Классификация аддитивных технологий, рассматриваемая в стандартах ASTM F2792.1549323‑1 и ГОСТ Р 57589‑2017, включает в себя семь категорий аддитивных процессов (далее — АП) каждой из которых соответствует одна базовая технология. Экструзионная аддитивная технология (англ. — Material Extrusion) является одной из базовых технологий. Процесс экструзии материала предполагает выборочную подачу материала через сопло (ГОСТ Р 57558‑2017, ГОСТ Р 57589‑2017). Схема данного процесса представлена на рис. 1 [1].

1 — поддерживающая структура; 

2 — строительная (рабочая) платформа совмещенная с механизмом её перемещения; 

3 — печатающая головка, включающая сменный рабочий инструмент — подогреваемое сопло; 

4 — исходный материал; 

5 — получаемый продукт

Рис. 1. Схема рабочей области оборудования для реализации процесса экструзии [1]

Категория «экструзия материала» включает в себя несколько вариантов реализации базовой технологии: FDM (Fused Deposition Modeling) и FFF (Fused Filament Fabrication) — экструзия нити термопластичного полимерного материала, FGF (Fused Granular Fabrication) — экструзия гранул термопластичного полимерного материала и др. При этом принцип формирования самого изделия в данной категории практически не меняется; основан на нагреве термопластичного материала до температуры, начиная с которой материал переходит в вязкотекучее состояние. Экструзия материала выполняется из этого состояния, но температура 3D-печати не должна превышать температуру деградации. В качестве исходного материала применяют: филамент (далее — нить) полимерного мономатериала либо композиционного материала, в том числе с высоким содержанием металлического порошка; гранулы мономатериала либо композиционного материала; а также композиционные материалы на основе смеси термопластичного полимера и фотоотверждаемого полимера. Многовариативность базовой технологии в категории «экструзия материала» определяется потребительскими требованиями целевой аудитории. Важными потребительскими ценностями аддитивной технологии (далее — АТ) являются: стоимость, качество (повторяемость, шероховатость поверхности), производительность, функциональность.

В данной статье приводится оценка механических и термических свой­ств термопластичных пластиков ПЭТГ, отличающихся друг от друга по температуре стеклования. Результаты наших исследований позволяют расширить данные о свой­ствах современных полимерных материалов, выпускаемых под маркой ПЭТГ, применяемых для FFF 3D-печати, а также могут быть полезными при выборе режима 3D-печати.

Технологию FFF активно развивают компании-­производители оборудования примерно с конца 2000‑х годов. К 2013 году на рынке расходных материалов для технологии FFF были, в основном представлены два пластика — АБС (ABS) и ПЛА (PLA). К 2015 году популярность начинает набирать еще один термопластичный пластик — ПЭТГ (полиэтилентерефталат, модифицированный гликолем).

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ или ПЭТ — ГОСТ 24888‑81, ГОСТ Р 51695‑2000) — сложный полиэфир на основе этиленгликоля и терефталевой кислоты. 

Химическая формула ПЭТФ:

ПЭТФ является оптически прозрачным в видимой части спектра при толщине слоев менее 50 мкм, имеющих показатель преломления 1,574 [2]. Температурный режим переработки ПЭТФ лежит в диапазоне 

100–200 °С. Температура плавления — 250 °С, температура стеклования — 78 °С по ГОСТ 51695‑2000. Одной из особенностей процесса получения ПЭТФ является то, что при быстром охлаждении расплава до комнатной температуры получается аморфный полимер; при медленном охлаждении — кристаллический [3].

Для экструзионной аддитивной технологии применяют нить из ПЭТГ. Это материал обладает низкой термической усадкой, хорошей межслойной адгезией, не кристаллизуется. Например, для марочного ПЭТГ AzureFilm температура плавления нити составляет 180–250 °C [4]; однако температура стеклования в спецификации не определена. В качестве сравнения по разбросу значений температуры стеклования и температуры плавления приведем еще несколько примеров их определения для марочных ПЭТГ: марка 3DFilTech — температура стеклования 77 °С и температура плавления не представлена в работе [5]. В работе [6] отмечено, что температура стеклования ПЭТГ может составлять 88 °С.

Формализованная модель технологического процесса экструзионной 3D-печати показана на рис. 2. Данную схему мы обсуждали в нескольких публикациях ранее. Знание температуры стеклования и температуры плавления пластика ПЭТГ имеет значение для выбора режима 3D-печати.

Рис. 2. Модель экструзионной технологии (FDM/FFF/FGF)

Для вышеуказанного материала 3DFilTech в работе [5] показано, как выбор температуры влияет на механические свой­ства и пористость (несплошность) изделия после 3D-печати в сравнении с данными параметрами до обработки (табл. 1). Образцы, по результатам растяжения которых были получены в работе [5] механические свой­ства, являются типовыми (рис. 3), имеют стиль заполнения типа zig-zag.

Рис. 3. Образец на растяжения из пластика ПЭТГ марки [5]: raft — подложка, frame — оболочка (стенка), notch — шов

В работе [7] отмечалось, что выбор ориентации образца и стиля заполнения влияет на значения механических свой­ств, определяемых по результатам испытания на растяжение плоских образцов. В зависимости от вышеуказанных параметров, характеристики механических свой­ств (предел прочности, предел текучести) являются или прочностными характеристиками самого материала, или отражают прочность конструкции образца для растяжения.

В случае растяжения исходного материала в форме нити (табл. 1), полученный результат испытания отражает свой­ства материала; при растяжении напечатанного образца, форма которого показана на рис. 3, — свой­ства конструкции образца. Напротив, если вместо стиля zig-zag задать стиль concentric и расположить образец под углом 0° либо 90° по отношению к рабочей платформе (рис. 4), то результаты испытаний характеризуют свой­ства материала.

Материал для исследования 

Образцы для исследования изготавливались из нити диаметром 1,75 мм прозрачного термопластичного ПЭТГ-пластика, выпускаемого под маркой: Azure PETG (компания AzureFilm, Словения), eSun PETG (компания eSUN, Китай), Ultrafuse PET (компания BASF, Германия).

Типы образцов и методы исследования

Образцы для исследования механических свой­ств аналогичны, тем, что показаны на рис. 4. Изготовление образцов выполнено с применением 3D-принтера Anycubic 4Max Pro. В табл. 2 представлено описание параметров, определяющих выбранный режим 3D-печати образцов; в табл. 3 — размеры образцов.

Рис. 4. Типы образцов, изготовленные для проведения исследований

Измерение механических свой­ств образцов (относительное удлинение и предел прочности) проводится с использованием универсальной испытательной установки Tinius Olsen 50ST двухколонного типа с максимальной нагрузкой 50 кН (5000 кгс). До начала испытаний замерялось поперечное сечение каждого образца исследуемого материала; после установки и закрепления каждого образца в захваты испытательной установки — расстояние между захватами; в процессе проведения испытаний регистрировали текущее значение силы растяжения и величину перемещения активного захвата испытательной установки. В результате автоматической обработки данных об испытании определялись значения относительного удлинения и предела прочности.

Температура стеклования (средняя) исследуемого материала до 3D-печати определялась методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) с применением прибора компании Mettler Toledo. Режим проведения опыта методом ДСК: нагрев в диапазоне от 0 °С до 300 °С со скоростью 20К/мин в среде N2.

Результаты и обсуждение

Термические свой­ства ПЭТГ-пластика, определены по результатам ДСК анализа, — результаты представлены в табл. 4. Данные производителей о температуре стеклования (Tg) и температуре плавления (Тпл) в технических спецификациях на исследуемые материалы не приводятся.

Механические свой­ства исследованных полимеров представлены в табл. 5. Здесь же приводятся данные производителя — как правило, их указывают в технической спецификации на материал.

В [8] отмечается, что температура стеклования зависит от строения полимера, оказывающего влияние на кинетическую гибкость цепи и на энергию межмолекулярного воздействия. С ростом молекулярной массы температура стеклования повышается. По всей видимости, Ultrafuse PET по своему строению ближе к ПЭТ и переходит в текучее состояние при меньшей температуре нагрева.

Изменение угла ориентации образца при 3D-печати с 0° на 90° приводит к некоторому увеличению прочности образца материала Azure PETG и Ultrafuse PET. Для полимерного материала eSun PETG зависимость предела прочности от выбранного в данном исследовании угла ориентации не проявляется.

Относительное удлинение, характеризующее пластичность материала, незначительное увеличивается для Azure PETG и Ultrafuse PET при изменении угла ориентации (таблица 5); для материала eSun PETG практически не изменяется. Подобный характер изменения механических свой­ств позволяет предположить о более-­менее однородной структуре образцов, учитывая, что стиль заполнения, плотность заполнения и прочие параметры 3D-печати выбраны одинаковыми для двух углов ориентации (таблица 2).

Выводы

Проведенное исследование и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. Температура начала теплового процесса зависит от температуры стеклования композиции прозрачного полимерного материала ПЭТГ (таблица 4).

2. Предел прочности исследуемого материала меняется при изменении температуры стеклования и угла ориентации образца при 3D-печати (таблица 5).

3. Исследуемые материалы показывают примерно одинаковые механические свой­ства в зависимости от угла ориентации образца на рабочей платформе для значений 0° и 90°. Это позволяет сделать предположение об отсутствии сильно выраженной анизотропии. ■

Авторы:

П.А. Петров ¹*, Б.Ю. Сапрыкин¹, К.А. Поляков¹¹ Московский политехнический университет, г. Москва, Россия

e-mail*: petrov_p@mail.ru

Литература

1. ГОСТ Р 57589‑2017. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы — часть 2. Материалы для аддитивных технологических процессов. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2017. С. 8.
2. Урманцев У.Р., Грудников И. Б., Табаев Б. В., Лакеев С. Н., Ишалина О. В. / Химия и технология производства полиэтилентерефталата: уч. пособие Урманцев У. Р., Грудников И. Б., Табаев Б. В., Лакеев С. Н., Давыдова О. В.  2015.  С. 130.
3. Серова В. Н. Полимерные оптические материалы. — СПб.: Научные основы технологии, 2011. — 384 с.
4. Technical Data Sheets Archive — AzureFilm. [электронное издание] URL: https://azurefilm.com/technical-data-sheets 
5. Guessasma S., Belhabib S., Nouri H. Printability and tensile performance of 3D printed polyethylene terephthalate glycol using fused deposition modelling. // Polymers (Basel), 2019, 11 (7), doi: 10.3390/polym11071220.
6. Oladapo B.I., Adeoye A. O.M., Ismail M. Analytical optimization of a nanoparticle of microstructural fused deposition of resins for additive manufacturing. // Composites Part B: Engineering, 2018, 150,  pp. 248–254.
7. Yao T., Ye J., Deng Z., Zhang K., Ma Y., Ouyang H. Tensile failure strength and separation angle of FDM 3D printing PLA material: Experimental and theoretical analyses. // Composites Part B: Engineering, 2020, 188, — pp.107894.
8. Технология переработки полимеров. Физические и химические процессы: учеб. пособие для вузов / под ред. М. Л. Кербера. — 2‑е изд., испр. и доп. — М.: издательство Юрайт, 2019‑316 с. — (Серия: Университеты России).

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 1-2025