Зачем «Росатому» уникальный филамент для 3D-печати

В Санкт-Петербургском политехническом университете (СПбПУ) по заказу композитного дивизиона «Росатома» разработали технологию производства филамента для 3D-печати. Этот материал из непрерывного углеродного волокна с термопластичными полимерами в России пока никто не делает. Впереди — ​наладка опытно-промышленной установки.

Где только не применяется углеволокно — ​из него делают кузовные детали для автомобилей, лопасти ветрогенераторов, строят суда и космические аппараты. Материал прочный, жесткий и чрезвычайно легкий, устойчив к высокой температуре и агрессивным химическим средам. И что важно, подходит для аддитивной технологии послойного наплавления, которая значительно ускоряет и удешевляет производство сложных узлов и деталей. Правда, для печати волокно нужно особым образом подготовить — ​пропитать полимерными соединениями, которые будут «слипаться» в камере 3D-принтера. Иными словами, углеродную нить нужно превратить в пруток — ​филамент.

Углепластиковый филамент в мире относится к категории стратегических материалов, потому практически не экспортируется. В России разработок для организации его производства не существовало. Прорыв совершили ученые Передовой инженерной школы (ПИШ) «Цифровой инжиниринг» СПбПУ. «Общетехнические вопросы производства непрерывно армированных филаментов описаны в литературе, суть нам была ясна. Но особенности протекания технологических процессов, режимы работы и методы контроля ни один производитель не раскрывает. Все это мы продумывали сами», — ​рассказывает заведующий лабораторией «Полимерные композиционные материалы» ПИШ СПбПУ Илья Кобыхно.

На начальном этапе ученые построили опытную установку для пропитки углеволокна разными полимерами, от химической природы которых зависят свой­ства углепластика. Ее производительность — ​до 500 м композитного филамента в час. Основа, углеродная нить производства предприятий композитного дивизиона «Росатома», пропитывается суспензией полимерного порошка (при этой технологии не повреждается волокно).

Несмотря на универсальность опытной установки, связующим берут в основном полиэфирэфиркетон. Этот суперконструкционный полимер класса полиарилэфиркетонов тоже российский. Напечатанные из такого композита изделия работают при температуре 260 °C и остаются нейтральными в агрессивных химических средах — ​то, что нужно авиационным двигателям и ракетно-космической технике.

«Лабораторная установка создавалась по договору СПбПУ с предприятием композитного дивизиона и в рамках единого отраслевого тематического плана научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ «Росатома», — ​поясняет Илья Кобыхно. — ​Мы подготовили конструкторскую документацию, сделали технологическое оборудование, запустили его, обкатали все режимы работы, написали технологическую документацию и передали заказчику. Сейчас на установке выпускают опытные партии материала для разных компаний и отрабатывают режимы работы».

Следующий этап — ​опытно-промышленная линия для производства филамента мощностью 12 тыс. м в час. «Конструкторская документация для этой установки готова, идет монтаж установки на площадке СПбПУ. После пусконаладки отработаем все технологические режимы и отправим в Москву заказчику», — ​говорит Илья Кобыхно.

Антон Шумаков
Директор проекта «Термопласты», композитный дивизион «Росатома»

— Уже к концу года наш дивизион станет единственным в России производителем углепластикового филамента для 3D-печати и единственным в мире производителем филамента с полной технологической цепочкой. Это позволит удовлетворить потребности отрасли в специализированном материале для 3D-печати и ускорить широкое внедрение печати композитами в промышленность.