Композиты. Производство, технологии, использование в оборонной промышленности, изделиях гражданской и двойной тематики

Вадим Зазимко, генеральный директор УК «Композитный кластер Санкт-Петербурга»

Объем производства композитов в мире в 10–20 раз больше, чем в РФ. При их этом доля в российской авиационной промышленности составляет 15 %, в судостроении – 2 %. России необходимо активно развивать науку и собственные высокотехнологичные отрасли. Поэтому оборонно-промышленный комплекс является драйвером для модернизации и развития промышленности, и в частности, в области применения композитов.

Композиты используются во всех отраслях ОПК – средства защиты (бронежилеты), танкостроение, кораблестроение, ракетостроение, авиастроение и т. д. Например, на предприятиях корпорации «Ростех», специализирующихся на НИОКР и производстве полимерно-композитных материалов (ПКМ), серийно изготавливаются агрегаты из ПКМ для ракетоносителей, элементы звукопоглощающих панелей для авиадвигателей. У воздушных судов ПАК ДА, ПАК ФА, Ил-112 в результате использования композитов снизилась масса на 20–30 %, уменьшилось количество деталей, сократились сроки производства. Также весьма активно они используются в конструкции беспилотных летательных аппаратов.

Использование композитов в кораблестроении уменьшает вес корабля, что сказывается на скорости и количестве перевозимого полезного груза (десантные корабли, авианосцы).

Композиты из полимерных волокон с фибриллярными структурами демонстрируют высокие показатели противоударной и противоосколочной стойкости. Появились гибридные межслоевые полимер-металлические и полимер-керамические материалы (комбинированная броня) и современные нанополимерные материалы на основе полимерных гелей и электроактивных полимеров. Их ударопрочные и весовые качества используют для производства внешней обшивки и надстроек кораблей. Например, на российских корветах типа «Стерегущий».

Композитная броня стала стандартом в мировом танкостроении. Керамико-пластиковая броня используется для защиты кабин пилотов в военных вертолетах. Элементы корпусов вертолетов также делают из композитов. Цельнокомпозитные лопасти из углепластика применяют на вертолетах Ми-38, Ми-35М и Ми-28НМ.

Завод «АэроКомпозит-Ульяновск» начал серийное производство композитного крыла для лайнера МС-21. Многофункциональный истребитель пятого поколения Т-50 (ПАК ФА) имеет композитный фюзеляж из радиопоглощающих материалов. Их доля в самолете составляет 25 %.

В некоторых отраслях импортные составляющие композитов достигают 90 %. В производстве композитов работает программа импортозамещения. Так, Средне-Невский судостроительный завод выполнил программу импортозамещения на 50 %. В 2018 г.
завод планирует полностью завершить ее и максимально увеличить долю отечественных материалов в строительстве кораблей и судов.

В России до сих пор существуют негативные факторы, которые влияют на стабильность роста производства композитов. В том числе – недостаточность финансирования НИР и ОКР для получения новых композитов и, как следствие, технологическое отставание производителей сырья. Тендерная сис­тема закупок, при которой конструкционные материалы четко прописаны и отсутствует возможность принятия альтернативных решений, также оказывает определенное влияние.

Сказывается и отсутствие специалистов, имеющих знания и опыт в работе с композитами. Нет кооперации производителей композитов и крупных отечественных предприятий, при которой целесообразно было бы заменить традиционные материалы на композитные. Одна из самых важных проблем – отсутствие четкого механизма технического регулирования, а также современных стандартов на материалы и методы испытаний.

В соответствии с федеральной программой «Развитие оборонно-промышленного комплекса» на 2016–2020 гг., рост объемов производства продукции гражданского назначения в ОПК увеличится в 1,3 раза. Вырастет и доля используемых композитов, что безусловно вселяет оптимизм. Но результат во многом зависит от последовательности государственной промышленной политики в сфере финансов, госзаказа и разумного протекционизма.

Федор Антонов, к. ф.-м. н., генеральный директор ООО «Анизопринт»

Основным трендом в области аддитивных технологий является переход от прототипирования к изготовлению конечных изделий. В 2014 г.
только 25 % продукции аддитивных технологий применялось в качестве готового изделия, а в 2016 г. – уже 34 %. Еще один важный тренд в 3D-печати основывается на новых возможностях проектирования и оптимизации.

В силу того, что большинство аддитивных технологий не накладывают принципиальных ограничений на структуру изготавливаемой детали, открываются возможности для новых подходов к проектированию, таких как, например, бионический дизайн и топологическая оптимизация. Современные методы оптимизации позволяют существенно улучшать функциональность и технические характеристики изделий, создавая дополнительную добавленную стоимость.

Добавленная стоимость, создаваемая за счет весовой эффективности и функциональной интеграции компонентов, наиболее высока в аэрокосмической отрасли. Так, компания GE изготавливает функционально интегрированные топливные форсунки для своего самого современного двигателя LEAP, что обеспечивает экономию топлива до $ 1,6 млн на один самолет в год.

В своем новейшем самолете A350 XWB компания Airbus изготавливает более 1000 деталей при помощи 3D-печати и добивается экономии топлива в 25 % по сравнению с конкурентами. BMW применяет аддитивные технологии для изготовления более чем 500 деталей спортивных автомобилей. Кроме того, более 20 % компаний из автомобилестроительной, аэрокосмической, медицинской и общемашиностроительной отраслей, использующих 3D-печать на производстве, применяют ее для изготовления инструментов, приспособлений, зажимов и другой технологической оснастки.

При этом сегодня лишь 5 % компаний, внедряющих аддитивные технологии, используют их для серийного производства продукции. Основными препятствиями в достижении этой цели называют высокую стоимость оборудования (40 %) и материалов (20 %). Для успешного внедрения 3D-печати в качестве промышленной технологии компании нуждаются в надежных производственных системах.

Большинство промышленных аддитивных установок обеспечивают ожидаемое клиентами качество, однако высокая цена делает их недоступными для многих клиентов. Согласно опросу (EY’s Global 3D printing Report 2016), высокая стоимость оборудования и материалов, представленных на рынке, является самым существенным барьером для внедрения аддитивных технологий в промышленность.

Предлагаемым решением заявленной проблемы является концепция композитной 3D-печати. Обладая уникальными удельными механическими характеристиками, композиты успешно заменяют металлы в широком спектре нагруженных конструкций. Вследствие наличия сложной внутренней структуры и направленного характера физико-механических свойств, композитные материалы могут обеспечить оптимальное распределение нагрузки внутри конструкции, позволяя проектировать детали оптимальной формы и внутренней структуры, отвечающей действующим эксплуатационным нагрузкам.

В частности, речь идет о технологии, реализующей концепцию композитной 3D-печати посредством коэкструзии композитного волокна. Технология заключается в следующем. В экструдер печатной головки подаются предварительно пропитанное и отвержденное композитное армирующее волокно и нить из термопластичного полимера. Экструдер нагревается до температуры переработки термопластичного полимера.

Композитное армирующее волокно, проходя через экструдер, покрывается расплавом полимера и выходит через сопло. Экструдер двигается по запрограммированной траектории, укладывая на стол армирующее волокно и полимер, формируя деталь. При использовании множественных экструдеров, содержащих как строительный материал, так и материал поддержки, технология не накладывает принципиальных ограничений на возможность пространственной ориентации нити в процессе выкладки.

С применением данной технологии можно управлять выкладкой нити в произвольном направлении, что в случае использования композитов открывает неограниченные возможности для оптимизации внутренней структуры детали, изготовления деталей с заранее заданной анизотропией материальных свойств, адаптированных под действующие эксплуатационные нагрузки.

Технология позволяет применять различные материалы в качестве связующего. Это могут быть как обычные пластики, используемые для прототипирования, такие как АБС, ПЛА, ПА, ПК или ПП, так и конструкционные и суперконструкицонные термопласты, такие как ПЭЭК, ПФС, ПС, ПЭИ. В зависимости от потребностей пользователя, материалы можно варьировать для достижения лучших эксплуатационных или экономических параметров деталей.

Арсений Митько, к. т. н., Арктическая академия наук

Развитие БПЛА за последнее десятилетие показало, насколько востребованным является данный вид робототехнических систем. Выполнение поисковых работ с воздуха с их помощью осуществляется наиболее оперативно и менее затратно в плане обес­печения. Так, например, специалисты Омского государственного технического университета разработали новую модификацию БПЛА – ПП-50. Это аппарат третьего поколения с улучшенными характеристиками. При его конструировании применялись современные 3D-технологии, а корпус изготовлен из новейших композитных материалов на основе кевларовых сот и углепластиков.

Новый БПЛА может эксплуатироваться в диапазоне температур от минус 40 до плюс 45 градусов и скорости ветра до 15 м/с. При создании БПЛА ПП-50 использовался опыт конструирования и эксплуатации предшествующих моделей ПП-40 и ПП-45. Эти аппараты появились на рынке в 2011–2013 гг., их сегодня применяют географы, геофизики и археологи в России и Казахстане. Модель подойдет для труднодоступной местности, где ведется геологоразведка, проходят протяженные линии газопроводов и нефтепроводов.

ПП-50 может провести в воздухе до 6 часов, при этом полетное время составляет 3,5 часа. Это в два раза больше, чем у предыдущих моделей. Скорость дрона составляет до 120 км/ч в радиусе до 100 км, а высота полета – до 5 км, что в пять раз превышает возможности ранее выпускаемых аппаратов.

Разборный корпус аппарата позволяет удобно размещать внутри него или на подвеске необходимое оборудование. БПЛА стал основой для разработки подвесного патрульно-поискового комплекса «Взор».  Его пыле- и влагозащита соответствует классам IP-67 и IP-68, поэтому аппарат может использоваться в условиях атмосферных осадков, он также способен вынести погружение на глубину до одного метра. «Взор» включает в себя тепловизоры и фото- и видеоаппаратуру.

БПЛА ПП-50 с комплексом «Взор» может применяться для видеонаблюдения с передачей изображения в наземный пункт, для трехмерной картографии. Технические характеристики БПЛА и «Взора» позволяют использовать комплекс для патрулирования в условиях Арктики.

Создатели комплекса заявили, что в нем используются комплектующие только российского производства. Оте­чественной разработкой является даже система автоматического пилотирования, ключевой элемент БПЛА. На выставке техники и высоких технологий для Арктики, Сибири и Дальнего Востока «ВТТА-Омск-2015» возможностями ПП-50 заинтересовались представители «Газпрома» и нефтяных корпораций, работающих в условиях Крайнего Севера. Внимательно изучили достоинства аппарата и представители Министерства обороны РФ.