Дискуссии

« вернуться к списку

версия для печати

Композиты на острие 3D-принтинга

Заместитель заведующего Центра компьютерного инжиниринга СПбПУ Александр Немов. Фото с сайта www.strf.ru 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 им. 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?

– Технология аддитивного производства 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.

Что уже сделал петербургский Политех в "программном" направлении работ?

– Мы провели масштабные работы по анализу возможностей уже существующего программного обеспечения: на рынке сейчас множество успешных коммерческих систем автоматизированного проектирования, компьютерного инжиниринга (CAE-системы) и комплексов для решения задач оптимизации, однако нет такого инструмента, который позволял бы инженерам-конструкторам полностью проектировать композитные изделия, включая их микроструктуру, оптимизированные под специфические условия эксплуатации. Мы "нащупали" некоторые сильные стороны различного программного обеспечения, поэтому хотим построить систему, которая интегрирует эти силы. Зачем изобретать велосипед, если какие-то отдельные задачи уже успешно решены?

Инженерные программы ANSYS, DS SIMULIA Abaqus, HyperWorks и LSTC LS-DYNA имеют множество возможностей для работы с композиционными материалами и композитными структурами, и не исключено, что мы применим что-то из этих CAE-систем мирового уровня. Кроме того, в рамках первого этапа мы разработали многоуровневые модели композиционных материалов для проведения виртуальных испытаний.

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").

Ясиновская Елизавета

источник: STRF

Последние материалы раздела

• 30 декабря 2016
  Диссертация Мединского как летучий голландец
• 30 декабря 2016
  Работа есть — денег нет
• 29 декабря 2016
  "Основной удар придется на московские и петербургские институты"
• 29 декабря 2016
  Советник Путина: Россию могут отключить от интернета
• 28 декабря 2016
  Драйверы инноваций

Обсуждение

Добавить комментарий

Обсуждение материалов доступно только после регистрации.

« к началу страницы