Пластическая деформация сформированных по технологии FDM полимерных композиционных материалов в процессе ультразвукового воздействия

Выполнены исследования процесса ультразвуковой контактной обработки монослоя, полученного по аддитивной технологии FDM филаментами из термопластов полиамид-6 (ПА-6) и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), армированными жгутами (препрегами) углеродных волокон, пропитанных эпоксидным связующим (ЭД-20+ПЭПА). Использованы резонансные частоты 22 и 44 кГц. Установлено, что ультразвуковые колебания при воздействии на композитные монослои ПА-6 и ПЭЭК в течение 30 с вызывают их деформацию соответственно на 5 и 0,5 мкм при частоте 22 кГц. При частоте 44 кГц деформация достигает 10 и 1 мкм. При этом в области воздействия источника ультразвука отмечается местное повышение температуры до (40-43)°C для ПА-6 и (46-55)°С для ПЭЭК. При нагреве до аналогичных температур и статичном силовом воздействии деформация монослоя на ПА-6 составила 2 мкм, для монослоя ПЭЭК деформация не обнаружена. На оптических микрофотографиях в области силового воздействия в условиях ультразвуковых колебаний отмечаются микроволны, а на частоте 44 кГц – проявления интенсивного течения и перемешивания связующего. При нагреве со статичным нагружением наблюдается ровная морфология поверхности, отмечается закрытие имевшихся микропузырьков газа и микротрещин. Таким образом, в условиях контактного воздействия ультразвука происходят изменения морфологии поверхности и структуры материала монослоя, свидетельствующие о его уплотнении, что может способствовать усилению механического и физического контакта связующего и наполнителя и, соответственно, повышению его физико-механических свойств. При прочих равных условиях предпочтительнее использование ультразвука больших частот.

1. Габова М. А. Применение композиционных материалов при добыче нефти и газа // Вестник ГУУ. – 2012. – № 10. – С. 88–92.

2. Балашов А. В., Маркова М. И. Исследование структуры и свойств изделий, полученных 3D-печатью // Инженерный вестник Дона. – 2019. – № 1. URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5618 (дата обращения 18.12.2025)

3. Петров В. М., Безпальчук С. Н., Яковлев С. П. О влиянии структуры на прочность изделий из пластиков, получаемых методом 3D-печати // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. – 2017. – Т. 9, № 4. – С. 765–776. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-4-765-776

4. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. – 656 с.

5. Matsuzaki, R., Ueda, M., Namiki, M., et al. Three-dimensional printing of continuous-fiber composites by in-nozzle impregnation in Scientific reports. – March, 2016. – V. 6.

6. Копытина М., Карпова Т., Сацкая З., Куликова С., Ерошкина Е., Антонов Ф. Аддитивные технологии для композитных материалов // Аддитивные технологии. – 2019. – № 3. – С. 48.

7. Microwave processing of materials / National Materials Advisory Board. – Washington: National Academies Press, 1994. – 150 р.

8. Архангельский Ю. С. Справочная книга по СВЧ-электротермии: справочник – Саратов: Научная книга, 2011.

9. Singh I., Kumar Bajpaia P., Malika D., Kumar Sharmaa A., Kumar P., Feasibility study on microwave joining of ‘green’ composites // Akademeia. – 2011. – N 1 (1). – Р. 1–6.

10. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот / Пер. с англ. – М.: Энергия, 1968. – 312 с.

11. Злобина И. В., Бекренев Н. В. О механизме повышения механических характеристик отвержденных полимерных композиционных материалов под действием СВЧ электромагнитного поля // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. – 2022. – Т. 22, № 2. – С. 158–169.

12. Jaegeun T., Lee K., Lee K.-H. Microwave heating of carbon-based solid materials // Carbon Letters. – 2014. – V. 15, N 1. – P. 15–24.

13. Kwak M. et al. Microwave Curing of Carbon-Epoxy Composites: Penetration depth and material characterisation // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, August, V.75, P. 18–27.

14. Студенцов В. Н., Пятаев И. В. Влияние колебательных воздействий на процессы структурообразования в полимерах // Журнал прикладной химии. – 2014. – Т. 87, вып. 3. – С. 389–392.

15. Студенцов В. Н., Мизинцов А. А. Модифицирование армированных полимерных материалов // Химические волокна. – 2001. – № 5. – С. 29–32.

16. Черемухина И. В., Студенцов В. Н., Мурадов А. Б., Кузнецов В. А. Различные способы физической модификации армированных реактопластов // Пластические массы. – 2007. –№ 4. –С. 12–16.

17. Чернышев В. М. Демпфирование колебаний механических систем покрытиями из полимерных материалов. – М.: Наука, 2009. – 288 с.

18. Паршина Л. В., Рябов В. М., Ярцев Б. А. Рассеяние энергии при колебаниях неоднородных композиционных структур. 1: Постановка задачи // Вестник СПбГУ. Математика. Механика. Астрономия. – 2018. – Т. 5 (63), вып. 2. – С. 300–309.

19. Паршина Л. В., Рябов В. М., Ярцев Б. А. Рассеяние энергии при колебаниях неоднородных композиционных структур. 2: Метод решения // Вестник СПбГУ. Математика. Механика. Астрономия. – 2018. – Т. 5 (63), вып. 4. – С. 678–688.

20. Беляев Н. М. Сопротивление материалов. – М.: Гостехиздат, 1956. – 856 с.