Возможно ли создать материал с нужными характеристиками? Как уменьшить вес силовой несущей конструкции, не потеряв при этом в прочности? На эти и многие другие вопросы отвечает 3D-ткачество. К сожалению, о появившейся недавно инновационной технологии пока известно далеко не всем российским производителям. Отчасти потому, что в России пока мало кто ей владеет. Хотя именно 3D-ткачество открывает заманчивые перспективы в развитии самых разных отраслей промышленности: от судопроизводства до ракетостроения. Облегчить конструкцию, сделать ее более прочной и долговечной — это лишь малая часть эффектов, которых позволяет добиться 3D-ткачество.

 

 

В чем же заключается технология 3D-ткачества?

 

Посмотрите на свою одежду. Мы привыкли видеть ткани плоскими. Потому что при изготовлении текстиля нити переплетаются лишь в одной горизонтальной плоскости. А теперь представьте, что нити можно переплести не только в ширину и длину, но и в высоту, соединяя две плоскости не только перпендикулярно, но и нитями под любым наклоном.

 

Такое переплетение позволяет создать очень плотный, объемный, монолитный и прочный тканый материал, который принято называть цельнотканой объемно-­армирующей преформой. При этом, используя разные комбинации переплетений, можно создавать преформы не только разной формы, но и с определенными заданными свой­ствами. То есть сделать его в нужном месте тоньше и легче или наоборот — плотнее, ­где-то изделие может быть жестче, а ­где-то гибче. Так можно запрограммировать материал исходя из производственных задач.

 

Здесь можно провести аналогию с вязанием. Вспомните, как ваша бабушка с помощью двух спиц превращала клубок пряжи в предметы разной формы с разными свой­ствами и практически любого назначения — от теплых шерстяных носков и варежек до игрушек, сумочек и ажурных салфеток для кофейного столика. Так же и 3D-ткачество позволяет создавать материалы с любыми свой­ствами для решения самых разных задач. Для изготовления таких тканей используют синтетические нити, например, стекловолокно или углеволокно, которое отличается высокой прочностью и при этом легкостью. Объемные ткани пропитывают связующим материалом, после чего готовый композит проходит механическую обработку и полученное изделие готово к применению.

 

Где использовать?

 

Первоначально область использования композиционных материалов с пространственным расположением армирующих волокон ограничивалась тепловой защитой космических и летательных аппаратов, так как именно в условиях высокоскоростного нестационарного температурного нагружения наиболее велика опасность расслоения слоистых конструкций, возникающая вследствие различных технологических макродефектов. Сегодня технологию 3D- ткачества используют в самых разных отраслях промышленности: строительство, судопроизводство, автомобилестроение, производство летательных аппаратов и многих других. Такие материалы идеально подходят для снижения веса конструкций, например, летательных аппаратов или автомобилей.

 

Преимущества перед традиционными композитами.

 

Расслоение — это, пожалуй, самый главный недостаток традиционных композитов. Но технология 3D-ткачества позволяет его полностью устранить. Наличие армирующих волокон в третьем направлении препятствует распространению микротрещин, появляющихся в местах дефектов.

 

Поэтому в отличие от композитов, произведенных традиционным способом, трехмерные ткани не подвержены расслоению. При этом они изготавливаются автоматизированно в ходе всего одной технологической операции, что также исключает возможность расслоения: процент соотношения ниток и их направленность в системе задают заранее. При изготовлении 3D-тканей ручной труд не используется! Весь процесс автоматизирован, что позволяет не только избежать ошибок и повысить качество, но и снизить себестоимость конечного изделия.

 

Стоит отметить, что 3D-ткачество позволяет создавать новые уникальные виды материалов. С помощью распределения нитей можно регулировать толщину и свой­ства материала, задавая ему именно те качества, которые необходимы для решения конкретной производственной задачи.

 

Технология позволяет изготавливать не только 3D ткани, но и объемные преформы. Их производят на ЧПУ станках, программируя элементы внутри конструкции. Создание изделий сложной формы также осуществляется роботом, а не человеком. Исключая ручной труд из этого процесса, удается добиться стабильно высокого качества изделий. Это значит, что тысячное изделие будет таким же качественным, как и первое.

 

Детали, изготовленные по технологии 3D-ткачества, используются передовыми высокотехнологичными предприятиями мира. За рубежом трехмерные ткани активно используют в машиностроении, производстве спутников и космических аппаратов, самолетов, гоночных автомобилей, судостроительстве. В пример можно привести одну французскую авиастроительную компанию — «Сафран». Предприятие использует технологию 3D-ткачества, чтобы создавать более экологичные летательные аппараты. По данным компании, облегчая конструкцию за счет тканых элементов, удается на 15% снизить расход топлива и, соответственно, углеродные выбросы.

 

Однако аналогичные российские предприятия с инновационной технологией пока почти незнакомы. Почему же прорывные инженерные разработки не применяются в отечественной промышленности? Импортировать такие материалы из-за рубежа дорого, а в России предприятий, способных работать с технологией 3D-ткачества, сегодня крайне мало. В целом российский рынок композитных материалов на сегодня составляет менее 1% от мирового. Стоит ли говорить, что предприятия, знакомые с инновационной технологией 3D-ткачества, можно пересчитать по пальцам одной руки? Более того, производство трехмерных тканых материалов и изделий требует тщательного предварительного анализа и расчетов высококвалифицированными кадрами. Прежде чем деталь отправят в производство, проводится целое научное исследование, которое позволяет с высокой точностью запрограммировать свой­ства будущей детали так, чтобы они полностью отвечали производственной задаче и самым высоким требованиям по качеству.

 

 

3D-ткачество в России

 

 

Нам все же удалось найти в России специалистов, которые работают с инновационной технологией 3D-ткачества. Это компания Carbontex — научно-­производственное предприятие, которое изготавливает армированные преформы на основе тканых каркасов. Их детали используют крупнейшие российские производители авиационной и космической техники, судостроительные, машиностроительные, нефтегазовые компании и другие предприятия. Нам удалось заглянуть на производство Carbontex и своими глазами увидеть, как изготавливают инновационные материалы по технологии 3D-ткачества.

 

На заготовительном участке осуществляется крутка, трощение и перемотка нитей с необходимым соотношением и комбинацией (рис. 1).

 

Рис. 1

 

Затем производится установка бобин с нитями на специализированную оснастку — шпулярник (рис. 2).

 

Рис. 2.

 

Непосредственно изготовление тканых каркасов выполняется на автоматизированном ткацком комплексе собственной разработки компании Carbontex (рис. 3).

 

Рис. 3.

 

Оборудование позволяет менять геометрические параметры тканого каркаса по ширине, высоте, а также получить сложную геометрическую форму (рис. 4).

Рис. 4.

 

 

На участке пропитки и формования готовый тканый каркас укладывается в оснастку и выполняется заполнение связующим с последующим отверждением и нагревом в печи.

 

Композит подвергается механической обработке на высокоточных обрабатывающих комплексах.

 

Готовые изделия обладают высокой прочностью и сохраняют механические характеристики на протяжении всего срока службы даже при химическом воздействии.

 

Таким образом Carbontex производит готовые композитные изделия (рис. 5, 6) либо преформы, из которых клиенты уже сами изготавливают конечные детали. Компания Carbontex — сравнительно молодое предприятие на российском рынке, однако уже довольно востребованное. Это говорит о том, что спрос на композитные материалы и технологию 3D-ткачества в России есть и он должен только расти. Ведь сегодня, когда появляются производства композитов высочайшего уровня в России, инновационные материалы становятся доступнее для отечественных предприятий, а главное — выгоднее. Ведь они позволяют не только повысить качество продукции, но и снизить производственные затраты и оптимизировать производство.

 

Рис. 5.

Рис. 6.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 6-2021