Confronto tra componenti stampate in 3d FDM con nanotubi di carbonio, fibra di carbonio continua e fibra di carbonio corta  

La modellazione di deposizione fusa, o FDM, la stampa 3D presenta numerosi vantaggi: i termoplastici possono essere utilizzati, sono facili da maneggiare e sono abbastanza resistenti e durevoli da essere utilizzati per produrre sia prototipi che parti pratiche. Inoltre, le stampanti FDM 3D utilizzano un semplice meccanismo per fondere ed estrudere la resina che non richiede parti costose, come i laser, il che rende le macchine meno costose. Ma la tecnologia non fornisce sempre abbastanza forza per le parti meccaniche.

Ecco perché spesso vengono aggiunti materiali aggiuntivi con buone proprietà meccaniche, come  i nanotubi di carbonio (CNT) e i materiali compositi rinforzati con fibre , per migliorare la resistenza; a seconda della lunghezza, la fibra di carbonio può anche essere suddivisa in fibre corte e continue. Un gruppo di ricercatori della Doshisha University e della  Kyoraku Co., Ltd. , entrambi in Giappone, hanno recentemente pubblicato uno studio, dal titolo ” Confronto della forza degli oggetti di stampa 3D usando fibre corte e fibre lunghe continue “, che ha confrontato l’utilità e la forza degli oggetti Stampato in 3D con fibra di carbonio corta, fibra di carbonio continua e nanotubo di carbonio a parete multipla (MWCNT).

L’abstract dice: “In questa ricerca, sono stati usati materiali compositi per migliorare la forza degli oggetti stampati FDM 3D. I nanocompositi fatti da acido polilattico come matrice e nanotubo di carbonio a parete multipla come riempitivo, composito rinforzato con fibre di carbonio corte e composito rinforzato con fibre di carbonio continue sono stati preparati e sono stati eseguiti test di trazione. Come risultato, il materiale rinforzato con fibre continue ha mostrato resistenza alla trazione di circa 7 volte e modulo elastico circa 5 volte quello degli altri due materiali. La forza è stata notevolmente migliorata utilizzando la fibra continua. La superficie della frattura dopo il test è stata osservata utilizzando un microscopio elettronico a scansione. Il risultato dell’osservazione mostra che l’adesione tra gli strati laminati e la relazione tra la fibra e la matrice sono cattive, e migliorando questi sono necessari per aumentare la forza. Confrontando questi materiali, è possibile migliorare la resistenza in una certa misura utilizzando fibre corte pur mantenendo la facilità di stampa. D’altro canto, usando la fibra continua si può ottenere un notevole miglioramento della forza mentre la stampa è complicata. ”

Per realizzare il loro nanocomposito PLA / MWCNT, i ricercatori hanno utilizzato il materiale polilattico come matrice, con MWCNT come riempitivo e formato il materiale in un filamento di 1,75 mm. Hanno utilizzato materiali commerciali ONYX, fibra di carbonio e NYLON da Markforged a test di trazione per stampa 3D di materiali termoplastici rinforzati con fibra di carbonio continua (CFRTP continuo) e materiale termoplastico rinforzato con fibre corte in carbonio (CFRTP corto).

“La forma del campione è diversa a causa della limitazione delle prestazioni della stampante 3D”, hanno scritto i ricercatori nel documento. “Per PLA / MWCNT, è stato scelto uno più piccolo per evitare deformazioni e stampare rapidamente. Il PLA / MWCNT ha tre pareti esterne e si riempie alternativamente a 45 gradi e -45 gradi. ”
Per il CFRTP continuo, le fibre di carbonio orientate nella direzione del carico sono state stampate in 3D al centro, mentre l’esterno è stato coperto con resina pulita o composito rinforzato con fibre corte; quest’ultimo è stato utilizzato per stampare in 3D il CFRTP corto nello stesso modo in cui il composito PLA era stato fabbricato.

I ricercatori hanno completato un test di trazione sui pezzi e hanno utilizzato un microscopio elettronico a scansione per osservare le immagini della superficie di frattura del campione. Hanno anche guardato il loro stress e tensione.

“In PLA / MWCNT, lo stress è aumentato quasi in modo lineare fino alla frattura”, ha spiegato il documento. “Lo sforzo di rottura era di circa 1 ~ 2% e non si verificava alcuna riduzione dello stress. Rispetto al PLA pulito, il modulo elastico non è stato notevolmente migliorato, ma la resistenza alla trazione è stata migliorata e aumentata del 48% quando è stato aggiunto l’1% in peso di MWCNT. In quel caso, la resistenza alla trazione era di 53 MPa e il modulo di Young era di 3 GPa. Fino all’1% in peso, la resistenza a trazione è stata migliorata con l’aggiunta di più CNT, ma la resistenza è stata ridotta quando è stato aggiunto il 3% in peso. È perché l’aggregazione di MWCNT. Le aggregazioni sono considerate come difetti interni del materiale. ”

Quando è stato aggiunto più MWCNT, il numero di aggregati è aumentato. I ricercatori hanno scoperto che la relazione tra la fibra e la matrice, insieme con l’adesione tra gli strati laminati, non era buona – quando questi sono migliorati, la forza aumenterà. È possibile ottenere miglioramenti significativi della resistenza utilizzando la fibra continua, ma il processo di stampa 3D è complicato ed è necessario utilizzare attrezzature modificate, ad esempio un ugello speciale. Ma la fibra corta è più facile da stampare e offre ancora un certo grado di resistenza migliorata.

“Il corto CFRTP e PLA / MWCNT sono inferiori nelle proprietà meccaniche rispetto al continuo. Ma possono essere stampati con stampanti 3D convenzionali senza modifiche speciali “, hanno spiegato i ricercatori. “Soprattutto i nanocompositi dimostrano il suo effetto aggiungendo una piccola quantità. La concentrazione di fibre in massa era pari al 35,7% in peso per CFRTP continuo e 14,3% in peso per CFRTP corto, ma MWCNT era pari o inferiore al 3% in peso. Generalmente, minore è la quantità di rinforzo, più facile da stampare. Infatti il ​​nanocomposito PLA / MWCNT può essere stampato con una stampante 3D disponibile in commercio senza modifiche speciali in questo studio. La fibra continua e il materiale a fibre corte dovrebbero avere pregi e demeriti e dovrebbero essere usati correttamente. ”
Il campione rotto (CFRTP continuo)
Co-autori del documento sono T. Isobe ,  T. Tanaka ,  T. Nomura  e  R. Yuasa.

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