مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

اثر اکستروژن و روش‌های چاپ سه‌بعدی بر ویژگی‌های مورفولوژی کامپوزیت زیستی برای چاپ صندلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران.
2 گروه پلاستیک، پژوهشکده فرآیند، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، تهران، ایران.
10.22034/ijwp.2026.2082268.1756
چکیده
بیان مساله و اهداف: نگرانی‌های رو به افزایش درباره آلودگی‌های پلاستیکی، توجه به پلیمرهای زیستی مانند پلی لاکتیک اسید (PLA) را به دلیل زیست‌تخریب‌پذیری و قابلیت فرآیندپذیری افزایش داده است. با این حال، شکنندگی PLA محدودیت‌هایی در کاربردهای سازه‌ای ایجاد می‌کند. تقویت‌کننده‌های طبیعی مانند آرد چوب (WF) و میکرو بلور سلولز (MCC) می‌توانند خواص مکانیکی PLA را بهبود دهند، اما پراکنش یکنواخت آن‌ها و انسجام فازها به روش اکستروژن و نوع چاپ سه‌بعدی وابسته است. این مطالعه اثر تکرار فرآیند اکستروژن و مقایسه دو روش چاپ سه‌بعدی فیلامنت ذوب شده (FFF) و گرانول ذوب شده(FGF) بر ویژگی‌های مورفولوژی و ساختاری کامپوزیت‌های زیستی PLA-WF-MCC را بررسی می‌کند تا بهینه‌ترین شرایط تولید برای کاربردهای سازه‌ای مانند چاپ صندلی تعیین شود.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق، برای تولید کامپوزیت‌های زیستی از گرانول‌های PLAبه‌عنوان ماتریس اصلی، MCC به‌عنوان فاز تقویت‌کننده و WF به‌عنوان پرکننده استفاده شد. ترکیب PLA-WF-MCC جهت ساخت کامپوزیت از اکسترودر دو مارپیچه یک مرحله‌ای و دو مرحله‌ای عبور داده شدند. کامپوزیت‌های زیستی پس از فرآیند اکستروژن به چهار روش مختلف تقسیم شدند، تا اثرات تکرار فرآیند اکستروژن و روش‌های چاپ سه‌بعدی بر ویژگی‌های مورفولوژی آن‌ها بررسی شود. روش‌های چاپ سه‌بعدی شامل فیلامنت ذوب‌شده (FFF) و گرانول ذوب‌شده (FGF) برای ساخت نمونه‌های سه‌بعدی مورد استفاده قرار گرفتند. کلیه پارامترهای تنظیمی در دو روش چاپ سه‌بعدی شامل دمای ۲۱۰ درجه سانتی‌گراد برای فیلامنت و گرانول، ۶۰ درجه سانتی‌گراد برای بستر چاپ، سرعت چاپ ۴۰ میلی‌متر بر ثانیه، ضخامت لایه 2/0 میلی‌متر و تراکم پرکننده 100 درصد بود. به‌منظور بررسی چسبندگی بین‌فازها، پراکندگی ذرات، ریزساختار، میزان تخلخل و کیفیت ساختاری، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از نمونه‌های اکسترودشده و چاپ‌شده تهیه و مورد تحلیل قرار گرفت. این تصاویر در بزرگ‌نمایی‌‌های مختلف ثبت شده و برای تحلیل و مقایسه‌ی ویژگی‌های مورفولوژیکی و تراکم ساختاری مورد استفاده قرار گرفتند.
نتایج: نتایج بررسی تصاویر SEMنشان داد که در نمونه‌های یکبار اکسترود شده، پراکندگی یکنواخت و همگن MCC در ماتریس PLA مشاهده شد و چسبندگی بین فازها به‌خوبی برقرار بود. همچنین، در این نمونه‌ها هیچ مرز مشخصی بین ماتریس پلیمری و MCC مشاهده نشد، که نشان‌دهنده اختلاط خوب و همگن مواد است. در مقابل، نمونه‌های دوبار اکسترود شده دچار جدایش بین‌فازی و ایجاد حفرات ریز در نواحی مرزی فازها شدند. این تفاوت‌ها به دلیل حساسیت حرارتی بالای PLA و تخریب جزئی آن در فرآیند اکستروژن دو مرحله‌ای بود که موجب کاهش کیفیت ساختاری و ایجاد تخلخل در نمونه‌ها گردید. این نتایج نشان می‌دهند که در کامپوزیت‌های زیستی، تعداد مراحل فرآیند اکستروژن نقش مهمی در حفظ تعادل بین اختلاط مناسب و سلامت ساختاری ایفا می‌کند. در فرآیند چاپ سه‌بعدی، نمونه‌های یکبار اکسترود شده به‌دلیل پراکندگی یکنواخت و ویژگی‌های مورفولوژی بهتر، برای چاپ انتخاب شدند. در میان دو روش چاپ، نمونه‌های ساخته‌شده به روش گرانولی از ویژگی‌های مورفولوژی بهتری برخوردار بودند و تخلخل کمتری نسبت به نمونه‌های فیلامنتی نشان دادند. در این روش، به‌دلیل کاهش تنش‌های حرارتی و بهبود پیوند لایه‌ها، ساختار متراکم‌تری حاصل شد که مناسب‌تر برای چاپ صندلی است. در نهایت، صندلی با موفقیت به‌وسیله‌ی روش گرانولی چاپ شد.
نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج این تحقیق، نمونه‌های یک‌بار اکسترود شده دارای پراکندگی یکنواخت MCC در ماتریس PLA بودند که باعث بهبود چسبندگی بین‌فازی و انسجام ساختاری شد. در کامپوزیت‌های زیستی PLA/WF/MCC، فرآیند اکستروژن دوبار باعث جدایش بین‌فازی و حفرات شد که به حساسیت حرارتی بالای PLA مربوط است. این نتایج نشان می‌دهند انتخاب سطح بهینه اکستروژن برای حفظ تعادل بین اختلاط و پایداری ساختاری ضروری است. همچنین، در فرآیند چاپ سه‌بعدی، نمونه‌های یک‌بار اکسترود شده با ویژگی‌های ریزساختار مطلوب برای روش‌های فیلامنتی و گرانولی انتخاب شدند. در روش گرانولی، حفرات کمتری در مقایسه با روش فیلامنتی مشاهده شد و ساختار متراکم‌تری برای چاپ سه‌بعدی فراهم شد که موجب بهبود کیفیت ساختاری قطعات شد. روش گرانولی به دلیل مزایای کاهش تنش‌های حرارتی، بهبود توزیع یکنواخت مواد و کاهش حفرات، به عنوان روش مناسب‌تری برای چاپ صندلی انتخاب گردید.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Rezvani Ghomi, E., Khosravi, F., Saedi Ardahaei, A., Dai, Y., Neisiany, R.E., Foroughi, F., Wu, M., Das, O. and Ramakrishna, S., 2021. The life cycle assessment for polylactic acid (PLA) to make it a low-carbon material. Polymers, 13(11), p.1854.
[2] Kaptan, A. and Kartal, F., 2024. Advancements in polylactic acid research: From material properties to sustainable applications. European Mechanical Science, 8(2), pp.104-114.
[3] Cisneros-López, E.O., Pal, A.K., Rodriguez, A.U., Wu, F., Misra, M., Mielewski, D.F., Kiziltas, A. and Mohanty, A.K., 2020. Recycled poly (lactic acid)–based 3D printed sustainable biocomposites: a comparative study with injection molding. Materials Today Sustainability, 7, p.100027.
[4] Zhao, X., Tekinalp, H., Meng, X., Ker, D., Benson, B., Pu, Y., Ragauskas, A.J., Wang, Y., Li, K., Webb, E. and Gardner, D.J., 2019. Poplar as biofiber reinforcement in composites for large-scale 3D printing. ACS Applied Bio Materials, 2(10), pp.4557-4570.
[5] Suvanjumrat, C., Chansoda, K. and Chookaew, W., 2024. Additive manufacturing advancement through large-scale screw-extrusion 3D printing for precision parawood powder/PLA furniture production. Cleaner Engineering and Technology, 20, p.100753.
[6] Guo, R., Ren, Z., Bi, H., Song, Y. and Xu, M., 2018. Effect of toughening agents on the properties of poplar wood flour/poly (lactic acid) composites fabricated with Fused Deposition Modeling. European Polymer Journal, 107, pp.34-45.
[7] Zarna, C., Opedal, M.T., Echtermeyer, A.T. and Chinga-Carrasco, G., 2021. Reinforcement ability of lignocellulosic components in biocomposites and their 3D printed applications–a review. Composites Part C: Open Access, 6, p.100171.
[8] Ayrilmis, N., Kariz, M., Kwon, J.H. and Kitek Kuzman, M., 2019. Effect of printing layer thickness on water absorption and mechanical properties of 3D-printed wood/PLA composite materials. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 102(5), pp.2195-2200.
[9] Kuzman, M.K., Ayrilmis, N., Sernek, M. and Kariz, M., 2019. Effect of selected printing settings on viscoelastic behaviour of 3D printed polymers with and without wood. Materials research express, 6(10), p.105362.
[10] Tomec, D.K., Schöflinger, M., Leßlhumer, J., Centa, U.G., Žigon, J. and Kariž, M., 2024. The Effects of microcrystalline cellulose addition on the properties of wood–PLA filaments for 3D printing. Polymers, 16(6), p.836.
[11] Trache, D., Hussin, M.H., Chuin, C.T.H., Sabar, S., Fazita, M.N., Taiwo, O.F., Hassan, T.M. and Haafiz, M.M., 2016. Microcrystalline cellulose: Isolation, characterization and bio-composites application—A review. International Journal of Biological Macromolecules, 93, pp.789-804.
[12] Murphy, C.A. and Collins, M.N., 2018. Microcrystalline cellulose reinforced polylactic acid biocomposite filaments for 3D printing. Polymer Composites, 39(4), pp.1311-1320.
[13] Danda, C., Pandey, V., Schneider, T., Norman, R. and Maia, J.M., 2020. Enhanced dispersion and mechanical behavior of polypropylene composites compounded using extension-dominated extrusion. International Polymer Processing, 35(3), pp.281-301.
[14] Gamon, G., Evon, P. and Rigal, L., 2013. Twin-screw extrusion impact on natural fibre morphology and material properties in poly (lactic acid) based biocomposites. Industrial Crops and Products, 46, pp.173-185.
[15] Kaczor, D., Bajer, K., Raszkowska-Kaczor, A., Domek, G., Madajski, P. and Szroeder, P., 2022. The influence of multiple extrusions on the properties of high filled polylactide/multiwall carbon nanotube composites. Materials, 15(24), p.8958.
[16] Huang, Y., Löschke, S. and Proust, G., 2021. In the mix: The effect of wood composition on the 3D printability and mechanical performance of wood-plastic composites. Composites Part C: Open Access, 5, p.100140.
[17] Brüster, B., Addiego, F., Hassouna, F., Ruch, D., Raquez, J.M. and Dubois, P., 2016. Thermo-mechanical degradation of plasticized poly (lactide) after multiple reprocessing to simulate recycling: Multi-scale analysis and underlying mechanisms. Polymer Degradation and Stability, 131, pp.132-144.
[18] Syaifuddin, M., Suryanto, H. and Suprayitno, S., 2021. The effect of multi-extrusion process of polylacticacid on tensile strength and fracture morphology of filament product. Mechanical Engineering, 5(1), p.6.
[19] Oskolkov, A.A., Bezukladnikov, I.I. and Trushnikov, D.N., 2023. Mathematical Model of the Layer-by- Layer FFF/FGF Polymer Extrusion Process for Use in the Algorithm of Numerical Implementation of Real- Time Thermal Cycle Control. Polymers, 15(23), p.4518.
[20] Liu, H., Gong, K., Portela, A., Cao, Z., Dunbar, R. and Chen, Y., 2023. Granule-based material extrusion is comparable to filament-based material extrusion in terms of mechanical performances of printed PLA parts: A comprehensive investigation. Additive Manufacturing, 75, p.103744.
[21] Gupta, A.K. and Taufik, M., 2021. Effect of process variables on performances measured in filament and pellet based extrusion process. Materials Today: Proceedings, 47, pp.5177-5184.
[22] Tao, Y., Kong, F., Li, Z., Zhang, J., Zhao, X., Yin, Q., Xing, D. and Li, P., 2021. A review on voids of 3D printed parts by fused filament fabrication. Journal of Materials Research and Technology, 15, pp.4860-4879.
[23] Mathew, A.P., Oksman, K. and Sain, M., 2005. Mechanical properties of biodegradable composites from poly lactic acid (PLA) and microcrystalline cellulose (MCC). Journal of applied polymer science, 97(5), pp.2014-2025.
[24] Olonisakin, K., Li, R., Zhang, X.X., Xiao, F., Gao, J. and Yang, W., 2021. Effect of TDI-assisted hydrophobic surface modification of microcrystalline cellulose on the tensile fracture of MCC/PLA composite, and estimation of the degree of substitution by linear regression. Langmuir, 37(2), pp.793-801.
[25] Rasheed, M., Jawaid, M., Parveez, B., Hussain Bhat, A. and Alamery, S., 2021. Morphology, structural, thermal, and tensile properties of bamboo microcrystalline cellulose/poly (lactic acid)/poly (butylene succinate) composites. Polymers, 13(3), p.465.
[26] Ahmad, N.D. and Wildan, M.W., 2023. Preparation
and properties of cellulose nanocrystals-reinforced Poly (lactic acid) composite filaments for 3D printing applications. Results in Engineering, 17, p.100842.
[27] Duty, C.E., Kunc, V., Compton, B., Post, B., Erdman, D., Smith, R., Lind, R., Lloyd, P. and Love, L., 2017. Structure and mechanical behavior of Big Area Additive Manufacturing (BAAM) materials. Rapid Prototyping Journal, 23(1), pp.181-189.
[28] Estakhrianhaghighi, E., Mirabolghasemi, A., Zhang, Y., Lessard, L. and Akbarzadeh, A., 2020. 3D‐printed wood‐fiber reinforced architected cellular composites. Advanced Engineering Materials, 22(11), p.2000565.
[29] Sohilpour, R., Rezadoost, A.M., Razavi Nouri, K., Grossi, K. and Ghaffarian, M., 2020. The effect of multi-walled carbon nanotubes on the tensile properties and printing quality of 3D printed acrylonitrile-butadiene-styrene nanocomposites. Journal of Polymer Science and Technology, 32(6), pp.497–507 (In Persian).
[30] Krapež Tomec, D., Schöflinger, M., Leßlhumer, J., Žigon, J., Humar, M. and Kariž, M., 2024. Effect of thermal modification of wood on the rheology, mechanical properties and dimensional stability of wood composite filaments and 3D-printed parts. Wood Material Science & Engineering, 19(6), pp.1251-1265.