Details

Работа посвящена разработке и исследованию экологически безопасных полимерных композиционных материалов на основе возобновляемого природного сырья, адаптированных для аддитивного производства методом послойного наплавления (FDM/FFF). Объектом исследования выступает комплексный процесс разработки, экструдирования и последующего аддитивного формообразования целлюлозных биокомпозитов, рассматриваемый в контексте его внедрения в реальный промышленный сектор. Предметом исследования являются физико-механические, реологические и термические свойства разрабатываемых материалов, рецептурно-технологические закономерности формирования их структуры в процессе 3D-печати, а также параметры их производственной интеграции. В работе выполнены анализ научно-технической литературы и мирового патентного ландшафта, разработаны технические требования к биокомпозитам и оборудованию, получена рецептура материала на основе пластифицированного ацетата целлюлозы и микрокристаллической целлюлозы (pCA-MCC10), проведена оптимизация режимов экструзии и выполнено технико-экономическое обоснование внедрения. В качестве основы методологии оптимизации использован матричный метод планирования эксперимента Тагути (L9) в сочетании с многокритериальным реляционным анализом Грея (GRA) для достижения баланса между прочностными и эксплуатационными характеристиками. Результаты исследования показали, что при оптимальных параметрах печати (температура сопла 230 °C, скорость 1800 мм/мин, 100% заполнение) волокна целлюлозы ориентируются вдоль вектора экструзии, создавая эффект самоармирования. За счет этого ударная вязкость 3D-печатных образцов на 37% превышает показатели аналогичных изделий, полученных традиционным литьем под давлением. Также доказана высокая размерная стабильность материала и улучшенная термостойкость (HDT 92,18 °C). Практическая значимость работы состоит в разработке готового производственного регламента для ООО «КапиталГарантСтрой». Внедрение разработанного экологичного биокомпозита позволяет предприятию снизить углеродный след продукции, уменьшить долю производственного брака за счет высокой размерной стабильности материала и отказаться от использования импортных технических пластиков нефтяного происхождения.

The work is devoted to the development and research of environmentally friendly polymer composite materials based on renewable natural raw materials adapted for additive manufacturing by the method of layer-by-layer deposition (FDM/FFF). The object of the research is the complex process of development, extrusion and subsequent additive shaping of cellulosic biocomposites, considered in the context of its introduction into the real industrial sector. The subject of the research is the physico-mechanical, rheological and thermal properties of the materials being developed, the formulation and technological patterns of their structure formation in the 3D printing process, as well as the parameters of their production integration. The paper analyzes scientific and technical literature and the global patent landscape, develops technical requirements for biocomposites and equipment, obtains a formulation of the material based on plasticized cellulose acetate and microcrystalline cellulose (pCA-MCC10), optimizes extrusion modes and A feasibility study of the implementation has been completed. The matrix method of planning the Taguchi experiment (L9) in combination with Grays multicriteria relational analysis (GRA) was used as the basis of the optimization methodology to achieve a balance between strength and performance characteristics. The results of the study showed that at optimal printing parameters (nozzle temperature 230 °C, speed 1800 mm/min, 100% filling), cellulose fibers are oriented along the extrusion vector, creating a self-reinforcing effect. Due to this, the impact strength of 3D-printed samples is 37% higher than that of similar products obtained by traditional injection molding. High dimensional stability of the material and improved temperature resistance (HDT 92.18 °C) have also been proven. The practical significance of the work consists in the development of ready-made production regulations for KapitalGarantStroy LLC. The introduction of the developed eco-friendly biocomposite allows the company to reduce the carbon footprint of products, reduce the proportion of production defects due to the high dimensional stability of the material and abandon the use of imported technical plastics of petroleum origin.