Giriş
Katmanlı üretim teknolojileri, özellikle filamentlerle 3D baskı, son yıllarda önemli ölçüde gelişmiştir ve prototipleme, tasarım, mimari, sanat ve el sanatları ve iç ve dış mekan kullanımı için fonksiyonel bileşenler gibi alanlarda giderek daha fazla kullanılmaktadır. Temel malzemeye (genellikle polilaktik asit (PLA)) ahşap lifleri veya metal tozu (örneğin paslanmaz çelik) gibi işlevsel dolgu maddelerinin eklendiği "dolgulu filamentler" özellikle ilgi çekicidir. Bu malzeme kombinasyonları, basılı nesnelerin görünümü, dokusu ve işlevselliği açısından yeni olanaklar sunuyor.
Ahşap dolgulu PLA filamentleri bileşenlere doğal bir yüzey kazandırır ve genellikle mobilya tasarımı, model yapımı veya sürdürülebilir ürün geliştirmede kullanılır. Öte yandan metal dolgulu PLA varyantları, daha yüksek ağırlığa, gelişmiş stabiliteye veya belirli bir estetiğe sahip nesnelerin, örneğin dekoratif unsurların veya daha yüksek sıcaklık direncine sahip işlevsel prototiplerin oluşturulmasını sağlar. Bu malzemeler, örneğin Alman Alet ve Malzeme Araştırma Birliği (FGW) tarafından, daha sürdürülebilir uygulama çözümleri oluşturmak amacıyla alet geliştirmeye yönelik demonstratör ve prototip yapımında kullanılmaktadır.
Şekil 1, ahşap ve metal ile doldurulmuş PLA filamentlerinin demonstratör ve prototip yapımı bağlamındaki uygulama örneklerini göstermektedir. Solda, doğal ve estetik açıdan hoş bir yüzeyin yanı sıra hoş bir his sunan ahşap dolgulu filamentten yapılmış bıçak ve alet sapları yer almaktadır. İkinci resimde, esnek mekanizmalara dayalı işlevsel bir sıkma pensesi gösterilmektedir - sürdürülebilir malzemelerle eklemeli üretim kullanılarak karmaşık hareket mekaniğinin uygulanmasına bir örnek. Sağda ise, bronz dolgulu filamentten yapılmış uygun somunlu bir vida görülüyor; bu vida, artan ağırlığı ve metalik görünümü sayesinde metal benzeri uygulamalar için açıklayıcı bir prototip görevi görüyor.
PLA bazlı filamentlerin önemli bir avantajı, biyolojik olarak parçalanabilir olmaları ve mısır nişastası veya şeker kamışı gibi yenilenebilir hammaddelerden nispeten çevre dostu bir şekilde üretilmeleridir.
Organik veya inorganik malzemelerle hedefe yönelik dolgu, yalnızca daha sürdürülebilir olmakla kalmayıp aynı zamanda ABS veya PETG gibi geleneksel (biyolojik olarak parçalanamayan) filamentlerin mekanik özelliklerine ve hava koşullarına dayanıklılığına uyan ve hatta bunları aşan PLA bileşiklerinin geliştirilmesini sağlarken, aynı zamanda karşılaştırılabilir veya hatta daha düşük üretim maliyetlerini korur.
Dolgulu PLA filamentlerinin zorlu uygulamalara uygunluğunu değerlendirmek için sadece mekanik bir karakterizasyon yeterli değildir. Özellikle sürdürülebilir malzemeler geliştirirken, termal dirençlerini ve termal Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma davranışlarını tam olarak anlamak çok önemlidir. Termogravimetrik analizin (TGA) değerli bilgiler sağladığı yer burasıdır.
Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak kütle kayıplarını hassas bir şekilde kaydederek, polimer taşıyıcının stabilitesi, dolgu maddelerinin varlığı ve miktarı ile termal bozunma süreçlerinin başlangıcı ve ilerlemesi hakkında sonuçlar çıkarılabilir. Evrimleşmiş gaz analizi ile birlikte - örneğin FT-IR ile - ortaya çıkan bozunma ürünleri de tanımlanabilir.
Bu çalışmada, ahşap ve paslanmaz çelik ile doldurulmuş ticari olarak mevcut iki PLA bazlı filament birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Ölçüm parametreleri tablo 1'de ayrıntılı olarak verilmiştir.
Tablo 1: Ölçüm Koşulları
| Enstrüman | TG 309 Libra®, harici gaz hücresi aracılığıyla Bruker Optics FT-IR INVENIO'ya bağlanmıştır |
|---|---|
| Sıcaklık programı | RT-850°C, N2 atmosferi, 850°C-1000°C, hava atmosferi |
| Isıtma oranı | 10 K/dak |
| Örnek kütle | 15 ila 20 mg |
| Pota | Al2O3, 85 μl, açık |
Sonuçlar ve Tartışma
Başlangıçta, iki başlangıç malzemesinin ATR FT-IR spektrumları kaydedilmiştir (Şekil 2). Her iki dolgulu PLA filamenti de PLA'nın mevcut veri tabanı spektrumu ile çok iyi bir uyum göstermiştir. Ancak, mevcut dolgu malzemesinin etkisi burada henüz tespit edilememiştir.
Şekil 3, iki dolgulu filament için TGA sonuçlarının bir karşılaştırmasını göstermektedir. Her iki filament de inert bir atmosferde 10 K/dak hızla 850°C'ye kadar ısıtılmıştır. Ahşap dolgulu filament 200°C'nin altında small %1,02'lik bir kütle kaybı göstermiştir ki bu muhtemelen ahşap içeriğindeki nemin salınmasından kaynaklanmaktadır. PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.Piroliz her iki numune için de 250°C'nin üzerinde gerçekleşmiştir. Burada, paslanmaz çelik dolgulu filament için %39,73'lük bir kütle kaybı tespit edilmiştir.
Ahşap dolgulu filament durumunda, polimer bileşenin pirolizi ahşap bileşenin pirolizi ile üst üste gelmiştir. Bu da toplamda %90,59'luk bir kütle kaybına yol açmıştır. Son olarak, 850°C'nin üzerinde, temizleme gazı olarak sentetik hava kullanılmıştır. Ahşap içeren numune, ortaya çıkan PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.piroliz kurumunun yandığını göstermiştir. Buna karşılık, paslanmaz çelik dolu numune, metal içeriğinin oksidasyonuna atfedilebilecek hafif bir kütle artışı göstermiştir. İki numunenin kalan kütleleri Kül İçeriğiKül, ağırlık bazında mineral oksit içeriğinin bir ölçüsüdür. Oksidatif bir atmosferde termogravimetrik analiz (TGA), polimerler, kauçuklar vb. gibi organik malzemelerdeki inorganik kalıntıyı, genellikle kül olarak adlandırılan, belirlemek için kanıtlanmış bir yöntemdir. Bu nedenle, TGA ölçümü bir malzemenin dolgulu olup olmadığını Identify ve toplam dolgu içeriğini hesaplar. kül içeriği olarak adlandırılır ve %1,70 (PLA+ahşap) ve %62,15 (PLA+paslanmaz çelik) olarak gerçekleşmiştir.
Numunelerin Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime aralıkları c-DTA® (hesaplanmış DTA) sinyalinden alınabilir. Bunlar 150°C civarındadır. Erime sıcaklığının üzerindeki ve Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma başlangıcının altındaki sıcaklık aralığı, 3D baskı için işlem sıcaklığı olarak kullanılabilir. Bununla birlikte, çok yüksek bir baskı sıcaklığı, polimer bozunmasının baskı işlemi sırasında başlamasına neden olabilir.
Evrimleşen gazları analiz etmek için, ısıtılmış bir transfer hattı kullanılarak Bruker FT-IR INVENIO'nun harici gaz ölçüm hücresine aktarıldılar. Elde edilen spektrumlar Şekil 4'te gösterilmektedir. Polimerin pirolizi, tek tek bileşenler tanımlanamasa bile her iki numune için de aynı özellikleri göstermektedir (mavi ve kırmızı spektrum). 1790 cm-1 'deki IR bandı, tipik olarak PLA'nın bozunma ürünlerinde meydana gelen bir karbonil fonksiyonunun salındığını gösterir. Muhtemelen, birçok madde aynı anda salınmaktadır.
Şekil 4'teki yeşil spektrum ahşap bileşenlerinin pirolizini göstermektedir. Karbonil fonksiyonlarına ek olarak, başka tepe noktaları ve omuzlar da görünür hale gelmektedir. Örneğin, biyokütle örneklerinin termal bozunması için tipik olan CH işlevleri veCO2 tespit edilmiştir. Buradan, ahşap dolgunun daha yüksek sıcaklıklarda ayrıştığı, sadece PLA bazının daha düşük sıcaklıklarda ayrıştığı çıkarılabilir.
Sonuç
TGA-FT-IR, dolgulu PLA filamentlerinin termal stabilitesi ve bileşimi hakkında kapsamlı bilgi elde etmek için kullanılabilir. Analiz, PLA matrisinin Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime aralığını ve termal ayrışmanın başlangıcını gösterir. Bu veriler Identify güvenli bir işleme penceresi için kullanılabilir. Ahşap gibi organik dolgu maddeleri PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.piroliz sırasında uçucu bileşikler ve PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.piroliz kurumu üretirken, metalik dolgu maddeleri dolgu maddesi içeriğini belirlemek için kullanılabilecek berrak bir kül kalıntısı bırakır.
Birleştirilmiş FT-IR gaz analizi, açığa çıkan Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma ürünlerinin tanımlanmasını sağlar. Bu, malzeme bileşiminin hassas bir şekilde değerlendirilmesine ve dolgu türü de dahil olmak üzere malzemenin net bir şekilde tanımlanmasına olanak tanır.