного размещения волокна «Automated Fiber Placement» (AFP). Разработанная компанией технология сочетает в себе метод AFP и 3D-печать методом FDM [51]. Суть технологии заключается в печати методом FDM формы из растворимого полимерного материала, на поверхность которой укладываются непрерывные волокна в виде узкой ленты путем нагрева и уплотнения роликом предварительно пропитанных синтетической смолой неметаллических волокон с использованием AFP-метода. После укладки волокон полимерная форма растворяется. К числу разработок компании относится масштабируемая роботизированная производственная система SCRAM (Scalable Composite Robotic Additive Manufacturing). Оборудование представляет собой 6-осевой станок, который сочетает в себе технологию AFP и 3D-печать по технологии FDM [52].
В качестве армирующего материала применяется непрерывное волокно в виде ленты, которая при укладке прижимается специальным роликом. Роль матричных материалов выполняют термопластичные полимеры семейства PAEK (PEEK, PEKK и др.), а также нейлон и другие низкотемпературные термопласты (PA12, ABS и т.д.). Помимо термопластов в качестве матрицы технология печати подразумевает использование водорастворимых термопластов для изготовления временной оснастки. На рис. 6 представлены 3D-принтер серии SCRAM и, как пример, изделие из непрерывно армированного ПКМ.

5. Поточная пропитка

Технология поточной пропитки является гибридным процессом, объединяющим преимущества традиционного и аддитивного производств. В этом процессе композитные волокна подготавливаются с помощью традиционных процессов пропитки и наносятся на платформу построения через сопло. На сегодняшний день одним из представителей данной технологии является компания «Moi Composites» (Италия), описанная выше.

Заключение

В данном обзоре проведен анализ существующих на сегодняшний день аддитивных технологий и оборудования для получения непрерывно армированных ПКМ с использованием промышленных роботов-манипуляторов. Установлено, что данное направление исследований является крайне актуальным и перспективным для внедрения пространственно армированных ПКМ с уникальными свойствами при изготовлении деталей авиационной, морской, атомной и других отраслей. Рассматриваемые в обзоре технологии уже находят свое применение при производстве крупногабаритных корпусных деталей, легких и прочных компонентов летательных аппаратов, а также композитной оснастки. Помимо конструкционного назначения использование роботизированных систем позволит получать полимерные 4D-материалы с эффектом памяти формы для интеллектуальных конструкций с управляемой структурой – таких, как развертываемые конструкции шарниров для солнечных панелей и зеркальных антенн, применяемых в космосе; реконфигурируемые антенные устройства с возможностью изменения диаграмм направленности в процессе работы; конструкции интеллектуальных метаматериалов периодической архитектуры с адаптивными динамическими характеристиками для поглощения энергии, подавления шума в различных диапазонах частот.

Стоит отметить, что с помощью промышленных роботов за счет большего количества степеней свободы возможно получение материалов с упорядоченным расположением непрерывных волокон, а следовательно, формированием направленной внутренней структуры изделий с учетом анизотропии свойств материала. Создание упорядоченной направленной структуры с использованием роботизированной 3D-печати непрерывными волокнами позволяет обеспечить наилучший армирующий эффект с учетом эксплуатационных требований к изделию. Однако анализ литературы показал, что на сегодняшний день создание пространственно армированных ПКМ с помощью промышленных роботов является малоизученной, но многообещающей областью исследований благодаря резкому развитию рынка аддитивных технологий и их уникальным особенностям при формообразовании изделий. Одна из основных задач развития АП по данному направлению исследований состоит в стандартизации процессов изготовления непрерывно армированных ПКМ на базе промышленных роботов-манипуляторов с целью последующего внедрения технологий в различных отраслях промышленности.