Porównanie części drukowanych 3D FDM z nanorurkami węglowymi, ciągłym włóknem węglowym i krótkim włóknem węglowym

Modelowanie osadzania topionego lub FDM, drukowanie 3D ma kilka zalet - można stosować termoplastyczne tworzywa, które są łatwe w obsłudze i są wytrzymałe i wystarczająco trwałe, aby można je było wykorzystać do produkcji prototypów i części praktycznych. Ponadto drukarki 3D FDM wykorzystują prosty mechanizm do topienia i wyciągania żywicy, która nie wymaga drogich części, takich jak lasery, co powoduje, że maszyny są tańsze. Ale technologia nie zawsze zapewnia wystarczającą wytrzymałość mechanicznych części.

Dlatego też często dodawane są dodatkowe materiały o dobrych właściwościach mechanicznych, takie jak nanorurki węglowe (CNT) i kompozyty wzmocnione włóknami, aby poprawić wytrzymałość; w zależności od długości włókno węglowe może być podzielone na włókna krótkie i ciągłe. Grupa naukowców z Doshisha University i Kyoraku Co., Ltd., zarówno w Japonii, ostatnio opublikowała badanie zatytułowane "Porównanie wytrzymałości obiektów drukarskich 3D przy użyciu włókien krótkich i ciągłych włókien długich", które porównało przydatność i wytrzymałość obiektów Druk 3D z krótkim włóknem węglowym, ciągłym włóknem węglowym i wielościenną nanorurką węglową (MWCNT).

Streszczenie brzmi: "W tym badaniu wykorzystano materiały kompozytowe w celu poprawy wytrzymałości obiektów drukowanych 3D FDM . Opracowano nanokompozyty wykonane z kwasu polimlekowego jako matrycy i wielościennej nanorurki węglowej jako wypełniacza, kompozytu wzmacnianego krótkim włóknem węglowym i ciągłego kompozytu wzmacnianego włóknami węglowymi, a następnie przeprowadzono próbę rozciągania. W rezultacie ciągły materiał zbrojony włóknami wykazywał wytrzymałość na rozciąganie około 7 razy i moduł sprężystości około 5 razy większy niż w przypadku pozostałych dwóch materiałów. Siła została znacznie poprawiona dzięki zastosowaniu ciągłego włókna. Powierzchnię złamania po teście obserwowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Wynik obserwacji pokazuje, że adhezja pomiędzy laminowanymi warstwami i związek między włóknem a matrycą są złe, a ich poprawa jest konieczna do zwiększenia wytrzymałości. Porównując te materiały, można w pewnym stopniu poprawić wytrzymałość, stosując krótkie włókno, utrzymując jednocześnie łatwość drukowania. Z drugiej strony, stosując ciągłe włókno, można uzyskać znaczną poprawę wytrzymałości, podczas gdy drukowanie było skomplikowane. "

Aby wykonać nanokompozyt PLA / MWCNT, naukowcy wykorzystali materiał polimlekowy jako matrycę, z MWCNT jako wypełniacz i utworzył materiał w filcu o średnicy 1,75 mm. Wykorzystano komercyjne ONYX, włókna węglowe i NYLONmateriały od Markforged do druku 3D części do badań rozciągania z ciągłego termoplastu wzmocnionego włóknami węglowymi (ciągły CFRTP) i krótkiego termoplastu wzmocnionego włóknami węglowymi (krótki CFRTP).

"Kształt próbki jest inny ze względu na ograniczenie przez wydajność drukarki 3D ", napisali naukowcy w artykule. "W przypadku PLA / MWCNT wybrano mniejszy, aby uniknąć zniekształceń i szybkiego drukowania. PLA / MWCNT ma trzy ściany zewnętrzne i wypełnia się na przemian pod kątem 45 stopni i -45 stopni. "

W przypadku ciągłego CFRTP, włókna węglowe zorientowane w kierunku obciążenia były drukowane w 3D na środku, podczas gdy na zewnątrz pokryty był czystą żywicą lub kompozytem o krótkim włóknie; ta ostatnia została użyta do wydrukowania 3D krótkiego CFRTP w taki sam sposób, w jaki kompozyt PLA był wykonany.

Naukowcy zakończyli próbę rozciągania na kawałkach i użyli skaningowego mikroskopu elektronowego do obserwacji obrazów powierzchnia pęknięcia próbki. Przyjrzeli się także ich stresowi i obciążeniu.

"W PLA / MWCNT stres wzrastał prawie liniowo aż do złamania" - wyjaśnił dokument. "Szczyt rozrywający wynosił około 1 ~ 2% i nie wystąpiła redukcja stresu. W porównaniu z czystym PLA, moduł sprężystości nie został znacznie ulepszony, ale wytrzymałość na rozciąganie poprawiono i zwiększono o 48%, gdy dodano 1% wag. MWCNT. W tym przypadku wytrzymałość na rozciąganie wynosiła 53 MPa, a moduł Younga 3 GPa. Do 1% wag. Wytrzymałość na rozciąganie poprawiono, gdy dodano więcej CNT, ale wytrzymałość zmniejszono, gdy dodano 3% wag. Jest tak dlatego, że agregacja MWCNT. Agregacje uważane są za wewnętrzne defekty materiału. "

Gdy dodano więcej MWCNT, wzrosła liczba agregatów. Naukowcy odkryli, że związek między włóknem a matrycą, a także przyczepność pomiędzy laminowanymi warstwami, nie był dobry - gdy są one poprawione, wytrzymałość wzrośnie. Znaczące polepszenie wytrzymałości można osiągnąć, stosując ciągłe włókno, ale proces drukowania 3D jest skomplikowany i konieczne jest użycie zmodyfikowanego sprzętu, takiego jak specjalna dysza. Ale krótkie włókno jest łatwiejsze do drukowania i nadal oferuje pewien stopień poprawy wytrzymałości.