Автор: В настоящее время стремительный рост развития аддитивных технологий практически во всех областях науки и производства. При этом экструзионная 3D-печать стала одной из наиболее востребованных и динамично развивающихся технологий в сфере 3D-печати, способствуя переходу от концептуальных моделей к полноценным функциональным изделиям. Для изготовления полимерных материалов для 3D-печати используются термопластичные полимеры те же, что и для литья термопластов под давлением: PLA (полилактид), PP (полипропилен), ABS (акрилонитрилбутадиенстирол), PC (поликарбонат), PA (полиамид), PETG (полиэтилентерефталат-гликоль).
Известно, что стоимость конструкционных полимеров, например, таких как поликарбонат и полиацетали, примерно в четыре раза превосходит стоимость крупнотоннажных полимеров. Развитие технологии вторичной переработки (рециклинга) конструкционных пластмасс может вывести всю технологию рециклинга полимеров на новый уровень. Кроме того, повышенный спрос на вторичные конструкционные пластмассы также является движущей силой развития этой сферы промышленности.
Согласно исследованию Калифорнийского университета в Беркли, только 100 3D-принтеров за год производят свыше 200 кг пластиковых отходов. На глобальном уровне эта цифра исчисляется тысячами тонн ежегодно. Основные источники отходов — неудачные отпечатки, поддерживающие структуры, обрезки филамента, остатки моделей.
PLA, один из самых популярных пластиков, хоть и биоразлагаем, не разрушается в естественной среде с достаточной скоростью. PETG, несмотря на химическую схожесть с ПЭТ-бутылками, практически не принимается на переработку большинством муниципальных служб. Следовательно, переработка отходов 3D-печати является актуальной экологической задачей.
Перспективным направлением в материаловедении является разработка полимерных материалов на основе отходов FDM, FGF и SLS-печати. Существует целый ряд компаний, предлагающих вторично переработанные нити: Компании Reflow, Filamentive, ReFuel предлагают филамент, содержащий до 95% переработанных материалов. Однако цена на данные материалы выше, чем у обычного филамента. Главной задачей процесса переработки продуктов рециклинга является исключение процессов деструкции, то есть необходимо избежать ухудшения свойств материала, а этого можно достичь выбором необходимого оборудования, разработкой условий переработки, а также рецептурой полимерных композиций, включающих применение первичных материалов, стабилизаторов и компонентов, улучшающих переработку.
В качестве базовых компонентов выбраны термопластичные материалы PrintaForm производства ООО НПО «3Д Солюшнс» и отходы FDM, FGF и SLS-печати.
Для улучшения характеристик при переработке отходов полимерных материалов использованы различные добавки: термостабилизаторы, УФ-стабилизаторы, осушители, скользящие добавки, одоранты.
Композиции получены с помощью двухшнекового экструдера Welber модели EXL-22DF с 6 зонами нагрева. Филаменты для FDM печати будут изготовлены на лабораторной экструзионной линии для производства 3D нити торговой марки Welber XHD-15KG. Образцы для физико-механических испытаний изготовлены на термопластавтомате Babyplast 10/25 производства Cronoplast SL.
Свойства разрабатываемых композиций оценены по показателям: показатель текучести расплава термопластов по ГОСТ 11645-2021 (ISO 1133-1:2011, NEQ) (метод А, В); предел прочности при одноосном растяжении по ГОСТ 11262-2017 (ISO 527-2:2012); предел прочности на изгиб по ГОСТ 4648-2014 (ISO 178:2010); ударная вязкость по ГОСТ 4647-2015 (ISO 179-1:2010, NEQ); твёрдость по Шор D по ГОСТ 24621-91; морозостойкость при температуре минус 40±2°С в течение 6 часов, теплостойкость при температуре 60±2°С в течение 6 часов, испытания на стойкость к влажной среде при относительной влажности 100% и 25°С и стойкость к УФ излучению в течение 6 часов с целью оценки изменения пределов прочности при одноосном растяжении и изгибе.
Предложена принципиальная технологическая схема получения полимерных материалов печати на основе отходов FDM, FGF и SLA печати. Получен материалы с удовлетворительными физико-механическим свойствами для изготовления автомобильных компонентов и технологической оснастки.
Благодарность: Работа выполнена за счёт гранта Академии наук Республики Татарстан, предоставленного молодым кандидатам наук (постдокторантам) с целью защиты докторской диссертации, выполнения научно-исследовательских работ, а также выполнения трудовых функций в научных и образовательных организациях Республики Татарстан в рамках Государственной программы Республики Татарстан «Научно-технологическое развитие Республики Татарстан (соглашение № 49/2024-ПД от 16.12.2024 г.).
Литература
- A review of rapid prototyping technologies and systems / X.Yan, P.Gu // Computer Aided Design, V. 28, № 4, P. 307-318 (1996)
- A review of additive manufacturing / K.V.Wong, A.Hernandez // ISRN Mechanical Engineering, V. 2012, P. 1-10 (2012)
- Progress in additive manufacturing and rapid prototyping /J.P. Kruth, M. Leu, T. Nakagawa // CIRP Annals — Manufacturing Technologies, V. 47, № 2, P. 525-540 (1998)
- Design for stereolithography / D. Pham, C. Ji // Proceedings — Institution of Mechanical Engineers Part C Journal of Mechanical Engineer¬ing Science, V. 214, № 5, P. 635-640 (2000)
- Хаширов, А.А. Влияние технологических режимов FDM — печати на свойства изделий из полифениленсульфона и его композита с дискретным углеродным волокном [Текст]: дис. … канд. тех. наук: 02.00.06. — Нальчик, 2019. — 124 с
Авторы: Шафигуллин Л.Н.*, Романова Н.В., Габдрахманов А.Т., Насыров И.А. Набережночелнинский институт (филиал) Казанского Федерального Университета, Набережные Челны, Российская Федерация
