Ученые КБГУ модернизировали сверхпрочный пластик для безошибочной 3D-печати деталей спутников и медицинских имплантатов
Исследователи Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова (КБГУ) создали новую модификацию полимера, решающую ключевую проблему аддитивного производства сложных деталей. Модернизированный материал на основе полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) не деформируется при послойной печати, что расширяет его применение в космической отрасли, машиностроении и медицине. Результаты работы опубликованы в издании Polymers.
ПЭЭК традиционно считается одним из самых надежных высокотемпературных термопластов. Благодаря биосовместимости и устойчивости к экстремальным нагрузкам, его уже используют для производства рукояток медицинских инструментов, зубных и черепных имплантатов, изоляции электроники, а также элементов обшивки самолетов и спутников. Однако при попытке печатать детали из ПЭЭК на 3D-принтере возникает серьезное препятствие.
«Большинство существующих марок ПЭЭК первоначально разрабатывались для литья под давлением и экструзии. Но при послойной 3D-печати из него не выйдет получить качественную деталь: из-за быстрого затвердевания и кристаллизации происходит усадка и коробление, а также ухудшается сцепление между слоями», — объясняет руководитель проекта, директор Центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий КБГУ Азамат Жанситов.
Чтобы устранить этот дефект, ученые решили воздействовать не на настройки печатного оборудования, а на молекулярную структуру самого вещества. В полимерную цепь ПЭЭК внедрили химическую добавку — 4,4′-дихлордифенилсульфон. Ее присутствие нарушает строгую упорядоченность молекул, не давая им слишком быстро выстраиваться в кристаллическую решетку при остывании.
«Для неспециалиста этот эффект можно сравнить с укладкой одинаковых деталей в плотные ряды, — поясняет Азамат Жанситов. — Если среди них появляются элементы другой формы и размера, упорядоченная упаковка идёт медленнее. Аналогично, модифицированный полимер дольше сохраняет подвижность после нанесения слоя, лучше соединяется с предыдущим и охлаждается с менее резкой усадкой».
Эксперименты подтвердили эффективность подхода. Добавление 20% модифицирующего вещества снизило степень кристалличности материала с 28% до 16%, а температуру плавления — с 339 °C до 310 °C. Это расширяет так называемое «технологическое окно» печати: принтеру больше не нужно поддерживать предельно узкий температурный коридор, чтобы избежать брака. Тестовые образцы, напечатанные из нового филамента, продемонстрировали стабильность формы: в отличие от деталей из чистого ПЭЭК, они не отслаивались от рабочей платформы и не изгибались.
На данный момент разработка существует как лабораторная концепция. В планах ученых — масштабирование синтеза для получения опытных партий, создание армированных композиций и адаптация материала не только для послойного наплавления (FDM), но и для селективного лазерного спекания (SLS). Это позволит внедрить технологию в производство сложных аэрокосмических и медицинских деталей, где даже незначительная деформация критична.
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 25-23-20234).