Ученые Института органической химии РАН предложили новый режим трёхмерной печати

Аддитивное производство (3D печать) методом послойного наплавления термопластичных материалов (Fused Deposition Modeling — FDM) является одним из самых распространенных способов быстрого прототипирования и производства функциональных изделий. Особенностью данного подхода является большое количество микродефектов в готовом изделии, что иногда ограничивает применимость FDM изделий в некоторых областях. Исследователи из лаборатории Валентина Ананикова (Институт Органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН) оптимизировали параметры FDM печати для уменьшения количества дефектов в конечных изделиях, что позволило получить герметичные пластиковые детали c помощью недорогого персонального 3D принтера, способные работать в контакте с жидкой и газообразной средами. Результаты исследований, включая испытания герметичных FDM реакторов в реакциях тонкого органического синтеза, опубликованы в журнале PLoS ONE (DOI: 10.1371/journal.pone.0198370).

В методе послойного наплавления термопластичных материалов (FDM) построение готового изделия осуществляется путем формирования слоев из расплава термопластичного материала, экструдируемого через сопло небольшого диаметра (0.1-0.4 мм). Конструкционными материалами для FDM печати являются в большинстве случаев термопластичные полимеры, такие как полилактид (PLA), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), полиэтилентерефталат-гликоль (PETG), включая химически устойчивые пластики, такие как полипропилен (PP), полифенилсульфон (PPSU) и др. Большое многообразие материалов, пригодных для FDM печати, является одним из основных достоинств данного метода, так как для каждой конкретной задачи можно подобрать материал с соответствующими свойствами: с высокими механической, термической или химической устойчивостью, с низкой термоусадкой для обеспечения размерной точности готовых изделий, материалы, пригодные для дальнейшего спекания или наполненные каталитически активными частицами и пр. Другим преимуществом FDM печати является ее низкая стоимость, так как этот метод допускает использование несложного оборудования и дешевых расходных материалов. Поэтому FDM печать получила широкое распространение благодаря появлению персональных 3D принтеров, которые могут быть использованы для производства сложных изделий в повседневной практике.

Схематичное представление влияния объемной скорости подачи материала на герметичность FDM изделий.

Однако, FDM печать обладает и существенным недостатком: получаемые с использованием недорогих персональных принтеров изделия содержат большое количество дефектов, уменьшающих их механическую прочность и герметичность. Как правило невысокая герметичность FDM изделий обусловлена наличием в их стенках микропор. Образование микропор обусловлено особенностями самой технологии FDM печати: при переходе от одного слоя к другому происходит кратковременное прекращение подачи материала, в результате чего в этом месте может остаться небольшая пустота. Такие поры не оказывают существенного влияния на внешний вид изделия, однако значительно ограничивают применение FDM изделий в химии, биотехнологии, медицине в тех случаях, где от изделий требуется высокая герметичность при контакте с жидкой или газообразной средами.

Исследователи из Института органической химии РАН установили, что на герметичность тонкостенных FDM изделий, применение которых целесообразно в реальных химических приложениях, оказывают влияние несколько факторов: геометрическая форма изделия, особенности укладки экструдируемого полимера внутри стенки изделия и объемная скорость подачи пластика в ходе аддитивного производства.

Например, тонкостенные изделия сферической, пирамидальной и конусообразной форм проявляют низкую герметичность, так как слои в изделиях таких форм укладываются друг на друга с небольшим смещением, что уменьшает межслоевой контакт. Изделия кубической формы оказываются немного более герметичны, но содержат заметное количество пор в областях ребер куба. Наибольшую герметичность проявили изделия цилиндрической формы, так как слои цилиндрической оболочки располагаются точного друг над другом и цилиндр не содержит ребер.

Для получения герметичных изделий оказалось важным наличие внутри стенки достаточного пространства для разупорядоченной заливки пластиком. Такой характер заполнения внутреннего пространства стенки исключает появление сквозных отверстий в стенке изделия за счет случайного совпадения пор во внешних и внутренних периметрах стенки.

Как установили исследователи, основным параметром, обеспечивающим получение герметичного изделия, является объёмная скорость подачи материала (см. рисунок). Высокая скорость подачи материала, регулируемая коэффициентом подачи, обеспечивает заливку пор избытком пластика, что в конечном итоге и приводит к непроницаемости стенки изделия для жидкостей и газов.

Принимая во внимание все перечисленные факторы, исследователям удалось изготовить герметичные реакторы из химически стойкого материала – полипропилена – которые прошли успешные испытания в реакциях тонкого органического синтеза: выход продукта в таких реакторах оказался не ниже, чем в стеклянных реакторах. Преимуществом FDM технологии является возможность быстрого создания любой формы реактора, оптимизированной для конкретного химического или биологического эксперимента.

Результаты исследования опубликованы в журнале PLoS ONE

 E.G. Gordeev, A.S. Galushko, V.P. Ananikov, Improvement of quality of 3D printed objects by elimination of microscopic structural defects in fused deposition modeling, PLoS ONE, 2018, 13(6): e0198370, DOI: 10.1371/journal.pone.0198370.