Introduction
Les technologies de fabrication additive, en particulier l'impression 3D avec des filaments, se sont considérablement développées ces dernières années et sont de plus en plus utilisées dans des domaines tels que le prototypage, la conception, l'architecture, l'artisanat et les composants fonctionnels pour l'intérieur et l'extérieur. Les "filaments chargés" présentent un intérêt particulier : des charges fonctionnelles telles que des fibres de bois ou de la poudre de métal (par exemple, de l'acier inoxydable) sont ajoutées au matériau de base - souvent de l'acide polylactique (PLA). Ces combinaisons de matériaux ouvrent de nouvelles possibilités en termes d'apparence, de texture et de fonctionnalité des objets imprimés.
Les filaments PLA chargés en bois donnent aux composants une surface naturelle et sont souvent utilisés dans la conception de meubles, le modélisme ou le développement de produits durables. Les variantes de PLA chargées en métal, quant à elles, permettent de créer des objets plus lourds, plus stables ou d'une esthétique particulière, par exemple des éléments décoratifs ou des prototypes fonctionnels plus résistants à la température. Ces matériaux sont utilisés par l'Association allemande de recherche sur les outils et les matériaux (FGW), par exemple, dans la construction de démonstrateurs et de prototypes pour le développement d'outils afin de créer des solutions d'application plus durables.
La figure 1 présente des exemples d'applications de filaments PLA remplis de bois et de métal dans le contexte de la construction de démonstrateurs et de prototypes. À gauche, des manches de couteau et d'outil en filament chargé de bois, qui offrent une sensation agréable au toucher ainsi qu'une surface naturelle et esthétique. La deuxième image montre un démonstrateur fonctionnel de pince à sertir basé sur des mécanismes flexibles - un exemple de la mise en œuvre d'une mécanique de mouvement complexe à l'aide de la fabrication additive avec des matériaux durables. À droite, on voit une vis avec son écrou en filament chargé de bronze, qui sert de prototype illustratif pour des applications similaires au métal grâce à son poids plus élevé et à son aspect métallique.
L'un des principaux avantages des filaments à base de PLA est leur biodégradabilité et leur production relativement respectueuse de l'environnement à partir de matières premières renouvelables telles que l'amidon de maïs ou la canne à sucre.
Le remplissage ciblé avec des matériaux organiques ou inorganiques permet de développer des composés de PLA qui sont non seulement plus durables, mais qui égalent - voire dépassent - les propriétés mécaniques et la résistance aux intempéries des filaments conventionnels (non biodégradables) tels que l'ABS ou le PETG, tout en maintenant des coûts de production comparables, voire inférieurs.
Pour évaluer l'adéquation des filaments de PLA chargés à des applications exigeantes, une caractérisation purement mécanique n'est pas suffisante. En particulier lors du développement de matériaux durables, il est crucial de comprendre précisément leur résistance thermique et leur comportement en matière de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition thermique. C'est là que l'analyse thermogravimétrique (ATG) apporte des informations précieuses.
En enregistrant précisément les pertes de masse en fonction de la température, il est possible de tirer des conclusions sur la stabilité du support polymère, la présence et la quantité de charges, ainsi que le début et la progression des processus de dégradation thermique. En combinaison avec l'analyse des gaz évolués - par exemple, par FT-IR - les produits de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition résultants peuvent également être identifiés.
Dans cette étude, deux filaments à base de PLA disponibles dans le commerce et remplis de bois et d'acier inoxydable ont été comparés l'un à l'autre. Les paramètres de mesure sont détaillés dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Instrument | TG 309 Libra®, couplé au Bruker Optics FT-IR INVENIO par l'intermédiaire d'une cellule à gaz externe |
|---|---|
| Programme de température | RT-850°C, atmosphère N2, 850°C-1000°C, atmosphère d'air |
| Vitesse de chauffage | 10 K/min |
| Masse de l'échantillon | 15 à 20 mg |
| Creuset | Al2O3, 85 μl, ouvert |
Résultats et discussion
Dans un premier temps, les spectres ATR FT-IR des deux matériaux de départ ont été enregistrés (figure 2). Les deux filaments de PLA remplis ont montré une très bonne concordance avec le spectre de la base de données existante du PLA. Cependant, l'influence du matériau de remplissage existant ne peut pas encore être identifiée ici.
La figure 3 montre une comparaison des résultats de l'ATG pour les deux filaments remplis. Les deux filaments ont été chauffés dans une atmosphère inerte jusqu'à 850°C à 10 K/min. Le filament rempli de bois présentait déjà une perte de masse small de 1,02% en dessous de 200°C, ce qui est probablement dû à la libération de l'humidité contenue dans le bois. La PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse a commencé pour les deux échantillons à partir de 250°C. Une perte de masse de 39,73 % a été détectée pour le filament rempli d'acier inoxydable.
Dans le cas du filament rempli de bois, la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse du composant polymère a été superposée à la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse du composant bois. Cela a conduit à une perte de masse totale de 90,59%. Enfin, au-delà de 850°C, de l'air synthétique a été utilisé comme gaz de purge. L'échantillon contenant du bois a montré la combustion de la suie de PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse résultante. En revanche, l'échantillon rempli d'acier inoxydable a montré une légère augmentation de masse, qui peut être attribuée à l'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation du contenu métallique. Les masses résiduelles des deux échantillons sont appelées Teneur en cendresLes cendres sont une mesure de la teneur en oxydes minéraux sur une base pondérale. L'analyse thermogravimétrique (ATG) en atmosphère oxydante est une méthode éprouvée pour déterminer le résidu inorganique, communément appelé cendre, dans les matériaux organiques tels que les polymères, les caoutchoucs, etc. Par conséquent, la mesure AGT Identify permet de déterminer si un matériau est chargé et de calculer la teneur totale en charge.teneur en cendres et s'élèvent à 1,70 % (PLA+bois) et 62,15 % (PLA+acier inoxydable).
Les plages de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion des échantillons peuvent être déterminées à partir du signal c-DTA (DTA calculé). Elles se situent autour de 150°C. La plage de température supérieure à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion et inférieure au début de la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition peut être utilisée comme température de traitement pour l'impression 3D. Toutefois, une température d'impression trop élevée peut entraîner une dégradation du polymère dès le processus d'impression.
Pour analyser les gaz dégagés, ceux-ci ont été transférés dans la cellule de mesure des gaz externes du Bruker FT-IR INVENIO à l'aide d'une ligne de transfert chauffée. Les spectres obtenus sont présentés dans la figure 4. La PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse du polymère présente les mêmes caractéristiques pour les deux échantillons (spectre bleu et rouge), même si aucun composant individuel ne peut être identifié. La bande IR à 1790 cm-1 indique la libération d'une fonction carbonyle, ce qui se produit généralement dans les produits de dégradation du PLA. On peut supposer que de nombreuses substances sont libérées simultanément.
Le spectre vert de la figure 4 montre la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse des composants du bois. Outre les fonctions carbonyles, d'autres pics et épaulements sont visibles. Par exemple, des fonctions CH et duCO2 ont été détectés, ce qui est typique de la dégradation thermique des échantillons de biomasse. On peut en déduire que la charge de bois est décomposée à des températures plus élevées, alors que seule la base PLA est décomposée à des températures plus basses.
Conclusion
L'analyse TGA-FT-IR peut être utilisée pour obtenir des informations complètes sur la Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique et la composition des filaments de PLA chargés. L'analyse montre la plage de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion de la matrice PLA et le début de la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition thermique. Ces données peuvent être utilisées pour Identify une fenêtre de traitement sûre. Les charges organiques, comme le bois, produisent des composés volatils et de la suie de PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse pendant la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse, tandis que les charges métalliques laissent un résidu de cendres claires qui peut être utilisé pour déterminer le contenu de la charge.
L'analyse couplée FT-IR des gaz permet d'identifier les produits de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition libérés. La composition du matériau peut ainsi être évaluée avec précision et le matériau, y compris le type de charge, peut être clairement identifié.