Hola Hoy aprenderá sobre las ventajas y sutilezas de trabajar con materiales compuestos, incluida
la impresión 3D .
¿Por qué los plásticos ordinarios rellenos de carbono no dan carbono al producto impreso? ¿Cómo deben organizarse las fibras en el material para obtener la máxima resistencia de impresión? ¿Cuál es la novedad del enfoque de Anisoprint para imprimir con materiales compuestos y por qué merece la pena prestarle atención?
El material presentado es una conferencia de Fyodor Antonov, director general de
Anisoprint , con la que habló en la Top 3D Expo.
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Rendimiento
De que estamos hablando
Hola Mi nombre es Fedor, realmente me gusta hablar sobre los compuestos y hablaré sobre por qué se usan los compuestos, cuál es su ventaja; y te contaré un poco sobre dónde está la impresión 3D y cómo se puede combinar.
La impresión 3D, como todos saben, es una tecnología aditiva. Las tecnologías de fabricación de compuestos, que aparecieron mucho antes de la impresión 3D, también fueron aditivas desde el principio. Hay muchas de esas tecnologías. Pero lo que estamos haciendo ahora es una novedad tanto para la producción de materiales compuestos como para la impresión 3D, es decir, para el campo aditivo en general.
Comparación con metales
Comenzaré con una breve historia sobre los compuestos, en particular, sobre la fibra de carbono, coloquialmente carbono, que también se llama el rey de los compuestos. ¿Cuáles son sus ventajas sobre los metales? Por ejemplo, puede tomar algún tipo de aleación de aluminio de aviación y observar sus características.
Tiene una densidad, también nos interesará, por ejemplo, la resistencia temporal o la fuerza.
Hay fibra de carbono unidireccional, que es casi dos veces más ligera y cinco veces más resistente que el aluminio. Por lo tanto, resulta que la resistencia específica de la fibra de carbono unidireccional, en comparación con el aluminio, es 10 veces mayor.
Si lo comparamos con algo de acero, incluso el más frío, la diferencia será aún mayor, porque el acero es muy pesado. Por lo tanto, todos se enamoraron de la fibra de carbono en su tiempo y comenzaron a construir estructuras críticas altamente cargadas: primero en cohetes, luego en aviones, ahora en automóviles y ya en una serie de bienes de consumo, se utiliza este material único.
Caracteristicas
La fibra de carbono es un compuesto, una de las principales características de las cuales es que todas estas propiedades únicas, toda su resistencia a lo largo de la dirección de refuerzo, a lo largo de las fibras. En las direcciones transversales, las propiedades son dos órdenes de magnitud más bajas.
Cómo los ingenieros de carbono "arreglaron"
Por alguna razón, la gente decidió que el vector de fibra de carbono es un gran inconveniente, comenzaron a pensar en cómo deshacerse de él. Las capas de fibra de carbono unidireccional comenzaron a apilarse entre sí en diferentes ángulos para obtener el llamado laminado cuasi-isotrópico, que los ingenieros que trabajan en esta área llaman "aluminio negro".
Como su nombre lo indica, por sus propiedades es como una lámina de aluminio, se usa en aproximadamente las mismas estructuras: el fuselaje, el ala y el cuerpo del cohete de la aeronave. Después de que las propiedades de la fibra de carbono "se untan" en diferentes direcciones, su resistencia se ha vuelto aproximadamente 10 veces menor. Es decir, se acercó al aluminio ordinario.
E inmediatamente perdimos todas las maravillosas ventajas que tenía la fibra de carbono unidireccional, pero al mismo tiempo tuvimos muchos problemas asociados con la tecnología, con resistencia al impacto, características de fractura, con las conexiones de tales nodos entre sí. Hay toda una gama de problemas complejos. Por lo tanto, en la última generación de aviones civiles, había del 50 al 60 por ciento de los compuestos, y en la próxima generación, como dicen los expertos de la industria, habrá al menos la mitad de ellos. Por lo tanto, el programa "Dreamliner" fue absolutamente un fracaso para Boeing. Todas las esperanzas de que la aviación fijada en los compuestos no se materializara precisamente debido a los intentos de hacer que la fibra de carbono sea "omnidireccional".
Otro enfoque
Y hay otro enfoque. Se diferencia del "aluminio negro". Es muy efectivo hacer las llamadas construcciones de malla a partir de compuestos, como la Torre Shukhov. Aquí, en la parte superior, se muestra el adaptador de carga útil del refuerzo Proton-M, que está hecho de fibra de carbono, pero no de "aluminio negro", sino en forma de una estructura de malla con nervios de cierta dirección y cierta densidad. La pieza pesa unos 50 kilogramos y puede soportar una carga de 200 toneladas. Una parte similar, hecha para las mismas necesidades, hecha de un sándwich de fibra de carbono, pesa un 30 por ciento más y puede soportar menos carga. Con aluminio es aún peor.
En este diseño, el compuesto solo funciona a lo largo de las fibras. No tiene la capacidad de trabajar, por lo que todas sus propiedades anisotrópicas se usan como deberían.
Dirección de fibra
Hay otra área interesante, además de las estructuras de malla, llamada "Dirección de fibra". Esto es cuando colocamos las fibras no en ángulos fijos en línea recta, sino a lo largo de caminos curvos, de modo que las direcciones de las fibras en cada punto correspondan a las direcciones de los principales vectores de tensión en la parte.
Este es el panel de fuselaje de la aeronave con un orificio de inspección. Fue realizado por cálculo automatizado. Ahora, esto también es llamado por algunas impresiones en 3D, aunque esta tecnología tiene varias décadas de antigüedad y se ha utilizado activamente durante mucho tiempo para la fabricación de piezas a partir de materiales compuestos. Aquí a lo largo de tales caminos curvos.
Se llevaron a cabo pruebas comparativas de tales piezas y "aluminio negro". Este panel, de fibra de estireno, con el mismo peso y naturaleza de la carga, puede soportar un 30 por ciento más de carga de compresión. Se puede ver que la naturaleza completamente diferente de la destrucción. Tal panel funciona mucho más eficientemente.
Las tareas
Una de nuestras ideas principales era permitir a los ingenieros estructurales fabricar, fabricar y diseñar estructuras verdaderamente efectivas a partir de compuestos. Para alejarse del "aluminio negro" y hacer que la anisotropía del material a partir de la deficiencia, como muchos creían, sea la principal ventaja de este material. Es decir, decimos que un material isotópico es bueno, porque al saber cómo funciona la pieza, conocer las condiciones de carga, los casos de diseño, conocer las fuerzas y tensiones internas, podemos enfocar las propiedades del material en cada punto, en la dirección en la que se necesita. Por lo tanto, obtenemos un espacio adicional completo para la optimización. Podemos optimizar no solo la forma de las piezas, sino también su estructura interna.
Por qué imprimir en 3D
Desafortunadamente, las tecnologías automatizadas tradicionales para la fabricación de piezas a partir de materiales compuestos no permiten que las fibras se coloquen arbitrariamente en cada punto. Cuando comenzamos a tratar este tema, que se ha convertido en el producto que presentamos hoy en esta exposición, surgió de la idea de que queremos hacer compuestos en los que podamos controlar arbitrariamente la dirección de la anisotropía y el grado de anisotropía en cada punto del material Las viejas tecnologías no permitieron esto. Luego decidimos ver qué podría acercarnos a este objetivo. Y aquí, las tecnologías de impresión 3D resultaron ser muy útiles.
Compuesto, pero no eso
Lo que en general en el mundo de la impresión 3D se hace con materiales compuestos. Lo más simple con lo que todos están familiarizados: cuando decimos que imprimimos con fibra de carbono, todos dicen que todos imprimen con fibra de carbono. No, no todos imprimen con esa fibra de carbono. Por lo general, este es un plástico lleno de fibras picadas, de hecho, plástico ordinario con relleno, un material isotrópico en el que no controlamos estas fibras en ninguna dirección.
Esto, por supuesto, también es algo interesante, pero no hay propiedades aquí, incluso cercanas a las de los compuestos reales. El material es un poco más, bueno, dos o tres veces más duro que el plástico común. A veces puede ser un poco más fuerte. Se comporta mucho mejor en la contracción. Estas tecnologías, por ejemplo, se utilizan con éxito para imprimir piezas de gran tamaño: hay varios metros allí. Pero nada nuevo, precisamente desde el punto de vista del diseño y desde el punto de vista de la tecnología en su conjunto, este enfoque no lo hace. Esto es FDM ordinario, o, como en este caso, SLS, cuando agregamos fibra finamente picada al polvo de poliamida.
Si hablamos de las propiedades, sí, en OXFAB, esta es una máquina SLS para imprimir compuestos, la fuerza de impresión declarada en el plano es de 110 megapascales, y para la poliamida común, no llena, en algún lugar alrededor de 40-50. Sí, esto es mejor que el plástico ordinario, pero no es un orden de magnitud.
Además de las fibras picadas, hay una opción interesante con fibras largas, por ejemplo, la tecnología de laminación. Sé que tres o cuatro, supongo, pero aquí hablaré de uno. Sinceramente, no sé cuál es el destino de este proyecto. Hace un par de años, EnvisionTEC lo mostró como un prototipo en FormNext en mi opinión. Esta no es una tecnología completamente aditiva.
Se toman láminas de tela de carbono previamente empapadas con termoplástico, los llamados "preimpregnados". En una zona, esta lámina se corta a lo largo del contorno de la capa, posiblemente por ultrasonido, en otra zona, luego se enrolla, se lamina, formando así una capa. Este es de aluminio negro puro, solo hecho en una máquina especial. Es decir, es un material cuasi isotrópico en el que existen todas las desventajas del "aluminio negro", como una rotura de las fibras y, como consecuencia, la concentración de tensión y los efectos de los bordes, lo que hace que los agujeros y las articulaciones se conviertan en lugares muy débiles. .
El siguiente paso, un poco más cerca de lo que comenzamos a hacer, es esta extrusión continua de fibra. De hecho, esta es la tecnología FDM, solo durante el proceso de impresión se agrega continuamente fibra de refuerzo a la boquilla. Muchos grupos científicos de todo el mundo están involucrados en tales cosas.
El problema aquí es que las fibras estructurales no son monofilamento, consisten en cientos o miles de hilos de micras, y si solo agregamos esta fibra a la masa fundida de plástico viscoso, no penetra, no impregna la fibra y el compuesto no se forma. En el interior resulta un gran momento. El material compuesto no funciona, porque la composición debe tener una fibra de refuerzo y un aglutinante que conecte todos los componentes, obligándolos a trabajar juntos. En este caso, esto no sucede. Por lo tanto, aunque la resistencia a la tracción puede ser bastante grande, no existen características especiales en la compresión para tales materiales. Si observa la microscopía, dentro hay muchos poros entre las fibras.
El segundo enfoque, un poco más exitoso, lo llamo "colocación preimpregnada": es cuando tomamos la misma fibra, por ejemplo carbono o vidrio, y de antemano, en una instalación especial, la impregnamos con plástico viscoso a alta presión, o la empapamos en solución y luego evaporarse y estirarse a través del troquel.
Es decir, estamos intentando de antemano, en una máquina especial, colocar este plástico viscoso dentro de la fibra. En la salida, obtenemos un hilo impregnado, que tradicionalmente se llama "preimpregnados" en la industria de los compuestos. Es decir, un producto semiacabado para la fabricación de un compuesto. Y luego calentamos este "preimpregnado" a través de la boquilla y por extrusión o diseño formamos la pieza.
El ejemplo más famoso en el mundo de la impresión 3D, por ejemplo, cuando las personas imprimen con fibra continua, es la empresa estadounidense Markforged. Han estado vendiendo estos sistemas durante bastante tiempo. Este también es un diseño preimpregnado. También tienen fibra de carbono impregnada previamente con nylon y una boquilla en la que se calienta y se coloca. Y hay una boquilla de plástico adicional, para imprimir solo plástico. Las impresiones de Markforged tienen especificaciones bastante buenas. La durabilidad ya supera los 700 megapascales. Hay una variedad de tipos de fibras de refuerzo. Pero, como vemos por la cantidad de poros, hay muchos artículos donde se estudia la microestructura de estos materiales, la cantidad de poros es muy grande. Ya sea porque la impregnación es mala o porque es de nylon y extrae agua y hierve durante la impresión.
Tecnología Anisoprint
Preimpregnamos la fibra, pero no con termoplástico, sino con termoestable, lo que nos permite proporcionar una impregnación mejor, más barata y más confiable de esta fibra. Y ya llamamos a este proceso coextrusión. Como dicha fibra ya no se puede derretir, durante el proceso de impresión le agregamos plástico por separado. Y la salida es un compuesto de dos matrices, en el que dentro de la fibra tenemos un termoestable no fundible, que proporciona la impregnación de la fibra, y entre las fibras tenemos un termoplástico que las une.
En nuestro caso, este plástico puede ser cualquier cosa. Si necesita plástico no combustible, o de color, o plástico con resistencia a ciertas influencias químicas o de temperatura o al medio ambiente, puede elegir el plástico que más le convenga. Porque todas las propiedades básicas de la superficie del material están determinadas precisamente por el aglutinante: la matriz. Y podemos, debido al hecho de que proporcionamos fibra y plástico por separado, cambiar localmente la fracción de volumen de fibra y plástico en cada punto. Podemos servir menos plástico, luego tenemos una fracción de fibra de mayor volumen, podemos servir más plástico, luego disminuye. De esta manera, podemos controlar el grado de anisotropía y, lo que es más importante, imprimir diseños de malla con intersecciones de fibra dentro de la misma capa. Es decir, podemos colocar fibras de refuerzo una encima de la otra, en cualquier ángulo que necesitemos, dentro de cada capa individualmente. Al mismo tiempo, el grosor de la capa en la intersección no aumenta para nosotros, solo la fracción de volumen de fibras en este mismo lugar cambia para nosotros.
Hay muchas ventajas. Una diapositiva publicitaria tan segura de sí misma. 20 veces más resistente que el plástico, dos veces más resistente que el aluminio, mucho más barato que la impresión en metal. Todo lo que dije sobre optimización, automatización, limpieza, todo esto también es típico de esta tecnología, así como de algunas tecnologías de la competencia.
Otra diapositiva publicitaria que he estado mostrando en todas las conferencias durante mucho tiempo. Si tomamos el costo del equipo en el eje de abscisas, en una escala logarítmica y en el eje de ordenadas, la resistencia específica del material, es decir, la resistencia referida a la gravedad específica, entonces todos los metales impresos por la tecnología SLM están en la parte inferior del gráfico, y el titanio es el mejor de ellos.
Hardware y software
- Dimensiones, mm: 600x400x375;
- Peso, kg: 25;
- Software: Anisoprint Aura (FFF + CFC), Cura, Slic3r (solo FFF);
- Material: PETG; Fibra de carbono; PLA; ABS; Nylon PC, etc.
- Plataforma calentada: vidrio calentado;
- Cámara de trabajo: 279x210x147 mm;
- Temperatura de la mesa de impresión: 20-120 ° C;
- Temperatura del extrusor: 250 ˚C;
- Tecnología de impresión: FDM; CFC
- Espesor de capa: de 60 micras;
- Diámetro del hilo: 1.75;
- Interfaces: SD, USB;
- Número de cabezales de impresión: 1;
- Precio, rub: 690 000 (para el precio aproximado aproximado, infórmese en el sitio ).
Tenemos todo esto patentado, por supuesto, toda esta tecnología.
Aura Anisoprint
Para estas impresoras, creamos nuestro propio software especializado llamado "Anisoprint Aura": esta es una rebanadora, puede controlar el refuerzo, establecer el perímetro de plástico y el relleno de plástico, perímetros compuestos, relleno compuesto, soportes, en general, toda la funcionalidad de una rebanadora convencional, más funcionalidad para trabajar con fibra de refuerzo.
Aquí, una caja cerrada, una mesa calentada, el marco está hecho de placas de aluminio fresadas con guías de riel a lo largo del eje z. Esquema CoreXY.
Prototipos y planos
Anisoprint ProM
Nuestro principal objetivo es el equipamiento industrial para la impresión 3D de materiales compuestos. Ya tenemos una serie de prototipos que tienen nuestros socios. Los socios trabajan con éxito en estos prototipos. Ya mostramos en la exposición de metalurgia un prototipo de nuestra primera impresora industrial Anisoprint ProM-PT, que mostraremos una vez más en condiciones de trabajo, en FormNext, y planeamos las ventas para la segunda mitad de 2020. La diferencia es que tiene un manipulador industrial de seis ejes en lugar de un circuito portal, que le permite colocar las fibras no solo en el plano, sino también en cualquier ángulo.
Es decir, en un circuito plano regular, puedo imprimir esos detalles donde tengo refuerzo dentro del avión. Tan pronto como necesite abandonar el avión y, por ejemplo, reforzarme de otra manera, entonces necesitaré grados de libertad adicionales, para lo cual estamos desarrollando esta máquina de seis coordenadas. Además del hecho de que hay un robot industrial, también hay toda la electrónica industrial: no hay cambiadores de pasos, servos, un controlador BOSCH, que está integrado en el controlador del robot. Todo esto proporciona confiabilidad, repetibilidad, redundancia, cumple con los requisitos de la industria.
Nuestro próximo producto industrial planificado es una impresora de tres ejes para imprimir con plásticos de alta temperatura como PEEK y PSU.
Bueno, la parte superior es una máquina aditiva para la fabricación de piezas de alta temperatura en seis coordenadas, pero este es nuestro objetivo a largo plazo. Esta tecnología está destinada a la fabricación de piezas de forma compleja a partir de compuestos optimizados para una carga dada y para una condición de trabajo dada.
Sobre competidores
En principio, este tipo de pieza no está hecha de materiales compuestos de ninguna manera. Es decir, si desea hacer esa parte de un compuesto, nuestro método es el único existente. Otras tecnologías para fabricar productos a partir de compuestos están destinadas principalmente a piezas de láminas de gran tamaño o perfiles, vigas, y aquí es posible producir piezas de forma compleja. Pero también queremos luchar con los metales, para ganarles una cuota de mercado. Tal tipo de piezas como soportes, elementos de conexión, carcasas: todas las piezas cargadas de forma compleja se fabrican mediante fresado o fundición. Podemos hacerlos más fáciles a veces.
Bueno, ya que sostengo esta parte en mis manos, este es un elemento de la pata de un asiento de avión, la parte original de aluminio pesa 1 kilogramo y está diseñada para una carga de una tonelada y media. Aquí está: una pieza compuesta optimizada hecha por nosotros, diseñada para las mismas cargas. Pesa 275 gramos, casi cuatro veces más ligero. Y al costo, esta parte también será más barata que un aluminio fresado fabricado en una fresadora de ejes múltiples.
Otra comparación que ilustra la diferencia. Se basa en el hecho de que podemos proporcionar una impregnación confiable y la ausencia de poros en el material, lo cual es muy importante para la certificación, para piezas críticas, para estructuras críticas. Llamamos a esta tecnología "anisoprinting": no se trata solo de la impresión 3D, son cosas diferentes.
Este es un punto bastante importante: existe una dirección muy de moda en el diseño de productos de ingeniería, llamada optimización topológica. No entraré en detalles. En la mayoría de los casos, los detalles que resultan de este diseño generativo están en forma de estructuras de malla. Naturalmente, no tenemos preguntas en qué dirección deben colocarse las fibras en la costilla. Un borde es una estructura unidimensional que funciona en tensión, compresión o flexión. No funcionará en la separación lateral, porque esta medida es muy pequeña. No funcionará en el cambio de capa intermedia, solo cuando esté doblado. Por lo tanto, las propiedades en la dirección transversal en la costilla, las propiedades del material a través de la costilla, son redundantes. Es decir, no tiene sentido hacer estas costillas de un material isotrópico,porque las propiedades transversales del material no son necesarias allí. No se necesitan igual que se necesitan a lo largo de la costilla. Por lo tanto, es necesario usar materiales isotrópicos. Este es el mejor ejemplo que demuestra las ventajas de los materiales anisotrópicos sobre los isotrópicos.Ejemplos y sueños
Algunos ejemplos de lo que hicimos, y algunas palabras sobre un futuro aún más lejano, tal como lo vemos.
Este avión en la esquina, este es el concepto de Airbus, llamado Airbus 2050, aquí el artista o diseñador, probablemente no un ingeniero, representaba un fuselaje de malla en el avión. No sé qué invirtió en esta imagen, pero queremos aprender a hacer exactamente este tipo de producto en el futuro. Aquí hay costillas: el mejor uso de los compuestos. Tal diseño funcionará más eficientemente. Además del hecho de que es un refuerzo a lo largo de rutas de control de anisotropía arbitrarias, durante la producción de este tipo de piezas se pueden agregar varias fibras funcionales, elementos funcionales, insertos, componentes electrónicos. Puede hacer materiales adaptativos, agregar todo tipo de agentes curativos. Algo así, en nuestra opinión, debería ser el futuro de la producción a largo plazo. Y, por supuesto, el material principal debe ser compuesto.Puede comprar una impresora 3D para imprimir con materiales compuestos de Anisoprint Composer o pre-ordenar un modelo industrial en la Tienda Top 3D.Suscríbase a nosotros en las redes sociales. redes:
