Инженеры ПИШ СПбПУ впервые в России создали промышленную технологию производства композита из непрерывного углеволокна для 3D-печати

Проект реализован по заказу Росатома в рамках приоритетного направления «Материалы и технологии» Единого отраслевого тематического плана

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 Госкорпорации «Росатом».

НИОКР выполнялся в рамках приоритетного направления «Материалы и технологии» Единого отраслевого тематического плана (ЕОТП) Росатома. Отраслевым оператором ЕОТП выступает частное учреждение по обеспечению научного развития атомной отрасли «Наука и инновации».

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. Филаменты из непрерывного углеродного волокна и высокотемпературного полимера группы полиарилкетонов применяют для 3D печати в специальных принтерах по технологии послойного наплавления (FDM и FFF). 

Композиционные материалы (в том числе, филаменты) из непрерывного углеродного волокна в настоящее время производят несколько стран: США, Швейцария и Китай. Данный материал из-за специфики сферы его использования является стратегическим и практически не экспортируется. Сотрудники ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» впервые в РФ разработали не только технологию изготовления филаментов из непрерывного углеродного волокна на основе термопластов, но и изготовили 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 пути достижения технологического суверенитета для нашей страны», – прокомментировал значение проделанной работы канд. техн. 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. Данный 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.  Разработанная опытно-промышленная установка 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.

Справка:
Федеральный проект «Передовые инженерные школы» реализуется Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственной программы РФ «Научно-технологическое развитие Российской Федерации». На сегодняшний день на базе российских университетов работают 50 ПИШ: 30 были открыты в 2022 году, еще 20 – в ходе второй волны отбора в декабре 2023 года. Все ПИШ созданы вузами при поддержке боле 160 профильных высокотехнологичных компаний. 

Частное учреждение по обеспечению научного развития атомной отрасли «Наука и инновации» отвечает за научное, аналитическое и информационное развитие организаций атомного энергопромышленного комплекса и управляет научно-исследовательскими, опытно-конструкторскими и технологическими программами и проектами организаций атомной отрасли. Эксперты компании проводят анализ состояния и перспектив исследований, разработок и коммерциализации перспективных наукоёмких технологий и инновационной продукции энергокомплекса, их обоснование в рамках федеральных целевых программ, проектов межведомственного характера. На основании изучения лучших мировых практик управления НИОКР специалисты разрабатывают предложения по улучшению и повышению эффективности деятельности в сфере управления инновациями.

Большинство научных исследований и разработок Госкорпорации «Росатом» выполняются в рамках Единого отраслевого тематического плана (ЕОТП).  Ежегодно в рамках ЕОТП разрабатывается более сотни научно-исследовательских и опытно-конструкторских работы (НИОКР). Реализуемые проекты соответствуют 11 приоритетным направлениям научно-технологического развития отрасли: проектное направление «Прорыв», нацеленное на создание замкнутого ядерного топливного цикла на базе реактора на быстрых нейтронах, развитие современной ядерной энергетики на базе технологий водо-водяных энергетических реакторов, атомные станции малой мощности, переработка отработавшего ядерного топлива и мультирециклирование ядерных материалов, водородная энергетика, материалы и технологии, ядерная медицина, сверхпроводимость, лазерные, термоядерные и плазменные технологии, а также разработка технологий, в том числе непосредственно для нужд микроэлектроники, атомной, космической и иной промышленности.

Отраслевым оператором ЕОТП выступает частное учреждение по обеспечению научного развития атомной отрасли «Наука и инновации». Разработки ученых Росатома в рамках ЕОТП находят свое коммерческое применение в научно-исследовательских институтах, других дивизионах Госкорпорации, а также могут быть полезны в структурах внешних заказчиков. В 2023 году исследования и разработки ученых касались технологий для атомной отрасли, создания новых материалов и медицинского оборудования.

Перед российской промышленностью стоит цель в кратчайшие сроки обеспечить технологический суверенитет и переход на новейшие технологии. Государство и крупные отечественные компании направляют ресурсы на ускоренное развитие отечественной исследовательской, инфраструктурной, научно-технологической базы. Внедрение инноваций и нового высокотехнологичного оборудования позволяет Росатому и его предприятиям занимать новые ниши на рынке, повышая конкурентоспособность атомной отрасли и всей российской промышленности в целом.