Полимерные композиционные материалы

Наша лаборатория специализируется на разработке технологических процессов аддитивного изготовления деталей из полимерных и композиционных материалов. 

Результат – уникальные конструкции с заданными физико-механическими свойствами, адаптированные под конкретные инженерные задачи.

• Компетенции

  1. Разработка технологических процессов изготовления деталей из наполненных полимерных филаментов и гранул, в том числе из высокотемпературных полимеров

  2. Разработка технологических процессов изготовления деталей из армированных полимерных композитов с использованием технологий 3D-печати

  3. НИР и ОКР

  4. FDM/FFF-печать из различных материалов: 

     • Стандартные полимеры (PLA, ABS, PETG с наполнением CF, GF)

     • Инженерные полимеры (PA, TPU, PC с наполнением CF, GF)

     • Высокотемпературные полимеры (PEEK, PEEK-CF)

     • Керамо- и Металло- наполненные полимеры (SiC, ZrO₂, ZrSiO₄, 316L)

     • С непрерывным армированием углеродными/базальтовыми волокнами

     • Полимеры с эффектом памяти формы

  5. FGF-печать из различных материалов: 

     • Стандартные полимеры (ABS, PETG с наполнением CF)

     • Инженерные полимеры (PA с наполнением CF, GF)

     • Металлонаполненные полимеры (Inconel 718, 316L)

• Оборудование и материалы

  

  Anisoprint Composer A3
  FDM-принтер для печати композитов с непрерывными волокнами

  Материалы матрицы: 

  • Стандартные полимеры (PLA, ABS, PETG с наполнением CF, GF)

  • Инженерные полимеры (PA, TPU, PC с наполнением CF, GF)

  Армирующие материалы:

  • Непрерывные углеродные волокна

  • Непрерывные базальтовые волокна

  Область печати:

  420 × 297 × 210 мм

  Ключевые особенности:

  • Двухсопловая система (FDM + CFC)

  • Температура сопла до 270°С

  • Нагреваемая платформа до 120°С

  

  F2 Innovations Kubo
  Высокотемпературный FDM-принтер

  Материалы:

  • Высокотемпературные полимеры (PEEK, CF-PEEK)

  • Стандартные полимеры (PLA, ABS, PETG с наполнением CF, GF)

  • Инженерные полимеры (PA, TPU, PC с наполнением CF, GF)

  Область печати:

  300 × 300 × 300 мм

  Ключевые особенности:

  • Два высокотемпературных экструдера до 550°С

  • Нагреваемая платформа и камера до 200°С

  • Нагреваемая ячейка для двух катушек филамента до 100°С

  

  Anisoprint Composer A4
  FDM-принтер для печати композитов с непрерывными волокнами

  Материалы матрицы:

  • Стандартные полимеры (PLA, ABS, PETG с наполнением CF, GF)

  • Инженерные полимеры (PA, TPU, PC с наполнением CF, GF)

  Армирующие материалы:

  • Непрерывные углеродные волокна

  • Непрерывные базальтовые волокна

  Область печати:

  297 × 210 × 148 мм

  Ключевые особенности:

  • Двухсопловая система (FFF + CFC)

  • Температура сопла до 270°С

  • Нагреваемая платформа до 120°С

  

  Creality K1С
  Композитный FDM-принтер

  Материалы:

  • Стандартные полимеры (PLA, ABS, PETG с наполнением CF, GF)

  • Инженерные полимеры (PA, TPU, PC с наполнением CF, GF)

  • Керамо- и металлонаполненные полимеры (SiC, ZrO₂, ZrSiO₄, 316L)

  Область печати:

  220 × 220 × 250 мм

  Ключевые особенности:

  • Цельнометаллический экструдер до 300°С

  • Нагреваемая платформа до 100°С

  

  Creality K2 Plus
  Мультиматериальный FDM-принтер

  Материалы:

  • Стандартные полимеры (PLA, ABS, PETG с наполнением CF, GF)

  • Инженерные полимеры (PA, TPU, PC с наполнением CF, GF)

  Область печати:

  350 × 350 × 350 мм

  Ключевые особенности:

  • Автоматическая система подачи до 4 материалов

  • Экструдер до 350°С

  • Нагреваемая платформа до 120°С

  • Активный контроль температуры камеры до 60°С

  

  Гранульный 3D-принтер M-shape
  FGF-принтер

  Материалы:

  • Металлонаполненные полимеры (Inconel 718, 316L)

  Область печати:

  200 × 200 × 200 мм

  Ключевые особенности:

  • Шнековый экструдер для печати МИМ-гранулами до 300°С

  • Нагреваемая платформа до 120°С

  

  F2 Innovations Match Pellet
  Крупногабаритный FGF-принтер

  Материалы:

  • Стандартные полимеры (ABS, PETG, PETG, с наполнением CF)

  • Инженерные полимеры (PA с наполнением CF, GF)

  Область печати:

  1000 × 1000 × 1000 мм

  Ключевые особенности:

  • Экструдер оборудован технологией трехзонного нагрева

  • Гранульный экструдер до 450°С

  • Нагреваемая платформа до 100°С

  

  Настольный экструдер Wellzoom
  Одношнековый лабораторный экструдер

  Материалы:

  • Стандартные полимеры (PLA, ABS, PETG с наполнением CF, GF)

  • Инженерные полимеры (PA, TPU, PC с наполнением CF, GF)

  Ключевые особенности:

  • Изготовление филамента диаметром 1,75 мм

  • Температура нагрева до 350°С

  

  Scanform L5
  Ручной 3D-сканер

  Ключевые особенности:

  • Разрешение от 0,15 мм

  • Погрешность измерений 0,04 мм 

  • Объемная погрешность измерений 0,04 + 0,07 мм/м

  

  ТВР-D
  Твердомер Шора тип D

  Ключевые особенности:

  • Аналоговый индикатор 

  • Рабочий диапазон 20-90 HD

  • Индентора (тип D): угол острия 30° ± 1°, радиус острия 0,1 ± 0,12 мм, диаметр стержня 1,25 ± 0,15 мм

• Проекты

  

   

  Колесо погружного насоса
  из непрерывно армированного полимерного композита

  Оборудование: Anisoprint Composer A3

  Материал: PA + CF + непрерывные углеродные волокна

  Применение: Нефтегазовая отрасль

  

   

  Вкладыш протеза нижней конечности
  переменной жесткости с эффектом памяти формы 

  Оборудование: Creality K2 Plus

  Материал: TPU

  Применение: Индивидуальное протезирование

  

   

  Оснастка для выкладки армирующего волокна
  элемента двигателя внутреннего сгорания

  Оборудование: Creality K2 Plus

  Материал: PETG

  Применение: Производство композитных автокомпонентов

  

   

  Впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания
  армированный коротким углеволокном

  Оборудование: Creality K1С

  Материал: PA + CF

  Применение: Автомобилестроение

  

   

  Корпус заземляющего устройства
  высокоскоростного электропоезда

  Оборудование: Creality K2 Plus

  Материал: TPU + GF

  Применение: Железнодорожное машиностроение

  

   

  Шпангоут БПЛА
  с непрерывным армированием

  Оборудование: Anisoprint Composer A4

  Материал: PC + непрерывные углеродные волокна

  Применение: Производство беспилотных авиационных систем

  

   

  Элемент фиксатора большого пальца нижней конечности
  повышенной прочности

  Оборудование: F2 Innovations Kubo 

  Материал: PEEK

  Применение: Серийное протезирование 

  

   

  Безвоздушный баскетбольный мяч
  из специализированного гибкого филамента

  Оборудование: Creality K2 Plus

  Материал: PLA

  Применение: Спортивная индустрия

• Научные публикации

  '26

  2026 год

  Bio-inspired Continuously Reinforced Polymer Composites: Synthesis of Nature and Additive Manufacturing
  A. Sotov, A. Abdrakhmanova, A. Zaytsev, A. Popovich
  International Journal of Engineering
  «This review presents a comprehensive analysis of bio-inspired (biomimetic) continuously reinforced polymer composites manufactured using additive manufacturing methods, revealing the current state and development prospects of these materials whose structural organization mimics biological systems. Today, when designing bio-inspired materials and structures based on them, special attention is paid to the mechanical properties of the composite being created. This review is devoted to analyze the existing research works that reflect the production of reinforced polymer composites inspired by nature-like structures, and studies of mechanical properties such as tension, impact resistance, compression, and bending. Particular attention is paid to fibrous polymer composites manufactured using fused deposition modellimg (FDM) technology, with fiber layup architecture inspired by biological structures such as nacre, dragonfly wings, turtle shells, bamboo stems, and beetle exoskeletons. The mechanical properties of these bio-inspired composites demonstrate significant improvement in impact toughness, tensile strength, compression, and bending resistance due to controlled fiber orientation. Additionally, bio-inspired 4D-printed continuously reinforced polymer composites with shape memory effect are considered for applications in cellular structures, soft grippers, and reconfigurable antennas. The obtained results establish biomimetic design principles as a promising approach for developing a new generation of lightweight structural materials with programmable properties for aerospace, automotive, medical, and military industries.»

  '25

  2025 год

  Additive manufacturing of functional gradient thermoplastic composite using fused deposition modelling and coextrusion continuous fibres
  A. Sotov, A. Abdrakhmanova, A. Zaytsev, A. Popovich
  The International Journal of Advanced Manufacturing Technology
  «The creation of functional-gradient materials is a promising direction in the field of polymer composites design. In turn, the rapid development of modern additive manufacturing technologies demonstrates the high potential of using these technologies in the creation of both functional-gradient polymer composites and structures based on them. This study presents the results of obtaining functional-gradient polymer composites with shape memory effect by fused deposition modeling and continuous fiber coextrusion (FDM-CCF technology). The developed material consists of soft and hard segments, where a polymer based on thermopolyurethane TPU-95A was used as soft segments. This polymer had shape recovery ratio values of 98.6% and shape fixity ratio values of 94.5% in the annealed state at an extrusion temperature of 240 °C. TPU-95A matrix reinforced with continuous carbon fibers was used as the hard segments of the developed material, with the addition of PA12 adhesive polymer with discrete fibers. Such a material did not soften at SME activation temperature of the matrix polymer equal to 120 °C and showed values of ultimate strength of 176 MPa and elastic modulus of 23.7 GPa. One of the possible applications created by the methods of additive manufacturing of materials is the manufacture of medical custom components of lower limb prostheses.»

  Mechanical Properties and Flame Resistance of 3D-printed Coextruded Continuous Carbon Fiber Reinforced Polycarbonate
  A. Sotov, A. Abdrakhmanova, A. Zaytsev, A. Popovich
  International Journal of Engineering
  «The active development of modern additive manufacturing technologies, namely continuous fiber extrusion based on fused deposition modeling (FDM), shows their significant potential for the creation of advanced materials based on fibrous polymer composites. These materials are widely used in the aviation industry, but their use as aircraft components is limited by the need to meet a number of requirements. One of such requirements is flame resistance. For such applications, it is of the utmost importance that a polymer composite is considered to be compliant with the type certificate prior to its integration. This research paper presents the results of a study that 3D-printed a continuously reinforced polymer composite with a polycarbonate matrix, with enhanced mechanical properties, and conducted flame resistance tests to demonstrate the feasibility of the printed materials in aviation applications. The study encompassed a series of interfacial shear strength, tensile strength, and flame resistance tests. The study presents a detailed characterization of the 3D-printed composite using ASTM D638-10, ASTM D635-22, optical microscopy, and pull-out tests of a single towpreg immersed in the matrix. The use of continuous carbon fiber coextrusion allowed for a fourfold increase in the tensile strength of the material (239.29 MPa) in comparison to unreinforced polycarbonate (54.92 MPa). The findings of the investigation into the flame resistance of printed continuously-reinforced polycarbonate indicate that the composite exhibited a burning time of less than 30 seconds following each flame application. Furthermore, the total burning time of a series of five samples after double flame application did not exceed 250 seconds, with an average of 56 seconds. The results obtained led to the conclusion that printed continuously reinforced polycarbonate is a viable material for its use in aircraft design. As to further support the use of the presented printing technology, the frame of an unmanned aerial vehicle was manufactured from continuously reinforced polycarbonate.»

  Механические свойства ячеистых структур из термополиуретана ТПУ 95а с управляемой пористостью для протезных изделий переменной жесткости, полученных 3D-печатью
  Абдрахманова А. Э., Сотов А. В., Зайцев А. И., Попович А. А.
  Глобальная энергия
  «Функционально-градиентные материалы с управляемой пористостью на основе трижды периодических поверхностей минимальной энергии в сочетании с 3D-печатью открывают новые возможности для создания персонализированных протезных лайнеров переменной жесткости. В работе представлены исследования механических свойств ячеистых структур из термополиуретана ТПУ 95А, изготовленных 3D-печатью (FDM-технология), для применения в функционально-градиентных протезных лайнерах. Проведены циклические испытания на сжатие трех топологий — гироида, поверхности Шварца (Primitive) и сотовой структуры — при пористости 40 и 75% (размер ячейки 10 мм). Установлено, что минимальная печатаемая толщина стенки составляет 0,8 мм без дефектов. По результатам исследований топология гироида продемонстрировала наилучшие результаты модуля упругости, что составило 17 МПа для 40% пористости ячеек и 10 МПа для 75% пористости. Сотовая структура показала наименьшую жесткость и анизотропию. Полученные данные подтверждают возможность создания градиента жесткости за счет варьирования пористости гироидной структуры, что перспективно для персонализированных протезных изделий с оптимизированным распределением нагрузки.»

  Получение полимер-керамических и керамических материалов на основе силиката циркония (ZrSiO4) методом послойного наплавления филамента (FDM-технология)
  Зайцев А. И., Сотов А. В., Абдрахманова А. Э., Попович А. А.
  Глобальная энергия
  «На сегодняшний день аддитивные технологии открывают широкие возможности для создания функциональных материалов различного применения. Одним из
  актуальных направлений исследований является создание полимер-керамических композитов методом послойного наплавления филамента (FDM-технология). Такой подход совмещает преимущества 3D-печати и уникальные свойства композиционных материалов. В представленной работе проведено исследование полимер-керамического композиционного материала (ПККМ) на основе силиката циркония (ZrSiO₄), полученного FDM-печатью. Для исследования свойств и структуры материала применялись методы оптической и электронной микроскопии, ДСК и ТГА анализы. Механические испытания включали определение ударной вязкости на маятниковом копре и измерение поверхностной твердости по Шору D. В ходе анализа результатов установлено увеличение ударной вязкости по сравнению с чистым PLA более чем на 30%. Продемонстрирована возможность получения керамических изделий путем термического удаления полимерного связующего и спекания керамических частиц. Результаты показывают перспективы использования FDM-технологии для изготовления функциональных изделий из полимер-керамических материалов с заданными свойствами.»

  '24

  2024 год

  Аддитивное производство непрерывно армированных полимерных композитов с использованием промышленных роботов: Обзор
  Сотов А. В., Зайцев А. И., Абдрахманова А. Э., Попович А. А.
  Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия
  «В последние годы в машиностроительном комплексе происходят значительные изменения, связанные с созданием и расширяющимся применением новых технологий и материалов, способных коренным образом улучшить качественные показатели выпускаемых изделий, всю структуру и условия производства. К таким технологиям относятся технологии аддитивного производства, с помощью которых возможно изготовление изделий из передовых материалов – к ним относятся непрерывно армированные полимерные композиты. В свою очередь, интеграция аддитивных технологий с промышленными роботами открывает новые возможности создания пространственно армированных композитов с направленной внут­ренней структурой, получаемой за счет упорядоченного расположения непрерывных волокон. В данном обзоре проведен анализ существующих на сегодняшний день технологий 3D-печати пространственно армированных полимерных композиционных материалов с добавлением непрерывных волокон на базе промышленных роботов-манипуляторов. Представлены основные передовые компании, поставляющие готовые коммерческие системы, рассмотрен опыт успешного использования данных систем при изготовлении армированных деталей.»

  Additive manufacturing of polymer functional cellular structures with shape memory effect using FDM technology
  A. Abdrakhmanova, A. Sotov, A. Zaytsev, A. Popovich
  Global Energy
  «The paper investigates the effect of printing modes using FDM technology and annealing heat treatment on the ratio of recovery to the original shape and temporary shape fixation on samples made of elastic polymers with shape memory effect. The experiments showed that for all the studied polymers, the optimal recovery ratio is achieved by selecting the printing mode with an upper limit in the extrusion temperature range recommended by the manufacturer and annealing to remove residual stresses. The results of the conducted investigation showed the optimal values of the recovery and shape fixation ratios equal to 98.6% and 94.5%, respectively.»

  Аддитивное производство полимер-керамических материалов методом послойного наплавления материала (FDM-технология): Обзор
  Зайцев А.И., Сотов А.В., Абдрахманова А.Э., Попович А.А.
  Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия
  «Технологии аддитивного производства, также известные как 3D-печать, находятся в фазе активного развития и набирают широкую популярность, заменяя и дополняя при этом традиционные способы производства. Особое внимание уделяется получению изделий из металлических, керамических, полимерных и композиционных материалов. Среди 7 общепринятых методов аддитивного производства отдельно выделяют экструзию материала (material extrusion – MEX), которая включает в себя технологию послойного наплавления материала (FDM). Повышенное внимание к ней объясняется доступностью оборудования и возможностью использования широкого спектра исходных материалов (от ставших классическими полимеров PLA, PETG и др. до композиционных материалов, в том числе металло- и керамонаполненных нитей). Цель настоящей работы заключалась в систематизации и обобщении существующих знаний о процессе изготовления полимер-керамических изделий с использованием керамонаполеннных филаментов. Представлен анализ основных этапов производства, выбора исходных материалов, получения филамента и процесса 3D-печати. Рассмотрены области исследований и потенциальные сферы применения.»

  '23

  2023 год

  Обзор применения аддитивных технологий в медицине: перспективы функционально-градиентных полимеров в протезировании нижних конечностей
  Абдрахманова А.Э., Сотов А.В., Зайцев А.И., Попович А.А.
  Глобальная энергия
  «Функционально-градиентные полимеры являются перспективными материалами для использования в медицине при изготовлении кастомизированных протезов нижних конечностей с переменной жесткостью. Получение таких протезов возможно благодаря технологиям аддитивного производства, которые являются эффективным инструментом при создании персонализированных медицинских изделий, учитывающим сложные анатомические особенности строения частей тела человека. В данном обзоре представлен анализ существующих на сегодняшний день подходов при изготовлении индивидуальных протезов нижних конечностей с переменной жесткостью с использованием технологий аддитивного производства. Анализируемые работы были классифицированы по двум подходам создания протезов с переменной жесткостью, а именно, с использованием функционально-градиентных полимеров (мультиматериальные материалы и полимеры с управляемой пористостью) и полимеров с эффектом памяти формы. Проведенный обзор показал, что на сегодняшний день создание кастомизированных протезов нижних конечностей с переменной жесткостью методами аддитивного производства является малоизученной, но многообещающей областью исследований благодаря резкому развитию рынка аддитивных технологий и их уникальным особенностям при формообразовании изделий.»

• Контакты

   

  195221, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29 литера П, Центр инженерных разработок, 1-4

  Сотов Антон Владимирович

  sotovanton@yandex.ru

  +7 (917) 144-05-93