ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В 3D-ПЕЧАТИ

Компьютерные технологии все больше занимают места в реальной жизни. И едва ли сейчас найдётся человек, который хотя бы раз в жизни не слышал о 3D-принтере. Сегодня можно заказать 3d печать макетов, корпусов, игрушек, прототипов различных изделий.

3D-печать уверенно развивается на глобальном уровне и предлагает возможности, с которыми традиционное производство конкурировать просто не в состоянии. Ряд преимуществ, в том числе возможности создания целиком объекта со сложными внутренними структурами и практически безотходное производство определяют будущее этой технологии.

Не смотря на то, что трехмерная печать ведет свою историю с 1951 года, когда был разработан ключевой принцип, положивший начало современной технологии, в настоящее время она является малоизученной и не теряет своей актуальности. Следует отметить, что ведущие аналитики прогнозируют перспективное будущее 3D-печати.

В мировом масштабе Россия представляет лишь 1% технологий трёхмерной печати. Можно сказать, что для нашей страны работа в этой отрасли только начинает развиваться. Главными недостатками, препятствующими развитию 3D-технологий в России, является необходимость использования дорогостоящего импортного оборудования, пока не имеющего отечественных аналогов, и отсутствие специализированных образовательных учреждений по подготовке специалистов в этой отрасли. Тем не менее, на отечественных заводах метод 3D-печати применяется при создании и отработке новых сложноконтурных деталей и конструкций, помогающий оценить функциональность и исключить возможность различных ошибок перед серийным производством.

Технология моделирования методом послойного наплавления (FDM - Fuseddepositionmodeling) – это самая распространенная и доступная технология аддитивного производства. Она предполагает создание трехмерных объектов путём нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели. Материалом для печати служат термопластики, представленные в виде катушек нитей или прутков. Среди преимуществ данного метода следует отметить скорость и простота изготовления моделей, безопасность, экологическая чистота и не токсичность большинства материалов, создание качественных деталей с высокой детализацией сложных геометрических форм и полостей. Широкое использование потенциала трехмерной печати позволит экономить средства и время, а также повысить производительность.

Полилактид, применяемый в технологии FDM, биоразлагаемый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства служат кукуруза и сахарный тростник. Используется для производства изделий с коротким сроком службы: пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты. Экологичный и биологически совместимый материал для 3D-печати. Он не токсичен, в тканях живого организма подвергается биодеструкции с образованием нетоксичных продуктов. Модели, которые изготавливают из этого вещества недолговечны, и при естественных условиях постепенно разлагаются. Tемпература печати: 160-230°С, платформы: 60-70°С.

Целью работы: изучение и оптимизация технологических свойств полилактида, устранение дефектов при 3D-печати.

Объекты и методы исследования

Методы, с помощью которых осуществлялось изучение свойств полилактида, приведены в таблице 1:

Таблица 1 – Методы исследования.

На начальном этапе нашей задачей было определение технологических характеристик данных материалов. Так как ПЛА является гигроскопичным материалом, набирает большое количество влаги из воздуха, его необходимо сушить перед переработкой. И в процессе хранения необходимо держать бобины материала в специальных помещениях с установками по осушению воздуха. Поэтому предварительно были определены показатели водопоглащения ПЛА, представленные на рисунке 1 и 1.1.

Из рисунков видно, что максимально ПЛА набирает влагу в течение 5 часов. Максимальное содержание – 4%, что недопустимо при переработке.

Повышение  влажности  ПЛА  способствует  резкому  увеличению  скорости  гидролитической деструкции, которая приводит к уменьшению молекулярной массы полимера, уменьшению вязкости расплава. Поэтому допустимая влажность: < 0,015 – 0,02 %.

Вискозиметрический метод –  наиболее простой и доступный метод определения молекулярной массы полимеров в широкой области значений молекулярных масс. Этот метод является косвенным и требует определения констант в уравнении, выражающем зависимость вязкости от молекулярных весов. Данный метод основан на явлении увеличения вязкости раствора полимера с увеличением его молекулярной массы.

Обработка результатов.

Определение по таблице коэффициентов К и 𝛼.

Определение молекулярной массы из соотношения:

Для системы полимер-растворитель были определены константы (по таблице): К = 5,72 ∙ 104, 𝛼= 0,72. Растворителем являлся – дихлорэтан, температура измерения составила 30°С

Таблица 2. –Результаты определения молекулярной массы ПЛА

Из таблицы 2. видно, что ММ полимера от цвета изменялась не значительно. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1.Необходимость содержания ПЛА в сухих помещениях.

2.Необходимо знать природу и свойства красителя и добавок, для дальнейшей переработки материала.

В дальнейшем необходимо провести более углубленное изучение реологических характеристик и определить природу красителя.

Список литературы

1.                   Бессонова, В.А. Сложные полиэфиры: полилактид и поликапролактон [Текст] / В.А. Бессонова. // Современные научные исследования и инновации. – 2017. – 34 – 36 с.

2.                   Бондалетова Л.И. Вискозиметрический метод определения молекулярной массы [Текст] / Л.И. Бондалетова, В.М. Сутягин // Методическое пособие по выполнению лабораторных работ - Томск: Изд. ТПУ, - 2003 - 12 с

3. Слюсар, В.И. Фаббер-технологии. Новое средство трехмерного моделирования [Текст] / В.И. Слюсар. // Электроника: наука, технология, бизнес. - 2003. – 60с.

4.                   Fabricated: The New World of 3D Printing Hod Lipson, Melba Kurman. ISBN. - February 2013 – Р. 203.

5.                   Goto T . 3D bioprinting of tissues and organs / T. Goto // Nature Biotechnology. – 2014. - № 32, - Р. 785.