В ПНИПУ узнали, как повысить прочность армированных пластиковых 3D-изделий

Влияние параметров микроструктуры и технологии изготовления на прочность армированных изделий из пластика, произведенных методом 3D-печати, установили ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 27 октября сообщает пресс-служба вуза.

3D-печать изделий в настоящее время применяется во многих отраслях промышленности. Для послойного синтеза изделий используются многие полимерные материалы, при этом для усиления их прочностных характеристик часто применяется армирование короткими или непрерывными волокнами.

Однако механизм разрушения такого композита еще не был достаточно хорошо изучен. Этот пробел решили восполнить исследователи пермского политеха, проведя серию экспериментов для определения влияния параметров изготовления и микроструктурных характеристик на прочность 3D-печатных полимерных образцов, укрепленных коротким углеродным волокном.

Результаты исследования ученые ПНИПУ представили в статье «Влияние армирования коротким углеродным волокном на механические свойства напечатанного на 3D-принтере акрилонитрилбутадиенстирола», опубликованной в журнале Polymers, 2023.

В процессе исследования ученые использовали при печати образцов пластиковые нити на основе акрилонитрилбутадиенстирола (АБС-пластика), одного из видов пластмассы, широко востребованного из-за его высокой твердости, износостойкости, гибкости, долговечности, простоты изготовления и транспортировки.

АБС-пластик легко окрашивается, он термопластичен, и это позволяет его повторное использование. Из него изготавливают детали автомобилей, бытовой техники, электроники и медицинских приборов.

Для экспериментов ученые изготовили методом 3D-печати с разным диаметром сопла (0,4 мм и 0,8 мм) стержни двух видов — из чистого АБС-пластика и армированного коротким углеродным волокном, последние печатались с разными углами заполнения (0° и 90°).

Прочность образцов испытывали на растяжение, упругость, изгиб, после чего исследовали их внутреннюю микроструктуру.

Ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ Михаил Ташкинов рассказал о полученных результатах:

«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».

Изучая внутреннюю структуру образцов, исследователи установили влияние длины и ориентации коротких волокон на упруго-механический отклик полученного аддитивным способом композитного материала.

Ученые ПНИПУ доказали своим исследованием, что при изготовлении с помощью 3D-печати композиционных изделий, укрепленных коротким углеродным волокном, влияние на их качество оказывают как микроструктурные параметры, так и параметры производственного процесса. Полученные в экспериментах данные позволят повысить эффективность производства армированных 3D-печатных полимерных деталей.