Wzmocnienie struktury satelity za pomocą technologii CFIP Reinforce3D

Jak połączenie druku 3D i ciągłego filamentu zmniejsza wagę i koszty w przemyśle lotniczym i kosmicznym

Produkcja addytywna odgrywa coraz ważniejszą rolę w przemyśle lotniczym, gdzie niska waga, wysoka wytrzymałość i wydajność produkcji są kluczowymi parametrami. Technologia CFIP (Continuous Fibre Injection Process) firmy Reinforce3D zapewnia innowacyjny sposób dodawania dodatkowego wzmocnienia do części drukowanych w 3D za pomocą ciągłego włókna węglowego, umożliwiając znaczną poprawę właściwości mechanicznych konstrukcji przy jednoczesnym zmniejszeniu masy i kosztów produkcji.

Wyzwanie: Minimalizacja wagi struktur satelitarnych

W przemyśle kosmicznym waga jest jednym z najważniejszych czynników. Każdy kilogram ładunku może oznaczać około 10 000 USD kosztów wyniesienia na orbitę, dlatego producenci poszukują nowych metod projektowania i produkcji, które pozwolą na maksymalne zmniejszenie masy przy jednoczesnym zachowaniu integralności strukturalnej.

Jednocześnie komponenty muszą spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące sztywności, wytrzymałości i odporności na wibracje podczas startu i pracy w przestrzeni kosmicznej. To właśnie tutaj produkcja addytywna i technologie kompozytowe okazują się kluczowymi narzędziami dla nowoczesnego rozwoju.

Rozwiązanie: CFIP - dodatkowe wzmocnienie części drukowanych w 3D

Technologia CFIP pozwala na zastosowanie ciągłego włókna węglowego z żywicą w wewnętrznych wnękach już wyprodukowanej części. Podejście to zasadniczo różni się od konwencjonalnych metod kompozytowych, w których wzmocnienie jest integrowane podczas samego procesu drukowania.

CFIP pozwala na wzmocnienie komponentów wykonanych przy użyciu różnych technologii i materiałów - od polimerów, przez metale, po ceramikę. Włókna mogą być zorientowane w optymalnych kierunkach obciążenia, w tym w złożonych trajektoriach w poprzek warstw druku, co skutkuje znacznie zwiększoną odpornością mechaniczną i bardziej wydajnym wykorzystaniem materiału.

Technologia ta umożliwia również integralne łączenie wielu części za pomocą ciągłych włókien, co pomaga zoptymalizować projekt, zmniejszyć wagę i koszty produkcji.

Konstrukcja hybrydowa: połączenie polimeru, metalu i kompozytu

W tym badaniu struktura anteny satelitarnej została zaprojektowana jako hybrydowy zespół dwóch komponentów wytwarzanych addytywnie - komponentu polimerowego wykonanego z PA12 wyprodukowanego przez HP Multi Jet Fusion i części metalowej wykonanej ze stopu aluminium wyprodukowanego przez selektywne topienie laserowe (SLM). Obie części zostały następnie wzmocnione ciągłym włóknem węglowym za pomocą CFIP i strukturalnie połączone w jedną całość.

Optymalizacja konstrukcji została przeprowadzona przy użyciu optymalizacji topologicznej i symulacji numerycznych (FEM) w celu sprawdzenia wytrzymałości, sztywności, częstotliwości drgań i stabilności konstrukcji. Testy laboratoryjne potwierdziły zgodność symulacji z rzeczywistymi właściwościami mechanicznymi.

Wyniki.

Wdrożenie technologii CFIP przyniosło znaczące korzyści projektowe i ekonomiczne:

• redukcja masy o 48% w porównaniu do topologicznie zoptymalizowanej metalowej struktury wytwarzanej addytywnie
• ,
• do 70% redukcja masy w porównaniu do oryginalnej struktury wytwarzanej konwencjonalnie,
• wynikowa masa struktury około 484 g,
• szacunkowa redukcja kosztów produkcji o 59% dzięki mniejszym częściom metalowym i bardziej wydajnej produkcji.

Wyniki te potwierdzają potencjał hybrydowej produkcji addytywnej ze wzmocnieniem kompozytowym w krytycznych zastosowaniach lotniczych.

Dzięki połączeniu produkcji addytywnej z optymalizacją projektu i technologią ciągłego wtrysku włókien (CFIP), waga mocowania anteny została zmniejszona z pierwotnych 1,6 kg do 484 g, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji o 59%. W przemyśle lotniczym, gdzie każdy kilogram wyniesiony na orbitę stanowi koszt liczony w tysiącach dolarów, taki poziom wydajności projektowania ma bezpośredni wpływ na gospodarkę. Nie chodzi tylko o optymalizację jednej części, ale o poprawę ogólnej ekonomiki i wydajności systemów kosmicznych.

Marc Crescenti, CTO i współzałożyciel

Wkład w przyszłość produkcji lotniczej i kosmicznej

Technologia CFIP otwiera nowe możliwości optymalizacji strukturalnej i hybrydowej produkcji lekkich konstrukcji. Zdolność do wzmacniania już wyprodukowanych części włóknami ciągłymi pozwala na łączenie różnych materiałów i procesów produkcyjnych zgodnie z wymaganiami mechanicznymi, ekonomicznymi i produkcyjnymi.

Dla sektora lotniczego oznacza to nie tylko zmniejszenie masy komponentów satelitów, ale także potencjalne obniżenie kosztów misji kosmicznych i zwiększenie wydajności produkcji. Połączenie produkcji addytywnej i wzmocnienia kompozytowego stanowi zatem obiecującą drogę do lżejszych, mocniejszych i bardziej opłacalnych struktur przyszłości.