Inleiding
Additieve productietechnologieën, in het bijzonder 3D-printen met filamenten, hebben zich de afgelopen jaren sterk ontwikkeld en worden steeds meer gebruikt op gebieden als prototyping, design, architectuur, kunst en ambacht, en functionele onderdelen voor binnen en buiten. Van bijzonder belang zijn zogenaamde "gevulde filamenten", waarbij functionele vulstoffen zoals houtvezels of metaalpoeder (bijv. roestvrij staal) worden toegevoegd aan het basismateriaal - vaak polymelkzuur (PLA). Deze materiaalcombinaties openen nieuwe mogelijkheden op het gebied van uiterlijk, textuur en functionaliteit van de geprinte objecten.
Met hout gevulde PLA-filamenten geven onderdelen een natuurlijk oppervlak en worden vaak gebruikt in meubelontwerp, modelbouw of duurzame productontwikkeling. Met metaal gevulde PLA-varianten daarentegen maken het mogelijk om objecten te maken met een hoger gewicht, verbeterde stabiliteit of specifieke esthetiek, bijvoorbeeld decoratieve elementen of functionele prototypes met een verhoogde temperatuurbestendigheid. Deze materialen worden bijvoorbeeld door de Duitse onderzoeksvereniging voor gereedschappen en materialen (FGW) gebruikt in demonstratie- en prototypebouw voor de ontwikkeling van gereedschappen om duurzamere toepassingsoplossingen te creëren.
Figuur 1 toont voorbeelden van toepassingen van PLA-filamenten gevuld met hout en metaal in de context van demonstratie- en prototypebouw. Links ziet u mes- en gereedschapshandvatten gemaakt van met hout gevuld filament, die prettig aanvoelen en een natuurlijk, esthetisch aantrekkelijk oppervlak hebben. De tweede afbeelding toont een functioneel demonstratiemodel van een krimptang op basis van flexibele mechanismen - een voorbeeld van de implementatie van complexe bewegingsmechanica met behulp van additieve productie met duurzame materialen. Rechts is een schroef met een bijpassende moer gemaakt van bronsgevuld filament, dat dient als illustratief prototype voor metaalachtige toepassingen dankzij het hogere gewicht en het metaalachtige uiterlijk.
Een belangrijk voordeel van filamenten op basis van PLA is hun biologische afbreekbaarheid en hun relatief milieuvriendelijke productie uit hernieuwbare grondstoffen zoals maïszetmeel of suikerriet.
Gerichte vulling met organische of anorganische materialen maakt de ontwikkeling mogelijk van PLA-verbindingen die niet alleen duurzamer zijn, maar ook de mechanische eigenschappen en weersbestendigheid van conventionele (niet-afbreekbare) filamenten zoals ABS of PETG evenaren - of zelfs overtreffen - en dat alles met vergelijkbare of zelfs lagere productiekosten.
Om de geschiktheid van gevulde PLA-filamenten voor veeleisende toepassingen te beoordelen, is een zuiver mechanische karakterisering niet voldoende. Vooral bij de ontwikkeling van duurzame materialen is het cruciaal om hun thermische weerstand en thermische ontbindingsgedrag nauwkeurig te begrijpen. Hier biedt thermogravimetrische analyse (TGA) waardevolle inzichten.
Door nauwkeurig het massaverlies als functie van de temperatuur te registreren, kunnen conclusies worden getrokken over de stabiliteit van de polymeerdrager, de aanwezigheid en hoeveelheid van vulstoffen en het begin en verloop van thermische afbraakprocessen. In combinatie met geëvolueerde gasanalyse - bijvoorbeeld met FT-IR - kunnen de resulterende afbraakproducten ook worden geïdentificeerd.
In deze studie werden twee commercieel verkrijgbare filamenten op basis van PLA, gevuld met hout en roestvrij staal, met elkaar vergeleken. Tabel 1 geeft een gedetailleerd overzicht van de meetparameters.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Instrument | TG 309 Libra®, gekoppeld aan de Bruker Optics FT-IR INVENIO via externe gascel |
|---|---|
| Temperatuurprogramma | RT-850°C, N2 atmosfeer, 850°C-1000°C, luchtatmosfeer |
| Verwarmingssnelheid | 10 K/min |
| Monstermassa | 15 tot 20 mg |
| Kroes | Al2O3, 85 μl, open |
Resultaten en discussie
In het begin werden de ATR FT-IR spectra van de twee uitgangsmaterialen opgenomen (figuur 2). Beide gevulde PLA-filamenten vertoonden een zeer goede overeenkomst met het bestaande databasespectrum van PLA. De invloed van het bestaande vulmateriaal kan hier echter nog niet worden vastgesteld.
Figuur 3 toont een vergelijking van de TGA-resultaten voor de twee gevulde filamenten. Beide filamenten werden verwarmd in een inerte atmosfeer tot 850°C bij 10 K/min. De met hout gevulde vezeldraad vertoonde al een small massaverlies van 1,02% onder 200°C, wat waarschijnlijk te wijten is aan het vrijkomen van vocht uit de houtinhoud. PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.Pyrolyse begon voor beide monsters boven 250°C. Hier werd een massaverlies van 39,73% vastgesteld voor de met roestvrij staal gevulde draad.
In het geval van de met hout gevulde draad werd de PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse van de polymeercomponent gesuperponeerd door de PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse van de houtcomponent. Dit leidde tot een totaal massaverlies van 90,59%. Tenslotte werd boven 850°C synthetische lucht gebruikt als spoelgas. Het monster met hout vertoonde verbranding van het resulterende PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse roet. Daarentegen vertoonde het met roestvrij staal gevulde monster een lichte massatoename, die kan worden toegeschreven aan de OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie van de metaalinhoud. De restmassa's van de twee monsters worden As InhoudDe as is een maat voor het gehalte aan minerale oxiden op basis van gewicht. Thermogravimetrische analyse (TGA) in een oxiderende atmosfeer is een beproefde methode om het anorganische residu, gewoonlijk as genoemd, in organische materialen zoals polymeren, rubbers, enz. te bepalen. Daarom zal de TGA-meting Identify aangeven of een materiaal gevuld is en het totale vulstofgehalte berekenen. asinhoud genoemd en bedroegen 1,70% (PLA+hout) en 62,15% (PLA+roestvrij staal).
Het smelttraject van de monsters kan worden afgeleid uit het c-DTA® (berekende DTA) signaal. Deze lagen rond 150°C. Het temperatuurbereik boven de Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur en onder het begin van ontleding kan worden gebruikt als verwerkingstemperatuur voor 3D printen. Een te hoge printtemperatuur kan er echter voor zorgen dat de polymeerafbraak al tijdens het printproces begint.
Om de geëvolueerde gassen te analyseren, werden ze overgebracht naar de externe gasmeetcel van de Bruker FT-IR INVENIO met behulp van een verwarmde transferleiding. De verkregen spectra worden getoond in figuur 4. De PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse van het polymeer vertoont dezelfde kenmerken voor beide monsters (blauw en rood spectrum), ook al kunnen er geen afzonderlijke componenten worden geïdentificeerd. De IR-band bij 1790 cm-1 wijst op het vrijkomen van een carbonylfunctie, wat typisch voorkomt in de afbraakproducten van PLA. Vermoedelijk komen er veel stoffen tegelijk vrij.
Het groene spectrum in figuur 4 toont de PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse van de houtcomponenten. Naast de carbonylfuncties worden nog meer pieken en schouders zichtbaar. Er werden bijvoorbeeld CH-functies enCO2 gedetecteerd, die typisch zijn voor de thermische afbraak van biomassamonsters. Hieruit kan worden afgeleid dat de houtvuller bij hogere temperaturen wordt afgebroken, terwijl alleen de PLA-basis bij lagere temperaturen wordt afgebroken.
Conclusie
Met TGA-FT-IR kan uitgebreide informatie worden verkregen over de Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit en samenstelling van gevulde PLA-filamenten. De analyse toont het smelttraject van de PLA-matrix en het begin van thermische ontleding. Deze gegevens kunnen gebruikt worden voor Identify een veilig verwerkingsvenster. Organische vulstoffen, zoals hout, produceren tijdens de PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse vluchtige verbindingen en PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse-roet, terwijl metalen vulstoffen een helder asresidu achterlaten dat gebruikt kan worden om het vulstofgehalte te bepalen.
De gekoppelde FT-IR gasanalyse maakt het mogelijk om de vrijgekomen ontledingsproducten te identificeren. Hierdoor kan de materiaalsamenstelling nauwkeurig worden geëvalueerd en kan het materiaal, inclusief het type vulstof, duidelijk worden geïdentificeerd.