Технологиями трёхмерной печати скоро не удивишь никого: в ближайшем будущем, если верить тенденциям и громким заявлениям разработчиков, аддитивными методами можно будет напечатать, кажется, всё – от галстука до человеческой почки. В этом диапазоне 3D-печать изделий из композиционных материалов не выглядит чем-то изрядным. И всё же именно этим технологиям во всемирном списке промышленных технологий уделено мало внимания, поэтому, чтобы опередить возможных конкурентов, за дело взялся проектный консорциум российских учёных и инженеров-инноваторов.

В консорциум вошли разработчики из Сколковского института науки и технологий, Томского политехнического университета, Института проблем машиноведения РАН, НИТУ «МИСиС» и Института физики, прочности и материаловедения СО РАН. Основные работы по созданию специализированного «софта» легли на плечи сотрудников Инжинирингового центра Санкт-Петербургского Политехнического университета Петра Великого. О том, зачем нужны новые технологии производства композитов, из чего будет «собран» инструмент для проектирования композитных изделий и в чём гибкость предлагаемой разработки, рассказал Александр Немов, заместитель заведующего Центра и молодой ведущий специалист лаборатории «Вычислительная механика».

- Наша задача имеет два направления – «железное» и программное. Созданием оборудования и непосредственного производства композиционных материалов аддитивным методом в настоящий момент занят в большей степени Сколковский институт науки и технологий.

Мы же в Инжиниринговом центре разрабатываем методы, алгоритмы и программное обеспечение, которые позволят проектировать композитные структуры, оптимизированные под условия эксплуатации конкретных изделий.

Конечно, эти два направления параллельны: спроектировать композитную структуру можно и отдельно, без оборудования, но она сама по себе мало кому нужна, если нет возможности её изготовить. Поэтому создание оборудования для производства композитных конструкций, обладающего широкими возможностями в плане формы конструкции и её композитной микроструктуры – неотъемлемая часть проекта.

Предполагается именно 3D-печать композитов, или же процесс создания изделия будет чем-то напоминать сборку конструктора?

- Это самая настоящая послойная печать.

Уже сейчас силами Сколтеха спроектирован и изготовлен экструдер для производства композитов аддитивным методом. В него подаётся углеродное волокно и некое связующее, пластик, который в расплавленном состоянии в этом экструдере, условно говоря, смешивается с волокном.

Пока с помощью этого оборудования на свет появились около 130 образцов, и участники консорциума уже провели испытания – на тепловые свойства, на механические характеристики и на химическую стойкость к различным растворителям, поскольку таково требование нашего индустриального партнёра. Результаты экспериментов показали, что над механическими характеристиками ещё предстоит серьезная работа, однако первые выводы в целом позитивны, так как есть конструктивные идеи по улучшению физико-механических свойств образцов. По тематике проекта уже опубликована первая научная статья.

Есть ли за рубежом технология 3D-печати композитов?

- Аддитивное производство композиционных материалов сейчас на острие технологий. В мире есть организации, занимающиеся разработками в этой области, но промышленных аналогов с впечатляющими результатами пока не создано.

Поэтому можно сказать, что мы идём в первых рядах и считаем, что у нашего проектного консорциума есть все необходимые компетенции для решения этой технологической задачи.

Индустриальный партнёр проекта – «Объединённая ракетно-космическая корпорация». Но наверняка эта отрасль – не единственное поле применения разработки?

- Это, скажем так, область первичного применения. Сама по себе идея нашей системы инвариантна к отрасли. ОРКК готова нас поддержать, поэтому мы продвигаем нашу разработку совместно. В техническом задании у нас предусмотрено несколько элементов конкретно для ОРКК – силовых, крепёжных конструкций. Но в целом разрабатываемая программная система многоцелевая. Мы хотим, чтобы она позволяла спроектировать широкий класс изделий при известных к ним требованиях: габаритные ограничения, нагрузки, которые они должны выдерживать, требование минимизации массы и т.д.

В ракетно-космической технике чаще всего целевой функцией оптимизации является как раз минимизация массы конструкций и оборудования, поскольку борьба идёт за каждый лишний килограмм полезной нагрузки.

В рамках текущего проекта мы планируем разработать систему под максимальный размер изготавливаемых композитных конструкций до трёх метров. То есть на десятиметровые габариты мы пока не замахиваемся, поскольку стремимся заполнить конкретную нишу в технологическом оборудовании: станки для автоматизированной выкладки композиционных материалов рассчитаны обычно на большеразмерные конструкции в десятки метров, а в области размеров менее метра уже хорошо себя зарекомендовали аддитивные технологии. Конечно, речь не идёт о композиционных материалах. Мы же хотим заполнить середину: наши размеры – от полуметра до трёх метров.

Сможет ли 3D-принтер для композитов полностью заменить существующие технологии производства таких материалов?

- Сегодня мы не берёмся утверждать, что с помощью новой интегрированной системы мы для любой отрасли произведём всё лучше существующего. Но основной плюс нашей разработки – это гибкость, возможность настроить создание различной микроструктуры в разных областях композитной конструкции. Как чаще всего проектируют что-либо из композиционных материалов? У конструктора есть набор доступных ему технологий. Например, он может использовать только метод вакуумной инфузии, и в его распоряжении набор тканей для производства углепластиковой конструкции. Он из них выбирает, где и какие должны ткани располагаться, где и сколько слоёв ему набрать. Понятно, что совершенно не факт, что именно такая структура и конструкция изделия будут оптимальными с той или иной точки зрения. С помощью аддитивных технологий мы рассчитываем, что сможем уложить волокна, например, криволинейным образом, сделать где-то большую плотность волокон, где-то меньшую, воспроизвести различные микроструктуры. Идея всего проекта – в том, чтобы научиться проектировать и создавать оптимальные композитные конструкции. И не только виртуально.

Проект «Разработка интегрированной системы компьютерного проектирования и инжиниринга для аддитивного производства легких и надежных композитных конструкций ключевых высокотехнологичных отраслей промышленности» реализуется при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы»).

Источник: Электронное издание «Наука и технологии России».