3D ткачество Как одна технология способна повысить эффективность самых разных отраслей промышленности

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 перформы 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. Также 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, которые отличаются 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 автоматизировано 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 не знакомы. 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 предприятий, знакомых 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 (рисунок 1).

Рисунок 1

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

Рисунок 2

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

Рисунок 3

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

Рисунок 4

На участке пропитки и формования готовый тканый каркас укладывается в оснастку и заполняется связующим с последующим отверждением и нагревом в печи (рисунок 5).

Рисунок 5

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 (рисунок 6).

Рисунок 6

Таким образом «Carbontex» производит готовые композитные изделия 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.