Получение градиентных композиционных материалов на основе АБС-пластика методом 3D-печати

Изучены возможности и преимущества 3D-печати градиентных материалов при создании слоистых композитов на основе АБС-пластика с добавками углеродных волокон (УВ) и наночастиц оксида железа (НЧ). Методом 3D-печати получены образцы с различным наполнением добавок, а также градиентный образец с постепенным изменением состава (содержание добавок, % (масс.)): 30 УВ, 15 УВ, 0, 5 НЧ, 15 НЧ. Определены теплофизические, механические и магнитные свойства образцов, проанализировано влияние на них качественного и количественного состава. На основе 3D-моделирования и предварительного анализа межслойной адгезии показана необходимость наличия промежуточного слоя чистого полимера между слоями с УВ и НЧ. Выбраны параметры 3D-печати и изготовлена деталь градиентного состава, используемая при создании промышленного робота. В целом, показано, что путем спланированного включения различных материалов или добавок в определенные места в композите можно достичь уникальных комбинаций механических, термических и электрических свойств, адаптированных к конкретным применениям.

1. Yadav S., Liu S., Singh R.K., Sharma A.K., Rawat P. A state-of-art review on functionally graded materials (FGMs) manufactured by 3D printing techniques: Advantages, existing challenges, and future scope // J. Manuf. Processes. 2024. V. 131. P. 2051–2072. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.10.026.

2. Oxman N., Keating S., Tsai E. Functionally graded rapid prototyping // Bártolo P.J., de Lemos А.C.S., Tojeira А.P.O., Pereira A.M.H., Mateus A.J., Mendes A.L.A., dos Santos C., Freitas D.M.F., Bártolo Н.M., de Amorim Almeida H., dos Reis I.M., Dias J.R., Domingos M.A.N., Alves N.M.F., Pereira R.F.B., Patrício T.M.F., Fereira T.M.D. (Eds.) Innovative Developments in Virtual and Physical Prototyping. Boca Raton, FL: CRC Press, 2011. P. 483–489.

3. Kawasaki A., Watanabe R. Concept and P/M fabrication of functionally gradient materials // Ceram. Int. 1997. V. 23, No 1. P. 73–83. https://doi.org/10.1016/0272-8842(95)00143-3.

4. Studart A.R., Libanori R., Erb R.M. Functional gradients in biological composites // Ruiz-Molina D., Novio F., Roscini C. (Eds.) Bio‑ and Bioinspired Nanomaterials. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2014. P. 335–368. https://doi.org/10.1002/9783527675821.ch13.

5. Liu Z., Meyers M.A., Zhang Z., Ritchie R.O. Functional gradients and heterogeneities in biological materials: Design principles, functions, and bioinspired applications // Prog. Mater. Sci. 2017. V. 88. P. 467–498. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.04.013.

6. Ren L., Wang Z., Ren L., Han Z., Liu Q., Song Z. Graded biological materials and additive manufacturing technologies for producing bioinspired graded materials: An overview // Composites, Part B. 2022. V. 242. Art. 110086. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110086.

7. Koizumi M. FGM activities in Japan // Composites, Part B. 1997. V. 28, Nos 1–2. P. 1–4. https://doi.org/10.1016/S1359-8368(96)00016-9.

8. Gottron J., Harries K.A., Xu Q. Creep behaviour of bamboo // Constr. Build. Mater. 2014. V. 66. P. 79–88. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.05.024.

9. Kieback B., Neubrand A., Riedel H. Processing techniques for functionally graded materials // Mater. Sci. Eng: A. 2003. V. 362, Nos 1–2. P. 81–106. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(03)00578-1.

10. Loh G.H., Pei E., Harrison D., Monzón M.D. An overview of functionally graded additive manufacturing // Addit. Manuf. 2018. V. 23. P. 34–44. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.023.

11. Zhang C., Chen F., Huang Z., Jia M., Chen G., Ye Y., Lin Y., Liu W., Chen B., Shen Q., Zhang L., Lavernia E.J. Additive manufacturing of functionally graded materials: A review // Mater. Sci. Eng.: A. 2019. V. 764. Art. 138209. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138209.

12. Qiu Z., Hu Y., Zhang J., Chen X., Liu J. FGAM: A pluggable light-weight attention module for medical image segmentation // Comput. Biol. Med. 2022. V. 146. Art. 105628. https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2022.105628.

13. Vargas J.H., Westerlind H., Silfwerbrand J. Grading material properties in 3D printed concrete structures // Nord. Concr. Res. 2022. V. 66, No 1. P. 73–89. https://doi.org/10.2478/ncr-2022-0004.

14. Oxman N. Variable property rapid prototyping: Inspired by nature, where form is characterized by heterogeneous compositions, the paper presents a novel approach to layered manufacturing entitled variable property rapid prototyping // Virtual Phys. Prototyping. 2011. V. 6, No 1. P. 3–31. https://doi.org/10.1080/17452759.2011.558588.

15. Pei E., Loh G.H., Harrison D., Almeida H.D.A., Monzón Verona M.D., Paz R. A study of 4D printing and functionally graded additive manufacturing // Assem. Autom. 2017. V. 37, No 2. P. 147–153. https://doi.org/10.1108/AA-01-2017-012.

16. Compton B.G., Lewis J.A. 3D‑printing of lightweight cellular composites // Adv. Mater. 2014. V. 26, No 34. P. 5930–5935. https://doi.org/10.1002/adma.201401804.

17. Dzemko M., Engelmann B., Hartmann J., Schmitt J. Toward shifted production strategies through additive manufacturing: A technology and market review for changing value chains // Procedia CIRP. 2019. V. 86. P. 228–233. https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.01.029.

18. Fidan I., Imeri A., Gupta A., Hasanov S., Nasirov A., Elliott A., Alifui-Segbaya F., Nanami N. The trends and challenges of fiber reinforced additive manufacturing // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2019. V. 102, Nos 5–8. P. 1801–1818. https://doi.org/10.1007/s00170-018-03269-7.

19. Liu G., Zhang X., Chen X., He Y., Cheng L., Huo M., Yin J., Hao F., Chen S., Wang P., Yi S., Wan L., Mao Z., Chen Z., Wang X., Cao Z., Lu J. Additive manufacturing of structural materials // Mater. Sci. Eng., R. 2021. V. 145. Art. 100596. https://doi.org/10.1016/j.mser.2020.100596.

20. Aremu A.O., Brennan-Craddock J.P.J., Panesar A., Ashcroft I.A., Hague R.J.M., Wildman R.D., Tuck C. A voxel‑based method of constructing and skinning conformal and functionally graded lattice structures suitable for additive manufacturing // Addit. Manuf. 2017. V. 13. P. 1–13. https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.10.006.

21. Forés‑Garriga A., Gómez‑Gras G., Pérez M.A. Mechanical performance of additively manufactured lightweight cellular solids: Influence of cell pattern and relative density on the printing time and compression behavior // Mater. Des. 2022. V. 215. Art. 110474. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110474.

22. Choi J.-W., Kim H.-C., Wicker R. Multi‑material stereolithography // J. Mater. Process. Technol. 2011. V. 211, No 3. P. 318–328. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.10.003.

23. Hasanov S., Alkunte S., Rajeshirke M., Gupta A., Huseynov O., Fidan I., Alifui‑Segbaya F., Rennie A. Review on additive manufacturing of multi‑material parts: Progress and challenges // J. Manuf. Mater. Process. 2022. V. 6, No 1. Art. 4. https://doi.org/10.3390/jmmp6010004.

24. Tammas‑Williams S., Todd I. Design for additive manufacturing with site‑specific properties in metals and alloys // Scr. Mater. 2017. V. 135. P. 105–110. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.10.030.

25. Birman V., Byrd L.W. Modelling and analysis of functionally graded materials and structure // Appl. Mech. Rev. 2007. V. 60, No 5. P. 195–216. https://doi.org/10.1115/1.2777164.

26. Shanmugavel P., Bhaskar G.B., Chandrasekaran M., Mani P.S., Srinivasan S.P. An overview of fracture analysis in functionally graded materials // Eur. J. Sci. Res. 2012. V. 68, No 3. P. 412–439.

27. ASTM E1640-94. Standard Test Method for Assignment of the Glass Transition Temperature by Dynamic Mechanical Analysis. West Conshohocken, PA: ASTM Int., 1994. 5 p.

28. ГОСТ 4647–2015. Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи. М.: Стандартинформ, 2017. 18 с.

29. ГОСТ 19109-84. Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Изоду. М.: Издательство стандартов, 1984. 9 с.