Команда молодых ученых НИУ «МЭИ» разрабатывает 3D–принтер

Команда инженеров «Робопринт», входящая в состав сообщества инновационных проектов Ventum Nova НИУ «МЭИ», представила прототип 3D–принтера для печати крупногабаритных объектов. Новое устройство может напечатать неограниченную по размерам деталь. Подобные инновации найдут свое место в авиакосмической отрасли, например, для производства корпусов самолетов, а также в автомобилестроении, судостроении и ветроэнергетике. 

«Ventum Nova на базе НИУ «МЭИ» позволяет студенческим командам под руководством экспертов университета проводить научные исследования, развивать инновационные проекты с целью создания технологических компаний и коммерциализации разработок. Одним из таких перспективных проектов стал «Робопринт». Вуз предоставляет все необходимые условия для научной деятельности: в нашем арсенале уникальная учебно-экспериментальная ТЭЦ, полномасштабный полигон возобновляемой энергетики с ветровой, солнечной электростанциями и геотермальным комплексом, оборудование от ведущих компаний отрасли», – комментирует Иван Комаров, директор Центра инновационного развития НИУ «МЭИ». 

На сегодняшний момент создание детали в современных 3D–принтерах происходит во внутреннем объеме устройства, что ограничивает область печати. Поэтому максимальные размеры изготавливаемой детали зависят от габаритов самого принтера. Первая особенность «Робопринта» – печать во внешнем пространстве. Это снимает вышеупомянутые ограничения. Вторая его особенность – многопоточная печать роем роботов. Такое нововведение позволяет значительно ускорить процесс изготовления сложных деталей, «Робопринт» способен напечатать детали, превышающие размеры устройства в десятки раз.

Проект «Робопринт» – это рой роботов-принтеров. Помимо непосредственно печатающей части на движущихся платформах установлены элементы радионавигации, которые координируют действия всех элементов роя. Технология роевого управления никогда еще не применялась для управления 3D – принтерами. Процесс изготовления крупной детали разбивается на печать участков, за каждый из которых отвечает определенный принтер. Каждый принтер автономен и имеет на борту запас печатного материала (филамента) и электроэнергии.

На сегодняшний день главной проблемой производства сверхбольших машин, к каковым относятся летательные аппараты и ветряки, является их компоновка из множества мелких деталей. Такой подход обладает множеством недостатков. Главный из них – большой вес и сниженная прочность конструкции. Воздушные судна невозможно сделать значительно легче при использовании алюминия. Большой вес приводит к соответствующим затратам топлива на каждый перелет. Однако, если перейти от алюминиевых деталей к деталям, напечатанным «Робопринтом» из композитных материалов, можно добиться значительного выигрыша в весе. Применение аддитивных технологий позволяет печатать детали не сплошными, а частично заполненными, укрепленными ребрами жесткости и армирующими нитями. Следовательно, изделия сохраняют свои механические свойства и вместе с этим становятся легче аналогичных цельнолитых.

При этом всего 1 килограмм экономии веса в авиастроении улучшает экологию (снижает выбросы СО2 на 300 кг (150 м3) в год) и сокращает расходы авиаперевозчика на 100$ в год, а в космической отрасли экономия составляет и вовсе 1000$ за килограмм веса*. При этом 3D–печать композитами позволяет снизить вес крупногабаритной детали до 30% аналогичного изделия в металле. Напомним, что конечная цель – печать самолетов целиком, что упрощает процесс производства. Если учитывать, что к 2050 году количество полетов авиации возрастет в 7 раз, то использование технологий 3D–печати композитными материалами открывает огромные возможности в развитии авиастроения.

В производстве ветрогенераторов наблюдается аналогичная тенденция. Одной из самых сложно изготавливаемых деталей в этом процессе является лопасть крыльчатки: на нее приходится колоссальная нагрузка воздушного потока, а потому деталь должна быть прочной, легкой и обладать отличной аэродинамикой. На текущий момент лопасти производят ручной выкладкой по готовым формам. Это значительно ограничивает форм-фактор изготавливаемых деталей, делает производство негибким. Помимо этого, немаловажен и вопрос транспортировки деталей. Нередко случается, что при постройке ветрогенератора возникает необходимость перевести лопасти от завода-изготовителя до места монтажа. И если к ветрогенераторам, устанавливаемым на побережьях, можно транспортировать деталь по воде, то с наземными дело обстоит иначе. Приходится строить сложные логистические маршруты, перекрывать дороги, по возможности избегать мостов и переправ, ведь лопасти могут достигать в длину до ста с лишним метров. Например, один из самых крупных ветрогенераторов производства компании Vestas имеет размах лопастей 236 метров.

«Робопринт» предлагает разместить производство лопастей ветрогенераторов непосредственно на месте их возведения без форм. Рой роботов печатает цельную деталь без каких-либо шаблонов и трафаретов на строительной площадке. Это исключает риск повреждения детали в процессе транспортировки и позволяет легко возводить ветроэлектростанции даже в самых отдаленных уголках планеты. Также техпроцесс не привязан к конкретным формам/шаблонам, то есть производство становится гибким и легко перестраиваемым. Подобные конструкторские решения уже находят применение на практике и очень востребованы.

В ближайших планах команды печать крупной функциональной детали из композитных материалов (балка, комплект лопастей ветрогенератора) при помощи нескольких одновременно печатающих деталь принтеров. Испытания напечатанных лопастей пройдут на ветрогенераторе учебного полигона НИУ «МЭИ».