Пермские ученые улучшили процесс 3D-печати полимерных изделий

Разработка исследователей ПНИПУ позволит устранить недостатки метода горячей экструзии при производстве протезов, имплантатов и других

В мире активно изучают и внедряют 3D-технологии в производство протезов, имплантатов и других изделий сложной геометрической формы из полимерных материалов. Среди таких технологий выделяют послойную печать методом горячей экструзии полимеров. Ее основная проблема – нестабильное качество сварки материала как внутри, так и между слоев, что приводит к низким механическим характеристикам изделий и их разрушению. Чтобы этого избежать, важно оперативно управлять температурой материала в процессе печати. Ученые Пермского политеха (ПНИПУ) разработали математическую модель для определения оптимальных локальных режимов нагрева при формировании изделия. Она позволит создавать качественные полимерные изделия для авиации, строительства и медицины. Статья с результатами опубликована в журнале «Polymers», №15, 2023 год. Исследование выполнено в рамках программы мегагрантов, контракт № 075-15-2021-578.

Послойная печать методом горячей экструзии полимеров (FFF/FGF) – это самая известная технология 3D-печати, отличающаяся простым принципом работы и относительной дешевизной сырья и оборудования. Экструзия – это процесс выдавливания материала через формующее отверстие. Большое количество доступных полимерных материалов существенно расширяет область применения технологии (производство кронштейнов, корпусов, имплантатов, протезов и т.д.).

В процессе работы происходит плавление полимера и его выкладка в виде валиков. Они заполняют слой за слоем в соответствии с заданной программой и формируют изделие. Выдавленный валик прижимается к предыдущему слою, нагрев которого в процессе нанесения приводит к сварке материала.

При печати важно обеспечить высокое и стабильное качество сварки между валиками материала. Однако, температура в слое распределяется неравномерно из-за различий в условиях теплоотвода на участках и их изменений от слоя к слою. Это приводит к непостоянной температуре и, соответственно, ее низкому качеству.

Перед производством стоит задача – контролировать все изменения температуры сварки и ее влияние на материал. Для этого ученые ПНИПУ разработали математическую модель с использованием оперативного управления мощностью нагрева наносимого полимера. С ней специалисты смогут управлять температурой полимера в реальном времени по рассчитанным в ходе математического моделирования режимам. Ранее отслеживать и регулировать температуру сварки в процессе 3D-печати методом горячей экструзии (FFF/FGF) не представлялось возможным.

Александр Осколков, научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ:
«Мы использовали индукционный экструдер собственного производства – это устройство, которое позволяет оперативно регулировать температуру экструзии в процессе послойной печати по технологии FFF/FGF. Далее мы разработали математическую модель с оперативным управлением температурой полимерного материала, которая определяет оптимальные локальные режимы нагрева в процессе печати. Мы проверили модель, напечатав тестовые образцы. Эксперимент показал, что недостаточный нагрев или перегрев полимерного материала вызывает закономерное появление дефектов. Применение нашей модели позволяет избежать таких дефектов, повысить качество и стабильность сварки материала».

Все полученные результаты моделирования полностью согласуются с экспериментальными данными. Теперь во время 3D-печати методом горячей экструзии управлять температурой стало легко, а изделия получаются прочными и долговечными. Разработка ученых ПНИПУ может быть полезна при изготовлении функциональных изделий для машиностроительной, авиационной и медицинской промышленности.