Том 26 № 4 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Маниканта Д.Э., Амбхор Н., Шамкувар С., Гураджала Н.К., Дакарапу С.Р. Исследование влияния гибридных наножидкостей на растительной основе на производительность обработки при токарной обработке с минимальным количеством СОЖ................................................................................................................................... 6 Дама Й.Б., Джоги Б.Ф., Паваде Р., Кулкарни А.П. Влияние направления печати на характер износа PLAбиоматериала, полученного методом FDM: исследование для имплантата тазобедренного сустава......................... 19 Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Сидоров Е.А., Утяганова В.Р., Амиров А.И., Колубаев Е.А. Искажение геометрии, окисление кромки, структурные изменения и морфология поверхности реза листового проката толщиной 100 мм из алюминиевых, медных и титановых сплавов при плазменной резке на токе обратной полярности........................................................................................................................................................................... 41 Соматкар А., Двиведи Р., Чинчаникар С. Сравнительная оценка накатывания роликом сплава Al6061-T6 в условиях сухого трения и в условиях смазки минимальным количеством наножидкости....................................... 57 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка качества и механических свойств получаемых слоев металла из низкоуглеродистой стали методом WAAM с использованием дополнительной механической и ультразвуковой обработки............................................................................................................................................... 75 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Юсубов Н.Д., Аббасова Х.М. Систематика многоинструментных наладок на станках токарной группы............... 92 Тошов Дж.Б., Фозилов Д.М., Елемесов К.К., Рузиев У.Н., Абдуллаев Д.Н., Басканбаева Д.Д., Бекирова Л.Р. Повышение стойкости зубьев буровых долот за счет изменения технологии их изготовления.................................. 112 Поспелов И.Д. Исследование распределения нормальных контактных напряжений в очагах деформации при горячей прокатке полос из конструкционных низколегированных сталей для повышения стойкости рабочих валков................................................................................................................................................................................... 125 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Изготовление электродов-инструментов с оптимизированной конфигурацией для копировально-прошивной электроэрозионной обработки методом быстрого прототипирования.............................................................................................................................................. 138 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Шуберт А.В., Коновалов С.В., Панченко И.А. Обзор исследований высокоэнтропийных сплавов, их свойств, методов создания и применения.................................................................................................................................. 153 Сюсюка Е.Н., Аминева Е.Х., Кабиров Ю.В., Пруцакова Н.В. Анализ изменения микроструктуры компрессионных колец вспомогательного судового двигателя.................................................................................................... 180 Дударева А.А., Бушуева Е.Г., Тюрин А.Г., Домаров Е.В., Насенник И.Е., Шикалов В.С., Скороход К.А., Легкодымов А.А. Влияние горячей пластической деформации на структуру и свойства поверхностно модифицированных слоев после вневауумной электронно-лучевой наплавки на сталь 12Х18Н9Т с применением порошковой смеси состава 10Cr-30B...................................................................................................................................................... 192 Болтрушевич А.Е., Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Кузнецова Ю.С. Структура заготовок из сплава инконель 625, полученных электродуговой наплавкой и наплавкой с помощью электронного луча......................... 206 Саблина Т.Ю., Панченко М.Ю., Зятиков И.А., Пучикин А.В., Коновалов И.Н., Панченко Ю.Н. Исследование гидрофильности поверхности металлических материалов, модифицированных ультрафиолетовым лазерным излучением........................................................................................................................................................................... 218 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 234 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 243 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.12.2024. Выход в свет 16.12.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 30,5. Уч.-изд. л. 56,73. Изд. № 165. Заказ 231. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 4 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 4 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Manikanta J.E., Ambhore N., Shamkuwar S., Gurajala N.K., Dakarapu S.R. Investigation of vegetable-based hybrid nanofl uids on machining performance in MQL turning........................................................................................... 6 Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R., Kulkarni A.P. Impact of print orientation on wear behavior in FDM printed PLA Biomaterial: Study for hip-joint implant...................................................................................................................... 19 GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Sidorov E.A., Utyaganova V.R.,AmirovA.I., Kolubaev E.A. Geometry distortion, edge oxidation, structural changes and cut surface morphology of 100mm thick sheet product made of aluminum, copper and titanium alloys during reverse polarity plasma cutting...................................................................................... 41 Somatkar A., Dwivedi R., Chinchanikar S. Comparative evaluation of roller burnishing of Al6061-T6 alloy under dry and nanofl uid minimum quantity lubrication conditions............................................................................................... 57 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the quality and mechanical properties of metal layers from low-carbon steel obtained by the WAAM method with the use of additional using additional mechanical and ultrasonic processing..................................................................................................................................................... 75 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Yusubov N.D., Abbasova H.M. Systematics of multi-tool setup on lathe group machines............................................... 92 Toshov J.B., Fozilov D.M., Yelemessov K.K., Ruziev U.N., Abdullayev D.N., Baskanbayeva D.D., Bekirova L.R. Increasing the durability of drill bit teeth by changing its manufacturing technology......................................................... 112 Pospelov I.D. Investigation of the distribution of normal contact stresses in deformation zone during hot rolling of strips made of structural low-alloy steels to increase the resistance of working rolls..................................................... 125 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Manufacturing of tool electrodes with optimized confi guration for copy-piercing electrical discharge machining by rapid prototyping method.......................... 138 MATERIAL SCIENCE Shubert A.V., Konovalov S.V., Panchenko I.A. A review of research on high-entropy alloys, its properties, methods of creation and application.................................................................................................................................................. 153 Syusyuka E.N., Amineva E.H., Kabirov Yu.V., Prutsakova N.V. Analysis of changes in the microstructure of compression rings of an auxiliary marine engine.......................................................................................................... 180 Dudareva A.A., Bushueva E.G., Tyurin A.G., Domarov E.V., Nasennik I.E., Shikalov V.S., Skorokhod K.A., Legkodymov A.A. The eff ect of hot plastic deformation on the structure and properties of surface-modifi ed layers after non-vacuum electron beam surfacing of a powder mixture of composition 10Cr-30B on steel 0.12 C-18 Cr-9 Ni-Ti............................................................................................................................................................................. 192 Boltrushevich A.E., Martyushev N.V., Kozlov V.N., Kuznetsova Yu.S. Structure of Inconel 625 alloy blanks obtained by electric arc surfacing and electron beam surfacing........................................................................................... 206 Sablina T.Y., Panchenko M.Yu., Zyatikov I.A., Puchikin A.V., Konovalov I.N., Panchenko Yu.N. Study of surface hydrophilicity of metallic materials modifi ed by ultraviolet laser radiation........................................................................ 218 EDITORIALMATERIALS 234 FOUNDERS MATERIALS 243 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 19 ТЕХНОЛОГИЯ Влияние направления печати на характер износа PLA-биоматериала, полученного методом FDM: исследование для имплантата тазобедренного сустава Йогирадж Дама 1, a, *, Бхагван Джоги 1, b, Раджу Паваде 1, c, Атул Кулкарни 2, d 1 Технологический университет доктора Бабасахеба Амбедкара, Лонере, Райгад, Махараштра, 402103, Индия 2 Институт информационных технологий Вишвакармы, Кондва (Бадрек), Махараштра, Пуне – 411048, Индия a https://orcid.org/0009-0008-5404-4347, yogirajdama@dbatu.ac.in; b https://orcid.org/0000-0003-2099-7533, bfjogi@dbatu.ac.in; c https://orcid.org/0000-0001-7239-625X, rspawade@dbatu.ac.in; d https://orcid.org/0000-0002-6452-6349, atul.kulkarni@viit.ac.in Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 4 с. 19–40 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-19-40 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Исследователи постоянно пытаются найти альтернативные биоматериалы и производственные процессы с целью применения их в области медицины [1]. Для создания более сложных деталей и форм технология 3D-печати является боИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 678.8 История статьи: Поступила: 18 августа 2024 Рецензирование: 10 сентября 2024 Принята к печати: 17 сентября 2024 Доступно онлайн: 15 декабря 2024 Ключевые слова: 3D-печать Биоматериалы Технология послойной печати Имплантат Ориентация печати Полимолочная кислота Износостойкость АННОТАЦИЯ Введение. Операция по эндопротезированию тазобедренного сустава предполагает замену поврежденного сустава имплантатом, который может восстановить его функциональность. Технология 3D-печати более перспективна, чем традиционный производственный процесс, когда речь заходит о создании более сложных деталей и форм. Цель текущего исследовательского проекта: определить, насколько быстро можно изготовить имплантат из биоматериала для эндопротезирования тазобедренного сустава с использованием 3D-печати, изучив скорость износа изделий, изготовленных при использовании различных направлений печати. Несмотря на наличие нескольких технологий аддитивного производства, технология послойного наплавления (FDM – fuse deposition modeling) оказала значительное влияние на здравоохранение, автомобильную промышленность и др. В основном это объясняется адаптируемостью различных композиционных материалов на основе полимеров и их экономичностью. Такие полимеры , напечатанные на 3D-принтере, нуждаются в дальнейшем изучении для оценки износа в зависимости от различных направлений 3D-печати. Биоматериалы на основе полимолочной кислоты (PLA – polylactic acid) были тщательно изучены с целью определения их пригодности в качестве материалов для изготовления тазобедренных суставов. Цель работы. В настоящей работе проведено экспериментальное исследование влияния направления печати на износ в условиях сухого трения скольжения материала из полимолочной кислоты (PLA), полученного путем послойного наплавления (FDM), по схеме «штифт – диск (SS 316)». Кроме того, были разработаны экспериментальные и эмпирические модели для прогнозирования производительности с учетом влияния нагрузки и скорости скольжения. Для определения оптимальных параметров был использован алгоритм реляционного анализа «серых» систем. Методы исследования. Методом FDM-печати в различных направлениях изготовлен штифт. Под направлением печати подразумевается печать под углами 0°, 45° и 90°, при этом все остальные параметры 3D-печати оставались неизменными. Испытание на износ проводили по кинематической схеме «штифт – диск». В ходе экспериментов варьировалась нормальная нагрузка на штифт и скорость вращения диска. Эксперименты были методически разработаны для изучения влияния входных параметров на удельную скорость износа. Было проведено около 13 экспериментов на каждое направление печати при пути трения, равном 4 км, в диапазоне нагрузки 400–800 Н при скорости скольжения 450–750 об/мин. Результаты и обсуждение. В ходе исследования были получены важные результаты, особенно касающиеся направления 3D-печати компонентов. Было обнаружено, что наименьший износ при трении скольжения наблюдается у штифта, напечатанного под углом 0°, чуть больший износ характерен для штифта, напечатанного под углом 90°. Соединение слоев на штифте, напечатанном под углом 45°, деформировалось при более высокой нагрузке в основном из-за повышения температуры. Низкая прочность соединения в штифте, напечатанном под углом 45°, привела к сильному износу при трении скольжения. Оптимальный результат достигнут при скорости скольжения 451 об/мин и нагрузке 600 Н. Результаты исследования очень полезны при выборе материалов для 3D-печати биомедицинских имплантатов, изделий медицинского и промышленного назначения. Для цитирования: Влияние направления печати на характер износа PLA-биоматериала, полученного методом FDM: исследование для имплантата тазобедренного сустава / Й.Б. Дама, Б.Ф. Джоги, Р. Паваде, А.П. Кулкарни // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 19–40. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-19-40. ______ *Адрес для переписки Дама Йогирадж Басаврадж, научный сотрудник Технологический университет доктора Бабасахеба Амбедкара, Лонере, Райгад, 402103, Махараштра, Индия Тел.: +91-9860384360, e-mail: yogirajdama@dbatu.ac.in
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 20 ТЕХНОЛОГИЯ лее перспективной, чем традиционные методы производства. Процесс 3D-печати, также называемый процессом аддитивного производства, нашел широкое применение в инженерной сфере, особенно для проектирования сложных компонентов и печати по требованию [2]. Однако эта технология еще не зарекомендовала себя в области медицины из-за многих ограничений, таких как доступность биоматериалов для 3D-печати, направление печати, одобрение регулирующих органов, надежность в долгосрочной перспективе, использование напечатанных изделий в организме пациента в режиме реального времени и др. Поэтому исследователи сосредоточились на использовании процесса 3D-печати в медицинской сфере [1]. Тазобедренный сустав, а следовательно, и имплантат тазобедренного сустава, является одним из наиболее важных элементов в организме человека по сравнению с любыми другими суставами. Несмотря на значительный прогресс в разработке имплантатов тазобедренного сустава с использованием различных биоматериалов, включая металл, керамику и полимеры, все еще остается много возможностей для исследований и разработок индивидуальных имплантатов тазобедренного сустава, даже несмотря на то, что за последние несколько столетий биоматериалы и методы эндопротезирования тазобедренного сустава прошли долгий путь развития. Тазобедренный сустав соединяет бедра с тазом, принимая на себя весь вес человеческого тела. Тазобедренный сустав является одним из самых важных суставов, поддерживающих человеческое тело. Естественным местом расположения вертлужной впадины является чашеобразная полость, в которую точно входит гладкая сферическая головка бедренной кости. Прочные связки охватывают весь сустав, обеспечивая стабильность. Внедрение инноваций в области дизайна и материалов способствовало весомому уменьшению реальной скорости износа самых популярных имплантатов, что, в свою очередь, позволяет значительно снизить риски, связанные с обширным распространением обломков в организме человека. Такие биоматериалы, как сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) и другие широко используются в медицине для изготовления имплантатов традиционным способом и хорошо зарекомендовали себя [3, 4]. Льюис (Lewis) [5] изучал свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена с поперечно сшитыми молекулами. Ванг и соавторы (Wang et al.) обнаружили, что смазывающие и износостойкие свойства полиэтилена при тотальной замене суставов улучшаются [6]. Юсуф и Мохсин (Yousuf and Mohsin) [7] изучали повышение скорости износа полиэтилена высокой плотности за счет добавления керамических частиц. Однако имплантированные полиэтиленовые чашки для вертлужной впадины образуют мусор, на который реагирует иммунная система организма [8]. Для улучшения механических и трибологических характеристик ПЭВП-матрицы в нее были добавлены нанокомпозиты, включающие графен, наночастицы TiO2 и гибридные нанонаполнители, что в конечном итоге привело к увеличению срока службы и снижению скорости износа [9]. Чжан с соавторами (Zhang et al.) [10] рассматривали применение ПЭЭК в качестве альтернативы CoCrMo в бедренном компоненте тотального эндопротеза коленного сустава. Переломы бедра у пожилых людей являются опасными травмами, которые приводят к увеличению заболеваемости и смертности, инвалидности и значительному спросу на медицинские ресурсы. Для обоснования хирургической стратегии гемиартропластики при лечении переломов бедра недостаточно качественных данных [11]. В настоящем исследовании для 3D-печати биомедицинских имплантатов рассмотрен PLA-материал. Данные о PLA-материале, используемом в имплантатах тазобедренного сустава, представлены в очень немногих исследованиях. Согласно Тол и соавторам (Tol et al.) [11], по результатам рандомизированного клинического исследования с участием 555 пациентов и естественного эксперимента с участием 288 человек не было выявлено различий в качестве жизни через шесть месяцев после травмы между хирургическими вмешательствами. По сравнению с DLA, PLA была связана со значительно большим количеством повторных операций и вывихов. В 2020 году Обинна с соавторами (Obinna et al.) [12] изучали 3D-печать для изготовления имплантатов тазобедренного сустава.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 4 2024 21 TECHNOLOGY Бхагия С. и соавторы (Bhagia S. et al.) [13] провели обзор PLA-биокомпозитов, содержащих ресурсы биомассы, и охарактеризовали их как биоразлагаемые, пригодные для вторичной переработки и имеющие потенциал для процесса получения топлива, электрической, тепловой энергии и химикатов из биомассы, а также печати по технологии FDM. Для технологии послойного наплавления (FDM) Прашант Анерао (Prashant Anerao) [14] провел параметрическое исследование механических характеристик PLA-композита, армированного биоуглем. Проведено сравнительное исследование и анализ корпусов слуховых аппаратов, напечатанных из различных биоматериалов [15]. С помощью ANSYS Explicit Workbench было проведено сравнительное исследование различных полимерных материалов на пяти различных скоростях для испытания на удар при падении. Согласно исследованию, термополиуретан (ТПУ) деформируется до максимума при всех скоростях – больше, чем PLA или акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС) [15]. Дама с соавторами (Dama et al.) [16] указали на пригодность процесса аддитивного производства для воспроизведения конструктивных особенностей. Однако эти материалы не подходят для 3D-печати в том формате, который доступен для обычного производственного процесса. 3D-печать методом послойного наплавления (FDM), также называемая изготовлением методом послойного наплавления нитей (FFF), является методом аддитивного производства (AM). Расплавленный материал выборочно наносится по заранее определенному маршруту для создания деталей слой за слоем. Для создания конечных физических изделий используются термопластичные полимеры в форме нитей. Далы с соавторами (Daly et al.) провели параметрическое исследование и наблюдали влияние нескольких факторов 3D-печати, включая направление печати, скорость и метод дискретизации (слой за слоем или нить), на коробление, остаточные напряжения, прогиб и механическое поведение [17]. Санданамсамы с соавторами (Sandanamsamy et al.) рассматривали параметры процесса FDMпечати на механические свойства при растяжении PLA-материалов [18]. Мелтем (Meltem) [19] изучил влияние направления FDM-печати на механические свойства при растяжении и время печати детали из PLA-материала. Прочность на разрыв уменьшалась, когда направление печати деталей было изменено с горизонтального на вертикальное и угла печати с 0° до 90° (рис. 1). Прочность на разрыв для вертикально а б Рис. 1. Параметры печати методом FDM: а – направление печати; б – угол направления растра, равный 0°, и толщина слоя (источник: Чакон и соавт. (Chacón et al.) [20]) Fig. 1. FDM printing parameters: a – printing orientations; б – raster direction angle equal to 0° and layer thickness (source: Chacón et al. [20])
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 4 2024 22 ТЕХНОЛОГИЯ напечатанной детали была на 36 % меньше, чем для горизонтально напечатанной, из-за направления приложения нагрузки и режима разрушения. Чтобы гарантировать стабильные и высококачественные результаты, на предприятиях по всему миру внедряются передовые производственные процессы, такие как технология послойного наплавления (FDM). По этой причине крайне важно понимать, как взаимодействуют различные компоненты и как они влияют на качество конечной формы. Анализ характера износа изделий из полимолочной кислоты находит множество применений в биомедицине, протезировании, тканевой инженерии и других отраслях. Биоматериал на основе PLA, напечатанный на 3D-принтере, был тщательно исследован на предмет возможности использования в качестве материала для эндопротезирования тазобедренного сустава путем анализа характера износа и механических свойств. Цель работы: в ходе экспериментального исследования было изучено влияние направления печати на характер износа PLA-биоматериала, полученного методом послойного наплавления (FDM), в условиях сухого трения скольжения по схеме «штифт – диск (SS 316)». Для прогнозирования производительности моделей, которые являются как эмпирическими, так и полученными экспериментальным путем, учтено влияние скорости скольжения и нагрузки. Для определения идеальных параметров использовали алгоритм реляционного анализа «серых» систем. В работе применялось оборудование для 3D-печати FDM и испытания на износ, имеющееся в распоряжении факультета машиностроения Института информационных технологий Вишвакарма (Пуна, Махараштра, Индия). Дальнейшие исследования направлены на изучение характера износа композиционных материалов для улучшения показателей скорости износа [21–27]. 3D-печать композиционного биоматериала может быть использована для разработки имплантата с более высокой устойчивостью. Методы исследования Трибометр «штифт-на-диске» – это проверенное устройство для анализа износостойкости при скольжении и характеристик износа материала. Принцип работы трибометра «штифт-надиске» заключается в том, что диск вращается с постоянной скоростью, в то время как штифт остается неподвижным при заданной нагрузке, и из-за относительного перемещения между штифтом и диском начинается износ. Для регистрации перемещения используется датчик перемещения на основе дифференциального трансформатора (LVDT) на другом конце устройства. Эта машина измеряет коэффициент трения, силу трения, скорость износа, температуру, объем износа и др. Схема трибометра «штифт-на-диске» показана на рис. 2, а, а устройство, используемое для экспериментов, – на рис. 2, б. Станок работает в диапазоне нагрузок 100…800 Н, скорость 20…2000 об/мин. Точность измерения LVDT составляет 1 ± 1 % при измерении износа в микрометрах и наименьшем значении 1 мкм. Испытание проводили в соответствии со стандартом ASTM G 99. Технология послойного наплавления (FDM) – один из популярных методов 3D-печати, в котором используются термопластичные полимеры для создания сложных 3D-структур. Метод позволяет создавать небольшие функциональные детали простым и экономичным способом. Для печати сложных объектов можно использовать широкий спектр материалов, таких как PLA, нейлон, акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), политетрафторэтилен (ПТФЭ) и другие, с различными технологическими параметрами. В процессе печати термопластичные нити расплавляются и экструдируются через нагретую насадку, после чего в полутвердом виде наносятся на твердую подложку. Принципиальная схема технологического процесса показана на рис. 3, а. Штифты печатались на 3D-принтере Flashforge Dreamer NX из материала на основе PLA (полимолочной кислоты). На рис. 3, б показана фотография 3D-принтера, использованного для печати штифтов. Все штифты были изготовлены при плотности заполнения 100 %, температуре экструзии 220 °С, с углом растрирования 90° и толщиной слоя 0,2 мм. Согласно данным из литературы эти параметры являются оптимальными. В качестве тестовых образцов были использованы цилиндрические штифты из материала на основе PLA диаметром 8 мм и длиной 40 мм. Эти штифты были напечатаны при направлении печати 0°, 45° и 90°. PLA является
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1