Исследование механических свойств полилактида, изготовленного FFF-метода

EDN:

В

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет,

Аддитивное производство, также известное как 3D-печать, стало революционным методом послойного изготовления трехмерных объектов. В современных экономических условиях данный процесс приобретает особую значимость для российской промышленности. Технология становится основным инструментом импортозамещения и развития отечественного производства [1].

3D-принтеры позволяют быстро и экономично создавать прототипы с минимальными затратами [2]. Сегодня их все чаще применяют для производства высокопрочных изделий. Работа устройств основана на технологии послойного наплавления материала. Наиболее распространены два метода: FFF ( Fused Filament Fabrication , или производство путем наплавления филамента), который подходит для любительской и образовательной печати, и FDM ( Fused Deposition Modeling , или моделирование методом наплавления), используемый в промышленности и обеспечивающий более высокую точность.

Принцип работы FDM заключается в экструдировании расплавленной нити-филамента через нагретое сопло. Филамент затем затвердевает и образует покрытия, соответствующие 3D-модели1. При использовании для прототипирования или инженерных решений механические свойства изделий, изготовленных методом 3D-печати, приобретают решающее значение2. В таком случае необходимо тщательно учитывать различные параметры процесса печати, влияющие на механические характеристики.

Детали, изготовленные из полимерных материалов, все большее применение находят в конструкциях современных машин3.

Одновременно с распространением полимерных деталей возникает проблема их быстрой замены при выходе из строя. Часто для производителей и дилеров техники оказывается нерентабельным изготовление и продажа запасных частей из полимеров. Проблемой являются также и большие сроки поставки отдельных деталей или узлов, характеризующиеся спецификой работы существующих поставок запасных частей. Альтернативой закупке в данном случае выступает самостоятельное изготовление необходимых полимерных компонентов с использованием аддитивных технологий. Такое производство не требует использования специальной оснастки – весь цикл изготовления новой детали займет несколько рабочих дней4 [7; 8].

Сферу использования подобных технологий возможно расширить применением новых технологических подходов к 3D-печати, подразумевающих использование новых технологических схем получения деталей. Это позволяет упрочнить напечатанный из полимеров элемент и использовать его впоследствии5 [5–11].

Цель исследования – установление количественных закономерностей влияния степени внутреннего заполнения (15–100 %) на прочностные и деформационные характеристики полилактида, изготавливаемого методом послойного наплавления (FFF), с последующим

OGAREV-ONLINE. 2026. Vol. 14, no. 2JL определением технологически обоснованных границ применения напечатанных деталей в зависимости от уровня эксплуатационных нагрузок.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Стремительное развитие аддитивных технологий, в частности метода послойного наплавления (FFF и FDM), трансформировало подходы к быстрому прототипированию и локальному производству запасных частей. Как отмечают исследователи, внедрение 3D-печати в ремонтное производство и машиностроение позволило существенно сократить сроки изготовления деталей, снизить металлоемкость конструкций и уменьшить зависимость от импортных поставок [6; 7]. Однако переход от создания визуальных макетов к производству функциональных, нагруженных, элементов требует точного прогнозирования механических характеристик, которые формируются непосредственно в процессе экструзии и послойной укладки полимера.

Анализ современных публикаций подтверждает, что прочность, пластичность и долговечность изделий не являются константами базового филамента, а критически зависят от технологических параметров синтеза.

Ведущим фактором, определяющим несущую способность детали, признана степень внутреннего заполнения. Экспериментальные работы М. В. Турченко, Ю. А. Гончарова и Р. М. Касимова на образцах из ABS-пластика, изготовленных по ГОСТ 11262-20176, продемонстрировали, что при плотности заполнения свыше 40 % происходит значительный прирост прочности за счет уплотнения межмолекулярных связей, тогда как в диапазоне 20–40 % показатели стабилизируются из-за одинаковых структурных изменений [9].

Аналогичные закономерности отмечены А. С. Дороховым и А. С. Свиридовым для полиамида PA12 и ABS, где образцы со 100 %-м заполнением показали наилучшие результаты при испытаниях на растяжение по ASTM D638-147. Это позволило рекомендовать данный режим для изготовления опор скольжения садовой техники [10].

Исследования Л. Б. Гаспаровой, М. В. Якимова и В. Д. Косоурова подтверждают влияние заполнения (60–100 %) на прочность зубчатых колес из биоразлагаемых композитов полилактида PLA+ и PLA CF, подчеркивая необходимость комплексной оптимизации совместно с высотой слоя и количеством внешних периметров [11].

Несмотря на накопленный массив данных по инженерным пластикам, исследования полилактида остаются фрагментарными и часто суженными. Так, В. А. Ермакова и соавторы изучили влияние параметров печати PLA на условный предел текучести. Однако коэффициент заполнения в их исследовании варьировался лишь в диапазоне от 10 до 40 %, основное внимание было сосредоточено на геометрии узора (треугольник, соты, линия) и температуре сопла [12].

В работе А. Д. Куликова и соавторов об изготовлении формообразующего инструмента для гибки меди М1 использовали исключительно сплошную структуру (100 % заполнения) при 210 °C, обосновав принципиальную возможность применения PLA в штамповом обо рудовани и, но не раскрывая градиент свойств при снижении плотности [13].

Technical sciences 223

Существенным ограничением многих работ является также недостаточный учет анизотропии. По мнению Ю. А. Гончаровой, механические свойства PLA-каркасов сильно зависят от направления укладки слоев, а заполнение 20–50 % без дополнительной пропитки не обеспечивает стабильных характеристик, требуя строгой стандартизации условий испытаний [14].

Таким образом, анализ литературы выявил ряд методологических «белых пятен». Во-первых, большинство исследований охватывают либо узкие диапазоны заполнения (до 40 % или фиксированные 100 %), либо фокусируются на материалах, отличных от PLA. Во-вторых, отсутствуют систематизированные непрерывные нагрузочно-деформационные зависимости для полилактида в полном эксплуатационном спектре (от минимальных 15 % до монолитной структуры 100 %). В-третьих, некоторые результаты получены по зарубежным стандартам организации ASTM International или внутренним методикам, что затрудняет их прямую интеграцию в российскую инженерную практику, регламентируемую ГОСТ 11262-20178. Также недостаточно проработаны четкие количественные критерии перевода напечатанной детали из категории «экономичный прототип» в класс «малонагруженный» или «конструкционный» элемент.

Настоящее исследование направлено на восполнение указанных лакун. В отличие от предшествующих работ, рассматривающих фрагментарные параметры или специфические геометрии, авторами экспериментально изучено влияние четырех дискретных значений степени внутреннего заполнения (15, 30, 60 и 100 %) на прочностные характеристики коммерческого филамента PLA при одноосном статическом растяжении.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Испытания выполнены строго в соответствии с ГОСТ 11262-20179 на стандартизированных образцах типа «двусторонняя лопатка», что обеспечивает высокую воспроизводимость и сопоставимость данных с промышленными требованиями.

В качестве объекта исследования выбран филамент полилактида производства фирмы Anycubic (Китай). На принтере марки Anycubic Сobra 2 Neo (Китай) производилась 3D-печать двусторонних лопаток по ГОСТ 11262-201710. Образцы представлены на рисунке 2. Режимы печати представлены в таблице. Посторенние модели и наложение слоев производили в слайсере Cura. Образцы с различным заполнением представлены на рисунке 1.

Таблица. Технологические режимы 3D-печати

Table. Technological modes of 3D printing

Параметр / Parameter	Значение / Value
Температура печати, oC / Printing temperature, oC	205
Диаметр сопла, мм / Nozzle diameter, mm	0,4
Скорость печати, мм/с / Print speed, mm/sec	150
Температура стола, oC / Table temperature, oC	60
Заполнение, % / Completion, %	15, 30, 60, 100

Источник : здесь и далее таблицы и рисунки составлены авторами по результатам исследования.

Source : hereinafter, the table and figures were prepared by the author based on the results of the study.

Р и с . 1 . Модели двухсторонних лопаток с заполнением 15, 30, 60, 100 %

F i g . 1 . Models of double-sided blades with a filling of 15, 30, 60, 100 %

Определение механических характеристик образцов проводили на разрывной машине UAI-7000 М (Тайвань) при комнатной температуре согласно ГОСТ 11262-201711. Скорость движения зажимов разрывной машины составляла 10 мм/мин.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Визуальный анализ поверхностей излома напечатанных образцов из филамента полилактида (рис. 2) выявил различия в характере разрушения образцов, обусловленные степенью внутреннего заполнения.

Р и с. 2 . Готовые образцы с заполнением 60 %

F i g . 2 . Ready-made samples with a filling of 60 %

Согласно данным средние значения максимального усилия при разрыве составили: 210 Н для образцов с заполнением 15 %, 300 Н – для 30 %, 400 Н – для 60 % и 642 Н – для 100 % заполнения ( n = 5 для каждой группы).

Прослеживается монотонный рост предельной нагрузки с увеличением процентного содержания внутреннего заполнителя, при этом характер кривых для образцов с заполнением 15–60 % демонстрирует более выраженную нелинейность на участке пластической деформации по сравнению с монолитными образцами.

Относительное удлинение при разрыве также коррелировало со степенью заполнения: минимальные значения (4,9 ± 0,5 %) зафиксированы для группы 15 %, тогда как образцы со 100 % заполнением показали максимальную пластичность – 6,7 ± 0,4 %.

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные результаты позволяют не только выстроить непрерывную картину изменения механических свойств в зависимости от доли заполнителя, но и сформулировать верифицированные рекомендации по выбору режимов FFF-печати для конкретных инженерных задач, закрывая разрыв между академическими экспериментами и практикой отечественного прототипирования и мелкосерийного производства.

Экспериментальные данные показывают, что степень заполнения существенно влияет на механические свойства полилактида. Это связано со структурой межслоевых связей и образованием пор между слоями. Кривые «нагрузка–деформация» показывают что, более высокая плотность заполнения приводит к большей прочности испытанных образцов.

Полученная зависимость максимальной разрушающей нагрузки от степени заполнения согласуется с данными М. В. Турченко, Ю. А. Гончаровой и Р. М. Касимова, которые также отметили существенный прирост прочности при превышении порога в 40 % за счет уплотнения межмолекулярных связей, однако в настоящем исследовании установлен более плавный градиент роста характеристик для PLA в диапазоне 15–60 %, что обусловлено спецификой термического поведения и низкой температурой стеклования полилактида по сравнению с ABS-пластиком [9].

Следует отметить, что испытания проводились при фиксированной ориентации укладки слоев и едином геометрическом шаблоне заполнения, что, как показано в работах Ю. А. Гончаровой, может приводить к выраженной анизотропии прочностных свойств. Полученные значения представляют собой воспроизводимую нижнюю границу несущей способности, которая в практике может быть повышена за счет оптимизации траектории экструдера или последующей вакуумной пропитки полимерным компаундом [14].

Выявленные количественные закономерности позволяют обоснованно разделять область применения деталей из полилактида. При заполнении 15–30 % материал сохраняет достаточную жесткость для визуального прототипирования и вспомогательной оснастки, тогда как структуры с заполнением 60–100 % по своим прочностным резервам приближаются к характеристикам инженерных пластиков, что подтверждает их перспективность для изготовления малонагруженных функциональных узлов, аналогично рекомендациям А. С. Дорохова и А. С. Свиридова для полиамидных компонентов садовой техники [10].

При интерпретации полученных результатов следует учитывать, что исследование выполнено на одном типе коммерческого филамента полилактида фирмы Anycubic при фиксированных режимах печати (температура сопла 205 °C, скорость 150 мм/с, диаметр сопла 0,4 мм) и геометрии узора заполнения. Варьировалась исключительно степень внутреннего заполнения (15, 30, 60 и 100 %), тогда как изменение других параметров (высота слоя, ориентация укладки, количество внешних периметров) может влиять на механические характеристики. Кроме того, испытания ограничены статическим растяжением при комнатной температуре; поведение материалов при циклических и длительных нагрузках в настоящей работе не исследовалось.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В проведенном исследовании были изготовлены образцы из полилактида методом FFF-печати с разной степенью заполнения.

Основные результаты исследования демонстрируют, что при степени заполнения 100 % могут быть изготовлены некоторые конструкционные элементы машиностроительных изделий. При 15, 30, 60 % заполнении могут изготавливаться малонагруженные детали. Низкая степень заполнения также может использоваться для быстрого прототипирования в целях экономии средств и времени.

Полученные результаты имеют выраженную прикладную значимость для инженерной практики, поскольку позволяют обоснованно выбирать режимы FFF-печати исходя из требуемых механических характеристик детали. Установленные нагрузочно-деформационные зависимости могут быть непосредственно интегрированы в технологические регламенты ремонтных предприятий и цифровых 3D-ферм, обеспечивая переход от эмпирического прототипирования к управляемому производству функциональных узлов и запасных частей. Научная ценность исследования заключается в систематизации данных по полилактиду в строгом соответствии с требованиями ГОСТ 11262-201712, что устраняет методологическую разрозненность существующих публикаций и повышает воспроизводимость результатов в отечественной инженерной среде.

Перспективы дальнейших изысканий связаны с расширением исследуемой материальной базы, изучением влияния термической постобработки (отжиг) и вакуумной пропитки на межслойную адгезию и снижение анизотропии свойств, а также с верификацией экспериментальных данных методами конечно-элементного моделирования. Дальнейшее развитие работы предполагает переход к испытаниям на циклическую долговечность и ползучесть, что необходимо для полного инженерного цикла квалификации аддитивных изделий, применяемых в условиях реального технического сервиса и мелкосерийного машиностроения.