Тризиты и их применение на производстве

Компанией разработана новая технология изготовления композиционных материалов названая авторами 3D-LCM, а получаемая деталь названа «Тризит».

Тризит (Trizit) — структура из формообразующих элементов (слоев), напечатанных 3D способом и связующих слоев, сформированных LCM методом. Тризит — многослойный композит с различными свойствами каждого слоя.

В наиболее общем виде получаемую деталь – тризит, можно описать как: «Конструктивный элемент, содержащий компонент А, изготовленный аддитивным методом и компонент Б, включающий наполнитель и связующее» (см. заявку на изобретение №2017142611), а технологию 3D-LCM – «Способ формирования изделий, заключающийся в том, что текучий, твердеющий со временем материал подают в формообразующее устройство, содержащее формообразующий элемент, изготовленный методом 3D печати» (см. заявку на изобретение №2016141280).

Существенное отличие 3D-LCM процесса от известных LCM процессов, заключается в том, что в 3D-LCM процессе элементы формы, напечатанные на 3D принтере, становятся слоями формируемого изделия, что позволяет формировать тризиты очень сложной структуры и конфигурации без необходимости изготавливать оснастку. Формообразующие слои изделия, напечатанные на 3D принтере, не требуют значительной обработки и доработки, в сравнении с вариантом, когда на 3D принтере печатается оснастка, которая после печати должна быть вручную обработана эпоксидной шпаклевкой, прошлифована и после покрыта антиадгезивом.

Технология 3D-LCM позволяет получать детали с уникальными свойствами, за счет сочетания различных материалов, в том случае если формообразующие слои изделия выполняют так же роль закладных деталей.

Применение технологии 3D-LCM позволяет снизить затраты на технологическую оснастку и ФОТ рабочих на 60 – 70%.

Заготовка

Набор оболочек для тризита

Готовый тризит

В общем виде технология изготовления тризита может быть представлена последовательностью:

1. Методом 3D печати изготавливают комплект формообразующих элементов;
2. При необходимости, методом 3D печати изготавливают комплект опорных элементов;
3. Из формообразующих и опорных элементов, собирают формообразующее устройство;
4. В формообразующем устройстве размещают наполнитель;
5. Подготавливают связующее, в виде текучего, твердеющего со временем материала и подают его в формообразующее устройства;
6. Изделие (тризит) формируют в виде соединения формообразующих элементов с отвердевшим связующим;
7. При необходимости выполняется обработка тризита.

Таким образом, для изготовления детали из композиционных материалов, не требуется какая-либо оснастка, за исключением универсальных удерживающих и фиксирующих устройств, на которых размещаются элементы формообразующего устройства. Изготовление тризита требует минимума ручных операций и времени на подготовку, необходимо только очистить и промыть формообразующие элементы после печати и собрать формообразующее устройство, в отличии от изготовления классической оснастки, рабочие поверхности которой необходимо зачистить, покрыть эпоксидной шпатлевкой, прошлифовать после высыхания, обработать специальными составами для предотвращения прилипания детали, при этом эти операции необходимо повторять после изготовления партии деталей. Тризит может быть заполнен связующим в течении часа – двух после завершения печати формообразующих элементов, в то время как подготовка оснастки займет 3 – 5 дней. Изготовление тризита так же требует минимального количества оборудования, для производства полного цикла достаточно иметь 3D принтер и комплект оборудования для RTM или L-RTM технологии. При изготовлении тризита не расходуются вспомогательные материалы, такие как распределительные ткани, проводящие ткани, распределительные сетки, вакуумные пленки, антиадгезивы, существенно меньше расход элементов литниковой системы, при этом необходимые для равномерного и правильного распределения смолы каналы могут быть выполнены как элементы формообразующих, во время печати. Формообразующие элементы могут быть использованы для точного размещения закладных деталей, например, крепежных резьб.

Использование доступных FDM принтеров и дешевых пластиков для изготовления формообразующих позволяет максимально удешевить изготовление детали из композиционных материалов, и представляет один из возможных подходов в технологии 3D-LCM, но тризиты могут так же обладать уникальными свойствами, которые невозможно получить, применяя другие технологии, различные комбинации формообразующих, наполнителя и армирующего материала позволяют получать тризиты с различными характеристиками.

Например, при использовании лазерной или фотополимерной печати пластиком можно получить формообразующие с точным и тонким рисунком на поверхности, с каналами внутри формообразующих, которые могут быть, как заполнены смолой, для улучшения характеристик, так и использоваться для подачи жидкостей и газов при работе детали, со сложной, фрактальной геометрией внутренней и внешней поверхности, многократно увеличивающей площадь контакта, при этом современные технологии печати позволяют выполнить формообразующие элементы очень тонкими, до 1/10 мм., снизав их влияние на удельный вес и прочностные характеристики детали.

Использование лазерной печати металлом позволяет получить все указанные выше преимущества и дополнительно более высокие удельные характеристики на поверхности, так же получить заданные характеристики тепло и электропроводности в нужных частях детали, обеспечив, например, большую поверхность для теплоотвода, с заданным термическим сопротивлением между ней и источником тепла, без нагрева тела детали и, следовательно, снижения ее характеристик.

Использование печати керамическими материалами, позволит получить деталь из композиционных материалов с повышенными характеристиками тепловой устойчивости и повышенными рабочими температурами.

Правильно подобранные формообразующие могут обеспечить антифрикционные свойства поверхности. Отдельно можно отметить возможность получения виброгасящих свойств за счет использования в качестве армирующего материала резины, или наоборот использования силиконов и резин в качестве наполнителя при использовании жесткого армирующего материала.

При этом все указанные выше уникальные свойства могут быть объединены в одной детали, формообразующая оболочка которой изготовлена составной, из различных материалов.

Так же технология 3D-LCM способна удешевить и ускорить сложную 3D печать, например, вместо печати заполненной детали из металла можно напечатать оболочку или деталь с меньшим коэффициентом заполнения и залить ее смолой с армирующими элементами, заливка и отверждение смолы выполняется быстрее чем печать, а используемые материалы дешевле.

Наиболее удобными для производства способами подачи текучего, твердеющего со временем компонента являются вариации технологии LCM – RTM и инфузия:

• Подача наполнителя с вакууммированием полости по технологии инфузии позволяет изготавливать тризиты с минимальной толщиной оболочки и без опорных элементов;
• Подача наполнителя под давлением, по технологии RTM требует некоторого количества опорных элементов и формообразующего элемента, способного выдержать необходимое давление, но позволяет изготавливать детали значительно более сложной конфигурации.