Лаборатория гибридных материалов Университета прикладных наук и искусств Южной Швейцарии (SUPSI) занята разработкой новых композитных материалов. В дополнение к широкому спектру производственного и аналитического оборудования исследователи используют 3D-принтеры.
Сегодня ключевое слово в космической технике — возможность повторного использования. Как поясняет профессор Альберто Ортона, руководитель лаборатории гибридных материалов Института машиностроения и технологии материалов (MEMTi), космические аппараты сходят в атмосферу с низкой околоземной орбиты со скоростью примерно 30 000 км/ч. Затем они замедляются за счет трения воздуха, преобразующего кинетическую энергию в тепло, в результате чего внешние поверхности становятся чрезвычайно горячими.
Чтобы эти конструкции не сгорали, требуются специальные гибридные материалы, например из продвинутой керамики, способные выдерживать экстремальные температуры в течение длительного времени. Примечательно, что такого рода компоненты не нужно заменять после каждого полета.
Испытания теплового экрана в плазменной аэродинамической трубе
Для исследовательского проекта ЕС THOR институт разработал сложные многослойные конструкции из керамических композитов, охлаждаемых потоками газа. Это позволяет контролировать тепловое поведение конструктивных элементов будущих космических аппаратов с помощью активных систем тепловой защиты.
Исследования направлены на разработку специальных композитов, в том числе с использованием пористых материалов. К ним относятся конструктивные элементы, по которым протекают газы или жидкости, и которые устанавливаются в теплообменники, нагреватели, солнечные батареи, каталитические нейтрализаторы и системы фильтрации воды.
Композиционные керамические материалы особенно хорошо подходят для изготовления термически напряженных компонентов с высокими механическими свойствами. Зачастую производство таких деталей возможно только с помощью аддитивных технологий.
Лаборатория гибридных материалов использует 3D-принтеры уже пятнадцать лет. Наиболее широко в первые годы использовались стереолитографические системы, печатающие фотополимерными смолами, однако эта технология достигла предела в плане производства сложных конструктивных элементов, например гироидов. Кроме того, производство пористых полимеров с помощью стереолитографии невозможно. В итоге институт остановил выбор на технологии SLS — селективном лазерном спекании полимерных порошков — и приобрел 3D-производства швейцарской компании Sintratec.
Научный сотрудник MEMTi Симоне Витулло провел три месяца, исследуя механические свойства 3D-печатных сетчатых структур с целью получения максимально пористых деталей без значительной потери прочности.
Чтобы оптимизировать геометрию, вес и плотность гироидов, Симоне систематически менял температуру спекания, скорость позиционирования лазерного луча и толщину слоя, а затем подвергал детали механическим испытаниям на сжатие и кручение, получив а результате оптимальное сочетание параметров 3D-печати и характеристик деталей.
Прототипы каталитических субстратов, закручивающих поток выхлопных газов: две гироидные структуры имеют одинаковый размер, но напечатаны на 3D-принтере с использованием разных настроек для получения разных показателей микропористости и механических свойств
Термически напряженные сетчатые конструкции должны быть не только стабильными и легковесными, но и обладать функциональными свойствами. До сих пор потоки выхлопных газов в каталитических нейтрализаторах, будь то в автомобилях или на промышленных предприятиях, были более-менее линейными, однако фильтрующее действие можно повысить за счет увеличения эффективной площади фильтров. Специалистам института удалось получить фильтры с инновационной геометрией, смешивающей потоки выхлопных газов.
MEMTi также фокусирует внимание на разработке керамических гибридных материалов с использованием жертвенных структурных шаблонов, изготовленных из полиамида-12 на 3D-принтере Sintratec KIT.
Испытания на прочность образца кубического гироида с 40-миллиметровой кромкой: несмотря на легковесную конструкцию компонент, изготовленный из полиамида-12, выдержал нагрузку на сжатие до 5 кН, то есть примерно 500 кг
3D-печатные шаблоны покрываются керамической пастой, после чего заготовка обжигается, полимер сгорает, и остается полый, сверхлегкий, прочный керамический компонент. Промышленное производство таких деталей налажено швейцарской компанией EngiCer SA.
«Благодаря открытым настройкам 3D-принтера Sintratec KIT мы смогли получить 3D-печатные объекты с наилучшими свойствами, необходимыми для оптимального нанесения керамического покрытия на шаблон. Таким образом, 3D-технология SLS позволяет быстро и легко создавать сложные сетчатые структуры», — поясняет научный сотрудник MEMTi Оскар Сантоликвидо.
Процесс разработки ячеистой керамики для легких конструкций (слева направо): пенопластовый куб с неоднородной структурой, шаблон из пенопласта с покрытием из керамической пасты, 3D-печатный шаблон со структурированной геометрией и шаблон, покрытый керамической пастой
В будущем сложные керамические конструкции планируется изготавливать непосредственно с помощью аддитивного производства.
Эксклюзивным дистрибьютором аддитивного оборудования от Sintratec на территории России и стран таможенного союза выступает компания Z-Axis. Подробная информация доступна на официальном сайте.
Партнерский материал
А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.