Впервые в России специалисты передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (ПИШ СПбПУ) разработали опытно-промышленную технологию изготовления филаментов (расходный материал в виде нити, используемый для 3D-печати) из непрерывного углеродного волокна на основе термопластов. Филамент обладает уникальными по сравнению с другими применяемыми в 3D-печати материалами физико-механическими свойствами и применяется в первую очередь в ракетно-космической и авиационной отрасли, а также в двигателестроении. Разработка осуществлялась по заказу Композитного дивизиона ГК «Росатом».
Углеродное волокно обладает высокой прочностью и жесткостью и при этом является очень легким материалом. Это позволяет использовать его для создания прочных и легких деталей, которые могут выдерживать большие нагрузки. В то же время углеродное волокно устойчиво к высоким температурам или химическим воздействиям.
Композиционные материалы из непрерывного углеродного волокна, в том числе филаменты, в настоящее время производят США, Швейцария и Китай. Такой материал из-за специфики сферы его использования является стратегическим и практически не экспортируется. Сотрудники ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» впервые в России не только разработали технологию изготовления филаментов из непрерывного углеродного волокна на основе термопластов, но и создали лабораторную установку для его производства производительностью 500 метров филамента в час. Эта установка была введена в эксплуатацию осенью 2023 года на территории Композитного дивизиона «Росатома» и сейчас используется для получения опытных партий материалов.
«Более 10 лет наша команда занимается разработкой технологий пропитки углеродных волокон термопластичными полимерами из группы полиарилэфиркетонов. Для нас очень важно, что результаты нашего кропотливого труда в ближайшее время будут внедрены в промышленное производство. Решение задачи производства отечественных филаментов из данного материала — это еще один шаг на пути достижения технологического суверенитета для нашей страны», — прокомментировал значение проделанной работы кандидат технических наук, заведующий лабораторией «Полимерные композиционные материалы» ПИШ СПбПУ Илья Кобыхно.
В основе производства филаментов из непрерывного углеродного волокна и высокотемпературных полимеров лежит технология суспензионной пропитки. Такой подход обеспечивает получение однонаправленных термопластичных препрегов (пропитанных полимером углеродных волокон) с наименьшими повреждениями волокна и равномерным распределением полимера по всему сечению, что наиболее важно для решения задач, связанных с обеспечением максимальных прочностных свойств.
«Разработка собственной технологии производства композитов из непрерывного углеродного волокна на основе термопластов — очень важная в стратегическом плане задача. Россия — одна из немногих стран, которая производит двигатели. И применение столь качественного по своим свойствам материала, мы уверены, в первую очередь будет особенно востребовано в отечественном двигателестроении для производства двигателей нового поколения», — прокомментировал потенциал разработки директор проекта «Термопласты» Композитного дивизиона «Росатома» Антон Шумаков.
В настоящее время специалисты передовой инженерной школы СПбПУ разрабатывают технологию и опытно-промышленную установку по производству филамента производительностью 12 000 метров в час. Она обеспечит возможность одновременного изготовления из непрерывного углеродного волокна 40 филаментов. Уже идет процесс изготовления и отладки режимов работы модулей и узлов установки. Летом 2024 года опытно-промышленная линия будет введена в эксплуатацию на производственной площадке Композитного дивизиона «Росатома».
Федеральный проект «Передовые инженерные школы» реализуется в рамках государственной программы Российской Федерации «Научно-технологическое развитие Российской Федерации».