اثر اکستروژن و روش های چاپ سه بعدی بر ویژگی های مورفولوژی کامپوزیت زیستی برای چاپ صندلی

بیان مساله و اهداف: نگرانی های رو به افزایش درباره آلودگی های پلاستیکی، توجه به پلیمرهای زیستی مانند پلی لاکتیک اسید (PLA) را به دلیل زیست تخریب پذیری و قابلیت فرآیندپذیری افزایش داده است. با این حال، شکنندگی PLA محدودیت هایی در کاربردهای سازه ای ایجاد می کند. تقویت کننده های طبیعی مانند آرد چوب (WF) و میکرو بلور سلولز (MCC) می توانند خواص مکانیکی PLA را بهبود دهند، اما پراکنش یکنواخت آن ها و انسجام فازها به روش اکستروژن و نوع چاپ سه بعدی وابسته است. این مطالعه اثر تکرار فرآیند اکستروژن و مقایسه دو روش چاپ سه بعدی فیلامنت ذوب شده (FFF) و گرانول ذوب شده(FGF) بر ویژگی های مورفولوژی و ساختاری کامپوزیت های زیستی PLA-WF-MCC را بررسی می کند تا بهینه ترین شرایط تولید برای کاربردهای سازه ای مانند چاپ صندلی تعیین شود.مواد و روش ها: در این تحقیق، برای تولید کامپوزیت های زیستی از گرانول های PLAبه عنوان ماتریس اصلی، MCC به عنوان فاز تقویت کننده و WF به عنوان پرکننده استفاده شد. ترکیب PLA-WF-MCC جهت ساخت کامپوزیت از اکسترودر دو مارپیچه یک مرحله ای و دو مرحله ای عبور داده شدند. کامپوزیت های زیستی پس از فرآیند اکستروژن به چهار روش مختلف تقسیم شدند، تا اثرات تکرار فرآیند اکستروژن و روش های چاپ سه بعدی بر ویژگی های مورفولوژی آن ها بررسی شود. روش های چاپ سه بعدی شامل فیلامنت ذوب شده (FFF) و گرانول ذوب شده (FGF) برای ساخت نمونه های سه بعدی مورد استفاده قرار گرفتند. کلیه پارامترهای تنظیمی در دو روش چاپ سه بعدی شامل دمای ۲۱۰ درجه سانتی گراد برای فیلامنت و گرانول، ۶۰ درجه سانتی گراد برای بستر چاپ، سرعت چاپ ۴۰ میلی متر بر ثانیه، ضخامت لایه ۲/۰ میلی متر و تراکم پرکننده ۱۰۰ درصد بود. به منظور بررسی چسبندگی بین فازها، پراکندگی ذرات، ریزساختار، میزان تخلخل و کیفیت ساختاری، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از نمونه های اکسترودشده و چاپ شده تهیه و مورد تحلیل قرار گرفت. این تصاویر در بزرگ نمایی های مختلف ثبت شده و برای تحلیل و مقایسه ی ویژگی های مورفولوژیکی و تراکم ساختاری مورد استفاده قرار گرفتند.نتایج: نتایج بررسی تصاویر SEMنشان داد که در نمونه های یکبار اکسترود شده، پراکندگی یکنواخت و همگن MCC در ماتریس PLA مشاهده شد و چسبندگی بین فازها به خوبی برقرار بود. همچنین، در این نمونه ها هیچ مرز مشخصی بین ماتریس پلیمری و MCC مشاهده نشد، که نشان دهنده اختلاط خوب و همگن مواد است. در مقابل، نمونه های دوبار اکسترود شده دچار جدایش بین فازی و ایجاد حفرات ریز در نواحی مرزی فازها شدند. این تفاوت ها به دلیل حساسیت حرارتی بالای PLA و تخریب جزئی آن در فرآیند اکستروژن دو مرحله ای بود که موجب کاهش کیفیت ساختاری و ایجاد تخلخل در نمونه ها گردید. این نتایج نشان می دهند که در کامپوزیت های زیستی، تعداد مراحل فرآیند اکستروژن نقش مهمی در حفظ تعادل بین اختلاط مناسب و سلامت ساختاری ایفا می کند. در فرآیند چاپ سه بعدی، نمونه های یکبار اکسترود شده به دلیل پراکندگی یکنواخت و ویژگی های مورفولوژی بهتر، برای چاپ انتخاب شدند. در میان دو روش چاپ، نمونه های ساخته شده به روش گرانولی از ویژگی های مورفولوژی بهتری برخوردار بودند و تخلخل کمتری نسبت به نمونه های فیلامنتی نشان دادند. در این روش، به دلیل کاهش تنش های حرارتی و بهبود پیوند لایه ها، ساختار متراکم تری حاصل شد که مناسب تر برای چاپ صندلی است. در نهایت، صندلی با موفقیت به وسیله ی روش گرانولی چاپ شد.نتیجه گیری: بر اساس نتایج این تحقیق، نمونه های یک بار اکسترود شده دارای پراکندگی یکنواخت MCC در ماتریس PLA بودند که باعث بهبود چسبندگی بین فازی و انسجام ساختاری شد. در کامپوزیت های زیستی PLA/WF/MCC، فرآیند اکستروژن دوبار باعث جدایش بین فازی و حفرات شد که به حساسیت حرارتی بالای PLA مربوط است. این نتایج نشان می دهند انتخاب سطح بهینه اکستروژن برای حفظ تعادل بین اختلاط و پایداری ساختاری ضروری است. همچنین، در فرآیند چاپ سه بعدی، نمونه های یک بار اکسترود شده با ویژگی های ریزساختار مطلوب برای روش های فیلامنتی و گرانولی انتخاب شدند. در روش گرانولی، حفرات کمتری در مقایسه با روش فیلامنتی مشاهده شد و ساختار متراکم تری برای چاپ سه بعدی فراهم شد که موجب بهبود کیفیت ساختاری قطعات شد. روش گرانولی به دلیل مزایای کاهش تنش های حرارتی، بهبود توزیع یکنواخت مواد و کاهش حفرات، به عنوان روش مناسب تری برای چاپ صندلی انتخاب گردید.

کلیدواژه ها:

پلی لاکتیک اسید ، میکرو بلور سلولز ، فرآیند اکستروژن ، چاپ سه بعدی فیلامنتی و گرانولی ، چاپ صندلی