Экспериментальное исследование прочностных характеристик при растяжении термопластичных материалов – PLA+, TPU E95A и TPU 60D CFF, полученных методом FDM

Цель работы – провести исследование, сравнительный анализ и оценку прочностных характеристик термопластичных изделий, изготовленных с использованием технологии 3D-печати методом Fused Deposition Modelling (моделирование методом послойного наплавления). Экспериментальные исследования проводились на образцах, изготовленных из различных термопластичных материалов, в частности PLA+ (Polylactic Acid), TPU E95A (Thermoplastic Polyurethane) и TPU 60D CFF (Thermoplastic Polyurethane with Carbon Fiber Fill). Испытания 15 образцов осуществлялись на электромеханической универсальной испытательной машине WDW-100E (Китай). Рассматривались механические свойства, такие как прочность, пластичность и упругость при растяжении неметаллических термопластичных материалов. Выявлено, что образцы, изготовленные из различных термопластичных материалов, показывают разнообразие механических свойств (прочность, пластичность и упругость) при растяжении и поведении при максимальной нагрузке до 1,39 кН. Это позволило предложить рекомендации по настройке параметров печати для достижения оптимальных эксплуатационных характеристик деталей, изготовляемых из рассматриваемых типов пластика, и использованию изучаемых материалов в машиностроении, автомобилестроении, медицине и др. По результатам проведенных исследований сформирована сравнительная таблица образцов. Показано, что важным параметром, дополняющим выбор структуры заполнения изделия, является ориентация модели при печати. Слои, уложенные в плоскости печатного стола, обеспечивают прочность при разрыве до 60 МПа, тогда как в перпендикулярном положении этот показатель снижается в несколько раз. Ориентация детали на платформе должна выбираться с учетом направления предполагаемых эксплуатационных нагрузок. Результаты работы будут полезны для таких отраслей, как машиностроение, автомобилестроение и судостроение, где изделия подвергаются высоким механическим нагрузкам. Полученные данные помогут улучшить долговечность и надежность изделий, а также повысить эффективность и экономическую обоснованность производства.

1. Гончарова О.Н., Бережной Ю.М., Бессарабов Е.Н., Кадамов Е.А., Гайнутдинов Т.М., Нагопетьян Е.М. [и др.]. Аддитивные технологии – динамично развивающееся производство // Инженерный вестник Дона. 2016. № 4. С. 123. EDN: YJKSTJ.

2. Белоусов А.В., Храпов С.С., Тен А.В., Садчиков Н.В., Болдырева Ю.А. Параллельный FDM-принтер // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1: Математика. Физика. 2016. № 4. С. 116–131. https://doi.org/10.15688/jvolsu1.2016.4.9. EDN: XDBQHJ.

3. Рябинина О.А., Левин Д.Ю., Свиридов Д.А., Алешина А.Э. Проблемы, возникающие в процессе литья по выплавляемым моделям с применением 3D печати методом FDМ // Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении: сб. науч. ст. II Всерос. науч.-техн. конф. (г. Воронеж, 11–12 апреля 2024 г.). Воронеж: Университетская книга, 2024. С. 304–308. EDN: NNOYIB.

4. Балашов А.В., Маркова М.И. Исследование структуры и свойств изделий, полученных 3D-печатью // Инженерный вестник Дона. 2019. № 1. С. 66. EDN: LSMZMB.

5. 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 им. адмирала С.О. Макарова. 2017. Т. 9. № 4. С. 765–776. https://doi.org/10.21821/2309-5180-2017-9-4-765-776. EDN: ZEUQGN.

6. Levin D., Kuzovkin А. Laser polishing as method of improving surface quality of fused deposition modeling (FDM) parts made by metal-filled plastic // Антропоцентрические науки в образовании: вызовы, трансформации, ресурсы: сб. науч. ст. Междунар. форума профессионального образования (г. Воронеж, 9–10 апреля 2024 г.). Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2024. P. 350–353. EDN: LXPTJB.

7. Balasubramanian M., Saravanan R., Yang Yo‑Lun, Sathish T., Shanmugam V. Exploring the synergistic influence of FDM parameters and strain rate on tensile strength and failure mechanism of FDM printed PLA // Progress in Additive Manufacturing. 2024. Vol. 10. Iss. 4. P. 2765–2774. https://doi.org/10.1007/s40964-024-00782-y.

8. Левин Д.Ю., Подшибякин М.Е., Рябинина О.А., Болдырев А.И. Экспериментальное исследование различных способов постобработки пластиковых деталей, изготовленных методом 3D-печати // iPolytech Journal. 2025. Т. 29. № 3. С. 322–335. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2025-3-322-335. EDN: OPPOEU.

9. Запольский И.С., Левин Д.Ю., Рябинина О.А. Анализ проблем, возникающих при эксплуатации настольных 3D-принтеров с открытым типом конструкции // Вестник Тульского государственного университета. Автоматизация: проблемы, идеи, решения «АПИР-28»: сб. науч. тр. Национальной науч.-техн. конф. с междунар. участием (г. Тула, 13–15 ноября 2023 г.). Тула: Тульский государственный университет, 2023. С. 249–252. EDN: FKOCZF.

10. Khodaee A., Abedini V., Kami A. Effects of fused filament fabrication (FFF) process parameters on tensile and flexural properties of ABS/PLA multi-material // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2024. Vol. 46. Р. 628. https://doi.org/10.1007/s40430-024-05189-y.

11. Mathew A., Kishore S.R., Tomy A.T., Sugavaneswaran M., Scholz S.G., Elkaseer A., et al. Vapour polishing of fused deposition modelling (FDM) parts: a critical review of different techniques, and subsequent surface finish and mechanical properties of the post-processed 3D-printed parts // Progress in Additive Manufacturing. 2023. Vol. 8. Р. 1161–1178. https://doi.org/10.1007/s40964-022-00391-7. EDN: ASYRUS.

12. Kumar R., Sharma H., Saran C., Tripathy T.S., Sangwan K.S., Herrmann C. A comparative study on the life cycle assessment of a 3D printed product with PLA, ABS & PETG materials // Procedia CIRP. 2022. Vol. 107. P. 15–20. https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.04.003.

13. Corapi D., Morettini G., Pascoletti G., Zitelli C. Characterization of a polylactic acid (PLA) produced by fused deposition modeling (FDM) technology // Procedia Structural Integrity. 2019. Vol. 24. P. 289–295. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.02.026.

14. Faizaan M., Shenoy Baloor S., Nunna S., Mallya R., Rao Udupi S., Ramanath Kini Ch., et al. A study on the overall variance and void architecture on MEX-PLA tensile properties through printing parameter optimisation // Scientific Reports. 2025. Vol. 15. Iss. 1. P. 3103. https://doi.org/10.1038/s41598-025-87348-2. EDN: WINNDL.

15. Farid M.I., Wu Wenzheng, Li Guiwei, Zheng Aodu, Zhao Yu. Superior tensile properties of FDM 3D-printed TPU/ E-TPU layered structure // Journal of Materials Research. 2024. Vol. 39. Iss. 14. P. 2051–2066. https://doi.org/10.1557/s43578-024-01365-x. EDN: ULVSVV.

16. Nofar M., Mohammadi M., Carreau P.J. Effect of TPU hard segment content on the rheological and mechanical properties of PLA/TPU blends // Journal of Applied Polymer Science. 2020. Vol. 137. Iss. 45. Р. е49387. https://doi.org/10.1002/app.49387. EDN: PGQXAN.

17. Emami N. Additive manufacturing of TPU and hybrid TPU-PLA formwork for custom repetitive precast concrete // Journal of Architectural Engineering. 2024. Vol. 30. Iss. 3. Р. 1–16. https://doi.org/10.1061/jaeied.aeeng-1764. EDN: DBHKSP.

18. Murali A., Subhash N.N., Deepu D.R., Velayudhan S., Parameswaran R. Design of experiment to optimize the printing parameters on tensile properties of 3D printed ethylene vinyl acetate (EVA) // Progress in Additive Manufacturing. 2024. Vol. 10. Iss. 8. Р. 5507–5523. https://doi.org/10.1007/s40964-024-00921-5.

19. Болдырев А.А., Левин Д.Ю., Рябинина О.А., Болдырев А.И. К вопросу технологичности изделий сниженной массы в авиационной и ракетно-космической технике, полученных с помощью дегенеративного дизайна // Воронежский научно-технический Вестник. 2021. Т. 4. № 4. С. 29–35. https://doi.org/10.34220/2311-8873-2022-29-35. EDN: ZFEYJS.

20. Aboelella M.G., Ebeid S.J., Sayed M.M. Layer combination of similar infill patterns on the tensile and compression behavior of 3D printed PLA // Scientific Reports. 2025. Vol. 15. Iss. 1. Р. 11759. https://doi.org/10.1038/s41598-025-94446-8.

21. Распопина В.Б., Мартынова В.В., Ступина Е.А. Влияние направления печати по FDM-технологии на механические свойства изделия // iPolytech Journal. 2024. Т. 28. № 4. С. 477–487. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2024-4-477-487. EDN: GFOMXF.