Физика и химия стекла, 2021, T. 47, № 5, стр. 590-594

ВВЕДЕНИЕ

Резиновые материалы, используемые в настоящее время в различных отраслях промышленности, имеют высокие показатели прочности и эластичности. Помимо этого, такие материалы имеют множество недостатков, главными из которых является сложность технологического оборудования, а также высокие трудозатраты, требуемые для процесса изготовления изделий. Данный процесс требует применения специализированного дорогостоящего оборудования и является низкопроизводительным. Применение материалов, имеющих подобные свойства, способные многократно перерабатываться, позволяют значительно увеличить производительность, снизить трудозатраты, автоматизировать процесс изготовления и сделать безотходной технологию получения эластичных деталей из термоэластопластов на традиционном оборудовании по переработке пластиков [1].

Термоэластопласты – компаунды, состоящие из термопластичной и эластомерной составляющей. Эти полимерные материалы привлекли интерес научного сообщества благодаря своей уникальной эластичности и термопластичной обрабатываемости [2–4].

Выбор материалов для 3D печати с низким модулем Юнга и в то же время с высокой прочностью, на рынке весьма ограничен, в основном материалы, такие как ABS, PLA, HIPS, PP, PETG, PC имеют высокий показатель модуля Юнга и, следовательно, низкую упругость [5].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Сочетание в термоэластопласте стирола (этилен-бутадиен)-стирола (SEBS) и полипропилена (PP) на основе метода смешивания сочетает в себе преимущества эластичности SEBS и печати PP. Полипропилен распространен в различных областях промышленности благодаря своей отличной обрабатываемости, высоким прочностным характеристикам, перерабатываемости, низкой стоимости и т.д. [6]. Помимо этого, SEBS является важным полимерным эластомером, обладающим высоким удлинением при разрыве, низкой температурой обработки, низкой вязкостью расплава и низкой деформацией при формовании [7, 8]. Ожидается, что смешивание PP c SEBS откроет новые эластичные полимеры для использования в аддитивных технологиях с более широким спектром свойств, таких как высокое напряжение при разрыве, улучшенное удлинение и технологичность. Изменение содержания SEBS в компаундах позволяет пользователю контролировать гибкость и эластичность получаемого материала и печатных частей, расширяя диапазон применений.

На первом этапе был подобран состав (табл. 1) термоэластопласта. Данный состав хорошо экструдируется и обладает оптимальными характеристиками (табл. 2).

В 3D печати по технологии FDM используют пруток круглого сечения (филамент), самый распространенный диаметр филамента 1.75 мм. Для изготовления филамента диаметром 1.75 мм использовали одношнековый экструдер ABB ACS510 производительностью 5 кг/ч с установленной фильерой диаметром 1.78 мм для получения прутка.

Филамент был получен путем продавливания расплава термоэластопласта через отверстие фильеры. Материал, проходя через водяную баню, охлаждался и наматывался на катушку. Благодаря тянущему устройству, филамент был доведен до диаметра 1.75 мм, с максимальным отклонением ±0.03 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ

За основу 3D печати были взяты стандартные лопатки второго типоразмера по ISO37-2013 [9], цилиндры диаметром 29 ± 0.5 мм высотой 12.5 ± 0.5 мм, а также примитив Шварца со стороной 30 мм.

Управляющие программы для печати (g-code) лопатки были сгенерированны в программе Cura с чередующимся нанесением слоев (рис. 1). Помимо лопаток был сгенерирован g-code для печати цилиндров диаметром 29 и высотой 12.5 мм (рис. 2), а также g-code примитива Шварца [10] со стороной 30 мм (рис. 3).

Рис. 1.

Рендер лопатки с чередующимся расположением слоев.

Рис. 2.

Рендер цилиндра.

Рис. 3.

Рендер примитива Шварца.

Для 3D-печати был использован принтер Wanhao duplicator i3, работающий по FDM-технологии, используемый диаметр сопла 0.4 мм. Наиболее оптимальные параметры печати из данного материала: температура сопла 230°С, температура столика 70°С, скорость печати 20 мм/с, откат прутка в экструдере отключен. На 3D-принтере были изготовлены лопатки (рис. 4), цилиндры (рис. 5) и примитивы Шварца (рис. 6) со 100% заполнением.

Рис. 4.

Фотография лопатки, полученной методом FDM печати.

Рис. 5.

Фотография цилиндра, полученного методом FDM печати.

Рис. 6.

Фотография примитива Шварца, полученного методом FDM печати.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы с высокими упруго-прочностными характеристиками все чаще используют в аддитивных технологиях. Проведенное исследование показывает, что материал может значительно расширить спектр продуктов и свойств, используемых для аддитивных технологий.

Таким образом, разработанный термоэластопласт пригоден для 3D печати не только простых изделий, но и сложных геометрических структур с трижды периодической поверхностью, которые невозможно выполнить более простыми способами формования.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-73-10171).