Miglioramento dei problemi di adesione con le miscele ABS / TPU nella stampa 3D FDM
Nel recente pubblicato, ” Materiali con proprietà adesive avanzate a base di acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) / poliuretano termoplastico (TPU) si fondono per la fabbricazione di filamenti fusi (FFF) “, autori AS de Leon, A. Dominguez-Calvo e I. Molina delinea un recente progetto in cui hanno creato nuovi materiali con proprietà raffinate per la stampa 3D. In questo studio, esaminano la compatibilità di termo-plastiche ed elastomeri termoplastici sia su macro che su microscala.
Mentre i materiali migliorati offrono un nuovo potenziale nella Fused Deposition Modeling (FDM, anche chiamata FFF), gli autori sono anche consapevoli di numerosi ostacoli da superare, alcuni dei quali sono rispetto ai metodi convenzionali, insieme ai problemi tipici relativi alle proprietà meccaniche come la riduzione resistenza alla trazione e difetti causati dalla porosità.
“Sono state seguite diverse strategie per superare questi problemi”, hanno affermato i ricercatori. “L’analisi degli elementi finiti è stata effettuata per mappare la distribuzione delle forze quando vengono applicati diversi carichi esterni per essere in grado di prevedere le modalità e le posizioni delle fratture”.
Oggi i problemi di adesione sono comuni per gli utenti e, come sottolineato dagli autori, c’è anche una “mancanza di consenso” su come misurare tali problemi, insieme a soluzioni di test come la diversa posizione delle stampe, esplorando l’influenza della direzione di costruzione e della trama. orientamento, modifica dei materiali e sperimentazione di additivi. Il team di ricerca ha anche rilevato problemi nella tecnologia FDM dovuti a costrizioni come i requisiti per una piattaforma riscaldata, con una possibile soluzione nell’utilizzo di elastomeri termoplastici (TPE) per una migliore adesione.
E mentre ABS e TPU possono mostrare buoni risultati quando miscelati, per questa ricerca, gli scienziati hanno deciso di rinunciare alla miscelazione e stampare i materiali separatamente su una stampante 3D Creality CR10 , utilizzando una serie di miscele ABS / TPU, costituite da 10 contenuti di TPU al 30 percento in peso%. Cinque campioni sono stati stampati utilizzando ABS e TPU e nessuna struttura di supporto, utilizzando i parametri software predefiniti.
“Si può osservare che i picchi caratteristici della TPU aumentano proporzionalmente al contenuto di TPU nelle miscele”, hanno affermato i ricercatori. “Questa è una prima indicazione di buona compatibilità tra ABS e TPU nelle miscele, poiché non siamo in grado di identificare regioni separate di ABS e TPU, almeno all’interno della risoluzione spaziale del laser Raman. Per indagare più in dettaglio la composizione chimica dell’ABS: miscele TPU, sono state eseguite mappature XY Raman delle miscele ”.
Nell’esaminare la distribuzione compositiva degli oggetti stampati, il team di ricerca è stato in grado di confermare che tutte le miscele offrivano una distribuzione omogenea di ABS e TPU.
“Le immagini della fase AFM hanno mostrato che quando il contenuto di TPU è del 10% in peso, è distribuito in modo omogeneo all’interno della matrice ABS, mentre per le miscele contenenti il 30% in peso di TPU, tende a formare una fase continua lungo la matrice ABS”, hanno concluso i ricercatori. Abbiamo correlato questo studio compositivo con le proprietà meccaniche osservate nei campioni per prove di trazione stampati da FFF. Affermiamo che la presenza di TPU aumenta l’adesione interstrato (forza di adesione) tra gli strati stampati mentre non diminuisce il valore di resistenza allo snervamento per contenuti fino al 20% in peso. “
“Anche per miscele contenenti il 30% in peso di TPU questa adesione è migliorata, ma la resistenza allo snervamento è più simile al TPU puro che all’ABS. Tuttavia, questo alto contenuto di TPU porta ad una migliore adesione sulla piattaforma di stampa permettendo di mantenerlo a temperatura ambiente. Pertanto, concludiamo che queste miscele sono candidati promettenti come materiali con una migliore adesione (tra gli strati e la piattaforma) da utilizzare in FFF. A causa della loro disponibilità commerciale e della semplice preparazione delle miscele, riteniamo che questi materiali siano particolarmente interessanti per applicazioni industriali su larga scala in alternativa al puro ABS. “
I problemi di adesione hanno stimolato molti studi diversi oggi, dalla sperimentazione con una gamma di filamenti diversi a nuove soluzioni a letto termico e miglioramenti per l’uso in settori come l’ edilizia .
a) spettri Raman medi di ABS puro (rosso), ABS: miscele di TPU contenenti 10% in peso di TPU (blu), 20% in peso di TPU (verde), 30% in peso di TPU (nero) e puro TPU (blu chiaro); b – c) microfotografie Raman di miscele contenenti il 20% in peso di TPU. L’area rossa indica il picco caratteristico dell’ABS a 1012 cm − 1 mentre l’area blu corrisponde al picco caratteristico del TPU a 1531 cm − 1. Questi picchi sono stati presi per eseguire le immagini al microscopio Raman mostrate per b) ABS, c) TPU e d) segnali uniti da ABS e TPU. (Per l’interpretazione dei riferimenti al colore in questa legenda delle figure, il lettore si riferisce alla versione web di questo articolo.) A) Spettri Raman medi di ABS puro (rosso), ABS: miscele TPU contenenti 10% in peso di TPU (blu) , 20% in peso di TPU (verde), 30% in peso di TPU (nero) e puro TPU (azzurro); b – c) microfotografie Raman di miscele contenenti il 20% in peso di TPU. L’area rossa indica il picco caratteristico dell’ABS a 1012 cm − 1 mentre l’area blu corrisponde al picco caratteristico del TPU a 1531 cm − 1. Questi picchi sono stati presi per eseguire le immagini al microscopio Raman mostrate per b) ABS, c) TPU e d) segnali uniti da ABS e TPU. 
Micrografie SEM di fratture di campioni di test 1BA stampati in XY usando a) ABS puro, ABS: miscele di TPU contenenti b) 10% in peso di TPU, c) 20% in peso di TPU, d) 30% in peso di TPU ed e) TPU; Micrografie SEM di fratture di campioni di test 1BA stampati in XZ usando f) ABS puro, ABS: miscele di TPU contenenti g) 10% in peso di TPU, h) 20% in peso di TPU, i) 30% in peso di TPU e j) TPU puro. Barra della scala: 500 micron. 
Immagini in altezza AFM di a) ABS puro, ABS: miscele di TPU contenenti b) 10% in peso di TPU, c) 20% in peso di TPU, d) 30% in peso di TPU ed e) TPU; Immagini di fase AFM di f) ABS puro, ABS: miscele di TPU contenenti g) 10% in peso di TPU, h) 20% in peso di TPU, i) 30% in peso di TPU e j) TPU puro. Tutte le immagini sono state normalizzate con gli stessi valori per consentire il confronto diretto. Barra di scala: 1 μm di immagini di altezza AFM di a) ABS puro, ABS: miscele di TPU contenenti b) 10% in peso di TPU, c) 20% in peso di TPU, d) 30% in peso di TPU ed e) TPU; Immagini di fase AFM di f) ABS puro, ABS: miscele di TPU contenenti g) 10% in peso di TPU, h) 20% in peso di TPU, i) 30% in peso di TPU e j) TPU puro. Tutte le immagini sono state normalizzate con gli stessi valori per consentire il confronto diretto. Barra della scala: 1 μm 
Disegni di a) Monostrati per studi compositivi; b) campioni di prova di trazione 1BA ec) monostrati per studiare l’influenza della temperatura della piattaforma sull’adesione del primo strato; d) diversi orientamenti dei campioni per prove di trazione.