Розвиток сучасних технологій виготовлення композитних матеріалів тісно пов’язаний із тенденціями цифрової трансформації промисловості та переходом до концепції сталого виробництва. Зростаючі вимоги до ефективності, масогабаритних характеристик і вартості конструкцій формують запит на методи, які здатні поєднати високу точність, економічність і екологічну відповідальність. Саме тому у світовій інженерній практиці дедалі активніше розвиваються комбіновані, або гібридні, технологічні ланцюжки, що об’єднують адитивні методи 3D-друку із традиційними процесами армування, такими як роботизована філаментна намотка чи автоматичне укладання препрегів. Поєднання цих процесів дає змогу сформувати нову якість виробництва, орієнтовану на максимізацію співвідношення «міцність / маса» та мінімізацію сукупних витрат [1].
Адитивні технології останніх років, зокрема системи Markforged і Continuous Composites, відкрили можливість друку деталей з неперервним волокном (Continuous Fiber Fabrication, CFF). Такі системи дозволяють інтегрувати армуючі нитки з вуглецевого або скловолокна безпосередньо під час побудови форми деталі. Їхні переваги очевидні — відсутність потреби в оснастці, висока гнучкість геометрії, можливість локального зміцнення зон концентрації напружень, а також істотне скорочення обсягів відходів. Проте вони мають обмеження, що заважають повномасштабному промисловому впровадженню: відносно мала швидкість побудови (у середньому 150–200 мм/с), низька міжшарова адгезія та обмежені розміри робочої зони. Крім того, поверхнева якість таких виробів потребує подальшої механічної або термічної обробки, а однорідність заповнення волокном часто залежить від налаштувань алгоритму траєкторії [2].
На противагу цьому, автоматичне укладання препрегів (ATL/AFP) і філаментна намотка (FW), що використовуються у великосерійному виробництві композитів, демонструють високу повторюваність і точність орієнтації волокон. Швидкість укладання у сучасних системах AFP досягає 60–80 м/хв, а відхилення траєкторії не перевищує ± 0,3 мм. Водночас ці методи мають суттєві недоліки — потребу у складній оснастці, великих габаритах обладнання, значних капітальних інвестиціях (понад 500 тис. USD) та обмежену економічну доцільность при дрібносерійному виробництві. Для кожного нового типу деталі необхідно виготовляти форму, що ускладнює оперативне впровадження змін. Крім того, робота з препрегами потребує суворого температурного контролю і спеціальних умов зберігання, що підвищує експлуатаційні витрати.
Роботизована філаментна намотка є проміжним рішенням між традиційним намотуванням та автоматизованим викладанням. Вона дозволяє формувати складні криволінійні геометрії, включно з ізогридними або анізогридними структурами, і забезпечує високу орієнтаційну точність волокон. Дослідження Sorrentino et al. [3] показують, що використання шестиосевих роботів для філаментної намотки дає змогу створювати легкі решітчасті елементи з питомою жорсткістю, співмірною з алюмінієвими сплавами, але при цьому з масою, меншою у 2,5–3 рази. Недоліком є відносно висока вартість епоксидних смол та вимоги до точного узгодження натягу волокна. Проте, якщо комбінувати цей процес із попереднім адитивним формоутворенням, можливо уникнути складних оправок, скоротивши підготовчий цикл до кількох годин.
Порівняння технологій за комплексом техніко-економічних показників свідчить про наявність різних оптимальних зон застосування. 3D-друк доцільний у випадках індивідуального або прототипного виробництва; AFP — для великосерійного виготовлення панелей і оболонок із високими вимогами до повторюваності; філаментна намотка — для осесиметричних або решітчастих конструкцій. Гібридизація процесів дозволяє поєднати переваги цих трьох підходів, що особливо ефективно при серійності 50–500 виробів/рік. У такій конфігурації адитивний етап формує базову геометрію, а наступна роботизована намотка забезпечує зовнішнє армування із заданим напрямком волокон. Така схема знижує сумарну собівартість на 30–40 %, скорочує тривалість циклу на 25–35 % та енергоспоживання до 3–4 кВт·год/кг продукції.
Окрему роль у підвищенні ефективності гібридних технологій відіграє топологічна оптимізація, яка визначає оптимальний розподіл матеріалу в об’ємі конструкції та орієнтацію волокон з урахуванням навантажень і граничних умов [4]. Цифрові методи оптимізації дозволяють створювати структури з раціональним використанням матеріалу, мінімізуючи масу без втрати жорсткісних характеристик і забезпечуючи сприятливий розподіл напружень у відповідальних зонах. У сучасних дослідженнях [5] показано, що оптимізація форми та орієнтації волокон навколо підсилених отворів у композитних елементах дозволяє зменшити пікові напруження до 25 %, водночас підвищуючи довговічність і стабільність конструкції. Такий підхід підтверджує ефективність інтеграції топологічної оптимізації у гібридні технологічні ланцюжки, де цифрове проєктування, адитивне формоутворення та роботизоване армування формують єдиний адаптивний процес створення виробів під принципи сталого виробництва.
В Україні технології тривимірного друку розвиваються динамічно, однак переважно зосереджені на малих інженерних підприємствах і сервісних центрах. Серед них варто відзначити 3DEES Industries Ukraine, яка пропонує промислові рішення з полімерного 3D-друку, Apus Labs, що спеціалізується на прототипуванні та SLS-друці з поліамідів, а також 3D Tech ADDtive, яка виготовляє функціональні деталі й обладнання для військових та транспортних потреб. Хоча ці компанії поки що не реалізують процесів безперервного армування волокном або роботизованої намотки, їхня діяльність свідчить про поступове формування українського сегмента ринку адитивних технологій.
Таким чином, аналіз показує, що синергія адитивного формоутворення, автоматизованого армування і топологічної оптимізації утворює комплексний підхід, який поєднує гнучкість проєктування, структурну ефективність і економічну доцільність. Інтеграція цифрового ланцюжка CAD–CAE–CAM забезпечує трасованість кожного етапу виробництва, можливість симуляції й прогнозування властивостей ще до фізичного виготовлення виробу. Очікується, що впровадження гібридних технологічних ланцюжків дозволить знизити витрати на дрібносерійне виробництво композитних елементів і водночас скоротити енергоспоживання. Це робить їх важливим елементом стратегії Industry 4.0 та переходу до цифрового сталого виробництва.
Список використаних джерел
1. J. Frketic, T. Dickens, S. Ramakrishnan. Automated manufacturing and processing of fiber-reinforced composites: an overview. Composites Part B: Engineering, Vol. 115, 2017, pp. 79–90.
2. Y.D. Boon, H.Y. Yu, et al. A review: Filament winding and automated fiber placement technologies. Polymers, Vol. 13(6), 2021, pp. 85–97.
3. L. Sorrentino, M. Marchetti, C. Bellini, et al. Manufacture of high-performance isogrid structure by robotic filament winding. Composite Structures, Vol. 164, 2017, pp. 43–50.
4. Z. Hu, S. Sun, O. Vambol, K. Tan. Topology optimization of laminated composite structures under harmonic force excitations. Journal of Composite Materials, Vol. 56(3), 2022, pp. 409–420.
5. B. Miller, M. Maksymovych, O. Maksymovych, F. Gagauz. Optimization of stresses near reinforced holes in relation to sustainable design of composite
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter