Регистрация / Вход
Прислать материал

3D-печать композитов, армированных непрерывными волокнами

ФИО
Антонов Федор Константинович
Surname Name
Antonov Fedor
Организация
ООО "Анизопринт"
Область наук
Машиностроение. Энергетика
Название доклада
3D-печать композитов, армированных непрерывными волокнами
Project title
3D-printing of continuous fiber reinforced composites
Резюме
Описывается новый технологический процесс получения композитных материалов на основе углеродных волокон и сочетания термореактивной и термопластичной матриц. Представлены механические характеристики двухматричного композита. Обсуждаются области его применения.
Ключевые слова
композитные материалы, углеродные волокна, термореактивная и термопластичная матрицы, 3D-печать
Тезисы

В настоящее время в авиационной и ракетно-космической технике широко используются композитные материалы на основе углеродных волокон и термореактивной матрицы. Основные свойства однонаправленных углепластиков на основе волокон Т-300 и эпоксидной матрицы представлены в первом столбце Таблицы 1 [1]. Обладая с одной стороны низкой вязкостью, обеспечивающей качественную пропитку лент, состоящих из десятков тысяч элементарных волокон, и умеренной температурой отверждения (от нормальной температуры до 160°С), эпоксидные связующие характеризуются сравнительно низкой деформативностью (предельная деформация при растяжении не превышает 5%), вызывающей хрупкий характер разрушения матрицы. При растяжении поперек волокон в слоях композита образуются микротрещины, параллельные волокнам. Это разрушение, называемое в зарубежной литературе «first ply failure», а в отечественной – «нарушение монолитности материала», вызывает ряд неблагоприятных последствий, к числу которых относятся нарушение герметичности, повышение влагопоглощения, появление и накопление остаточных деформаций при динамическом нагружении композитных конструкций. Не являясь решающим для конструкций кратковременного и одноразового применения, типичных для ракетно-космической техники, нарушение монолитности оказывается существенным при разработке композитных конструкций, работающих в условиях длительного и многократного применения. Хрупкость эпоксидной матрицы приводит к расслоению композита при поперечном ударе, обладающем сравнительно низким уровнем энергии – порядка 5 Дж, что соответствует кинетической энергии груза массой 1 кг, сбрасываемого с высоты 0,5 м. Расслоение вызывает теоретически непредсказуемое снижение несущей способности композита при сжатии. Поскольку исключить появление умеренных ударных воздействий при изготовлении и эксплуатации конструкции а также обнаружить внутреннее расслоение материала практически невозможно, осуществляется соответствующее снижение уровня допускаемых напряжений, на которые проектируется конструкция. В результате обеспечить потенциально возможное снижение массы планера самолета за счет замены алюминиевых сплавов на композитные материалы оказывается практически невозможным [2].

Таблица 1 – Механические свойства однонаправленных ушлепластиков на основе волокон Т-300

Характеристика

Тип матрицы

Эпоксидная

Полиамидная

Эпоксидная и полиамидная

Объемное содержание волокон, %

62

50

40

Плотность, кг/м3

1580

1450

1290

Модуль упругости вдоль волокон, ГПа

130

110

89

Предел прочности при растяжении вдоль волокон, МПа

1950

1600

750

Композиты с термопластичной матрицей обладают рядом преимуществ перед материалами с термореактивной матрицей. К технологическим преимуществам относятся неограниченная жизнеспособность полимера при хранении в нормальных условиях, сокращение времени изготовления за счет отсутствия длительного процесса полимеризации термореактивной матрицы, возможность формования материала в нагретом состоянии и его вторичной переработки. Основные конструктивные преимущества композитов с термопластичной матрицей связаны с высокой (порядка 100%) деформативностью термопластов и вязким характером их разрушения. По коэффициенту вязкости разрушения, характеризующему сопротивляемость композита расслоению при ударе, углепластики с термопластичной матрицей приевышают углепластики с эпоксидной матрицей более чем в 6 раз, а по прочности при сжатии после удара – более чем в 2 раза [1]. Основные свойства однонаправленных термопластичных углепластиков на основе волокон Т-300 и полиамидной матрицы представлены во втором столбце Таблицы 1 [1].

Однако реализация потенциально высоких характеристик углепластиков с термопластичной матрицей связана с большими техническими трудностями, которые вызываются сравнительно высокой температурой плавления термопластов (от 200°С до 450°С) и исключительно высокой вязкостью расплава, не позволяющей осуществлять качественную пропитку лент, состоящих из десятков тысяч элементарных волокон с диаметром порядка 5 мкм [3]. Для относительно равномерного распределения высокомолекулярного термопласта по сечению армирующей ленты требуется сравнительно высокое (измеряемое десятками атмосфер) давление, высокая температура и сравнительно большое время [4].

Двухматричные композитные материалы, в которых используется как термореактивная, так и термопластичная матрицы [5, 6, 7] позволяют в определенной степени компенсировать недостатки и сохранить преимущества композитов с термореактивной и термопластичной матрицами. Изготовление двухматричного композита предполагает две стадии пропитки. На первой стадии углеродная нить пропитывается термореактивным связующим на основе эпоксидной смолы, модифицированной с целью повышения адгезии к термопласту и полностью отверждается. На второй стадии полученный микропластик, называемый композитным волокном, покрывается термопластичной матрицей, которая предназначена для соединения композитных волокон. Полученный в результате двухматричный композит обладает следующими преимуществами:

- композитные волокна имеют высокое (до 70%) объемное содержание волокон, связанных жесткой термореактивной матрицей и обладают высокими механическими характеристиками;

- композитные волокна, в отличие от элементарных углеродных волокон, не повреждаются в процессе дальнейшей переработки и их исходная прочность полностью реализуется в конструкции;

- композитные волокна (Рис. 1) имеют диаметр от 0,1 мм до 1,0 мм (в зависимости от количества элементарных волокон в исходном жгуте) и развитую поверхность, обеспечивающую хорошую смачиваемость расплавленной термопластичной матрицей при нормальном давлении.

Основным недостатком двухматричных композитов является относительно низкое объемное содержание волокон. При двухстадийной пропитке оно теоретически не может быть более 50%, а практически не превышает 40%, что снижает модуль упругости и предел прочности материала при нагружении в направлении волокон. При этом соответственно снижается и плотность материала, и по своим удельным характеристикам он может успешно конкурировать с алюминиевыми сплавами. Микроструктура двухматричного композита показана на Рис. 2.

Рис. 1. Микроструктура композитного волокна

Рис. 2. Микроструктура двухматричного композитного материала

Технология 3D-печати является перспективным направлением современной техники, позволяющим создавать конструкции сложной формы последовательным нанесением слоев металла, керамики или термопластичного полимера. Применение 3D-печати в технологии композитов в принципе позволяет получать конструкции с пространственным армированием по заданным траекториям. Однако практическая реализация этого метода связана со значительными техническими трудностями. Получение термореактивных композитов с помощью 3D-печати в настоящее время невозможно, так как процесс полимеризации матрицы требует достаточно большого времени. Пропитка термопластичной матрицей требует, как уже отмечалось, сравнительно большого давления, которое в 3D-принтере создать невозможно.

Перспективным представляется процесс 3D-печати двухматричных композитов, заключающийся в следующем. 3D-принтер оснащается микроэкструдером, в который подается композитное волокно и волокно из термопласта. Композитное волокно предварительно изготавливается на установке, являющейся по существу миниатюрной пропиточной машиной, в которую подается сухой жгут, пропитывается термореактивным связующим, полимеризуется и наматывается на бобину. Изготовленное композитное волокно подается в экструдер 3D-принтера, где оно покрывается расплавленным термопластом и укладывается по программе, определяющей структуру материала и форму изготавливаемого элемента конструкции. Экспериментальный 3D-принтер с размерами области печати 500х400 мм показан на Рис. 3.

Рис. 3. Экспериментальный 3D-принтер

Механические характеристики двухматричного углепластика, полученного методом 3D-печати, приведены в Таблице 1. В качестве термопластичной матрицы использован полиамид с плотностью 1100 кг/м3 и температурой плавления 250°С.  Как следует из таблицы, объемное содержание волокон в полученном материале оказывается на уровне 40%, что на 35% ниже, чем у традиционного углепластика с термореактивной матрицей. При этом плотность получаемого материала оказывается на 18% ниже, чем у традиционного композита. Соответственно более низкими оказываются и механические характеристики двухматричного композита, полученного методом 3D-печати (Таблица 1). В связи с этим следует подчеркнуть, что разработанная технология изначально не предназначалась для изготовления материала, который по уровню свойств мог бы конкурировать с композитами, изготавливаемыми традиционными методами – прессованием, выкладкой или намоткой. Основная задача заключалась в разработке технологии, позволяющей изготавливать конструкции, которые существующими автоматическими методами изготовить невозможно. В частности, на Рис. 24 показан элемент сетчатой композитной структуры, изготовленной с помощью описываемой технологии. Альтернативным процессом изготовления такой структуры в настоящее время является только ручная выкладка, требующая специальной технологической оснастки.

Рис. 4. Элемент сетчатой композитной структуры,
изготовленный методом 3D-печати.

Список литературы

  1. Handbook of Composites. Second Edition. Edited by S.T. Peters. London, Chapman and Hall, 1998.
  2. Boeing to miss 787 performance spec: Albaugh. Flightglobal, 15 March, 2011. https://www.flightglobal.com/news/articles/boeing-to-miss-787-performance-spec-albaugh-354340/
  3. Головкин Г.С. Совмещение волокнистых наполнителей с термопластичными связующими (обзор). Пластические массы. 1984. №12. С. 23-26.
  4. Армированные пластики. Под. Ред. Г.С. Головкина и В.И. Семенова. М.: Изд-во МАИ. 1997.
  5. Васильев В.В., Салов В.А. Разработка и исследование двухматричного стекловолокнистого композита с повышенной трансверсальной деформацией. Механика композитных материалов. 1984. №4. С. 662-666.
  6. Васильев В.В., Салов В.А., Салов О.В. Несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов (варианты). Патент РФ №2111120; 01.07.1996.
  7. Vasiliev V.V., Salov V.A., Salov O.V. Composite shells shaped as a body of revolution and a method of forming the same. US Patent No. 6,077,580, June 20, 2000.
Summary of the project
Technology for 3D printing of of strong and lightweight composite structures with continuous fiber reinforced plastics
Keywords
3D-printing, composites, thermoset and thermopastic matrices, carbon fibers