В работе представлены результаты экспериментального исследования реологических свойств полимерных материалов PLA, PETG, ABS и стандартной фотополимерной смолы, применяемых в аддитивных технологиях в ракетно-космической технике (РКТ). Проведены испытания при ступенчатом нагреве с фиксацией деформаций и характера разрушения материалов. Результаты исследования могут быть использованы при выборе материалов для аддитивного производства изделий и оснастки РКТ.

Ключевые слова: аддитивные технологии, полимерные материалы, реологические свойства, PLA, PETG, ABS, фотополимерная смола, ракетно-космическая техника, 3D-печать, мастер-модели

Введение

Аддитивные технологии всё шире применяются в ракетно-космической промышленности при изготовлении мастер-моделей, технологической оснастки, вспомогательных элементов и функциональных частей изделий. Их использование позволяет существенно сократить сроки проектирования, снизить стоимость прототипирования и повысить вариативность конструкций. Однако расширение области применения требует более глубокого понимания поведения полимерных материалов при воздействии температурных и механических нагрузок, характерных для условий производства изделий ракетно-космической техники [1].

В частности, при изготовлении мастер-моделей для литья по выплавляемым моделям и элементов оснастки важными являются температура стеклования, характер деформации при нагреве, устойчивость к ползучести, а также взаимодействие с металлическими элементами [2].

Цель работы — экспериментально исследовать свойства распространённых полимерных материалов и оценить их пригодность для использования в аддитивном производстве изделий и оснастки ракетно-космической техники.

Основная часть. В работе исследованы четыре материала [3, 4]:

1. PLA (полилактид, НИТ, РФ)
2. PETG (полиэтилентерефталат-гликоль, НИТ, РФ)
3. ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол, НИТ, РФ)
4. Стандартная фотополимерная смола (ELEGOO, Китай)

PLA и PETG отличаются низкой усадкой и высокой точностью печати, но ограниченной термостойкостью. ABS обладает повышенной температурной устойчивостью и механической прочностью. Фотополимерная смола относится к реактопластам с хрупким разрушением при нагреве.

Общая конфигурация. Для испытаний была выбрана упрощенная форма образца — куб размером 50×50×50 мм с цилиндрическим отверстием диаметром 20 мм (рис. 1). Геометрия образца разработана таким образом, чтобы в ходе нагрева можно было наблюдать как общие, так и локальные деформации [5].

Рис. 1. Визуализация образца «Куб»

Габариты куба: 50×50×50 мм.

Сквозное цилиндрическое отверстие: Ø20 мм

Ориентация печати: вертикальная, с сохранением одинаковых условий для всех материалов.

Методика проведения испытания.

1. Печать образцов. Применялись технологии печати FDM и SLA с заполнением 15 % и ориентацией слоёв, обеспечивающей сопоставимость между материалами.
2. Предварительная сушка.
3. Контроль габаритных размеров.
4. Нагрев до температуры размягчения. Образец помещался в лабораторную печь. Температура увеличивалась ступенчато.
5. Выдержка 10 минут. Образец выдерживался 10 минут при заданной температуре.
6. Остывание образца, повторный контроль размеров, фиксация результатов. Образец охлаждался до комнатной температуры естественным образом.
7. Нагрев до температуры деформации. После первичной оценки образец снова помещался в лабораторную печь.
8. Нагрев до температуры плавления. Нагрев продолжался без остановки.
9. Нагрев до температуры разрушения. Образец доводился до температуры, при которой происходило полное разрушение структуры.

Все этапы фиксировались в протоколе испытаний, а также на фото и видео.

Результаты испытания. PLA сохраняет геометрию до ~70 °С, при 100 °С начинает интенсивно деформироваться и при температурах выше 200 °С переходит в вязкотекучее состояние. Это ограничивает его применение в условиях повышенных температур, но делает пригодным для мастер-моделей при контролируемых режимах (рис. 2).

Рис. 2. Ход испытания PLA

PETG демонстрирует термостойкость, сохраняя форму до ~100 °С, однако при дальнейшем нагреве проявляет выраженную тягучую деформацию и ползучесть. Это ограничивает применение в сложных узлах, но допускает использование в оснастке с умеренными режимами температур (рис. 3).

Рис. 3. Ход испытания PETG

ABS показал наибольшую устойчивость к нагреву среди термопластов: заметная деформация начинается при 120–140 °С. Это делает его предпочтительным материалом для изготовления технологической оснастки и функциональных вспомогательных элементов (рис. 4).

Рис. 4. Ход испытания ABS

Фотополимерная смола не переходит в вязкотекучее состояние, а разрушается хрупко с образованием трещин уже при сравнительно низких температурах. Это существенно ограничивает её применение в условиях теплового воздействия (рис. 5).

Рис. 5. Ход испытания фотополимерной смолы

Заключение

Врезультате выполненной работы исследованы реологические свойства распространённых полимерных материалов и дана оценка их применимости в аддитивном производстве изделий ракетно-космической техники. Установлено, что выбор материала должен учитывать характер деформации при нагреве, термостойкость и межслойную адгезию. PLA и PETG целесообразно использовать преимущественно для мастер-моделей и малонагруженных элементов, ABS — для технологической оснастки и функциональных вспомогательных деталей. Применение стандартных фотополимерных смол в условиях тепловых нагрузок ограничено. Полученные результаты могут быть использованы при выборе материалов и проектировании аддитивных изделий и оснастки в ракетно-космическом производстве.

Литература:

1. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Аддитивные технологии: 3D-печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. — М.: Техносфера, 2016. — 656 с.
2. Кривошеев И. А., Смирнов В. В. Аддитивные технологии в машиностроении и приборостроении. — М.: Машиностроение, 2019. — 312 с.
3. Техническая документация производителя НИТ. ABS, PLA, PETG: свойства и рекомендации по переработке. — НИТ, РФ, 2024.
4. Technical Data Sheet. Standard Photopolymer Resin ELEGOO. — ELEGOO, 2023.
5. ISO/ASTM 52900:2021. Additive manufacturing — General principles — Fundamentals and vocabulary. — ISO, 2021.