В настоящее время 3D-печать изделий на основе послойного нанесения материала используется во многих областях промышленности. Существует много полимерных материалов, которые применяют для печати пластиковых деталей. Для улучшения жесткости, упругости и прочности изделия в полимер добавляют армирующие (укрепляющие) вещества — короткие или непрерывные волокна. 3D-композиты с такими добавками перспективны и экономически доступны. Однако из-за сложностей и особенностей микроструктуры материала механизм его разрушения не до конца изучен. Ученые Пермского Политеха выяснили, как параметры изготовления и микроструктурные характеристики влияют на упругие и разрушающие свойства 3D-печатных полимерных образцов, укрепленных коротким волокном.
Статья с результатами опубликована в журнале «Polymers», 2023. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10350).
Для исследования ученые использовали филамент (пластиковые нити) на основе АБС-пластика, который является одним из самых востребованных видов пластмассы. Данный полимер отличается высокой твердостью, износостойкостью, гибкостью, долговечностью, простотой изготовления и транспортировки. Материал легко окрашивать, и он универсален в использовании, что значительно расширяет сферу его применения. АБС-пластик активно используется для автомобильных запчастей, бытовой техники, электроники и медицинских приборов.
Для эксперимента ученые изготовили 3D-образцы в виде стержней из чистого АБС-пластика и АБС, армированного коротким волокном. Образцы напечатаны с разным углом заполнения (0° и 90°) и разным диаметром сопла (0,4 мм и 0,8 мм). Полученные изделия испытывали на растяжение, упругость, изгиб и исследовали их внутреннюю микроструктуру.
— Максимальная прочность стержней из АБС-пластика, армированного углеродными волокнами выше, чем у образцов из чистого АБС на 42% при печати соплом диаметром 0.4 мм и на 36% при печати соплом 0.8 мм. Исследование упругости изделий показало, что образцы с углом заполнения демонстрируют более жесткое поведение во всех случаях. А максимальное значение прочности образцов на изгиб получили при использовании сопла диаметром 0.8 мм для всех видов наполнения, — поделился доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» Михаил Ташкинов.
Изучение внутренней структуры образцов показало, что длина и ориентация коротких волокон влияют на упруго-механический отклик композитного материала, полученного аддитивным способом.
Ученые ПНИПУ доказали, что при изготовлении композиционных изделий, укрепленных коротким углеродным волокном существенную роль играют как микроструктурные параметры, так и параметры производственного процесса и качество напечатанных образцов. Полученные данные повысят эффективность производства армированных 3D-печатных полимерных деталей.