Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет46267910.17212/1994-6309-2026-28.3-331-344MATERIAL SCIENCEМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕResearch ArticleInvestigation of the effect of additive manufacturing process parameters on the fabrication of a 3D-printed talus bone prototypeИсследование влияния параметров процесса аддитивного производства на изготовление 3D-печатного прототипа таранной костиhttps://orcid.org/0000-0002-2477-184156335664600АгравалДевендраAgrawalDevendra
India

канд. техн. наук, доцент

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

dpagrawal@engg.svpm.org.inhttps://orcid.org/0000-0002-0547-6038ПатилСушилPatilSushil
India

канд. техн. наук, профессор

Ph.D. (Engineering), Professor

sspatil@engg.svpm.org.inhttps://orcid.org/0000-0001-8468-805756986482000GXH-6114-2022АмбхорНитинAmbhoreNitin
India

канд. техн. наук, доцент

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

nitin.ambhore@vit.eduhttps://orcid.org/0000-0002-1312-261936462257600ВашимкарДинешWashimkarDinesh
India

канд. техн. наук, профессор

Ph.D. (Engineering), Professor

dinesh.washimkar@vit.eduhttps://orcid.org/0009-0000-8547-9484АгравалДхрувAgrawalDhroov
India

студент

Student

dhroovagrawal109@gmail.comИнженерный колледж С.В.П.М., Малегаон (Бк.), Университет Савитрибаи ПхулеDepartment of Mechanical Engineering, S.V.P.M’S College of Engineering Malegaon (Bk.), SPPUКафедра машиностроения, Технологический институт Вишвакармы, Университет Савитрибай ПхулеDepartment of Mechanical Engineering, Vishwakarma Institute of Technology, Savitribai Phule Pune UniversityМедицинский колледж KDDepartment of Bachelor of Medicine & Bachelor of Surgery, KD Medical Collegeruen283ТОМ 28, №3 (2026)VOL 28, NO3 (2026)33134428052026Copyright ©; 2026, Agrawal D., Patil S., Ambhore N., Washimkar D., Agrawal D.Copyright ©; 2026, Агравал Д., Патил С., Амбхоре Н., Вашимкар Д., Агравал Д.2026Agrawal D., Patil S., Ambhore N., Washimkar D., Agrawal D.Агравал Д., Патил С., Амбхоре Н., Вашимкар Д., Агравал Д.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/462679

Introduction. Additive manufacturing, and in particular fused deposition modelling (FDM), enables the fabrication of geometrically complex parts without dedicated tooling, which is especially valuable for patient-specific biomedical devices. The mechanical performance of polylactic acid (PLA) parts, however, depends strongly on the combination of printing parameters, and the available data on the joint influence of layer thickness, nozzle temperature, and material flow rate on the full set of strength characteristics remain fragmentary, which complicates process selection for anatomical prototypes. The aim of this work is to determine the optimum combination of FDM printing parameters for PLA parts that maximizes the integrated strength response, and to fabricate, using the identified settings, a full-scale patient-specific prototype of the human talus bone from computed tomography data. Materials and methods. A Taguchi L27 orthogonal array was implemented with three levels of layer thickness (0.1–0.3 mm), nozzle temperature (190–210 °C), and material flow rate (95–105%). Tensile strength and Young's modulus were determined in accordance with ASTM D638–22 on a universal testing machine at a crosshead speed of 5 mm/min; specific fracture energy (toughness) was measured according to ASTM D256–23 using a notched Izod pendulum impact tester. The significance of the factors was evaluated by analysis of variance (ANOVA), and multi-response optimization was performed by grey relational analysis (GRA). The geometry of the fabricated prototype was inspected on a coordinate measuring machine. Results and discussion. Material flow rate was found to be the dominant factor for tensile strength (contribution of 50.3 %) and for toughness (92.9%), whereas Young's modulus is governed primarily by layer thickness. The highest grey relational grade (0.853) was obtained at a layer thickness of 0.1 mm, a nozzle temperature of 210 °C, and a flow rate of 105%. The dimensional deviations of the fabricated prototype from the CT data did not exceed 0.2 mm, which confirms its suitability as a master model for the subsequent manufacture of an implant from a biocompatible material.

Введение. Аддитивное производство, в частности моделирование методом наплавления (FDM), позволяет изготавливать геометрически сложные детали без специальной оснастки, что особенно ценно для создания персонализированных медицинских изделий. Однако механические характеристики деталей из полимолочной кислоты (PLA) сильно зависят от сочетания параметров печати, а имеющиеся данные о совместном влиянии толщины слоя, температуры сопла и скорости потока материала на всю совокупность прочностных характеристик остаются фрагментарными, что затрудняет выбор режимов для анатомических прототипов. Цель работы – определить оптимальное сочетание параметров FDM-печати для деталей из PLA, обеспечивающее максимальный комплексный прочностной отклик, и изготовить по выявленным режимам полноразмерный персонализированный прототип таранной кости человека на основе данных компьютерной томографии. Материалы и методы. Реализована ортогональная матрица Taguchi L27 с тремя уровнями толщины слоя (0,1…0,3 мм), температуры сопла (190…210 °C) и скорости потока материала (95…105 %). Предел прочности при растяжении и модуль Юнга определяли в соответствии со стандартом ASTM D638?22 на универсальной испытательной машине при скорости траверсы 5 мм/мин; удельную энергию разрушения (вязкость) измеряли по стандарту ASTM D256?23 на маятниковом копре с надрезанными образцами по схеме Изода. Значимость факторов оценивали с помощью дисперсионного анализа (ANOVA), многоцелевую оптимизацию выполняли методом серого реляционного анализа (GRA). Геометрию изготовленного прототипа контролировали на координатно-измерительной машине. Результаты и обсуждение. Установлено, что доминирующим фактором для предела прочности при растяжении является скорость потока материала (вклад 50,3 %), для вязкости – также скорость потока (92,9 %), тогда как модуль Юнга определяется преимущественно толщиной слоя. Наивысший серый реляционный ранг (0,853) получен при толщине слоя 0,1 мм, температуре сопла 210 °C и скорости потока 105 %. Отклонения размеров изготовленного прототипа от данных КТ не превысили 0,2 мм, что подтверждает его пригодность в качестве мастер?модели для последующего изготовления имплантата из биосовместимого материала.

3D-печатьАддитивное производствоМоделирование методом наплавления (FDM)Полимолочная кислота (PLA)Таранная костьСерый реляционный анализ (GRA)Прототип3D printingAdditive manufacturingFused deposition modelingPolylactic acidTalus boneGrey relational analysisPrototypeChunxu L., Pisignano D., Zhao Y., Xue J. Advances in medical applications of additive manufacturing. Engineering, 2020, vol. 6 (11), pp. 1222–1231. DOI: 10.1016/j.eng.2020.02.018.Advances in medical applications of additive manufacturing / L. Chunxu, D. Pisignano, Y. Zhao, J. Xue // Engineering. – 2020. – Vol. 6 (11). – P. 1222–1231. – DOI: 10.1016/j.eng.2020.02.018.Kirichek A.V., Solovyev D.L., Yashin A.V., Silantyev S.A., Aborkin A.V., Novikov M.A. Issledovanie anizotropii svoistv sintezirovannykh metallicheskikh materialov WAAM-metodom [Anisotropy of properties in metal materials fabricated by wire arc additive manufacturing (WAAM)]. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2025, vol. 27, no. 4, pp. 206–220. DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.4-206-220.Исследование анизотропии свойств синтезированных металлических материалов WAAM-методом / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.В. Яшин, С.А. Силантьев, А.В. Аборкин, М.А. Новиков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 4. – С. 206–220. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.4-206-220.Rouf S., Malik A., Raina A., Haq M.I.U., Naveed N., Zolfagharian A., Bodaghi M. Functionally graded additive manufacturing for orthopaedic applications. Journal of Orthopaedics, 2022, vol. 33, pp. 70–80. DOI: 10.1016/j.jor.2022.06.013.Functionally graded additive manufacturing for orthopaedic applications / S. Rouf, A. Malik, A. Raina, M.I.U. Haq, N. Naveed, A. Zolfagharian, M. Bodaghi // Journal of Orthopaedics. – 2022. – Vol. 33. – P. 70–80. – DOI: 10.1016/j.jor.2022.06.013.Gupta K., Meena K. Artificial bone scaffolds and bone joints by additive manufacturing: a review. Bioprinting, 2023, vol. 31, p. e00268. DOI: 10.1016/j.bprint.2023.e00268.Gupta K., Meena K. Artificial bone scaffolds and bone joints by additive manufacturing: a review // Bioprinting. – 2023. – Vol. 31. – P. e00268. – DOI: 10.1016/j.bprint.2023.e00268.Farazin A., Zhang C., Gheisizadeh A., Shahbazi A. 3D bio-printing for use as bone replacement tissues: a review of biomedical application. Biomedical Engineering Advances, 2023, vol. 5, p. 100075. DOI: 10.1016/j.bea.2023.100075.3D bio-printing for use as bone replacement tissues: a review of biomedical application / A. Farazin, C. Zhang, A. Gheisizadeh, A. Shahbazi // Biomedical Engineering Advances. – 2023. – Vol. 5. – P. 100075. – DOI: 10.1016/j.bea.2023.100075.Myers D., Abdel-Wahab A., Hafeez F., Kovacev N., Essa K. Optimisation of the additive manufacturing parameters of polylactic acid (PLA) cellular structures for biomedical applications. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2022, vol. 136, p. 105447. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2022.105447.Optimisation of the additive manufacturing parameters of polylactic acid (PLA) cellular structures for biomedical applications / D. Myers, A. Abdel-Wahab, F. Hafeez, N. Kovacev, K. Essa // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2022. – Vol. 136. – P. 105447. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2022.105447.Bakhshi R., Mohammadi-Zerankeshi M., Mehrabi-Dehdezi M., Alizadeh R., Labbaf S., Abachi P. Additive manufacturing of PLA-Mg composite scaffolds for hard tissue engineering applications. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2023, vol. 138, p. 105655. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2023.105655.Additive manufacturing of PLA-Mg composite scaffolds for hard tissue engineering applications / R. Bakhshi, M. Mohammadi-Zerankeshi, M. Mehrabi-Dehdezi, R. Alizadeh, S. Labbaf, P. Abachi // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2023. – Vol. 138. – P. 105655. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2023.105655.Settia M., Ginestra P. Additive manufacturing for orthopaedic applications: case study on market impact. Procedia Computer Science, 2023, vol. 217, pp. 737–745. DOI: 10.1016/j.procs.2022.12.270.Settia M., Ginestra P. Additive manufacturing for orthopaedic applications: case study on market impact // Procedia Computer Science. – 2023. – Vol. 217. – P. 737–745. – DOI: 10.1016/j.procs.2022.12.270.Liu G., Lu X., Zhang X., Zhao Y., Yi S., Xu J., Feng C., Zhou Z., Wang P., Chen Z., He Y., Chen S., Liu P., Zuo J., Dai Y., Wu J., Liu S., Lu J. 3D/4D additive-subtractive manufacturing of heterogeneous ceramics. Journal of Materials Science & Technology, 2024, vol. 201, pp. 210–221. DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.069.3D/4D additive-subtractive manufacturing of heterogeneous ceramics / G. Liu, X. Lu, X. Zhang, Y. Zhao, S. Yi, J. Xu, C. Feng, Z. Zhou, P. Wang, Z. Chen, Y. He, S. Chen, P. Liu, J. Zuo, Y. Dai, J. Wu, S. Liu, J. Lu // Journal of Materials Science & Technology. – 2024. – Vol. 201. – P. 210–221. – DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.069.Chen D., Chen Y. Optimization parameters for PLA through additive manufacturing: taking mixed shapes as an example. Applied Sciences, 2024, vol. 14 (21), p. 10035. DOI: 10.3390/app142110035.Chen D., Chen Y. Optimization parameters for PLA through additive manufacturing: taking mixed shapes as an example // Applied Sciences. – 2024. – Vol. 14 (21). – P. 10035. – DOI: 10.3390/app142110035.Almansoori K., Pervaiz S. Effect of layer height, print speed and cell geometry on mechanical properties of marble PLA based 3D printed parts. Smart Materials in Manufacturing, 2023, vol. 1, p. 100023. DOI: 10.1016/j.smmf.2023.100023.Almansoori K., Pervaiz S. Effect of layer height, print speed and cell geometry on mechanical properties of marble PLA based 3D printed parts // Smart Materials in Manufacturing. – 2023. – Vol. 1. – P. 100023. – DOI: 10.1016/j.smmf.2023.100023.Raja S., Prakash A., Agrawal P., Patil P., Rey T., Capangpangan Y., Mulugeta S., Wotango T. Optimization of 3D printing process parameters of polylactic acid filament based on the mechanical test. International Journal of Chemical Engineering, 2022, vol. 2022, p. 5830869. DOI: 10.1155/2022/5830869.Optimization of 3D printing process parameters of polylactic acid filament based on the mechanical test / S. Raja, A. Prakash, P. Agrawal, P. Patil, T. Rey, Y. Capangpangan, S. Mulugeta, T. Wotango // International Journal of Chemical Engineering. – 2022. – Vol. 2022. – P. 5830869. – DOI: 10.1155/2022/5830869.Bilir F., Turker K., Saadet T., Ahmet G., Kilinc C. Optimization of 3D printing parameters for enhanced tensile properties in continuous carbon fiber reinforced PLA composites. Materials Research Express, 2025, vol. 12 (4), p. 045302. DOI: 10.1088/2053-1591/adc5cc.Optimization of 3D printing parameters for enhanced tensile properties in continuous carbon fiber reinforced PLA composites / F. Bilir, K. Turker, T. Saadet, G. Ahmet, C. Kilinc // Materials Research Express. – 2025. – Vol. 12 (4). – P. 045302. – DOI: 10.1088/2053-1591/adc5cc.Dadashi A. Optimization of 3D printing parameters in polylactic acid bio-metamaterial under cyclic bending loading considering fracture features. Heliyon, 2024, vol. 10 (4), p. e26357. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e26357.Dadashi A. Optimization of 3D printing parameters in polylactic acid bio-metamaterial under cyclic bending loading considering fracture features // Heliyon. – 2024. – Vol. 10 (4). – P. e26357. – DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e26357.Kechagias J., Zaoutsos S. Optimization window of printing parameters for specific strength and energy consumption in PEEK additive manufacturing. Materials and Manufacturing Processes, 2026, vol. 41 (2), pp. 229–236. DOI: 10.1080/10426914.2026.2613641.Kechagias J., Zaoutsos S. Optimization window of printing parameters for specific strength and energy consumption in PEEK additive manufacturing // Materials and Manufacturing Processes. – 2026. – Vol. 41 (2). – P. 229–236. – DOI: 10.1080/10426914.2026.2613641.Chate G., Deshpande A. Optimisation for geometrical dimension of a product using 3D printer based on fused deposition modelling. International Journal of Additive and Subtractive Materials Manufacturing, 2017, vol. 1 (2), pp. 133–144. DOI: 10.1504/IJASMM.2017.088201.Chate G., Deshpande A. Optimisation for geometrical dimension of a product using 3D printer based on fused deposition modelling // International Journal of Additive and Subtractive Materials Manufacturing. – 2017. – Vol. 1 (2). – P. 133–144. – DOI: 10.1504/IJASMM.2017.088201.Ilyushkin D.A., Soldatov V.G., Petrakov O.V., Kotlyarova I.A. K voprosu vybora i optimizatsii parametrov nepreryvnoi lazernoi svarki chuguna [On the issue of selecting and optimizing parameters of continuous laser welding of cast iron]. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2021, vol. 23, no. 3, pp. 20–30. DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-20-30.К вопросу выбора и оптимизации параметров непрерывной лазерной сварки чугуна / Д.А. Илюшкин, В.Г. Солдатов, О.В. Петраков, И.А. Котлярова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 20–30. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-20-30.Agrawal D., Kamble D. Optimization of photochemical machining process parameters for manufacturing microfluidic channel. Materials and Manufacturing Processes, 2018, vol. 34 (1), pp. 1–7. DOI: 10.1080/10426914.2018.1512115.Agrawal D., Kamble D. Optimization of photochemical machining process parameters for manufacturing microfluidic channel // Materials and Manufacturing Processes. – 2018. – Vol. 34 (1). – P. 1–7. – DOI: 10.1080/10426914.2018.1512115.Karthikeyan A., Prabhu L., Khan T., Sebaey T. Effect of process variables on Ultimaker 2+ 3D FDM printed tough PLA parts. Materials and Manufacturing Processes, 2025, vol. 40 (3), pp. 402–414. DOI: 10.1080/10426914.2024.2425622.Effect of process variables on Ultimaker 2+ 3D FDM printed tough PLA parts / A. Karthikeyan, L. Prabhu, T. Khan, T. Sebaey // Materials and Manufacturing Processes. – 2025. – Vol. 40 (3). – P. 402–414. – DOI: 10.1080/10426914.2024.2425622.Wolf C., Juchem D., Koster A., Pilloy W. Generation of customized bone implants from CT scans using FEA and AM. Materials, 2024, vol. 17 (17), p. 4241. DOI: 10.3390/ma17174241.Generation of customized bone implants from CT scans using FEA and AM / C. Wolf, D. Juchem, A. Koster, W. Pilloy // Materials. – 2024. – Vol. 17 (17). – P. 4241. – DOI: 10.3390/ma17174241.