Полиамид-12 (ПА-12) обладает высокой прочностью и хорошей устойчивостью к усталости. Однако детали, изготовленные методом селективного лазерного спекания из ПА, могут быть хрупкими из-за внутренней пористости.
Исправить этот недостаток можно с помощью специальных армирующих элементов, которые добавляются в состав порошка для укрепления структуры. В настоящее время в качестве такого модификатора активно рассматриваются стеклянные волокна, способные улучшить механические свойства будущей детали.
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) провели масштабное исследование и выяснили, что правильный выбор формы стеклянных частиц и ориентации 3D-печати может кардинально изменить свойства конечного изделия и повысить прочность, сообщается в пресс-релизе ПНИПУ.
Исследователи изготовили образцы из полиамида с добавлением стеклянных частиц в виде шариков и коротких волокон, используя горизонтальную и вертикальную ориентацию печати. После провели комплексные испытания — растяжение, изгиб, сжатие, ударную вязкость, вязкость разрушения и испытания на усталость и сравнили полученные характеристики с показателями чистого полиамида без добавок.
Расположение образцов полиамида-12 в камере для 3D-печати: b — изготовление образцов для испытаний на растяжение, изгиб, вязкость разрушения и сжатие; c — изготовление образцов для испытаний на ударную вязкость и усталость (Михаил Ташкинов)
«Эксперименты показали, что состав материала необходимо выбирать в зависимости от того, при каких нагрузках будет использоваться деталь. Так, применение стеклянных шариков немного снизило прочность образцов при испытаниях на разрыв и ударную вязкость. Чистый полиамид — менее жесткий, но показал лучшую прочность в этих испытаниях. Образцы с неравномерным распределением коротких стеклянных волокон в полимере ухудшили большинство показателей, включая прочность и пластичность, — рассказывает Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Ученые отмечают, что на свойства детали значительно влияет ориентация печати. Образцы, напечатанные горизонтально, оказались на 23–44% прочнее, чем вертикальные, из-за лучшего распределения нагрузки и меньшего количества слабых мест между слоями. Этот фактор важно учитывать при проектировании изделий и подготовке моделей к печати.
«С точки зрения промышленного применения выбор конкретного материала должен зависеть от точных условий эксплуатации детали, вида и величины предполагаемых нагрузок. Наше исследование показало, что для жестких конструкций его предпочтительнее укреплять стеклянными шариками. Например, в корпусах и оболочках приборов электроники, где важна высокая жесткость и стабильность размеров, а также в конструкционных компонентах дронов и аэрокосмической техники. А если в приоритете ударопрочность, лучшим решением станет чистый полиамид без наполнителей. Например, в съемных элементах и деталях, работающих в условиях износа и ударов, таких как протезы», — объясняет Илья Виндокуров, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
Ученые Пермского Политеха выяснили, что небольшие изменения в составе материала и параметрах печати могут кардинально поменять свойства конечного продукта. Полученные результаты позволят создавать композитные детали с определенными характеристиками под конкретные задачи. Это открывает новые возможности для аддитивного производства, особенно в областях, где критичны точность и надежность.
Статья опубликована в «Международном журнале передовых производственных технологий», 2025 год. Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда (№ 22-79-10350).