Preparazione e caratterizzazione di poli (butilene succinato) / miscele di polylactide per la stampa con modellazione di deposizione fusa 

Tsinghua University indaga se le miscele di PLA e PBS sono adatte per la stampa 3D FDM
Un trio di ricercatori della  Tsinghua University di Pechino ha recentemente pubblicato un documento dal titolo ” Preparazione e caratterizzazione di poli (butilene succinato) / miscele di polylactide per la stampa con modellazione di deposizione fusa “, sulla preparazione di miscele di materiali di PLA e PBS con varie composizioni, quindi convalida se sono adatti all’uso come filamenti per la stampa 3D FDM.

L’abstract recita: “Per ottenere un nuovo tipo di materiale biodegradabile con elevata tenacità e resistenza utilizzate per la stampa con modellazione di deposizione fusa (FDM), una serie di materiali polimerici a base di poli (butilene succinato) (PBS) è stata preparata mediante miscelazione con polilattide ( PLA). Sono state caratterizzate le proprietà reologiche, termiche e meccaniche nonché le prestazioni di stampa FDM delle miscele, come la distorsione, la sezione trasversale e la resistenza del legame interstrato. I risultati mostrano che con l’aumento del contenuto di PLA, le miscele possiedono maggiore viscosità del fuso, maggiore resistenza alla trazione e modulo, che sono più adatte per la stampa FDM. Soprattutto, quando il contenuto di PLA è superiore al 40%, la distorsione dovuta allo stress residuo causato dal restringimento del volume scompare durante il processo di stampa e quindi si ottengono prodotti con una buona precisione dimensionale e lucentezza simile alla perla. I risultati dimostrano che le composizioni di miscela con viscosità moderata, basso grado di cristallinità e alto modulo sono più adatte per la stampa FDM. Rispetto al basso allungamento alla rottura del materiale stampato in commercio con FDM, i materiali in miscela PBS / PLA mostrano un tipico comportamento duttile con allungamento del 90-300%. Pertanto, oltre alla biodegradabilità, le miscele PBS / PLA presentano eccellenti proprietà meccaniche e idoneità come materiali per la stampa FDM. Inoltre, il nostro studio dovrebbe fornire metodi per valutare l’idoneità di un materiale polimerico termoplastico adatto alla stampa FDM o meno. ” I risultati dimostrano che le composizioni di miscela con viscosità moderata, basso grado di cristallinità e alto modulo sono più adatte per la stampa FDM. Rispetto al basso allungamento alla rottura del materiale stampato in commercio con FDM, i materiali in miscela PBS / PLA mostrano un tipico comportamento duttile con allungamento del 90-300%. Pertanto, oltre alla biodegradabilità, le miscele PBS / PLA presentano eccellenti proprietà meccaniche e idoneità come materiali per la stampa FDM. Inoltre, il nostro studio dovrebbe fornire metodi per valutare l’idoneità di un materiale polimerico termoplastico adatto alla stampa FDM o meno. ” I risultati dimostrano che le composizioni di miscela con viscosità moderata, basso grado di cristallinità e alto modulo sono più adatte per la stampa FDM. Rispetto al basso allungamento alla rottura del materiale stampato in commercio con FDM, i materiali in miscela PBS / PLA mostrano un tipico comportamento duttile con allungamento del 90-300%. Pertanto, oltre alla biodegradabilità, le miscele PBS / PLA presentano eccellenti proprietà meccaniche e idoneità come materiali per la stampa FDM. Inoltre, il nostro studio dovrebbe fornire metodi per valutare l’idoneità di un materiale polimerico termoplastico adatto alla stampa FDM o meno. ” Rispetto al basso allungamento alla rottura del materiale stampato in commercio con FDM, i materiali in miscela PBS / PLA mostrano un tipico comportamento duttile con allungamento del 90-300%. Pertanto, oltre alla biodegradabilità, le miscele PBS / PLA presentano eccellenti proprietà meccaniche e idoneità come materiali per la stampa FDM. Inoltre, il nostro studio dovrebbe fornire metodi per valutare l’idoneità di un materiale polimerico termoplastico adatto alla stampa FDM o meno. ” Rispetto al basso allungamento alla rottura del materiale stampato in commercio con FDM, i materiali in miscela PBS / PLA mostrano un tipico comportamento duttile con allungamento del 90-300%. Pertanto, oltre alla biodegradabilità, le miscele PBS / PLA presentano eccellenti proprietà meccaniche e idoneità come materiali per la stampa FDM. Inoltre, il nostro studio dovrebbe fornire metodi per valutare l’idoneità di un materiale polimerico termoplastico adatto alla stampa FDM o meno. ”
Aspetto delle barre di miscela PBS / PLA preparate dalla stampa 3D FDM.
Quando si parla di prototipazione, FDM è una delle tecnologie più ampiamente utilizzate e sono state condotte numerose ricerche sui materiali per la tecnologia . I ricercatori hanno lavorato sodo per sviluppare nuovi materiali polimerici per la stampa 3D FDM con un’elevata precisione dimensionale e buone proprietà meccaniche. Il PLA, che teoricamente può essere degradato solo in anidride carbonica e acqua in condizioni naturali, viene spesso utilizzato, ma sfortunatamente è un materiale fragile, che limita le sue applicazioni.

Il PBS, con grande stabilità termica, ha un punto di fusione leggermente basso e un’eccellente duttilità, il che lo renderebbe perfetto per la stampa 3D FDM. Ma non sono stati pubblicati molti studi sull’uso del materiale come filamento di stampa 3D.

“Una ragione è che la sua bassa forza di fusione rende difficile la formazione continua del monofilamento in fase di estrusione, il che rende la stampa a metà strada”, hanno spiegato i ricercatori. “Inoltre, la distorsione causata dal restringimento del volume relativamente grande durante il raffreddamento probabilmente avviene dopo la cristallizzazione, con il risultato di prodotti difettosi. Pertanto, la modifica di PBS è abbastanza necessaria per risolvere gli inconvenienti sopra menzionati e rendere il materiale adatto per la stampa FDM. ”
Miscelando i materiali, i vantaggi di questi due componenti possono essere combinati: ecco perché questo metodo di modifica viene usato così spesso per i materiali polimerici. C’è poca ricerca sull’uso delle miscele PBS nella stampa FDM 3D, quindi il team di ricerca Tsinghua ha intensificato.

“Le proprietà reologiche, termiche e meccaniche delle miscele sono state studiate e diversi campioni sono stati stampati con questi filamenti per valutare la loro idoneità per il sistema FDM”, hanno scritto i ricercatori. “È stata misurata anche la resistenza del legame tra strati intermedi nei prodotti stampati. Inoltre, ci aspettiamo di trovare una relazione tra le proprietà dei materiali e le prestazioni della stampa FDM in modo da fornire un riferimento per giudicare se un materiale polimerico termoplastico, non limitato a miscele polimeriche, è adatto per la stampa FDM o meno. ”
Campioni PBS40 / PLA60 stampati in verticale per testare la resistenza del legame tra strati.
Il team ha dapprima asciugato pellet PBS e PLA a 65 ° C per 12 ore in un forno sotto vuoto prima di lavorarli ed estrudere i granuli miscelati in filamenti per la stampa 3D FDM. Oltre a poche altre forme, come un coniglio, è stato stampato un modello cuboide per mostrare la distorsione, che può essere un ostacolo da superare in FDM.

È stata misurata la viscosità di taglio del fuso di miscela polimerica, insieme alle proprietà termiche, come le temperature di transizione vetrosa. I ricercatori hanno anche stampato a iniezione i granuli di polimero per creare barre a forma di manubrio e cuboide per prove di trazione e impatto, oltre a eseguire un’analisi termica su queste barre per “investigare l’effetto del processo di stampa FDM sul comportamento di cristallizzazione del PBS / Miscele di PLA. ”

“Tutte le miscele presentano eccellenti proprietà di lavorazione e possono essere estruse come monofilamenti con diametro di 1,75 mm tramite un estrusore monovite. Con l’aumento del contenuto di PBS, emergono l’allungamento a rottura e la forza di impatto delle miscele “, hanno spiegato i ricercatori. “Tuttavia, la distorsione delle barre stampate aumenta a causa di un maggiore volume di contrazione dovuto al più alto grado di cristallinità nelle miscele. Inoltre, la resistenza del legame interstrato migliora a causa della diminuzione della viscosità del fuso. Quando il contenuto di PLA nelle miscele non è inferiore al 40% in peso, la stampa FDM può procedere senza intoppi né distorsione osservabile né distacco dalla piattaforma a temperatura ambiente. ”
Il documento afferma inoltre che PBS60 / PLA40 e PBS40 / PLA60, in termini di forza di legame tra strati, tenacità del materiale e distorsione, sono le “composizioni di miscela ottimali” per l’uso nella stampa 3D FDM.

Immagini SEM di sezioni trasversali delle barre stampate con FDM.
“Pertanto, con lucentezza simile alla perla e buone proprietà meccaniche oltre all’accuratezza dimensionale, le miscele PBS / PLA a base biologica sono nuovi promettenti materiali per la produzione di filamenti FDM per applicazioni in molti campi, in particolare per la progettazione architettonica”, hanno concluso i ricercatori. “Inoltre, il nostro studio dovrebbe fornire metodi per valutare se un materiale polimerico termoplastico è adatto per la stampa FDM o meno.”
Co-autori del giornale sono Qing Ou-Yang, Baohua Guo e Jun Xu.

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