Stampa 3D FFF all’Università del Tennessee: miglioramento delle proprietà macroscopiche con additivi nanoscopici
Dayton Phillip Street ha recentemente presentato la sua tesi di dottorato, ” Migliorare le proprietà macroscopiche delle parti stampate mediante fabbricazione di filamenti fusi incorporando additivi nanoscopici “, presso l’ Università del Tennessee . Concentrandosi sulla creazione di additivi per la fabbricazione di filamenti fusi (FFF), Street si impegna a migliorare le “prestazioni inferiori” dei materiali polimerici stampati in 3D.
I polimeri sono ampiamente utilizzati oggi in molte applicazioni di produzione e comunemente nel regno della stampa 3D e della produzione di additivi. Le sfide abbondano però, motivo per cui l’uso di additivi è diventato così prevalente, insieme ai compositi che presentano materiali come TPU e PLA , fibra di carbonio e resina epossidica , antiossidanti e molti altri.
Molte parti stampate in 3D FFF sono soggette a problemi legati all’adesione, cavità o perline. Mentre questi tipi di problemi sono comuni nella stampa FFF, Street ritiene che con i nanocompositi polimerici e gli additivi “attivi”, le proprietà meccaniche possano essere migliorate in modo significativo.
Parte del problema nell’uso dei polimeri per la stampa 3D FFF è che sono già limitati in termini di prestazioni, lasciando molti ricercatori ad approfondire ulteriormente lo studio dei compositi. C’è stato un focus specifico sui nanocompositi. Questi materiali sono composti da additivi inorganici che possiedono almeno una dimensione su scala nanometrica, secondo Street.
I nanocompositi polimerici mostrano eccellenti proprietà meccaniche rispetto ai polimeri originali senza additivi.
“Mescolando le proprietà della materia dura e morbida, i nanocompositi polimerici consentono di mantenere la processabilità associata ai polimeri migliorando al contempo le prestazioni dei materiali”, spiega Street. “Tuttavia, è noto che le proprietà dei materiali dei nanocompositi polimerici dipendono in modo significativo dalle interazioni interfaciali tra l’additivo inorganico e la matrice polimerica”.
Sono stati creati almeno cinque campioni per ciascun tipo di misurazione su una stampante 3D LulzBot Mini :
“Ogni campione è stato stampato sul piano XY a 230 ° C con un angolo raster di + 45 / −45. La temperatura del letto era impostata a 110 ° C. In una stampa tipica, le impostazioni della stampante erano le seguenti: dimensioni ugello 0,5 mm, spessore strato iniziale 0,425 mm, altezza strato 0,25 mm con una densità di riempimento del 100% e tutte le altre impostazioni venivano lasciate ai valori standard stabiliti dal software Cura per ABS “, Ha spiegato Street.
“Dopo ogni stampa e al fine di ridurre al minimo la deformazione del campione, il letto è stato lasciato raffreddare a temperatura ambiente prima di rimuovere il campione.”
Nel valutare in che modo gli additivi nanoscopici influenzerebbero le proprietà macroscopiche delle parti fabbricate tramite la stampa FFF, Street ha eseguito valutazioni reologiche, prove di trazione e analisi meccanica dinamica (DMA). Misurando la risposta di un materiale dopo l’applicazione del DMA, Street è stata in grado di determinare “una miriade di proprietà termomeccaniche”. Nello studio della reologia (che coinvolge deformazione e flusso), Street è stata in grado di comprendere meglio le caratteristiche del fuso polimerico e gli effetti sulle prestazioni.
“Valutazioni macroscopiche accoppiate con misurazioni reologiche suggeriscono che queste nanostrutture simili a fogli interconnessi dissipano efficacemente lo stress in tutto il nanocomposito attraverso le interazioni della catena dell’innesto con le catene della matrice e le catene dell’innesto sulle particelle vicine. Inoltre, le prestazioni meccaniche delle parti stampate con FFF descritte in questo lavoro superano quelle ottenute con l’uso di Si NP nudi, il che evidenzia ulteriormente come manipolare le interazioni interfacciali nei nanocompositi polimerici, veicolati qui da catene polimeriche innestate, controlla l’organizzazione su nanoscala e influenza prestazioni dei nanocompositi polimerici “, conclude Street.
“I risultati di questa ricerca mostrano che le proprietà delle parti stampate da queste miscele multicomponente dipendono dalla forza di auto-dimerizzazione dei gruppi di legame all’idrogeno e dalla densità numerica delle interazioni non legate. Questo lavoro ha un impatto perché dimostra come la forza e la densità numerica delle interazioni fisiche non legate possono essere regolate per gestire efficacemente le proprietà dei materiali stampati in FFF alle temperature di utilizzo e di produzione “.
DMA funziona applicando una forza oscillante a un campione e misurando la risposta sinusoidale. Osservando le differenze nello spostamento di fase e / o nell’ampiezza, è possibile studiare le proprietà termomeccaniche dei materiali polimerici. 
L’organizzazione su nanoscala di nanoparticelle densamente innestate in un sistema simmetrico, atermico è controllata da interazioni entropiche. In particolare, quando il peso molecolare della catena della matrice è maggiore del peso molecolare dei grappoli della catena dell’innesto si osservano, mentre si osservano particelle disperse quando il peso molecolare della catena della matrice è inferiore al peso molecolare della catena dell’innesto. 
Illustrazione di come FFF può essere utilizzato per generare impalcature polimeriche dalla materia prima polimerica. La FFF opera riscaldando un filamento termoplastico a uno stato semi-fuso ed estrudendolo in un processo di costruzione strato per strato o “dal basso verso l’alto”. Le proprietà superficiali dei materiali polimerici possono essere modificate usando una miriade di metodi come (A) trattamenti energetici, (B) modifica chimica e (C) additivi attivi in superficie.