Том 27 № 1 2025 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 в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). 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 27 № 1 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Умеров Э.Д., Скакун В.В., Джемалядинов Р.М., Егоров Ю.А. Исследование влияния масляных СОТС с улучшенными трибологическими свойствами на силы резания и шероховатость обработанных поверхностей...... 6 Маниканта Д.Э., Амбхор Н., Теллапутта Г.Р. Исследование СОЖ с использованием растительного масла, усиленного добавлением наночастиц, при токарной обработке..................................................................................... 20 Шлыков Е.С., Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Муратов К.Р. Повышение качества изготовления изделий из жаропрочного никелевого сплава нового поколения с применением проволочно-вырезной электроэрозионной обработки............................................................................................................................................................................ 34 Абляз Т.Р., Осинников И.В., Шлыков Е.С., Каменских А.А., Горохов А.Ю., Кропанев Н.А., Муратов К.Р. Прогнозирование изменений поверхностного слоя в процессе копировально-прошивной электроэрозионной обработки............................................................................................................................................................................. 48 Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Болтрушевич А.Е., Кузнецова Ю.С., Бовкун А.С. Фрезерование заготовок из инконеля 625, полученных с помощью электродуговой наплавки............................................................................ 61 Фатюхин Д.С., Нигметзянов Р.И., Приходько В.М., Сундуков С.К., Сухов А.В. Влияние угла наклона колебательной системы на поверхностные свойства стали 45 при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании......................................................................................................................................... 77 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Борисов М.А., Лобанов Д.В., Скиба В.Ю., Надеждина О.А. Разработка устройства для исследования и моделирования процесса электрохимического шлифования............................................................................................. 93 Лапшин В.П., Губанова А.А., Дудинов И.О. Прогнозирование качества получаемой при резании металлов поверхности в условиях роста изношенности инструмента........................................................................................... 106 Подгорный Ю.И., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Садыкин А.В., Мартюшев Н.В., Лобанов Д.В., Пелемешко А.К., Попков А.С. Проектирование механизма гомогенизации.............................................................. 129 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Усанова О.Ю., Рязанцева А.В., Вахрушева М.Ю., Модина М.А., Кузнецова Ю.С. Повышение эксплуатационных свойств деталей из серого чугуна с помощью ионной имплантации....................................................... 143 Абдельазиз Х., Сабер Д. Получение нанокомпозиционного материала с матрицей на основе алюминиевого сплава Al-7Si методом механического замешивания в стальную литейную форму с переменной толщиной стенок и исследование его характеристик..................................................................................................................................... 155 Дама Й.Б., Джоги Б.Ф., Паваде Р., Пал Ш., Гаиквад Й.M. Разработка и исследование композиционных материалов из акрилата с ПЭЭК для изготовления имплантатов тазобедренного сустава методом аддитивного производства (DLP 3D-печать).......................................................................................................................................................... 172 Прудников А.Н., Галачиева С.В., Абсадыков Б.Н., Шарипзянова Г.Х., Цыганко Е.Н., Иванцивский В.В. Влияние деформационной термоциклической обработки и нормализации на механические свойства листовой стали 10................................................................................................................................................................................ 192 Бханавасе В., Джоги Б.Ф., Дама Й.Б. Исследование поведения в условиях изнашивания полифениленсульфидных (PPS) композиционных материалов, армированных стекловолокном и органической глиной.................... 203 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 218 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 227 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 05.03.2025. Выход в свет 17.03.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 28,5. Уч.-изд. л. 53,01. Изд. № 25. Заказ 86. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 1 2025 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. 27 No. 1 2025 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. 27 No. 1 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Umerov E.D., Skakun V.V., Dzhemalyadinov R.M., Egorov Y.A. Investigation of the eff ect of oil-based MWFs with enhanced tribological properties on cutting forces and roughness of the processed surfaces.............................................. 6 Manikanta J.E., Ambhore N., Thellaputta G.R. Investigation of vegetable oil-based cutting fl uids enhanced with nanoparticle additions in turning operations........................................................................................................................ 20 Shlykov E.S., Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Muratov K.R. Improvement the manufacturing quality of new generation heat-resistant nickel alloy products using wire electrical discharge machining................................................................... 34 Ablyaz T.R., Osinnikov I.V., Shlykov E.S., Kamenskikh A.A., Gorohov A.Yu., Kropanev N.A., Muratov K.R. Prediction of changes in the surface layer during copy-piercing electrical discharge machining....................................... 48 Martyushev N.V., Kozlov V.N., Boltrushevich A.E., Kuznetsova Yu.S., Bovkun A.S. Milling of Inconel 625 blanks fabricated by wire arc additive manufacturing (WAAM)..................................................................................................... 61 Fatyukhin D.S., Nigmetzyanov R.I., Prikhodko V.M., Sundukov S.K., Sukhov A.V. Infl uence of the oscillating systems inclination angle on the surface properties of steel 45 during ultrasonic surface plastic deformation................... 77 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Borisov M.A., Lobanov D.V., Skeeba V.Y., Nadezhdina O.A. Development of a device for studying and simulating the electrochemical grinding process................................................................................................................................... 93 Lapshin V.P., Gubanova A.A., Dudinov I.O. Predicting machined surface quality under conditions of increasing tool wear............................................................................................................................................................................... 106 Podgornyj Y.I., Skeeba V.Y., Martynova T.G., Sadykin A.V., Martyushev N.V., Lobanov D.V., Pelemeshko A.K., Popkov A.S. Designing the homogenization mechanism.................................................................................................... 129 MATERIAL SCIENCE Usanova O.Yu., Ryazantseva A.V., Vakhrusheva M.Yu., Modina M.A., Kuznetsova Yu.S. Improving the performance characteristics of grey cast iron parts via ion implantation.......................................................................... 143 Abdelaziz K., Saber D. Fabrication and characterization of Al-7Si alloy matrix nanocomposite by stir casting technique using multi-wall thickness steel mold................................................................................................................ 155 Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R., Pal S., Gaikwad Y.M. DLP 3D printing and characterization of PEEK-acrylate composite biomaterials for hip-joint implants....................................................................................................................... 172 Prudnikov A.N., Galachieva S.V., Absadykov B.N., Sharipzyanova G.Kh., Tsyganko E.N., Ivancivsky V.V. Eff ect of deformation thermocyclic treatment and normalizing on the mechanical properties of sheet Steel 10.......................... 192 Bhanavase V., Jogi B.F., Dama Y.B. Wear behavior study of glass fi ber and organic clay reinforced poly-phenylenesulfi de (PPS) composites material........................................................................................................................................ 203 EDITORIALMATERIALS 218 FOUNDERS MATERIALS 227 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 172 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Разработка и исследование композиционных материалов из акрилата с ПЭЭК для изготовления имплантатов тазобедренного сустава методом аддитивного производства (DLP 3D-печать) Йогирадж Дама 1, a, Бхагван Джоги 1, b, *, Раджу Паваде 1, c, Шибам Пал 2, d, Йогеш Гаиквад 2, e 1 Технологический университет доктора Бабасахеба Амбедкара, Лонере, Райгад, Махараштра, 402103, Индия 2 Национальная химическая лаборатория CSIR, Пашан, Пуна, Махараштра, 411008, 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/0000-0002-3681-5039, shibampal123456@gmail.com; e https://orcid.org/0009-0003-3211-0861, ym.gaikwad@ncl.res.in Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 1 с. 172–191 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.1-172-191 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 678.8 История статьи: Поступила: 26 ноября 2024 Рецензирование: 14 декабря 2024 Принята к печати: 06 января 2025 Доступно онлайн: 15 марта 2025 Ключевые слова: 3D-печать Биоматериалы FDM Имплантат Направление печати PLA Износостойкость АННОТАЦИЯ Введение. Замена тазобедренного сустава является наиболее сложной и критически важной ортопедической операцией по сравнению с заменой коленного и плечевого суставов. За последние несколько десятилетий произошло значительное развитие технологии замены тазобедренного сустава, а различные биоматериалы были существенно усовершенствованы. Все больше операций по замене тазобедренного сустава проходят успешно, что помогает людям восстановить нормальную повседневную активность и трудовую деятельность, приближенную к состоянию до перелома. Однако необходимость повторной операции уже по замене имплантата у активных пациентов по-прежнему наблюдаются через несколько лет после первичной операции. Это подчеркивает необходимость разработки долговечных биоматериалов и индивидуализированных имплантатов тазобедренного сустава для снижения износа имплантата и риска вывиха. В данном исследовании разработан новый композиционный биоматериал на основе полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) в акрилате с различным массовым содержанием ПЭЭК (0, 5 и 10 %) в акрилатном базовом материале. Проведены испытания для определения его свойств, биосовместимости и возможности 3D-печати. На основе разработанного материала методом 3D-печати изготовлены стержни (в соответствии со стандартом ASTM) для последующего изучения скорости изнашивания. Возможность использования разработанных композиционных материалов для изготовления эндопротезов также была тщательно исследована. Цель работы. Целью данного исследования является разработка и изучение нового композитного биоматериала на основе ПЭЭК в акрилате с различным массовым содержанием ПЭЭК (0, 5 и 10 %) в акрилатном базовом материале. В рамках исследования проведена оценка свойств, биосовместимости и возможности 3D-печати материала. На 3D-принтере с использованием технологии печати цифровым проектором (DLP) при комнатной температуре были напечатаны стержни, соответствующие стандарту ASTM. Проведено экспериментальное исследование износостойкости в условиях сухого трения скольжения полученных образцов для определения влияния массовой доли ПЭЭК на скорость изнашивания и прочность разработанного материала при трении о диск из стали SS 316. Для анализа структуры поверхности и распределения элементов в материале использовали сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) и энергодисперсионную спектроскопию (ЭДС). Методы исследования. Для 3D-печати стержней, соответствующих стандарту ASTM, и ацетабулярного вкладыша с различным массовым содержанием ПЭЭК в акрилате использовали технологию 3D-печати, основанную на спекании полимера цифровым светодиодным проектором (DLP). Испытания на сухое трение скольжения проводили с использованием машины трения, реализующей схему «стержень – диск». В ходе испытаний варьировали скорость вращения диска и нормальную нагрузку на стержень. Исследования были спланированы для определения влияния входных параметров на скорость изнашивания. Проведено 9 экспериментов на дистанции скольжения 4 км для каждого варианта массового содержания ПЭЭК. Диапазон нагрузки составлял 20…100 Н, а скорость скольжения варьировали от 450 до 750 об/мин. Структура поверхности и распределение элементов были проанализированы методами энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Результаты и обсуждение. Данное исследование демонстрирует преимущества варьирования массовой доли ПЭЭК в акрилате для биоматериалов, изготовленных методом DLP. Анализ результатов СЭМ, ЭДС и испытаний на изнашивание показал, что композит с 10 масс. % ПЭЭК в акрилате обладает превосходной микроструктурной целостностью, однородностью элементов и значительно более высокой износостойкостью. Композиционный материал из акрилата с 10 масс. % ПЭЭК, полученный с помощью DLP 3D-печати, пригоден для биомедицинских имплантатов и использования в здравоохранении. Для цитирования: Разработка и исследование композиционных материалов из акрилата с ПЭЭК для изготовления имплантатов тазобедренного сустава методом аддитивного производства (DLP3D-печать) / Й.Б. Дама, Б.Ф. Джоги, Р. Паваде, Ш. Пал, Й.M. Гаиквад // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 1. – С. 172–191. – DOI: 10.17212/1994-6309-202527.1-172-191. ______ *Адрес для переписки Джоги Бхагван Фатру, профессор Технологический университет доктора Бабасахеба Амбедкара, Лонере, Райгад, 402103, Махараштра, Индия Тел.: +91 942-116-6370, e-mail: bfjogi@dbatu.ac.in Введение Имплантаты тазобедренного сустава играют ключевую роль в современной ортопедической хирургии и широко применяются для лечения заболеваний, таких как остеоартрит,
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 1 2025 173 MATERIAL SCIENCE ревматоидный артрит, переломы шейки бедра и врожденные деформации [1]. Эти имплантаты предназначены для замены поврежденного тазобедренного сустава, восстановления двигательной функции и снижения болевого синдрома [2]. В связи с ответственной функцией поддержания массы тела и обеспечения движений материалы для тазобедренных имплантатов должны обладать превосходными механическими свойствами, биосовместимостью и долговечностью [3]. Аддитивные технологии (АТ), или 3D-печать, коренным образом изменили биомедицинскую инженерию, открыв возможности для создания сложных геометрических форм и персонализированных имплантатов, адаптированных к индивидуальной анатомии пациента [4]. В частности, методы аддитивного производства позволяют использовать пористые титановые сплавы, что способствует улучшению остеоинтеграции и минимизации разницы в жесткости между имплантатом и костью, обеспечивая тем самым благоприятные долгосрочные результаты для пациентов [5]. В настоящем исследовании проводится оценка механических свойств, биосовместимости и общей эффективности имплантатов тазобедренных суставов, изготовленных как из традиционных материалов, так и с применением аддитивных технологий [6]. Целью работы является изучение потенциала аддитивного производства для улучшения результатов лечения пациентов посредством преодоления ограничений, присущих классическим имплантатам, таких как эффект «экранирования» от нагрузки и недостаточная интеграция с костной тканью [7]. Среди всего спектра полимерных биоматериалов полиэфирэфиркетон (ПЭЭК, PEEK) выделяется своей пригодностью для 3D-печати, превосходя другие материалы, используемые в ортопедической имплантологии [8]. ПЭЭК (PEEK) находит применение в традиционных производственных процессах при создании различных биомедицинских имплантатов [9]. Он характеризуется высокой прочностью и модулем Юнга, близким к соответствующему показателю кости человека, что позволяет минимизировать эффект «экранирования» от нагрузки и повысить стабильность имплантата. Благодаря этим свойствам ПЭЭК (PEEK) является перспективным материалом для изготовления несущих элементов, таких как чашки тазобедренного сустава [10]. ПЭЭК (PEEK) обладает высокой термической стабильностью и температурой плавления около 343 °C. Это позволяет ему выдерживать процессы стерилизации, необходимые для медицинских имплантатов, без деградации, что обеспечивает сохранение свойств на протяжении всего срока службы в организме [11]. Кроме того, ПЭЭК (PEEK) демонстрирует исключительную химическую стойкость к широкому спектру веществ, включая растворители, кислоты и основания, что гарантирует его долговечность и стабильность в условиях организма без возникновения нежелательных реакций [12]. Биосовместимость ПЭЭК (PEEK) как надежного материала для биомедицинских применений подтверждена многочисленными исследованиями [13, 14]. Для адекватной оценки применимости ПЭЭК (PEEK) в несущих ортопедических имплантатах ключевое значение имеют механические испытания и исследования износостойкости. В частности, Редди и др. (Reddy et al.) [15] исследовали механические свойства напечатанных образцов ПЭЭК (PEEK), предназначенных для зубных имплантатов, и установили, что образцы, изготовленные при угле растра (45°/−45°), демонстрируют улучшенные показатели прочности на растяжение, сжатие и изгиб. Это свидетельствует о перспективности ПЭЭК (PEEK) как альтернативы титану и диоксиду циркония в стоматологии. Чжан и др. (Zhang et al.) [16] в своих исследованиях композитного имплантата ПЭЭК-Ti6Al4V, в рамках проведения механических испытаний, оценивали прочность на сжатие и износостойкость в соответствии со стандартными протоколами ASTM. Ду и др. (Du et al.) [17] изучали механические характеристики каркасов из композиционного материала ПЭЭК-SiN. Анализ ПЭЭК-имплантатов методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) позволяет получить ценные сведения о морфологии поверхности и микроструктурных особенностях материала. Так, Лим и др. (Lim et al.) в 2019 году [18] использовали СЭМ для оценки пористости различных напечатанных конструкций из ПЭЭК и титана. Результаты показали, что размер пор около 1,2 мм наиболее соответствует структуре губчатой кости человека. Доказано, что данный оптимальный размер пор улучшает
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 174 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ остеоинтеграцию, поскольку СЭМ-изображения демонстрируют, что шероховатая текстура поверхности пористых структур способствует увеличению силы отрыва и в целом повышению способности к костной интеграции [19]. С другой стороны, СЭМ-анализ, проведенный Карпентером и др. (Carpenter et al.) в 2018 году [20], выявил существенные различия между пористыми ПЭЭК- и титановыми имплантатами. В 2020 году Вирпе и др. (Virpe et al.) [21] провели анализ полимерных композитов, продемонстрировавший успешное внедрение углеродных наполнителей в матрицу PLA с использованием FDM 3D-печати. В то же время взаимосвязь между микроструктурными характеристиками, определенными методом СЭМ, и их влиянием на механизмы изнашивания при испытаниях по схеме «стержень – диск» остается недостаточно изученной [22, 23]. Отмечается, что не все полимерные биоматериалы, такие как СВМПЭ (UHMWPE), ПЭВП (HDPE) и ПЭ (PE), легко поддаются 3D-печати, что обусловливает необходимость применения альтернативных полимеров, включая ПЭЭК (PEEK), ПЛА (PLA), а также композитных полимерных материалов, которые были бы пригодны для 3D-печати и соответствовали требованиям, предъявляемым к имплантатам [24]. Таким образом, исследование характеристик скорости изнашивания имплантатов тазобедренного сустава является важной задачей, в связи с чем проводятся дополнительные исследования параметров изнашивания с использованием разнообразных полимерных биоматериалов, композитов и биоматериалов с покрытиями [25]. Различные методы испытаний, применяемые для оценки износостойкости и механических свойств полимерных материалов, могут быть успешно использованы и в области биоматериалов [27, 28]. В рамках данной работы предпринята попытка исследования ПЭЭК (PEEK) в составе биоматериала на основе акрилатного полимера для разработки тазобедренных имплантатов, которые возможно изготавливать посредством 3D-печати при комнатной температуре [26]. Задачи исследования включают в себя изучение влияния степени армирования на микроструктурную целостность, распределение элементов и характеристики износа, что внесет вклад в создание материалов на основе ПЭЭК (PEEK) для ортопедических целей. Кроме того, планируется проведение триботехнических испытаний напечатанных стержней, соответствующих стандарту ASTM, по схеме «штифт – диск» для оценки характеристик скорости изнашивания. Для проведения исследований было использовано оборудование для 3D-печати цифровым проектором (DLP), предоставленное Национальной химической лабораторией (NCL) в Пуне, штат Махараштра, Индия, а также оборудование для испытаний на изнашивание, расположенное на кафедре машиностроения VIIT в том же городе. Методы Подготовка материалов Составы композиционных материалов включали 0, 5 и 10 % ПЭЭК (PEEK) (по массе) в акрилатном основном материале. Композитные смолы готовили путем смешивания ПЭЭК-акрилатной смолы с различным содержанием ПЭЭК (PEEK) (5 и 10 % по массе). На рис. 1 представлена схема процесса приготовления смолы для 3D-печати и последующего изготовления физических объектов методом 3D-печати. Предварительная подготовка смолы заключалась в растворении реакционноспособных разбавителей, таких как трицикло[5.2.1.02-6]декандиметанол диакрилат (TCDDA), этоксилированный бисфенол А диметакрилат (BPAEDMA), и фотоинициаторов в акрилатном связующем. Полученная смоляная смесь загружалась в DLP 3D-принтер, где процесс печати инициировался посредством послойного отверждения материала. При 3D-печати цифровым проектором (DLP), как показано на рис. 2, а, этот проектор используется для формирования изображения целого слоя печатаемого объекта на поверхности ванны с жидким фотополимером. Под воздействием проецируемого изображения происходит селективное затвердевание фотополимерной смолы, соответствующее форме слоя. После отверждения каждого слоя платформа построения поднимается, отделяя сформированный слой от ванны со смолой, и формируется объемная 3D-модель объекта. Для очистки полученного изделия и окончательной полимеризации смолы исполь-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 1 2025 175 MATERIAL SCIENCE Рис. 1. Методика подготовки материалов, использованная в исследовании [26] Fig. 1. Material preparation methodology used in the study [26] а б Рис. 2. Метод DLP 3D-печати: а – DLP 3D-принтер; б – машина для промывки и отверждения Fig. 2. DLP 3D printing method: a – DLP 3DPrint; б – wash and cure machine зуется машина для промывки и доотверждения (рис. 2, б). Композитный биоматериал на основе ПЭЭК (PEEK) и акрилата применялся для 3D-печати стержней, соответствующих стандарту ASTM, и фрагмента эндопротеза тазобедренного сустава. Начальное время отверждения слоя составляло 30 секунд, а затем 10 секунд для каждого последующего слоя. Стержни, соответствующие стандарту ASTM (диаметр 10 мм и высота 15 мм), были напечатаны в контролируемых условиях для обеспечения однородного размера и формы.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 1 2025 176 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) Для повышения электропроводности неметаллических образцов проводили напыление тонкого слоя золота (Au). Слой золота толщиной около 10 нм наносили с помощью устройства для ионного напыления. Этот этап необходим для минимизации эффектов заряжения, возникающих при проведении СЭМ-анализа, которые могут приводить к искажениям изображения и ухудшению разрешения. Выбор золота обусловлен его высокой электропроводностью и минимальным взаимодействием с электронным пучком. Принцип работы СЭМ-установки Zeus представлен на рис. 3. СЭМ-анализ осуществляли с использованием сканирующего электронного микроскопа Zeus с полевой эмиссией, который характеризуется высоким разрешением и универсальностью применения в материаловедении. Рабочее ускоряющее напряжение микроскопа составляло 20 кВ. Выбранное значение напряжения является оптимальным компромиссом между необходимостью получения изображений с высоким разрешением и обеспечением достаточной глубины проникновения электронного пучка в материал образца. Применение более низких напряжений может оказаться недостаточным для проникновения, особенно в случае композиционных материалов с неоднородным распределением плотности, что будет ограничивать глубину анализа. Схема экспериментальной установки, использованной для проведения СЭМ-анализа, представлена на рис. 3. Изображения образцов получали при различных увеличениях: 500×, 1000×, 2000× и 5000×. Небольшие увеличения использовали для изучения общей морфологии поверхности и выявления макроскопических дефектов, таких как трещины, поры и распределение армирующих частиц. Более высокие увеличения применяли для анализа микроструктурных деталей, включая межфазную границу между ПЭЭК-матрицей и армирующими частицами, морфологию отдельных частиц и микродефекты (микротрещины, поры), которые могут негативно влиять на механические свойства материала. Для изучения микроструктурных особенностей, структуры поверхности и элементного состава исследуемых материалов, а именно чистого акрилата (базовый материал), композита с 5 масс. % ПЭЭК в акрилате и композита с 10 масс. % ПЭЭК в акрилате [28], применяли методы энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Использование данных методов необходимо для оценки распределения армирующих частиц ПЭЭК в акрилатной матрице и выявления потенциальных микроструктурных дефектов, способных ухудшить эксплуатационные характеристики материала в биомедицине. Качество подготовки образцов имеет решающее значение для получения достоверных Рис. 3. Принцип работы сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Fig. 3. Working principle of scanning electron microscope (SEM)
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1