Механика многокомпонентных 3D-печатных композитов: контроль свойств и поведения за счет оптимизации параметров многомасштабной архитектуры

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10350

НазваниеМеханика многокомпонентных 3D-печатных композитов: контроль свойств и поведения за счет оптимизации параметров многомасштабной архитектуры

Руководитель Ташкинов Михаил Анатольевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" , Пермский край

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова Аддитивные технологии, многокомпонентные материалы, короткое волокно, непрерывное волокно, полимерная матрица, многомасштабное моделирование, межфазная граница, иерархические модели, модели разрушения, многоосная печать, роботизированная печать, экспериментальные исследования, механические характеристики, влияние окружающей среды.

Код ГРНТИ30.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект направлен на развитие научных и методических основ для создания новых композиционных материалов и устройств, производимых путем комбинации процессов трехмерной печати и внедрения функциональных армирующих включений. Композиты, изготовленные на основе аддитивных технологий – это новая категория материалов, обладающих уникальными управляемыми параметрами, в числе которых индивидуально подобранный состав материала, функциональные армирующие элементы, пространственное расположение фаз и сложная трехмерная геометрия. По сравнению с обычными (неармированными) материалами, композитные материалы за счет реализации возможностей предварительного проектирования обладают беспрецедентными физико-механическими свойствами, которые могут быть адаптированы для широкого спектра задач. На сегодняшний день ведутся интенсивные работы по разработке функционального дизайна аддитивно изготовленных композитов, включая механические, акустические, электромагнитные метаматериалы, тепло- и электропроводящие структуры. Большинство процессов аддитивного производства на основе полимерных материалов могут быть адаптированы и модернизированы для изготовления полимерных композитов с желаемым составом материала. Однако распределение фаз, а также морфологические параметры включений сильно зависят от подготовки исходных материалов и стратегии формирования структуры. Кроме того, разрешение печати, необходимость последующей обработки поверхности, а также другие ограничения производственного процесса обычно присутствуют в каждом конкретном случае в зависимости от используемой технологии. Достижимость и надежность результатов применения подходов аддитивного производства с использованием нескольких материалов и(или) процессов все еще остаются проблемами на пути к функционально-ориентированному проектированию материалов и изделий. Ключевым путем решения этой проблемы является объединение стратегий проектирования изделий, основанных на численных моделях и данных о физико-механическом поведении материалов, с принципами аддитивных технологий в виде системы "процесс-структура-свойства-производительность". Научная новизна данного проекта заключается в развитии новой методологии проектирования полимерных композитов, изготовленных с применением аддитивных технологии и возможностей контролируемой архитектуры, а также в создании вычислительных инструментов, которые позволят прогнозировать механическое поведение 3D-печатных композитных материалов и конструкций с различными встроенными армирующими и функциональными элементами с учетом сложности и неоднородности микроструктуры. Предлагаемый в данном проекте комплексный подход включает в себя полный цикл исследований, в том числе создание новых многомасштабных моделей свойств и механического поведения полимерных 3D-печатных композитных материалов, отработку технологий их опытного производство, а также получение новых результатов экспериментальных исследований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Е.С. Лобов, А.Д. Добрыднева, М.А. Ташкинов ВЛИЯНИЕ НАПОЛНИТЕЛЯ В ВИДЕ КОРОТКИХ ВОЛОКОН НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКРИЛОНИТРИЛА БУТАДИЕН СТИРОЛА ДЛЯ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУКАХ Материалы XXXI Всероссийской школы-конференции, С.203-205 (год публикации - 2022)

2. Лобов Е.С., Добрыднева А.Д., Виндокуров И.И., Ташкинов М.А. Effect of Short Carbon Fiber Reinforcement on Mechanical Properties of 3D-Printed Acrylonitrile Butadiene Styrene Polymers, 15 (9), 2011 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15092011

3. Долгих Д.А., Ташкинов М.А., Зильбершмидт В.В. Pressure redistribution in additively manufactured composite prosthesis by architecture control Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design, 2023 (год публикации - 2023)
10.1007/s41939-023-00207-3

4. Долгих Д.А., Ташкинов М.А., Зильбершмидт В.В. STRESS REDISTRIBUTION IN ADDITIVELY MANUFACTURED PROSTHESIS SOCKET BY CONTROLLED REINFORCEMENT WITH CONTINUOUS FIBER Механика биомедицинских материалов и устройств – 2023 : материалы междунар. конф., 64 (год публикации - 2023)

5. Лобов Е.С., Добрыднева А.Д., Ташкинов М.А. ВЛИЯНИЕ НАПОЛНИТЕЛЯ В ВИДЕ КОРОТКИХ ВОЛОКОН НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКРИЛОНИТРИЛА БУТАДИЕН СТИРОЛА ДЛЯ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ Механика биомедицинских материалов и устройств – 2023 : материалы междунар. конф., С. 33 (год публикации - 2023)

6. Лобов Е.С., Добрыднева А.Д., Ташкинов М.А. ВЛИЯНИЕ АРМИРОВАНИЯ В ВИДЕ КОРОТКИХ ВОЛОКОН НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКРИЛОНИТРИЛА БУТАДИЕН СТИРОЛА ДЛЯ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ Математическое моделирование в естественных науках : матер. XXXII Всероссийской конференции, С.207-209 (год публикации - 2023)

7. ДОЛГИХ Д.А., ТАШКИНОВ М.А. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В 3Д-ПЕЧАТНОЙ ГИЛЬЗЕ ЭКЗОПРОТЕЗА ЗА СЧЕТ КОНТРОЛИРУЕМОГО АРМИРОВАНИЯ XIII ВСЕРОССИЙСКИЙ СЪЕЗД ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКЕ сборник тезисов докладов : в 4 т.. Том 3., С. 864-866 (год публикации - 2023)

8. Долгих Д.А., Ташкинов М.А. Численный анализ процесса перераспределения напряжений в аддитивно изготовленных армированных полимерных конструкциях для биомедицинских приложений Математическое моделирование и биомеханика в современном университете : тезисы докладов XVII Всероссийской школы, С. 34 (год публикации - 2023)

9. E. Лобов, А. Добрыднева, И. Виндокуров, М. Ташкинов Short Fiber-Reinforced Acrylonitrile Butadiene Styrene for Additive Manufacturing: Process-Structure-Property Analysis 3rd International Workshop on Plasticity, Damage and Fracture of Engineering Materials Book of Abstracts, С. 90 (год публикации - 2023)

10. ПЕПЕЛЯЕВ А.А., ЛОБОВ Е.С., ТАШКИНОВ М.А. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛА УКЛАДКИ НЕПРЕРЫВНОГО УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА В ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЯХ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ FDM-ПЕЧАТИ Математическое моделирование в естественных науках : матер. XXXII Всероссийской конференции, C. 258-260 (год публикации - 2023)

11. Лобов Е.С., Виндокуров И.В., Ташкинов М.А. Mechanical Properties and Performance of 3D-Printed Acrylonitrile Butadiene Styrene Reinforced with Carbon, Glass and Basalt Short Fibers Polymers, 16,1106 (год публикации - 2024)
10.3390/polym16081106

12. ПИРОГОВА Ю.В., ГАЛИЕВА В.А., ДРЯГИНА С.А., ТАШКИНОВ М.А. Анализ влияния морфологических параметров на физико-механические свойства аддитивно изготовленных полимерных материалов, армированных коротким волокном Тезисы докладов Международной конференции "ФИЗИЧЕСКАЯ МЕЗОМЕХАНИКА. МАТЕРИАЛЫ С МНОГОУРОВНЕВОЙ ИЕРАРХИЧЕСКИ ОРГАНИЗОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" (год публикации - 2024)

13. Пепеляев А.А., Лобов Е.С., Виндокуров И.В., Ташкинов М.А. Comparison of mechanical properties of 3D-printed ABS, PA12 and PET-G reinforced with short fiber Procedia Structural Integrity, Том 61, Страницы 224 - 23 (год публикации - 2024)
10.1016/j.prostr.2024.06.029

14. Долгих Д. А., Ташкинов М.А. Численное исследование процессов многомасштабного накопления повреждений и разрушения аддитивно изготовленных полимерных конструкций, армированных углеволоконными препрегами МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУКАХ, Том 1, Страницы 128-130 (год публикации - 2024)

15. Пепеляев А.А., Лобов Е.С., Ташкинов М.А. Экспериментальное исследование влияния типа волоконного наполнителя на свойства полимерных изделий, изготовленных методом послойного наплавления МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУКАХ, Том: 1, Страницы: 299-302 (год публикации - 2024)

16. Виндокуров И.В., Ташкинов М.А., Мубассарова В.А., Пантелеев И.А., Плехов О.А., Изюмова А.Ю., Вшивков А.Н. Studying the structure and mechanical behavior of acrylonitrile-butadiene-styrene samples after laser hardening Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, Т. 6., С. 184–202 (год публикации - 2024)
10.17804/2410-9908.2024.6.184-202

17. Долгих Д.А., Лобов Е.С., Безукладников И.И., Шалимов А.С., Ташкинов М.А. Enhancing the Strength of 3D-Printed Polymer Exoprosthetic Socket by Localized Non-Planar Continuous Carbon Fiber Reinforcement Polymers, T.17, 1097 (год публикации - 2025)
10.3390/polym17081097

18. Виндокуров И.В., Хасянов Р.Ш., Паньков А.М., Струнгарь Е.М., Ташкинов М.А. Polyamide composites manufactured by selective laser sintering: effect of glass particle reinforcement on mechanical properties The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2025 (год публикации - 2025)
10.1007/s00170-025-15598-5

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения третьего этапа проекта получены результаты комплексного исследования механических свойств и особенностей разрушения армированных полимерных композитов, изготовленных методами аддитивного производства. Основное внимание уделено анализу влияния морфологии армирующих волокон (длина, ориентация, распределение) и их взаимодействия с полимерной матрицей на прочностные и деформационные характеристики материалов. Проведены численные и экспериментальные исследования, направленные на выявление закономерностей распределения напряжений и деформаций в представительных объемах армированных полимерных матриц при различных конфигурациях механической нагрузки. В рамках численного моделирования исследованы композитные материалы с различной морфологией коротких волокон, а также с комбинацией распределения градиента и изменением угла ориентации волокон. Установлено, что увеличение длины волокон приводит к росту эффективного модуля упругости на 11–17% в зависимости от типа волокна, а замена коротких волокон на непрерывные обеспечивает прирост до 22–56%. При этом непрерывные волокна существенно повышают прочность материала в определённом направлении, тогда как случайно ориентированные короткие волокна обеспечивают более равномерное усиление во всех направлениях, но с меньшим абсолютным эффектом. Увеличение угла ориентации волокон приводит к снижению эффективного модуля упругости на 8–24%, что особенно выражено при высоком контрасте свойств между матрицей и волокнами. Проведён статистический анализ минимальных главных напряжений, а также изучена анизотропия и чувствительность композитов к вариациям морфологии волокон. Разработаны численные модели накопления повреждений и роста трещин в полимерной матрице с учётом внутренних дефектов и особенностей распределения армирующих волокон. Показано, что процесс разрушения начинается в матрице вблизи волокон и распространяется вдоль направления нагружения. Характер разрушения сохраняется для композитов с различными типами армирующих волокон, однако скорость накопления повреждений варьируется. Влияние распределения волокон по структуре проявляется в резком накоплении разрушения при высокой локальной концентрации волокон. Также реализована методика моделирования развития дефектов в виде отслоения между волокном и матрицей на основе техники виртуального закрытия трещины, проведены эксперименты для определения констант моделей для различных комбинаций материалов. Экспериментальные исследования посвящены анализу механических свойств армированных полимерных композитов, изготовленных методом 3D-печати, при воздействии экстремальных условий окружающей среды, в частности, повышенной влажности. Изучены образцы на основе термопластичного полимера PET-G: чистая матрица, композиты с короткими волокнами и гибридные композиты с сочетанием коротких и непрерывных волокон. Установлено, что пребывание в среде с относительной влажностью 90–100% приводит к снижению прочностных характеристик до 40%. При этом деформационные характеристики стабилизируются в течение 3–6 суток, а дальнейшее насыщение влагой не оказывает существенного влияния на предел прочности при изгибе. Большинство исследованных композитов демонстрируют асимптотическое поведение механических свойств после насыщения влагой, что связано с заполнением пор и межфазных границ. На основе полученных данных предложены подходы к предварительному расчету оптимальной многоуровневой архитектуры 3D-печатных композитных структур для достижения требуемых механических характеристик при заданных условиях нагружения. Проведено численное моделирование прогрессирующего разрушения с учётом деградации свойств материала. Исследование трехточечного изгиба полимерных образцов, армированных углеродными прутками, позволило определить оптимальное расстояние между армирующими элементами (1,5 мм) и установить, что локализация армирования в зонах приложения нагрузки способствует значительному увеличению прочности конструкции и предотвращает зарождение трещин на поверхности образца. Продемонстрирована возможность создания изделий с заранее определёнными характеристиками за счёт управления параметрами армирования на основе разработанных вычислительных подходов. Создан прототип цилиндрической 3D-печатной гильзы экзопротеза из полиамида с локализованным армированием углеродными прутками, что позволило эффективно усилить высоконагруженные зоны и снизить концентрацию напряжений. Разработан метод оптимизации внутренней архитектуры армирующих элементов, позволяющий локально упрочнять изделия со сложной геометрией. Созданы алгоритмы и программные инструменты для реализации многоосевого армирования в процессе аддитивного производства. Кроме того, проведено экспериментальное исследование свойств композитов на основе полиамида с добавлением стеклянных шариков и коротких стеклянных волокон, полученных методом селективного лазерного сплавления, что позволило расширить представления о влиянии различных типов наполнителей на механические свойства изделий. Полученные результаты опубликованы в ведущих международных журналах и могут быть использованы для проектирования и изготовления высокопрочных, персонализированных композитных конструкций с заданными эксплуатационными характеристиками, в том числе для медицинских и инженерных применений.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта способствуют развитию аддитивного производства композитов с улучшенными характеристиками, что открывает новые возможности для промышленности и социальной сферы, повышая эффективность производства и качество продукции. Полученные знания о структуре, механических свойствах и поведении армированных композитов позволяют оптимизировать состав, структуру и технологические параметры 3D-печати для создания изделий с заданными механическими характеристиками. Эти данные могут быть эффективно использованы как при подборе материалов, так и при производстве изделий. Кроме того, информация о связи между микроструктурой и механическими свойствами может быть использована для создания новых композитных материалов с уникальными характеристиками. С практической точки зрения, это расширяет возможности применения таких материалов в машиностроении, аэрокосмической, автомобильной и других отраслях, где важны высокая прочность и легкость конструкций. Возможность точного управления армированием и параметрами печати обеспечивает эффективное использование материалов и снижение себестоимости изделий, также может послужить основой для адаптации свойств материала к уникальным условиям эксплуатации или производственным процессам. Внедрение инновационных 3D-печатных композитных материалов способствует развитию высокотехнологичных производств, созданию новых рабочих мест и повышению конкурентоспособности отечественной промышленности. В медицине - улучшению доступности и качества ортопедических изделий, что имеет прямое социальное воздействие. Разработаны алгоритмы и программные инструменты для изготовления 3D-печатных ортопедических экзопротезов с локальными армирующими элементами из углеродного волокна. Это позволяет создавать индивидуализированные, легкие и прочные протезы с оптимальными параметрами армирования, что улучшает качество жизни пациентов и снижает затраты на изготовление и последующую адаптацию изделий.