Σύνθετα πολυμερικά και βιοϋλικά για τριδιάστατη εκτύπωση (3D printing) - Παρασκευούδης, Κωνσταντίνος-Ιωάννης (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ), 2017)
Στην παρούσα διπλωματική εργασία, έγινε μελέτη της επίδρασης των παραμέτρων της τριδιάστατης εκτύπωσης στις μηχανικές ιδιότητες τριδιάστατα εκτυπωμένων αντικειμένων. Η έλλειψη βιβλιογραφίας και πρότυπων πειραμάτων γύρω από τις μηχανικές ιδιότητες και τον τρόπο που αυτές επηρεάζονται από τις αλλαγές στις τιμές σημαντικών παραμέτρων, αποτέλεσε ουσιαστικά το κίνητρο για την εκπόνηση της Εργασίας αυτής. Για το σκοπό αυτό, διερευνήθηκε πειραματικά η μηχανική συμπεριφορά τριδιάστατα εκτυπωμένων αντικειμένων για δύο διαφορετικές παραμέτρους εκτύπωσης και για δύο διαφορετικά υλικά, το πολυγαλακτικό οξύ (PLA) και το CarbonfilTM. Συγκεκριμένα, εκτυπώθηκαν για κάθε υλικό 9 δοκίμια κατά το πρότυπο ASTM D_638 Type I για όλους του πιθανούς συνδυασμούς 3 διαφορετικών επιπέδων (levels) και 2 διαφορετικών παραμέτρων (factors). Οι παράμετροι που εξετάστηκαν είναι το ποσοστό πλήρωσης του υλικού (infill %) και η γωνία προσανατολισμού-εκτύπωσης (infill angle). Για το ποσοστό πλήρωσης του υλικού μελετήθηκαν οι τιμές 50%, 75% και 100%, ενώ για τη γωνία προσανατολισμού οι τιμές 450, 750 και 900. Αρχικά, έγινε μία εισαγωγή στις διάφορες έννοιες της τριδιάστατης εκτύπωσης και αναλύθηκαν όλες οι παράμετροι της τριδιάστατης εκτύπωσης που μεταβάλλουν τη μηχανική συμπεριφορά του εκτυπωμένου αντικειμένου. Έπειτα, κατασκευάστηκαν τα δοκίμια με τη χρήση του τριδιάστατου εκτυπωτή Zmorph personal fabricator 2.0 και συζητήθηκαν τα βήματα της εκτύπωσης. Τα δοκίμια που εκτυπώθηκαν εξετάστηκαν αρχικώς ως προς δομικές ατέλειες στο Οπτικό Μικροσκόπιο. Στη συνέχεια έγινε δοκιμή εφελκυσμού (Tensile Test) για κάθε δοκίμιο και από τα δεδομένα που προέκυψαν, υπολογίστηκαν η μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό (Ultimate Tensile Strength), η μέγιστη επιμήκυνση (Max elongation), το όριο διαρροής (Yield strength), μέτρο ελαστικότητας (Young’s Modulus) και η αντοχή σε θραύση (Stress at Fracture). Σχεδιάστηκαν και συζητήθηκαν τα διαγράμματα τάσης-παραμόρφωσης (stress strain curves). Έπειτα έγινε μελέτη του μηχανισμού της θραύσης των δοκιμίων με τη χρήση του Οπτικού Μικροσκοπίου και του Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM). Τέλος, έγινε ανάλυση των αποτελεσμάτων και συζήτηση αυτών. Συγκρίθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες των εκτυπωμένων δοκιμίων για διαφορετικές τιμές παραμέτρων στο ίδιο υλικό αλλά και για διαφορετικά υλικά. Επιπλέον, εξήχθησαν συμπεράσματα σχετικά με την επιρροή των εξεταζόμενων παραμέτρων στις μηχανικές ιδιότητες. Παρόλο που σκοπός της παρούσης εργασίας είναι η πρόβλεψη και η διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων τριδιάστατα εκτυπωμένων δοκιμίων συναρτήσει δύο συγκεκριμένων μεταβλητών της τριδιάστατης εκτύπωσης, τα συμπεράσματα τα οποία εξήχθησαν δεν αφορούν μόνο τις μηχανικές ιδιότητες. Επιπρόσθετα, καταλήξαμε και σε πιο γενικά -αλλά ταυτόχρονα χρήσιμα- συμπεράσματα σχετικά με την ομοιογένεια του τελικού υλικού, το κόστος εκτύπωσης, το μηχανισμό θραύσης κλπ. συναρτήσει πάντα των εξεταζόμενων μεταβλητών. Το ποσοστό πλήρωσης (Infill %) παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στις μηχανικές ιδιότητες και τις επηρεάζει πολύ πιο άμεσα σε σχέση με τη γωνία εκτύπωσης (Infill Angle). Ακριβώς το ίδιο ισχύει και για τις περισσότερες άλλες ιδιότητες των δοκιμίων, οι οποίες βέβαια δεν έχουν άμεση σχέση με τις μηχανικές ιδιότητες αλλά είναι σημαντικό να αναφερθούν. Έτσι για το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκαν διαγράμματα «Radar Charts», τα οποία απεικονίζουν τις διαφορές μεταξύ των τιμών σε συγκεκριμένες ιδιότητες για το ίδιο υλικό, το ίδιο ποσοστό πλήρωσης αλλά για διαφορετική γωνία εκτύπωσης. Τα διαγράμματα αυτά βοήθησαν σημαντικά στην εξαγωγή των παρακάτω γενικών συμπερασμάτων και για τα δύο υλικά: • Ο χρόνος εκτύπωσης μειώνεται σημαντικά (από 10 έως 50 λεπτά) για διαφορετικό ποσοστό πλήρωσης. Όσο πιο πολύ αυξήσουμε το ποσοστό πλήρωσης, τόσο πιο χρονοβόρα θα είναι η εκτύπωση. • Αντίθετα, η γωνία εκτύπωσης φαίνεται να μην επηρεάζει καθόλου το χρόνο εκτύπωσης για σταθερό ποσοστό πλήρωσης. • Το κόστος της εκτύπωσης αυξάνεται σημαντικά με την αύξηση του ποσοστού πλήρωσης. Χαρακτηριστικά, για σταθερή γωνία εκτύπωσης, το μήκος του νήματος υλικού που απαιτείται για την εκτύπωση ενός δοκιμίου με ποσοστό πλήρωσης 100% είναι μεγαλύτερο κατά 150% συγκριτικά με το μήκος που απαιτείται για την εκτύπωση ενός δοκιμίου με ποσοστό πλήρωσης 50%.Εύκολα συμπεραίνουμε πως σε πιο μεγάλη κλίμακα εκτυπώσεων (βιομηχανική π.χ.), το ποσοστό πλήρωσης παίζει σημαντικό παράγοντα κόστους που πρέπει να μελετάται. • Αντίθετα, η γωνία εκτύπωσης επηρεάζει ελάχιστα έως και καθόλου το κόστος της εκτύπωσης, καθώς το μήκος νήματος που απαιτείται για δύο εκτυπώσεις δοκιμίων ίδιου ποσοστού πλήρωσης αλλά διαφορετικής γωνίας εκτύπωσης είναι σχεδόν το ίδιο. • Η απόκλιση των διαστάσεων του τελικού εκτυπωμένου δοκιμίου από τις διαστάσεις του αρχείου CAD είναι σχετικά μικρή έως και αμελητέα για σχεδόν όλες τις εκτυπώσεις που πραγματοποιήθηκαν. Παρόλ’ αυτά όμως, παρατηρήθηκε πως για πιο «περίπλοκες» γωνίες εκτύπωσης, υπήρχε ελαφρώς μεγαλύτερη απόκλιση στις διαστάσεις. Έτσι, τα δοκίμια που είχαν γωνία εκτύπωσης 45 ή 75ο είχαν μεγαλύτερη απόκλιση στις διαστάσεις τους από αυτές των αντίστοιχων αρχείων CAD. Αντίθετα, για γωνία εκτύπωσης 0ο, παρατηρήθηκε σε όλα τα δοκίμια σχεδόν μηδενική απόκλιση. • Η ομοιογένεια του δοκιμίου φαίνεται να μην επηρεάζεται σχεδόν καθόλου από τη γωνία εκτύπωσης, αλλά εξαρτάται σημαντικά από το ποσοστό πλήρωσης. Όσο πιο μεγάλη είναι η τιμή του ποσοστού πλήρωσης, τόσο πιο συμπαγές και ομοιογενές είναι το δοκίμιο. Χαρακτηριστικά, το δοκίμιο για το υλικό PLA με γωνία εκτύπωσης 45ο και ποσοστό πλήρωσης 100% είναι πολύ πιο ομοιογενές σαν αντικείμενο συγκριτικά με το δοκίμιο PLA με την ίδια γωνία εκτύπωσης αλλά με ποσοστό πλήρωσης 50%. • Παράλληλα, με την αύξηση της γωνίας εκτύπωσης, παρατηρήθηκε μέσω της οπτικής μικροσκοπίας αύξηση ανεπιθύμητων φαινομένων, όπως π.χ. το «cobwebbing» ή το «warpage», που σχετίζονται με τη διακύμανση της ογκομετρικής παροχής και την δημιουργία παραμενουσών τάσεων λόγω ανομοιόμορφης ψύξης του υλικού. Μπορούμε δηλαδή να συμπεράνουμε, πως για πιο «περίπλοκες» γωνίες εκτύπωσης παρουσιάζονται περισσότερα ανεπιθύμητα φαινόμενα της τριδιάστατης εκτύπωσης. • Το ποσοστό πλήρωσης φαίνεται να επηρεάζει την εμφάνιση τέτοιων φαινομένων. Για μεγάλες τιμές της παραμέτρου αυτής, έχουμε εντονότερη εμφάνιση σκέβρωσης και ιστών. • Όσον αφορά τη θραύση, τα δοκίμια από CarbonfilTM παρουσίασαν ιδιαίτερα ανομοιόμορφη επιφάνεια θραύσης σε σχέση με τα δοκίμια από PLA. • Οι εξεταζόμενες μεταβλητές δε φαίνεται να επηρεάζουν τους μηχανισμούς θραύσης σε μικροσκοπικό επίπεδο, καθορίζουν όμως τη μακροσκοπική μηχανική συμπεριφορά. Τα συμπεράσματα της παρούσης Εργασίας αποτελούν παρακαταθήκη για επόμενους ερευνητές που θέλουν να ασχοληθούν με τη Μηχανική της τριδιάστατης εκτύπωσης. Τα αποτελέσματα και τα δεδομένα μπορούν να αξιοποιηθούν για περαιτέρω διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς τριδιάστατα εκτυπωμένων αντικειμένων, μιας και πρόκειται για μία καινούρια τεχνολογία με ακόμη πολύ μικρή βιβλιογραφία. Περαιτέρω παράμετροι μπορούν να εξεταστούν σύμφωνα με τις πρότυπες διαδικασίες που ακολουθήθηκαν εδώ.