ТЕХНОЛОГИИ 3D ПЕЧАТИ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ С ПРИМЕНЕНИЕМ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

Композиционные материалы чрезвычайно полезны при изготовлении легких, но прочных деталей. Волокна придают прочность детали без увеличения веса. При помощи армирования достигается высокая прочность материалов, которая превосходит по прочности металлы. Композиционные материалы на данный момент уже имеют широкое применение в промышленности, что обуславливает необходимость развития технологий 3D печати композиционными материалами с использованием углеродного волокна.

Термин углепластик чаще всего используется с инженерной точки зрения, что означает, что материал был усилен волокнами. Хотя волокна очень полезны в сочетании с другим материалом, они почти никогда не используются сами по себе для создания изделия. Вместо этого они добавляются к матричному материалу в форме коротких волокон или в форме непрерывного армирования волокон. Одним из самых популярных волокон в индустрии 3D-печати является углеродное волокно, поскольку оно имеет одно из самых высоких соотношений прочности и веса.

Существует два типа армирования: короткое волокно и непрерывное волокно. В первом случае рубленые волокна, состоящие из сегментов длиной менее миллиметра, смешивают с традиционными термопластами для повышения жесткости и, в меньшей степени, прочности компонентов. Измельченные волокна можно смешивать с термопластами, такими как нейлон, ABS или PLA. Каждый производитель будет добавлять и смешивать различное количество коротких волокон с пластиковым полимером, что приводит к образованию материалов разной прочности. На качество печати так же влияет количество измельченных волокон. При превышении определенного порога деталь, напечатанная на 3D-принтере, теряет качество поверхности.

Высочайшая производительность достигается за счет непрерывного армирования волокон. Процесс изготовления деталей 3D печатью из непрерывных волокнистых композитов является технически сложным, поскольку волокна необходимо непрерывно интегрировать в термопластик, так как термопластик экструдируется. Волокна также могут быть нанесены в соответствии с методиками проектирования, которые оптимизируют соотношение прочности и веса детали и расход материала, также известные как методики DfAM (Дизайн для аддитивного производства). Производители утверждают, что благодаря непрерывному армированию волокнами можно создавать такие же прочные детали, как из металла.

С точки зрения доступных волокон на рынке, без сомнения, углеродное волокно является самым популярным. Стекловолокно, распространенный тип армированного волокном пластика с использованием стекловолокна, и кевлар, термостойкое и прочное синтетическое волокно, также широко используются в промышленности. Стекловолокно является экономически эффективным материалом для придания пластикам прочности, а кевлар обладает высокой ударопрочностью, так как он изгибается, а не ломается.

По сути, технология варьируется в зависимости от типа композита, о котором мы говорим. Композиты с короткими волокнами могут быть экструдированы в обычном процессе FDM, поскольку нить уже содержит волокно.

3D-печать с непрерывным волокном – более сложный процесс, требующий одновременной печати двух сопел. Обычно одно сопло будет выдавливать термопласт, а другое – волокно. Различные производители продают свои технологии под разными названиями, однако идея более или менее одинакова.

Например, Markforged называет его непрерывным изготовлением нитей (CFF), в то время как Anisoprint называет его комбинированной волокнистой коэкструзией (CFC). Совсем недавно, Desktop Metal также присоединился к гонке, чтобы удовлетворить спрос на эту технологию, запустив новую систему под названием Fiber. Fiber использует Micro Automated Fiber Placement (µAFP), который также опирается на две печатающие головки для постоянного усиления экструдируемого термопласта. Интересной технологией является запатентованный процесс AREVO, основанный на технологии направленного осаждения энергии, при котором лазер нагревает нить и углеродное волокно одновременно с тем, как валик сжимает их вместе.

Impossible Objects и EnvisionTEC также добавили системы непрерывной волокнистой 3D-печати в свои машины, однако технология немного отличается. Они ткут в листы углеродного волокна в принт, используя процесс ламинирования. В проекте Continuous Composites используется гибридная технология, при которой прядь волокна пропитывается смолой, а затем затвердевает с помощью ультрафиолета, аналогично 3D-печати SLA.

Базовой технологией получения углепластика с применением 3D принтера является технология печати с применением короткого волокна (Волокна длиной не более 1 мм.), в который добавляется в расплав полимера. Технология FDM 3D печати короткими волокнами по свойствам получаемых материалов далека от настоящих углеволоконных композитов. Плюсами данной технологии можно считать значительно менышую термоусадку, особенно при печати на больших объектах, а также несколько большую прочность в сравнении с обычными пластиками. Но ничего нового, именно с точки зрения проектирования и с точки зрения технологии в целом, этот подход не дает.

Следующим этапом развития технологии печати углепластиком стала экструзия термопласта с непрерывным волокном. С технической точки зрения данный метод представляет стандартную FDM технологию, но с применением в нити армирующего волокна.

В данной технологии имеется существенный минус, связанный с особенностями волокна. конструкционные волокна не являются мононитью, они состоят из сотен или тысяч микронных нитей и при последующем соединении волокна и полимера, полимер не пропитывает волокно, следствием этого является то, что композит не формируется, и в разрезе материала появляется большое количество пор.

Решение данной проблемы предложила американская компания MarkForged. Компромиссом стало связующее вещество, которое соединяет компоненты композиции между собой, заставляя их работать вместе (технология печати CFF печати). На специальной установке, волокно под давлением пропитывается высоковязким полимером, либо выпаривается или вымачивается в растворе. В сфере производства композитных материалов данный процесс называется получением «препрегов» или иными словами полуфабрикатов, которые в дальнейшем будут использованы в получении композитов тем или иным способом. Прочность материалов напечатанных по данной технологии значительно превышает исходный полимер.

Однако данный процесс изготовления препрегов является довольно дорогим и узкоспециализированным, при этом данная технология не исключает полного отсутствия пор из-за того, что в качестве пропитки используется нейлон, который очень активно впитывает влагу и при печати может вскипать. При этом стоит отметить, что при добавлении связующего компонента применяется высокое давление, что вызывает повреждение значительного объема нитей. Все это усложняет применение технологии CFF 3D печати.

Дальнейшее развитие технологий печати с использованием волокна предложила Российская компания «Анизопринт», предложив технологию коэкструзии (composite fiber co-extrusion — CFC).  В отличие от описанных методов, в технологии «Анизопринт» перед процессом печати волокно пропитывается не термопластом, а реактопластом, что позволяет обеспечивать более качественную, более дешевую, более надежную пропитку, а так же совместить данный процесс с процессом печати. Этот процесс называется коэкструзией. Так как такое волокно уже расплавить нельзя, в процессе печати к нему добавляется отдельно пластик. И на выходе получается двухматричный композит, в котором внутри волокна есть нерасплавляемый реактопласт, который обеспечивает пропитку волокна, а между волокнами термопласт, который их связывает.

У технологии «Анизопринт» множество сфер применения: от авиации до потребительских товаров. При массовом внедрении практически любая компания в мире могла бы уменьшить издержки производства [3].

В завершении данной статьи можно сделать основные выводы.  Несмотря   на   множество   трудностей связанных с 3D печатью материалов армированных нитями в настоящий момент появляются доступные технологии, которые могут применяться, как в промышленности, так и в бытовых нуждах. Технологии нового поколения печати композиционными материалами создадут новую концепцию в производственных технологиях, что в свою очередь позволит повысить долю полимеров среди конструкционных материалов.