Nové hybridní kompozity za dveřmi | WPEng.cz

19.03.2021

Tým výzkumníků Slovenské akademie věd a Slovenské technické univerzity v Bratislavě vyvinul nové hybridní kompozitní polymery pro výrobu vláken na 3D tisk. Jak ovlivní mechanické vlastnosti obsah jednotlivých plniv? Je lepší použití jako matrici čistý nebo recyklovaný materiál? Vše podstatné se dozvíte v následujícím článku.

Řez hybridním PETG (AGF 5:5) s 5% expandovaného grafitu a 5% uhlíkového vlákna. Zobrazeno pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM)
Řez hybridním PETG (AGF 5:5) s 5% expandovaného grafitu a 5% uhlíkového vlákna. Zobrazeno pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM)

Obrázek zdroj: Novel Hybrid PETG Composites for 3D Printing (odkaz)

Neplněné materiály

Nejpoužívanější neplněné termoplastické materiály pro 3D tiskárny typu FFF (fused filament fabrication) jsou především ABS a PLA. Další komerčně dostupné termoplastické materiály jsou ASA, PA (polyamid), PC (polykarbonát), PPS, PEI, TPU, PET, TPE (termoplastický elastomer), HIPS (rázově odolný polystyren), PVA, PEEK a jiné.

Pro zlepšení pevnosti, vzhledu, vodivosti nebo teplotní odolnosti se do polymerů přidávají různá plniva. Dnes takto vzniklé kompozitní materiály stále více rozšiřují možnosti 3D tisku a jeho aplikaci. Díky tomu získávají na stále větší oblibě a bude tomu tak i v budoucnu (více zde).


Složení nového kompozitu

Ve výzkumu posloužil jako základní materiál (matrice) pro výrobu kompozitu PETG. Ten vznikl jako kopolymer modifikovaný glykolem z původního PET. Důvodem modifikace bylo omezení hranice krystalizace. Mechanické vlastnosti nového kopolymeru PETG jsou blízké původnímu PET. Zlepšení nastalo v pevnosti v tahu. Materiál je průhledný, pružný, velmi dobře zpracovatelný a vyniká chemickou odolností.

Další složkou kompozitu je plnivo. K tomu posloužil expandovaný grafit (EG) a uhlíková vlákna (CF). Plniva se kombinovala v různém poměru až do celkového obsahu 10%.

Hlavním cílem bylo využít tento materiál pro výrobu vlákna do 3D tiskárny typu (FFF) a v dalším kroku nahradit čistý PETG recyklovanou variantou bez ztráty mechanických vlastností, ale s nižší cenou materiálu.


Příprava vzorků

Celkem bylo připraveno 23 vzorků. 19 z čistého PETG (označení A), 4 z recyklovaného PETG (označení B). Dva vzorky A a B, byly bez plniva jako referenční. Pokud vzorek obsahoval expandovaný grafit, označuje se G, pokud uhlíkové vlákno, nese označení F. Kombinace obou je GF.


Výsledky měření

Čistý PETG (A) a recyklovaný PETG (B)

Tabulka zdroj: Novel Hybrid PETG Composites for 3D Printing (odkaz

Z tabulky 3 je patrné, že oba materiály mají velmi blízké mechanické vlastnosti vzhledem k odchylce měření. Čistý PETG je pružnější při odečtení hodnot meze kluzu a relativního prodloužení.

Čistý PETG (A) + expadovaný grafit (G)

Mechanické vlastnosti z tahové zkoušky daného kompozitu jsou zobrazeny v tabulce 4.

Tabulka zdroj: Novel Hybrid PETG Composites for 3D Printing (odkaz)  

 Je patrné, že s rostoucím obsahem expandovaného grafitu se zvyšuje modul pružnosti E. Materiál je tužší. Avšak nad vyšší koncentrace než 5%, výrazně klesá mez kluzu a relativní prodloužení při porušení vzorku. Je to dáno slabou adhezí na rozhraní polymerních řetězců a plnivem, kde převažují smykové síly. S rostoucím obsahem expandovaného grafitu se zvyšuje hustota, tedy hmotnost samotného výtisku.


Čistý PETG (A) + uhlíkové vlákno (F)

Mechanické vlastnosti z tahové zkoušky daného kompozitu jsou zobrazeny v tabulce 7.

Tabulka zdroj: Novel Hybrid PETG Composites for 3D Printing (odkaz)  

 Uhlíková vlákna (F) byla nasekána na délku 2 mm, koncetrace až 20 %. Došlo k výraznému zlepšení mechanických vlastností a to i ve srovnání s expandovaným grafitem (EG). Při 10% koncentraci vláken došlo ke zlepšení modulu pružnosti E o 30% ve srovnání s EG. Vzorek s 20% koncentrací vlákna zvýšil E o 124% vůči čistému PETG. Došlo k posunu meze kluzu a snížení relativního prodloužení. Hodnoty napětí při porušení vzorku jsou 2x vyšší než u EG.

Vzorek s 20% koncentrací uhlíkového vlákna zvýšil modul pružnosti E o 124 % vůči čistému PETG. 

Další kladem zvyšování koncentrace uhlíkového vlákna je snížení teplotní roztažnosti. Smrštění je až 2x nižší ve srovnání s čistým PETG. Tato vlastnost je obzvlášť přínosná pro rozměrovou stabilitu velkoobjemových dílů vyrobených na 3D tiskárně. Opomenout nesmíme snížení hustotu kompozitu s rostoucím poměrem CF, čili úsporu hmotnosti u výtisku.

Očekávané výsledky nastaly u hybridního kompozitu kombinujícího čistý PETG s oběma plnivy v daných poměrech až do 10% celkového obsahu. Mechanické vlastnosti byly vždy lepší než u čistého PETG.


Recyklovaný PETG (B) v kombinaci s plnivy

Jelikož cena vlákna pro výrobu 3D tištěných komponent je jedním z rozhodujících parametrů, rozhodli se vědci nahradit čistý PETG recyklovanou variantou. Její cena je 10x nižší. Použití recyklovaného materiálu je důležitou součástí cirkulární ekonomiky, která je v rámci průmyslu na vzestupu.

Tabulka zdroj: Novel Hybrid PETG Composites for 3D Printing (odkaz)  

Získané mechanické vlastnosti jsou zobrazeny v tabulce 13. Z výsledků je patrné, že hodnoty modulu pružnosti E, ani meze kluzu se výrazně neodlišují od kompozitů založených na čistém PETG.

Použití recyklovaného materiálu je důležitou součástí cirkulární ekonomiky 

Závěrem lze říci, že všechny vyrobené kompozitní materiály mají vyšší hodnoty meze pružnosti E než čistý PETG bez plniv. Přidáním expandovaného grafitu zlepšilo mechanické vlastnosti a zvýšilo hustotu. Ke zlepšení mechanických vlastností došlo i při použití uhlíkového vlákna, nebo kombinací obou plniv.

Uhlíkové vlákno významně snižuje koeficient teplotní roztažnosti. Nahrazením čistého PETG recyklovaným nezhoršilo mechanické vlastnosti, ale významně snížilo cenu.

Hybridní kompozity přinesly zlepšení z ekonomického pohledu (levnější recyklovaný PETG, nižší opotřebení trysky při použití expandovaného uhlíku), tak i z hlediska ochrany životního prostředí (recyklovaný materiál, snížení obsahu uměle vyrobených uhlíkových vláken použitím expandovaného uhlíku). Expandovaný uhlík se v přírodě vyskytuje přirozeně na rozdíl od vláken, která se obtížně recyklují.


Veškeré detaily z této studie můžete nalézt zde: Novel Hybrid PETG Composites for 3D Printing