Как приручить 3D принтер: материаловеды нашли способ упрочить создаваемые 3D-детали вдвое

В НИТУ «МИСиС» предложена методика повышения, как минимум вдвое, прочности 3D-изделий,  основанная на изучении связи между температурными параметрами процесса 3D печати и структурой и свойствами изделий. Метод открывает реальную перспективу создания «на дому» нужных бытовых предметов, по качеству сопоставимых с фабричными. Результаты опубликованы в международном научном журнале Rapid Prototyping Journal. 

Несмотря на скромные габариты и низкую стоимость, средний настольный 3D-принтер имеет весьма приличный производственный потенциал. Годовая производительность аппарата превосходит 100 кг полимерных изделий.  Это примерно в 2 раза больше количества производимых фабриками  полимерных продуктов на одного жителя планеты ежегодно.

«Иными словами, теоретически персональный 3D-принтер может полностью покрыть потребности своего владельца в пластмассовых продуктах, - говорит руководитель Fab Lab НИТУ «МИСиС» Владимир Кузнецов. Все дело в отношении. Если перестать относиться к 3Д-принтеру как к устройству, с помощью которого можно получать «распечатку» - объемную реплику компьютерной модели и начать относиться к нему, как к программно контролируемому и перемещаемому в трех осях экструдеру, то есть к производственной машине, то изменится сама парадигма». 

По мнению резидентов Fab Lab НИТУ «МИСиС», у идеального принтера должна быть только одна кнопка  - print, и все процессы превращения компьютерного файла в «распечатку» должны быть скрыты от пользователя. Идеальная производственная машина, напротив, должна предоставлять пользователю полный контроль над технологическими параметрами процесса. 

В лаборатории персонального цифрового производства  Fab Lab НИТУ «МИСиС» активно работают над преобразованием обычного 3D-принтера в реальное средство производства.

«В опубликованной работе мы показали, что значительно повысить прочностные характеристики полимерного изделия  можно, обеспечив достаточно высокую температуру на границе между формирующимися и предшествующим ему слоем детали, - рассказывает один из соавторов исследования  аспирант кафедры материаловедения цветных металлов Азамат Тавитов.  

В свою очередь, воздействовать на температуру на границе слоев мы можем, меняя температуру сопла, скорость печати, интенсивность обдува детали и даже количество одновременно печатающихся изделий. Еще один ключевой параметр, влияющий на прочность сцепления между слоями и, соответственно, на прочность всего изделия — это эффективность экструзии (продавливания полимерной «строчки» принтера). Мы показали, что реальная производительность 3D принтера сильно зависит от температурных условий процесса. 

Максимизировав температуру изделия и эффективность экструзии, мы можем вплотную приблизить прочность на межслойной границе к прочности самого материала. Как показало исследование на конкретных кейсах, вне зависимости от геометрии изделия оптимизация температурных параметров процесса дает заметные результаты — прочность деталей по сравнению с обычными, напечатанными по стандартным параметрам возрастает до двух раз».

В настоящее время коллектив продолжает экспериментальные исследования полимерной печати, изучая взаимосвязь геометрии компьютерной модели и прочности готового изделия.