RU2845073C1 - Способ получения изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D-печати (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу получения изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D-печати. Техническим результатом является получение изделия с высокой жесткостью, ударными и демпфирующими характеристиками. Технический результат достигается способом получения изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D-печати, который включает создание 3D-модели детали, обработку 3D-модели детали, получение серии 2D-срезов – слоев 3D-печати. Выбирают в качестве материала неотделяемой подложки органический полимер. Выбирают неорганический или органический армирующий наполнитель неотделяемой подложки при концентрации наполнителя в органическом полимере до 75 мас.%. При этом неотделяемая подложка входит в состав изделия и является его конструкционной частью. В качестве материала для 3D-печати выбирают не менее одного органического полимера, где один органический полимер совпадает с полимером подложки. В качестве наполнителя материала для 3D-печати выбирают не менее одного неорганического или органического армирующего наполнителя в виде коротких волокон с длиной не более 2 мм, где один наполнитель по природе совпадает с наполнителем неотделяемой подложки, при концентрации наполнителя в органическом полимере до 60 мас.%. Определяют градиент распределения наполнителя или наполнителей по объему детали. При этом печать у подложки проводится с наполнителем, по своей природе совпадающим с наполнителем неотделяемой подложки. При использовании более одного полимера определяют градиент распределения полимера или полимеров по объему детали, при этом 3D-печать у подложки проводится полимером, по своей природе совпадающим с полимером неотделяемой подложки. Переводят информацию о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала. Проводят предварительное смешение частиц наполнителя или наполнителей с выбранным органическим полимером или полимерами. В двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят материал для печати в виде концентрата – смеси с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере. Загружают в бункеры печатающего 3D-устройства не менее одного вида полученного концентрата в виде гранул, а также при необходимости органический полимер в виде гранул без наполнителя. Гранулы не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой и при необходимости гранулы органического полимера подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 190-410°С. Неотделяемую подложку закрепляют на столе и проводят построчную печать слоев на неотделяемую подложку до полного формирования градиентного полимерного композита детали. При этом максимальная концентрация и максимальная длина волокон должны быть у поверхности неотделяемой подложки, а направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 16 пр.

Description

Изобретение относится к области технологий аддитивного производства, в частности производства градиентных изделий методом послойного наплавления композиций с плавно изменяющимися составами на основе термопластичных полимеров на неотделяемую подложку, являющуюся конструкционной частью конечных изделий. Заявленная технология может найти применение в авиационной, автомобильной, химической и других отраслях промышленности. Технология позволяет изготавливать методом трёхмерной печати интегральные изделия с градиентом состава, плавно меняющимся от неотделяемой подложки в объем изделия. Это приводит к большей вариативности при выборе состава печатаемого изделия так, чтобы сочетать высокую жесткость изделия с ударными и демпфирующими характеристиками. Таким образом можно достичь повышения механических характеристик печатаемого изделия и сделать материал, соответствующий требованиям заказчика.

На дату представления заявочных материалов в исследованной заявителем области техники существует техническая проблема низкой адгезии напечатанного изделия к неотделяемой подложке и высокие термические напряжения на стыке из-за больших различий в коэффициентах термического расширения.

Известен метод печати на подложке по патенту US 10632720 B2 «Покрытие для печатного стола трёхмерного принтера». Сущностью изобретения являются трехмерный объектный принтер (принтер содержит: сопло экструдера; печатную платформу, имеющую плоскую верхнюю поверхность; лист поликарбонатной подложки, имеющий нижнюю поверхность и верхнюю поверхность, причем указанная верхняя поверхность является плоской и находится на одном уровне с соплом экструдера; первый клейкий подслой, имеющий верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, при этом указанная верхняя поверхность первого клейкого подслоя приклеена к нижней поверхности листа поликарбонатной подложки; несущая пленка из полиэтилентерефталата, имеющая верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, причем указанная верхняя поверхность пленки-носителя из полиэтилентерефталата приклеена к нижней поверхности первого клейкого подслоя; второй клейкий подслой, имеющий верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, причем указанная верхняя поверхность второго клейкого подслоя приклеена к нижней поверхности несущей пленки из полиэтилентерефталата; и указанная нижняя поверхность второго клейкого подслоя приклеена к плоской верхней поверхности печатной платформы), (2) трехмерный объектный принтер по п.1, в котором верхняя поверхность листа поликарбонатной подложки имеет бархатную текстуру, (3) трехмерный объектный принтер по п.2, в котором верхняя поверхность листа поликарбонатной подложки имеет шероховатость Rz3 менее 25 микрон, (4) трехмерный объектный принтер по п.3, в котором нижняя поверхность листа поликарбонатной подложки представляет собой небархатную и нематовую текстурированную поверхность, (5) трехмерный объектный принтер по п.3, в котором верхняя поверхность листа поликарбонатной подложки имеет шероховатость Rz3 менее 5 микрон, (6) трехмерный объектный принтер по п.5, в котором нижняя поверхность листа поликарбонатной подложки представляет собой небархатную и нематовую текстурированную поверхность, (7) трехмерный объектный принтер по п.1, в котором верхняя поверхность листа поликарбонатной подложки имеет шероховатость Rz3 менее 25 микрон, (8) трехмерный объектный принтер по п.7, в котором нижняя поверхность листа поликарбонатной подложки представляет собой небархатную и нематовую текстурированную поверхность, (9) трехмерный объектный принтер по п.7, в котором верхняя поверхность листа поликарбонатной подложки имеет шероховатость Rz3 менее 5 микрон, (10) трехмерный объектный принтер по п.9, в котором нижняя поверхность листа поликарбонатной подложки представляет собой небархатную и нематовую текстурированную поверхность, (11) покрытие печатного стола трехмерного объектного принтера (покрытие содержит: лист поликарбонатной подложки, имеющий плоскую нижнюю поверхность и плоскую верхнюю поверхность; первый клейкий подслой, имеющий верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, причем указанная верхняя поверхность первого клейкого подслоя приклеена к плоской нижней поверхности листа поликарбонатной подложки; пленку-носитель из полиэтилентерефталата, имеющую верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, причем указанная верхняя поверхность пленки-носителя из полиэтилентерефталата приклеена к нижней поверхности первого клейкого подслоя; второй клейкий подслой, имеющий верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, причем указанная верхняя поверхность второго клейкого подслоя приклеена к нижней поверхности несущей пленки из полиэтилентерефталата; подкладку из полиэтилентерефталата, приклеенную к нижней поверхности второго клейкого подслоя; при этом верхняя поверхность листа поликарбонатной подложки имеет бархатную текстуру), (12) покрытие печатного стола п.11, в котором нижняя поверхность листа поликарбонатной подложки представляет собой небархатную и нематовую текстурированную поверхность, (13) покрытие печатного стола по п.12, в котором верхняя поверхность листа поликарбонатной подложки имеет шероховатость Rz3 менее 25 микрон, (14) покрытие печатного стола по п.12, в котором верхняя поверхность листа поликарбонатной подложки имеет шероховатость Rz3 менее 5 микрон, (15) трехмерный объектный принтер по п.1, в котором нижняя поверхность листа поликарбонатной подложки представляет собой небархатную и нематовую текстурированную поверхность, (16) трехмерный объектный принтер по п.15, в котором верхняя поверхность листа поликарбонатной подложки имеет шероховатость Rz3 менее 25 микрон, (17) трехмерный объектный принтер (содержит: сопло экструдера; печатный стол, имеющий плоскую верхнюю поверхность; клейкую ленту с двойным покрытием, имеющую верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, при этом как верхняя поверхность, так и нижняя поверхность являются клейкими, и при этом нижняя поверхность приклеена к плоской верхней поверхности печатной платформы; лист поликарбонатной подложки, имеющий нижнюю поверхность и верхнюю поверхность, при этом указанная верхняя поверхность является плоской и находится на одном уровне с соплом экструдера, а указанная нижняя поверхность приклеена к верхней поверхности двусторонней клейкой ленты).

Недостатком известного технического решения является ограниченный выбор материала филамента, обладающего хорошей адгезией к поликарбонату. В частности, затруднена печать полифениленсульфидом, с которым образуется непрочное соединение из-за низкой температуры разложения поликарбоната, отсутствие печати изделия с градиентом состава.

Известен способ печати на модифицированных полимерных подложках по патенту CN 111163924 A «Экструзионная 3D-печать материалов на совместимых термопластичных пленках». Сущностью изобретения являются: (1) полимерный композиционный материал, содержащий: полимерное изделие, полученное методом 3D-печати, содержащее кристаллический или полукристаллический полимер, полимерную пленку, приклеиваемую к полимерному изделию между изделием и базовой пластиной 3D-принтера; при этом пленка является смешивающейся, совместимой или полусовместимой с изделием, температура пленки ниже температуры печати на 50°C, более подходящая температура должна быть ниже на 80°С, но наиболее предпочтительна температура ниже на 100°С; (2) полимерное композитное изделие по п.1, в котором кристаллический или полукристаллический полимер выбран из группы, состоящей из: гомо- и сополимеров поливинилиденфторида, полиамидов, полипропилена, полиэфирэфиркетона, полиэфиркетонкетона; (3) полимерное изделие по п.1, в котором изделие, содержащее кристаллический или полукристаллический полимер, дополнительно содержит не более 50 мас.%, предпочтительно не более 40 мас.%, более предпочтительно не более 30 мас.%, наиболее предпочтительно менее 25 мас.% смешивающихся, совместимых или полусовместимых полимеров; (4) полимерное изделие по п.1, в котором изделие, содержащее кристаллический или полукристаллический полимер, дополнительно содержит не более 50 мас.%, предпочтительно не более 40 мас.%, более предпочтительно не более 30 мас.%, наиболее предпочтительно менее 25 мас.% одного или более наполнителей; (5) полимерное изделие по п.2, в котором кристаллическим или полукристаллическим полимером являются гомополимеры и сополимеры поливинилиденфторида, а пленка выбрана из группы, состоящей из: гомополимеров или сополимеров поли(мет)акрилата, поликапролактона и пленок полимолочной кислоты; (6) полимерное изделие по п.2 и пленка, в которых кристаллический или полукристаллический полимер выбран из группы, состоящей из: аморфных полиамидов или сополиамидов, легкоплавких блочных полиэфирамидов и привитых к полиамиду полиолефинов; (7) полимерное изделие по п.2, в котором кристаллическим или полукристаллическим полимером является полипропилен, а пленка выбрана из группы, состоящей из: полиэтилена и привитых ангидридом полиолефинов; (8) полимерное изделие по п.2, в котором кристаллическим или полукристаллическим полимером является: полукристаллический полиэфиркетонкетон (PKK) или полиэфирэфиркетон (PEEk), а пленка выбрана из группы, состоящей из: аморфного PEEk и полиэфиримида; (9) полимерное изделие по п.1, в котором пленка содержит не более 40 мас.%, предпочтительно не более 30 мас.%, более предпочтительно не более 20 мас.% полимерной фазы, которая является несмешивающейся, совместимой или полусовместимой с полимерным изделием, напечатанным на 3D-принтере; (10) изделие, изготовленное методом 3D-печати, в котором изделие содержит кристаллическое или полукристаллическое производственное изделие, полимерную пленку, приклеиваемую к изделию между изделием и листом стеклянной подложки 3D-принтера; при этом Тg или Tm пленки по меньшей мере на 10°С ниже, предпочтительно по меньшей мере на 20°С ниже, более предпочтительно по меньшей мере на 30°С и даже более чем на 50°С ниже Tg или Tm термопластичного материала изделия; (11) способ формирования 3D-печатного изделия, включающий этапы: a) размещение полимерной пленки или листа между стеклянной формовочной пластиной и изделием, подлежащим печати, при этом полимерная пленка совместима, смешиваема или полусмешиваема с изделием в расплавленном состоянии, Tg пленки или листа ниже на 50°С, предпочтительно ниже на 80°С, более предпочтительно на 100°С ниже температуры печати; б) после нанесения пленки температуру рабочей пластины повышают или понижают по мере необходимости; c) 3D-печать изделия на полимерной пленке или листе; (12) способ по п.11, в котором полимерную пленку и изделие сваривают с помощью переплетенных полимерных цепей на границе раздела.

Недостатками известного технического решения являются: известный способ, включающий добавление в состав полимерных пленок добавок, улучшающих адгезию этих пленок к стеклянному печатному столу, может не работать на печатных столах, изготовленных из отличных от стекла материалов, например, металла; смешение приведенных добавок с исходным полимером может негативно сказаться на теплофизических и механических свойствах пленки, что в некоторых случаях может быть недопустимо; не рассматриваются некоторые материалы филамента и пленки, такие как полифениленсульфид и АБС; хотя в известном патенте упоминается, что из-за приплавления пленки к первому слою печатаемого объекта она может использоваться не более одного раза; в нем не развивается идея о возможности создания интегральных элементов путем печати изделий на полимерной пленке, в том числе с последующим термоформованием в прессе; не рассматривается использование композитных листов или их ламинатов, армированных стекло/углеволокнами или другими наполнителями; отсутствует печать изделия с градиентом состава.

Известны листы для трехмерных принтеров по патенту US 20180339453 A1 «Листы для трехмерных принтеров и связанные с ними методы их использования». Сущностью является: (1) лист принтера для закрепления напечатанных объектов на печатной платформе трехмерного (3D) принтера, содержащий лист материала, выполненный с возможностью прикрепления к печатной платформе и обеспечения последовательного и равномерного приклеивания печатного объекта к печатной платформе во время печати и облегченного удаления напечатанного объекта после завершения печати; (2) лист для принтера по п.1, в котором лист для принтера содержит первую поверхность, которая контактирует с печатной платформой, и вторую поверхность, которая контактирует с печатным объектом, причем лист для принтера дополнительно содержит крепежный механизм на первой поверхности листа для принтера для закрепления листа для принтера на печатной платформе; (3) лист для принтера по п.2, в котором механизм крепления содержит клей на первой поверхности листа для принтера; (4) лист для принтера по п.3, в котором клей на первой поверхности листа для принтера содержит съемное покрытие, при этом съемное покрытие выполнено с возможностью удаления перед прикреплением листа для принтера к печатной платформе; (5) лист для принтера по п.3, в котором клей на первой поверхности листа для принтера активируется под действием тепла, когда печатная платформа нагревается во время печати; (6) лист для принтера по п.5, в котором клей активируется при температуре около 100 градусов Цельсия; (7) лист для принтера по п.1, в котором лист для принтера прикреплен к печатной платформе с помощью средства крепления, отдельного от листа для принтера; (8) лист для принтера по п.7, в котором средства крепления содержат клипсы, зажимы, клейкую ленту и любую их комбинацию; (9) лист для принтера по п.1, в котором лист для принтера прикреплен к печатной платформе с использованием самоклеящегося листа для принтера; (10) лист для принтера по п.1, в котором лист для принтера содержит первую поверхность, которая контактирует с печатной платформой, и вторую поверхность, которая контактирует с печатным объектом, дополнительно содержащую клейкий материал на второй поверхности листа для принтера, которая контактирует с печатным объектом и удерживает напечатанный объект во время печати; (11) лист для принтера по п.1, в котором лист для принтера представляет собой умеренно гибкий материал; (12) лист для принтера по п.1, в котором материал листа для принтера содержит по меньшей мере один из полимерных материалов, пластиковых материалов, поликарбонатного материала и полиимидного материала; (13) лист для принтера по п.1, в котором лист для принтера имеет любой размер и форму меньше, чем печатная платформа; (14) лист для принтера по п.1, в котором размер листа для принтера является настраиваемым; (15) лист принтера по п.1, в котором лист принтера выполнен с возможностью использования ограниченное количество раз; (16) лист для принтера по п.1, в котором лист для принтера является термостойким; (17) лист принтера по п.1, в котором при прикреплении к печатной платформе лист принтера является гладким, без складок или выступов; (18) лист принтера по п.1, но при этом лист принтера содержит первую поверхность, которая контактирует с печатной платформой, и вторую поверхность, которая контактирует с печатным объектом; и при этом вторая поверхность содержит по меньшей мере что-то одно из цвета, текстуры, рисунка, буквы и цифры, который выполнен с возможностью переноса на печатный объект во время печати; (19) лист для принтера по п.1, в котором множество листов для принтера объединены вместе в пакет, который должен быть приобретен пользователем 3D-принтера.

Недостатками известного технического решения являются: использование неармированных листов подложки; не учитывается возможность использования полимерных листов в качестве конструкционной части печатаемого изделия, т.е. без отделения подложки от изделия; нет получения градиентных материалов, в которых состав филамента отличается от состава подложки.

Известен способ получения изделия на неотделяемой подложке методом FDM печати по патенту RU 2825940 «Способ получения изделия на неотделяемой полимерной подложке методом FDM печати». Сущностью является: 1. Способ получения изделия на неотделяемой полимерной подложке методом FDM печати, заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, определяют грани модели, которые будет целесообразно заменить на материал неотделяемой полимерной подложки с учётом эффективного расположения детали на столе, при этом направление линий печати совпадает с предполагаемыми направлениями главных напряжений, минимальное количество поддерживающих конструкций, при этом площадь соприкосновения со столом достаточная, чтобы удержать деталь на одном месте во время всего процесса печати и достаточная, чтобы минимизировать её коробление, проводят доработку исходной модели с учётом всех принятых изменений и проводят обработку 3D-модели требуемой детали в программе-слайсере, получают серию 2D- срезов - слоев 3D-печати; выбирают составы филамента и неотделяемой полимерной подложки, отличающийся тем, что в качестве материала филамента выбирают органический полимер; в случае необходимости выбирают наполнитель филамента; в качестве материала неотделяемой полимерной подложки выбирают органический полимер таким образом, чтобы он обладал сродством к материалу филамента, при этом в большинстве случаев в качестве материала неотделяемой полимерной подложки выбирают материал филамента; в случае необходимости для пленок или листов неотделяемой полимерной подложки выбирают наполнитель при его концентрации в органическом полимере до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя; при этом неотделяемая полимерная подложка входит в состав изделия и является его конструкционной частью; определяют габариты неотделяемой полимерной подложки, её толщину, а также угол поворота, если неотделяемая полимерная подложка армирована однонаправленным непрерывным стекло- или углеволокном или представляет собой термопластичный ламинат с определённой схемой армирования, а после обрезания под заданные габариты неотделяемую полимерную подложку, как правило, имеющую размеры меньше размеров стола, закрепляют на столе или при помощи клейкой двухсторонней ленты, выдерживающей температуру стола без значительного ухудшения её свойств, или при помощи растворимого клея, или механических зажимов; далее проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей - FDM-печать при температурах сопла 150-450°С в зависимости от выбранного материала печати и при температуре стола, обеспечивающей прочное приплавление первого слоя изделия к подложке, до полного формирования печатаемого изделия; далее напечатанное изделие подвергают механической обработке, включающей обрезку неотделяемой полимерной подложки до необходимых размеров и удаление поддержек, а при необходимости проводят финальную абразивную обработку поверхности изделия. 2. Способ получения изделия на неотделяемой полимерной подложке методом FDM печати, заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, определяют грани модели, которые будет целесообразно заменить на материал неотделяемой полимерной подложки с учётом эффективного расположения детали на столе, при этом направление линий печати совпадает с предполагаемыми направлениями главных напряжений, минимальное количество поддерживающих конструкций, при этом площадь соприкосновения со столом достаточная, чтобы удержать деталь на одном месте во время всего процесса печати и достаточная, чтобы минимизировать её коробление, проводят доработку исходной модели с учётом всех принятых изменений и проводят обработку 3D-модели требуемой детали в программе-слайсере, получают серию 2D- срезов - слоев 3D-печати; выбирают составы филамента и подложки, отличающийся тем, что в качестве материала филамента выбирают органический полимер; в случае необходимости выбирают наполнитель филамента; в качестве материала неотделяемой полимерной подложки выбирают органический полимер таким образом, чтобы он обладал сродством к материалу филамента, при этом в большинстве случаев в качестве материала неотделяемой полимерной подложки выбирают материал филамента; в случае необходимости для пленок или листов неотделяемой полимерной подложки выбирают наполнитель при его концентрации в органическом полимере до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя; при этом неотделяемая полимерная подложка входит в состав изделия и является его конструкционной частью; определяют габариты неотделяемой полимерной подложки, её толщину, а также угол поворота, если неотделяемая полимерная подложка армирована однонаправленным непрерывным стекло- или углеволокном или представляет собой термопластичный ламинат с определённой схемой армирования, а после обрезания под заданные габариты неотделяемую полимерную подложку закрепляют на столе при помощи или клейкой двухсторонней ленты, которая должна выдерживать температуру стола без значительного ухудшения её свойств, или растворимого клея, или механических зажимов, в то же время неотделяемая полимерная подложка может иметь габариты, превышающие размеры стола по одному из направлений, и иметь так называемую свободную часть, выходящую за пределы стола, в этом случае свободную часть необходимо зафиксировать так, чтобы она не мешала процессу печати, например, односторонней клейкой лентой; далее проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей - FDM-печать при температурах сопла 150-450°С в зависимости от выбранного материала печати и при температуре стола, обеспечивающей прочное приплавление первого слоя изделия к подложке, до полного формирования печатаемого изделия; далее напечатанное изделие подвергают механической обработке, включающей обрезку неотделяемой полимерной подложки до необходимых размеров и удаление поддержек; далее проводят приплавление свободной части неотделяемой полимерной подложки к напечатанному изделию, для чего обрезанную или загнутую и натянутую часть исходной подложки помещают под пресс с полужесткой или жесткой пресс-формой, повторяющей форму детали и нагреваемой до температуры плавления неотделяемой полимерной подложки, прессование проводят при давлении, не повреждающем основную деталь и в течение такого промежутка времени, пока деталь не успела нагреться до температуры размягчения, после чего проводят удаление лишних частей приплавленной неотделяемой полимерной подложки; при необходимости проводят финальную абразивную обработку поверхности изделия. 3. Способ получения изделия на неотделяемой полимерной подложке методом FDM печати по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве материала филамента выбирают органический полимер из ряда: полипропилен, полиэтилен, полифениленсульфид, полифениленсульфон, акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полиэфирэфиркетон, полистирол общего назначения, ударопрочный полистирол, полилактид, полиметилметакрилат, термопластичный полиуретан, полиамид, полиэтилентерефталатгликоль; 4. Способ получения изделия на неотделяемой полимерной подложке методом FDM печати по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве наполнителя филамента выбирают неорганический наполнитель в виде коротких волокон, или несколько наполнителей; 5. Способ получения изделия на неотделяемой полимерной подложке методом FDM печати по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве материала неотделяемой полимерной подложки выбирают органический полимер из ряда: полипропилен, полиэтилен, полифениленсульфид, полифениленсульфон, акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полиэфирэфиркетон, полистирол общего назначения, ударопрочный полистирол, полилактид, полиметилметакрилат, термопластичный полиуретан, полиамид, полиэтилентерефталатгликоль; 6. Способ получения изделия на неотделяемой полимерной подложке методом FDM печати по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве наполнителя неотделяемой полимерной подложки выбирают однонаправленные угле- / стекловолокна, угле- / стеклоткани или дисперсный наполнитель пленок в зависимости от вида органического полимера и наполнителя филамента.

Недостатком известного технического решения является: отсутствие печати изделия с градиентом состава и возможности печати методом FGF (с использованием гранул вместо филамента).

Известен способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати по патенту RU 2812548 «Способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати (варианты) и градиентный полимерный композит, полученный указанным способом». Сущностью является: 1.Способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати, заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов - слоев 3D-печати, далее вырабатывают требования к механическим, абразивным, фрикционным или антифрикционным и другим объемным и поверхностным свойствам детали, на основании этих требований выбирают органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат, выбирают не менее одного наполнителя, далее информацию о градиенте распределения наполнителя переводят в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали, отличающийся тем, что дополнительно выбирают органический полимер из ряда: полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон, термопластичный полиуретан, полиэфиримид; а наполнитель выбирают неорганический, органический или короткие волокна, или несколько наполнителей и определяют градиент распределения наполнителя, или наполнителей, по объему детали; после перевода информации о градиенте распределения наполнителя в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение порошка наполнителя с выбранным органическим полимером, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят концентрат - смесь с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя; далее загружают в бункеры печатающего 3D-устройства не менее одного вида полученного концентрата в виде гранул, а также при необходимости органический полимер в виде гранул без наполнителя; далее для создания градиента распределения наполнителя гранулы не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой и при необходимости гранулы органического полимера подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении в пределах, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0 : 100 до 100 : 0 в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 190-410°С, далее расплав продавливают в печатающую головку; далее проводят построчную печать слоев и формирование требуемой детали методом плавления гранул FGF до полного формирования градиентного полимерного композита детали. 2.Способ получения градиентного полимерного композита методом 3D-печати, заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов - слоев 3D-печати, далее вырабатывают требования к механическим, абразивным, фрикционным или антифрикционным и другим объемным и поверхностным свойствам детали, на основании этих требований выбирают органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат, выбирают не менее одного наполнителя, далее информацию о градиенте распределения наполнителя переводят в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали, отличающийся тем, что дополнительно выбирают органический полимер из ряда: полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон, термопластичный полиуретан, полиэфиримид; а наполнитель выбирают неорганический, органический или короткие волокна, или несколько наполнителей и определяют градиент распределения наполнителя, или наполнителей, по объему детали; после перевода информации о градиенте распределения наполнителя в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение порошка наполнителя с выбранным органическим полимером, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят концентрат - смесь с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя; далее на одношнековом экструдере формируют при температуре 190-410°С нити требуемого состава, диаметра и длины из гранул не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой в зависимости от требования, предъявляемого к готовой детали, и при необходимости из гранул органического полимера, в необходимом соотношении, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0 : 100 до 100 : 0 в соответствии с настройками; далее участки нитей соответствующего состава и длины соединяют в общую нить их сваркой; проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей FDM до полного формирования градиентного полимерного композита детали. 3.Градиентный полимерный композит, полученный способом по любому из пп. 1, 2, содержащий: органический полимер из ряда: акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат; не менее одного наполнителя, отличающийся тем, что дополнительно содержит органический полимер из ряда: полифениленсульфид, полисульфон, полиимид, полиэфирэфиркетон, поликапролактон, термопластичный полиуретан, полиэфиримид; а наполнитель выбирают из ряда: неорганический, органический, короткие волокна; при этом концентрация наполнителя в органическом полимере на стадии их смешения составляет от 5 до 65 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя.

Недостатком известного технического решения является: отсутствие печати на неотделяемой подложке.

Известен способ подготовки к 3D-печати полимерного градиентного материала по патенту CN 104552951 A. Сущностью является способ приготовления полимерных градиентных материалов к 3D-печати, отличающийся тем, что он состоит из следующих шагов: - подготовка сырья и его размещение: компонент неорганического вещества после предварительного измельчения до диаметра частиц размером 0,1 ~ 10 мкм помещают в устройство подачи; органическую смолу помещают в другой загрузочный цилиндр с устройством подачи; - с помощью микрокомпьютерного моделирования и трехмерной модели изделия создается «субрегион», толщина которого составляет поперечное сечение 20 ~ 100 мкм, т.е. разрезается на слои, таким образом, чтобы принтер последовательно печатал изделие; - дозирование рассчитывается в соответствии с требованиями дизайна композиции полимерного градиентного материала и вычислений градиента расположения структурных элементов и пропорций неорганического материала и органического полимера, при управлении печатью как переменный входной параметр компьютера используется коэффициент подачи порошка в различном местоположении; - заданные параметры печати: установочная скорость печати 0,05 ~ 0,5 м/с, разрешение печати 20 ~ 100 мкм, скорость подачи порошка 0,02 ~ 5 мм³/с; - выполнение 3D печати: устройство подачи входит в печатающую головку в соответствии с настройками пропорциональной подачи, нагревает головку термопринтера до 170 ~ 300°C, плавит полимер и смешивает с частицами неорганического материала; подвижная смесь печатается по набору дорожек со скоростью по печатающей головке; сначала печатная форма формирует поверхность построчно, далее последовательно формирует печатную форму трехмерного полимера, основанный на градиенте материала. Способ получения полимерного градиентного материал методом 3D печати по п.1, отличающийся тем, что описанный компонент неорганического вещества представляет собой ZrO₂, SiC, сажу, CaCO₃, SiO₂, Al₂О₃, порошок железа, порошок никеля, феррит, редкоземельный постоянный магнит. Способ получения полимерного градиентного материала методом 3D-печати по п.1, отличающийся тем, что описанный органический полимер представляет собой АБС, полилактид, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, поликарбонат.

Недостатком известного технического решения является: ограниченный круг полимеров; неприменимость совмещения в изделии градиента двух и более наполнителей; отсутствие печати на неотделяемой подложке.

Выявленные аналоги совпадают с заявленным техническим решением по отдельным совпадающим признакам, поэтому прототип не определён, и формула изобретения составлена без ограничительной части.

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, и его техническим результатом является разработка способа получения изделия с градиентом состава на неотделяемой полимерной подложке методом 3D-печати (варианты), позволяющего достигнуть:

1 – совмещения в изделии волокнистых наполнителей от длинномерных нитей и тканей до коротких волокон и чистого полимера;

2 – повышения адгезии подложки к напечатанному изделию;

3 – снижения термических напряжений между подложкой и напечатанным изделием за счет плавного изменения состава и направления волокон в напечатанном изделии;

4 – изготовления изделий на неотделяемой подложке с градиентным составом полимера;

5 – изготовления изделий на неотделяемой подложке с градиентным составом наполнителя;

6 – изготовления изделий на неотделяемой подложке с градиентным составом наполнителя и полимера.

Сущностью заявленного технического решения является способ получения изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D-печати (FGF-печать), заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов – слоев 3D-печати; далее, исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали в качестве материала неотделяемой подложки выбирают органический полимер из ряда: полипропилен, полиэтилен, полистирол, акрилонитрил-бутадиен-стирольный пластик, полиэфирэфиркетон, полисульфон, полифениленсульфид, поливинилхлорид, полилактид, полиметилметакрилат, термопластичный полиуретан, полиамид, поликарбонат, полиимид, поликапролактон полиэтилентерефталатгликоль; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали в качестве наполнителя неотделяемой подложки выбирают неорганический или органический армирующий наполнитель в виде волокон, ровингов, тканей при концентрации наполнителя в органическом полимере до 75 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя, при этом неотделяемая подложка входит в состав изделия и является его конструкционной частью; далее, исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали в качестве материала для 3D-печати выбирают не менее одного органического полимера, где один органический полимер совпадал с полимером подложки; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали в качестве наполнителя материала для 3D-печати выбирают не менее одного неорганического или органического армирующего наполнителя в виде коротких волокон с длиной не более 2 мм, где один наполнитель по природе совпадает с наполнителем неотделяемой подложки, или дисперсных частиц при концентрации наполнителя в органическом полимере до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя; далее определяют градиент распределения наполнителя или наполнителей по объему детали, при этом печать у подложки проводится с наполнителем, по своей природе совпадающим с наполнителем неотделяемой подложки; при использовании более одного полимера определяют градиент распределения полимера или полимеров по объему детали, при этом 3D-печать у подложки проводится полимером, по своей природе совпадающим с полимером неотделяемой подложки; после перевода информации о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с выбранной неотделяемой подложкой и требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение частиц наполнителя или наполнителей с выбранным органическим полимером или полимерами, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят материал для печати в виде концентрата – смеси с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя; далее загружают в бункеры печатающего 3D-устройства не менее одного вида полученного концентрата в виде гранул, а также при необходимости органический полимер в виде гранул без наполнителя; далее для создания градиента распределения наполнителя гранулы не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой и при необходимости гранулы органического полимера подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 190-410°С; далее неотделяемую подложку закрепляют на столе и проводят построчную печать слоев на неотделяемую подложку и формирование требуемой детали методом плавления гранул до полного формирования градиентного полимерного композита детали, при этом максимальная концентрация и максимальная длина волокон должны быть у поверхности неотделяемой подложки, а направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки. Способ получения изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D-печати (FDM-печать), заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов – слоев 3D-печати; далее, исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали в качестве материала неотделяемой подложки выбирают органический полимер из ряда: полипропилен, полиэтилен, полистирол, акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полиэфирэфиркетон, полисульфон, полифениленсульфид, поливинилхлорид, полилактид, полиметилметакрилат, термопластичный полиуретан, полиамид, полиэтилентерефталатгликоль; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали в качестве наполнителя неотделяемой подложки выбирают неорганический или органический армирующий наполнитель в виде волокон, ровингов, тканей при концентрации наполнителя в органическом полимере до 75 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя, при этом неотделяемая подложка входит в состав изделия и является его конструкционной частью; далее, исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали, в качестве материала для 3D-печати выбирают не менее одного органического полимера, где один органический полимер совпадает с полимером подложки; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали, в качестве наполнителя материала для 3D-печати выбирают не менее одного неорганического или органического армирующего наполнителя в виде коротких волокон с длиной не более 2 мм, где один наполнитель по природе совпадает с наполнителем неотделяемой подложки, или дисперсных частиц при концентрации наполнителя в органическом полимере до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя; далее определяют градиент распределения наполнителя или наполнителей по объему детали, при этом печать у подложки проводится с наполнителем, по своей природе совпадающим с наполнителем неотделяемой подложки; при использовании более одного полимера определяют градиент распределения полимера или полимеров по объему детали, при этом 3D-печать у подложки проводится полимером, по своей природе совпадающим с полимером неотделяемой подложки; после перевода информации о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с выбранной неотделяемой подложкой и требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение частиц наполнителя или наполнителей с выбранным органическим полимером или полимерами, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят материал для печати в виде концентрата – смеси с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя; далее на одношнековом экструдере формируют при температуре 190-410°С нити требуемого состава, диаметра и длины из гранул не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой в зависимости от требования, предъявляемого к готовой детали, и, при необходимости, из гранул органического полимера в необходимом соотношении в соответствии с настройками; далее участки нитей соответствующего состава и длины соединяют в общую нить их сваркой; далее неотделяемую подложку закрепляют на столе и проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей при температурах сопла 190-410°С в зависимости от выбранного материала печати и при температуре стола, обеспечивающей прочное приплавление первого слоя изделия к подложке, до полного формирования печатаемого изделия, при этом максимальная концентрация и максимальная длина волокон должны быть у поверхности неотделяемой подложки, а направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 – Фиг. 2.

На Фиг. 1 приведена Таблица 1, в которой представлен состав и температурные режимы 3D печати.

На Фиг. 2 приведена Таблица 2, в которой представлены сравнение характеристик градиентных и неградиентных изделий, полученных методом 3D печати на неотделяемой подложке.

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Для достижения заявленного технического результата разработан способ получения изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D-печати (варианты – FGF-печать и FDM-печать)

Далее заявителем приведено описание исходных компонентов для 3D-печати изделия по заявленной технологии.

Для 3D-печати изделия по заявленной технологии в качестве матрицы пластика неотделяемой подложки, материала для печати и филамента использовали известные органические полимеры из ряда: полипропилен (ПП), полиэтилен (ПЭ), полистирол (ПС), акрилонитрил-бутадиен-стирольный пластик (АБС), полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), полисульфон (ПСФ), полифениленсульфид (ПФС), поливинилхлорид (ПВХ), полилактид (ПЛА), полиметилметакрилат (ПММА), термопластичный полиуретан (ТПУ), полиамид (ПА), поликарбонат (ПК), полиимид (ПИ), поликапролактон (ПКЛ), полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ).

В качестве наполнителя неотделяемой подложки выбирают неорганический или органический армирующий наполнитель в виде волокон, ровингов, тканей: стеклоровинг, базальтовый ровинг, углеродный ровинг, металлические волокна, стеклоткань, базальтовая ткань, углеткань, арамидная ткань.

В качестве наполнителя концентрата для 3D-печати использовали неорганические и органические короткие волокна с длиной не более 2 мм: стекловолокна, базальтовые волокна, углеродные волокна, металлические волокна, арамидные волокна.

Также использовали известные органические и неорганические наполнители, например: асбест, графит, порошок железа, гуммиарабик.

Заявленный способ получения изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D печати (варианты) осуществляется в целом по следующей последовательности действий:

FGF-печать на неотделяемой подложке:

- в доступном программном обеспечении, например, Siemens NX, создают 3D-модель требуемой детали;

- определяют грани модели, которые целесообразно заменить материалом подложки, с учётом эффективного расположения детали на столе и прочностных характеристик детали;

- проводят обработку 3D-модели требуемой детали в программе-слайсере, получают серию 2D-срезов – слоев 3D-печати;

– исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали, в качестве материала неотделяемой подложки выбирают органический полимер из ряда: полипропилен, полиэтилен, полистирол, акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полиэфирэфиркетон, полисульфон, полифениленсульфид, поливинилхлорид, полилактид, полиметилметакрилат, термопластичный полиуретан, полиамид, поликарбонат, полиимид, поликапролактон, полиэтилентерефталатгликоль; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали, в качестве наполнителя неотделяемой подложки выбирают неорганический или органический армирующий наполнитель в виде волокон, ровингов, тканей при концентрации наполнителя в органическом полимере до 75 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя, при этом неотделяемая подложка входит в состав изделия и является его конструкционной частью;

- исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали, в качестве материала для 3Dпечати выбирают не менее одного органического полимера, где один органический полимер совпадал с полимером подложки; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали, в качестве наполнителя материала для 3D-печати выбирают не менее одного неорганического или органического армирующего наполнителя в виде коротких волокон с длиной не более 2 мм, где один наполнитель по природе совпадает с наполнителем неотделяемой подложки, или дисперсных частиц при концентрации наполнителя в органическом полимере до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя;

- определяют градиент распределения наполнителя или наполнителей по объему детали, при этом печать у подложки проводится с наполнителем, по своей природе совпадающим с наполнителем неотделяемой подложки; при использовании более одного полимера определяют градиент распределения полимера или полимеров по объему детали, при этом 3D-печать у подложки проводится полимером, по своей природе совпадающим с полимером неотделяемой подложки;

- после перевода информации о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с выбранной неотделяемой подложкой и требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение частиц наполнителя или наполнителей с выбранным органическим полимером или полимерами, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят материал для печати в виде концентрата – смеси с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя;

- загружают в бункеры печатающего 3D-устройства не менее одного вида полученного концентрата в виде гранул, а также при необходимости органический полимер в виде гранул без наполнителя;

- для создания градиента распределения наполнителя гранулы не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой и при необходимости гранулы органического полимера подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении в пределах, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0:100 до 100:0 в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 190-410°С, далее расплав продавливают в печатающую головку, при этом максимальная концентрация и максимальная длина волокон должны быть у поверхности неотделяемой подложки;

- неотделяемую подложку закрепляют на столе на двусторонний скотч, механически или иным способом, при необходимости подогревают и проводят построчную печать слоев на неотделяемую подложку и формирование требуемой детали методом плавления гранул до полного формирования градиентного полимерного композита детали, при этом направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки.

FDM -печать на неотделяемой подложке:

- в доступном программном обеспечении, например, Siemens NX, создают 3D-модель требуемой детали;

- определяют грани модели, которые целесообразно заменить материалом подложки, с учётом эффективного расположения детали на столе и прочностных характеристик детали;

- проводят обработку 3D-модели требуемой детали в программе-слайсере, получают серию 2D-срезов – слоев 3D-печати;

- исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали в качестве материала неотделяемой подложки выбирают органический полимер из ряда: полипропилен, полиэтилен, полистирол, акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полиэфирэфиркетон, полисульфон, полифениленсульфид, поливинилхлорид, полилактид, полиметилметакрилат, термопластичный полиуретан, полиамид, поликарбонат, полиимид, поликапролактон, полиэтилентерефталатгликоль; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали, в качестве наполнителя неотделяемой подложки выбирают неорганический или органический армирующий наполнитель в виде волокон, ровингов, тканей при концентрации наполнителя в органическом полимере до 75 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя, при этом неотделяемая подложка входит в состав изделия и является его конструкционной частью;

- исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали в качестве материала для 3D-печати выбирают не менее одного органического полимера, где один органический полимер совпадает с полимером подложки; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали, в качестве наполнителя материала для 3D-печати выбирают не менее одного неорганического или органического армирующего наполнителя в виде коротких волокон с длиной не более 2 мм, где один наполнитель по природе совпадает с наполнителем неотделяемой подложки, или дисперсных частиц при концентрации наполнителя в органическом полимере до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя;

- определяют градиент распределения наполнителя или наполнителей по объему детали, при этом печать у подложки проводится с наполнителем, по своей природе совпадающим с наполнителем неотделяемой подложки; при использовании более одного полимера определяют градиент распределения полимера или полимеров по объему детали, при этом 3D-печать у подложки проводится полимером, по своей природе совпадающим с полимером неотделяемой подложки;

- после перевода информации о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с выбранной неотделяемой подложкой и требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение частиц наполнителя или наполнителей с выбранным органическим полимером или полимерами, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят материал для печати в виде концентрата – смеси с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне от до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя;

- на одношнековом экструдере формируют при температуре 190-410°С нити требуемого состава, диаметра и длины из гранул не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой в зависимости от требования, предъявляемого к готовой детали, и при необходимости из гранул органического полимера, в необходимом соотношении, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы органического полимера = от 0:100 до 100:0 в соответствии с настройками;

- участки нитей соответствующего состава и длины соединяют в общую нить их сваркой;

- неотделяемую подложку закрепляют на столе на двусторонний скотч, механически или иным способом, при необходимости подогревают и проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей при температурах сопла 190-410°С в зависимости от выбранного материала печати и при температуре стола, обеспечивающей прочное приплавление первого слоя изделия к подложке, до полного формирования печатаемого изделия, при этом максимальная концентрация и максимальная длина волокон должны быть у поверхности неотделяемой подложки, а направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки.

Далее заявителем приведены примеры осуществления заявленного технического решения.

Пример 1. Получение изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом FGF-печати из полипропилена (ПП) и коротких стекловолокон на неотделяемой подложке из стеклоровинга и ПП

В качестве детали выбрана градиентная пластина, получаемая методом FGF-печати гранулами из ПП, наполненного короткими стекловолокнами с содержанием 40 мас.%, и гранулами ПП без наполнителя, на неотделяемой подложке в виде листа толщиной 3 мм на основе ПП, армированного стеклоровингом, с содержанием 69 мас.%.

- 3D-модель детали создают в программном обеспечении Siemens NX;

- определяют грань пластины, которую целесообразно заменить материалом подложки с учётом требований к механическим свойствам материала пластины (жесткость пластины) и эффективного расположения пластины на столе;

- определяют градиент распределения наполнителя (коротких стекловолокон) по объему детали, максимальная концентрация коротких стекловолокон (40 мас.%) на поверхности неотделяемой подложки и минимальная (0%) в центральном слое;

– после перевода информации о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с выбранной неотделяемой подложкой (ПП, наполненный стеклоровингом с концентрацией 69 мас.%) и требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение частиц коротких стекловолокон с ПП, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 240 °С готовят материал для печати в виде 40% концентрата;

– загружают в бункеры печатающего 3D-устройства полученный концентрат в виде гранул, а также ПП в виде гранул без наполнителя;

- для создания градиента распределения наполнителя гранулы концентрата и гранулы ПП подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении в пределах, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы ПП = от 0:100 до 100:0 в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 240°С, далее расплав продавливают в печатающую головку, при этом максимальная концентрация и максимальная длина волокон должны быть у поверхности неотделяемой подложки; неотделяемую подложку закрепляют на столе и проводят построчную печать слоев на неотделяемую подложку и формирование требуемой детали методом плавления гранул до полного формирования градиентного полимерного композита детали, при этом направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки.

Пример 2. Получение изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом FGF-печати из полиэтилена (ПЭ), коротких базальтовых волокон и асбеста на неотделяемой подложке из базальтового ровинга и ПЭ.

В качестве детали выбрана градиентная пластина, получаемая методом FGF-печати гранулами из ПЭ, наполненного короткими базальтовыми волокнами с содержанием 41 мас.% и гранулами из ПЭ, наполненного асбестом с содержанием 45 мас.%, на неотделяемой подложке в виде листа толщиной 3 мм на основе ПЭ, армированного базальтовым ровингом, с содержанием 70 мас.%.

- 3D-модель детали создают в программном обеспечении Siemens NX;

- определяют грань пластины, которую целесообразно заменить материалом подложки с учётом требований к механическим свойствам материала пластины (жесткость пластины) и эффективного расположения пластины на столе;

- определяют градиент распределения наполнителя (коротких базальтовых волокон и асбеста) по объему детали, максимальная концентрация коротких базальтовых волокон (41 мас.%) на поверхности неотделяемой подложки и минимальная (0%) на противоположной поверхности, минимальная концентрация асбеста на поверхности неотделяемой подложки (0%) и максимальная на противоположной поверхности (45%);

- после перевода информации о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с выбранной неотделяемой подложкой (ПЭ, наполненный базальтовым ровингом с концентрацией 70 мас.%) и требованиями градиента структуры детали проводят раздельно предварительное смешение частиц коротких базальтовых волокон с ПЭ и асбеста с ПЭ, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 220°С готовят материалы для печати в виде 41% и 45% концентратов;

- загружают в бункеры печатающего 3D-устройства полученные концентраты в виде гранул;

- для создания градиента распределения наполнителя гранулы концентратов подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении в пределах, мас.ч.: гранулы концентрата базальтовых волокон: гранулы концентрата асбеста = от 0:100 до 100:0 в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 220°С, далее расплав продавливают в печатающую головку, при этом максимальная концентрация базальтового волокна должны быть у поверхности неотделяемой подложки, а максимальная концентрация асбеста должна быть у противоположной поверхности; неотделяемую подложку закрепляют на столе и проводят построчную печать слоев на неотделяемую подложку и формирование требуемой детали методом плавления гранул до полного формирования градиентного полимерного композита детали, при этом направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки.

Примеры 3-8. Получение различных изделий с градиентом состава на различных неотделяемых подложках методом FGF-печати из различных полимеров и наполнителей.

Проводят последовательность действий по Примерам 1, 2, отличающуюся тем, что берут различные полимеры, различные наполнители, с различной концентрацией, проводят плавление до различных температур. Данные приведены в Таблице 1 на Фиг 1.

Пример 9. Получение изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом FDM-печати из полиметилметакрилата (ПММА), коротких стекловолокон и асбеста на неотделяемой подложке из стеклоровинга и ПММА.

В качестве детали выбрана градиентная пластина, получаемая методом FDM-печати гранулами из ПММА, наполненного короткими стекловолокнами с содержанием 40 мас.%, и гранулами ПММА без наполнителя на неотделяемой подложке в виде листа толщиной 3 мм на основе ПММА, армированного стеклоровингом с содержанием 69 мас.%.

- 3D-модель детали создают в программном обеспечении Siemens NX;

- определяют грань пластины, которую целесообразно заменить материалом подложки с учётом требований к механическим свойствам материала пластины (жесткость пластины) и эффективного расположения пластины на столе;

- определяют градиент распределения наполнителя (коротких стекловолокон) по объему детали, при этом максимальная концентрация коротких стекловолокон (40 мас.%) на поверхности неотделяемой подложки и минимальная (0%) в центральном слое;

- после перевода информации о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с выбранной неотделяемой подложкой (ПММА, наполненный стеклоровингом с концентрацией 69 мас.%) и требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение частиц коротких стекловолокон с ПММА, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 250°С готовят материал для печати в виде 40% концентрата;

- на одношнековом экструдере формируют при температуре 250°С нити требуемого состава, диаметра и длины из гранул концентрата и гранул ПММА в необходимом соотношении, мас.ч.: гранулы концентрата : гранулы ПММА = от 0:100 до 100:0 в соответствии с настройками; участки нитей соответствующего состава и длины соединяют в общую нить их сваркой;

- неотделяемую подложку закрепляют на столе и проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей при температурах сопла 250°С, обеспечивающей прочное приплавление первого слоя изделия к подложке, до полного формирования печатаемого изделия, при этом максимальная концентрация и максимальная длина волокон должны быть у поверхности неотделяемой подложки, минимальная концентрация волокна в центральном слое, а направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки.

Пример 10. Получение изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом FDM-печати из термопластичного полиуретана (ТПУ), коротких базальтовых волокон и графита на неотделяемой подложке из базальтового ровинга и ТПУ.

В качестве детали выбрана градиентная пластина, получаемая методом FDM-печати гранулами из ТПУ, наполненного короткими базальтовыми волокнами с содержанием 41 мас.%, и гранулами из ТПУ, наполненного графитом с содержанием 50 мас.%, на неотделяемой подложке в виде листа толщиной 3 мм на основе ТПУ армированного базальтовым ровингом, с содержанием 70 мас.%.

- 3D-модель детали создают в программном обеспечении Siemens NX;

- определяют грань пластины, которую целесообразно заменить материалом подложки с учётом требований к механическим свойствам материала пластины (жесткость пластины) и эффективного расположения пластины на столе;

- определяют градиент распределения наполнителя (коротких базальтовых волокон) по объему детали, максимальная концентрация коротких базальтовых волокон (41 мас.%) на поверхности неотделяемой подложки и минимальная (0%) на противоположной поверхности, минимальная концентрация графита на поверхности неотделяемой подложки (0%) и максимальная на противоположной поверхности (50%);

- после перевода информации о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с выбранной неотделяемой подложкой (ТПУ наполненный базальтовым ровингом с концентрацией 70 мас.%) и требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение частиц коротких стекловолокон с ТПУ, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 230°С готовят материал для печати в виде 41 мас.% концентрата базальтовых волокон и 50 мас.% концентрата графита;

- на одношнековом экструдере формируют при температуре 230°С нити требуемого состава, диаметра и длины из гранул концентрата базальтовых волокон и гранул концентрата графита, в необходимом соотношении, мас.ч.: гранулы концентрата базальтовых волокон: гранулы концентрата графита = от 0:100 до 100:0 в соответствии с настройками; участки нитей соответствующего состава и длины соединяют в общую нить их сваркой;

- неотделяемую подложку закрепляют на столе и проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей при температурах сопла 230°С, обеспечивающей прочное приплавление первого слоя изделия к подложке, до полного формирования печатаемого изделия, при этом максимальная концентрация и максимальная длина волокон должны быть у поверхности неотделяемой подложки, минимальная концентрация волокна на противоположной поверхности, минимальная концентрация графита на неотделяемой подложке, максимальная концентрация графита на противоположной поверхности, а направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки.

Примеры 11-16. Получение различных изделий с градиентом состава на различных неотделяемых подложках методом FDM-печати из различных полимеров и наполнителей.

Проводят последовательность действий по Примерам 10, 11, отличающуюся тем, что берут различные полимеры, различные наполнители, с различной концентрацией, проводят плавление до различных температур. Данные приведены в Таблице 1 на Фиг 1.

В таблице 2 на Фиг.2 приведены основные достоинства получаемых изделий с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D-печати, видно, что при этом достигается высокая адгезия напечатанного изделия к неотделяемой подложке, особенно при термоциклировании, в сочетании другими требуемыми характеристиками, такими как: ударная вязкость, фрикционные или антифрикционные свойства, электроизолирующие свойства, магнитные свойства, способность к самозалечиванию во влажной среде и другие необходимые свойства. Неградиентные детали, напечатанные концентратом, контактирующим с подложкой, хотя и имеют высокую адгезию к подложке, но не сочетают в себе все остальные необходимые свойства. Неградиентные детали, напечатанные чистым полимером или вторым концентратом, отличающимся от материала подложки, имеют низкую адгезию к подложке, особенно при термоциклировании, из-за различий в коэффициентах термического расширения материала неотделяемой подложки и материала для печати. Использование армированных листов в качестве неотделяемой подложки позволяет получать детали с высокими прочностными и жесткостными характеристиками.

Из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем решена выявленная техническая проблема и достигнут заявленный технический результат, а именно: разработан способ получения изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D печати, позволяющий достичь высокой адгезии градиентной детали к неотделяемой подложке в сочетании с другими необходимыми свойствами.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как на дату предоставления заявочных материалов заявителем из исследованного уровня техники не выявлены источники, обладающие совокупностью признаков, идентичными совокупности признаков заявленного технического решения.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, так как совокупность заявленных признаков обеспечивает получение неочевидных для специалиста технических результатов.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как заявленный состав может быть получен посредством использования известных компонентов с применением стандартного оборудования и известных приемов.

Claims (16)

1. Способ получения изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D-печати (FGF-печать), заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов – слоев 3D-печати;

далее, исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали в качестве материала неотделяемой подложки выбирают органический полимер из ряда: полипропилен, полиэтилен, полистирол, акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полиэфирэфиркетон, полисульфон, полифениленсульфид, поливинилхлорид, полилактид, полиметилметакрилат, термопластичный полиуретан, полиамид, поликарбонат, полиимид, поликапролактон, полиэтилентерефталатгликоль; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали в качестве наполнителя неотделяемой подложки выбирают неорганический или органический армирующий наполнитель в виде волокон, ровингов, тканей при концентрации наполнителя в органическом полимере до 75 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя, при этом неотделяемая подложка входит в состав изделия и является его конструкционной частью;

далее, исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали в качестве материала для 3D-печати выбирают не менее одного органического полимера, где один органический полимер совпадал с полимером подложки; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали в качестве наполнителя материала для 3D-печати выбирают не менее одного неорганического или органического армирующего наполнителя в виде коротких волокон с длиной не более 2 мм, где один наполнитель по природе совпадает с наполнителем неотделяемой подложки, или дисперсных частиц, при концентрации наполнителя в органическом полимере до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя;

далее определяют градиент распределения наполнителя или наполнителей по объему детали, при этом печать у подложки проводится с наполнителем, по своей природе совпадающим с наполнителем неотделяемой подложки; при использовании более одного полимера определяют градиент распределения полимера или полимеров по объему детали, при этом 3D-печать у подложки проводится полимером, по своей природе совпадающим с полимером неотделяемой подложки;

после перевода информации о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с выбранной неотделяемой подложкой и требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение частиц наполнителя или наполнителей с выбранным органическим полимером или полимерами, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят материал для печати в виде концентрата – смеси с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя;

далее загружают в бункеры печатающего 3D-устройства не менее одного вида полученного концентрата в виде гранул, а также при необходимости органический полимер в виде гранул без наполнителя;

далее для создания градиента распределения наполнителя гранулы не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой и при необходимости гранулы органического полимера подают из бункера в смеситель печатающего 3D-устройства в необходимом соотношении в соответствии с настройками, смешивают и плавят путем нагрева до температуры 190-410°С;

далее неотделяемую подложку закрепляют на столе и проводят построчную печать слоев на неотделяемую подложку и формирование требуемой детали методом плавления гранул до полного формирования градиентного полимерного композита детали, при этом максимальная концентрация и максимальная длина волокон должны быть у поверхности неотделяемой подложки, а направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки.

2. Способ получения изделия с градиентом состава на неотделяемой подложке методом 3D-печати (FDM-печать), заключающийся в том, что создают 3D-модель требуемой детали, проводят обработку 3D-модели требуемой детали, получают серию 2D-срезов – слоев 3D-печати;

далее, исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали в качестве материала неотделяемой подложки выбирают органический полимер из ряда: полипропилен, полиэтилен, полистирол, акрилонитрил-бутадиенстирольный пластик, полиэфирэфиркетон, полисульфон, полифениленсульфид, поливинилхлорид, полилактид, полиметилметакрилат, термопластичный полиуретан, полиамид, поликарбонат, полиимид, поликапролактон, полиэтилентерефталатгликоль; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали в качестве наполнителя неотделяемой подложки выбирают неорганический или органический армирующий наполнитель в виде волокон, ровингов, тканей при концентрации наполнителя в органическом полимере до 75 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя, при этом неотделяемая подложка входит в состав изделия и является его конструкционной частью;

далее, исходя из требований к теплостойкости и химической стойкости материала детали в качестве материала для 3D-печати выбирают не менее одного органического полимера, где один органический полимер совпадает с полимером подложки; исходя из требований к физико-механическим свойствам материала детали в качестве наполнителя материала для 3D-печати выбирают не менее одного неорганического или органического армирующего наполнителя в виде коротких волокон с длиной не более 2 мм, где один наполнитель по природе совпадает с наполнителем неотделяемой подложки, или дисперсных частиц при концентрации наполнителя в органическом полимере до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя;

далее определяют градиент распределения наполнителя или наполнителей по объему детали, при этом печать у подложки проводится с наполнителем, по своей природе совпадающим с наполнителем неотделяемой подложки; при использовании более одного полимера определяют градиент распределения полимера или полимеров по объему детали, при этом 3D-печать у подложки проводится полимером, по своей природе совпадающим с полимером неотделяемой подложки;

после перевода информации о градиенте распределения наполнителя и полимера в ряд 2D-данных состава материала в соответствии с выбранной неотделяемой подложкой и требованиями градиента структуры детали проводят предварительное смешение частиц наполнителя или наполнителей с выбранным органическим полимером или полимерами, для этого в двухшнековом экструдере при температуре 190-410°С готовят материал для печати в виде концентрата – смеси с предельной концентрацией необходимого наполнителя в необходимом органическом полимере, при этом концентрацию наполнителя в органическом полимере выбирают в диапазоне от до 60 мас.% в зависимости от вида органического полимера и наполнителя;

далее на одношнековом экструдере формируют при температуре 190-410°С нити требуемого состава, диаметра и длины из гранул не менее одного вида концентрата в необходимом соотношении между собой в зависимости от требования, предъявляемого к готовой детали, и, при необходимости, из гранул органического полимера в необходимом соотношении в соответствии с настройками;

далее участки нитей соответствующего состава и длины соединяют в общую нить их сваркой;

далее неотделяемую подложку закрепляют на столе и проводят построчную печать слоев методом наплавления расплавленных нитей при температурах сопла 190-410°С в зависимости от выбранного материала печати и при температуре стола, обеспечивающей прочное приплавление первого слоя изделия к подложке, до полного формирования печатаемого изделия, при этом максимальная концентрация и максимальная длина волокон должны быть у поверхности неотделяемой подложки, а направление печати у поверхности подложки должно совпадать с направлением армирования неотделяемой подложки.