Stampa 3D di un poliuretano termoplastico autorigenerante tramite FDM: dalla lastra polimerica alla valutazione meccanica

I RICERCATORI DI DELFT SVILUPPANO IL PROCESSO DI STAMPA FDM PER TPU AUTORIGENERANTE

La stampa 3D di polimeri autorigeneranti mira a prolungare la vita dei prodotti riparando danni come crepe e graffi e ha anche il potenziale per aumentare la qualità e la durata delle parti. I poliuretani termoplastici (TPU) hanno attirato un’attenzione significativa nel campo dei polimeri autorigeneranti grazie alle loro capacità di guarigione a temperatura ambiente e alle discrete proprietà meccaniche, tuttavia in passato la guarigione è stata ottenuta principalmente attraverso il legame a idrogeno.

Ora, i ricercatori della Delft University of Technology hanno sviluppato un processo per la stampa 3D di TPU autorigenerante a temperatura ambiente (SH-TPU) utilizzando la modellazione a deposizione fusa (FDM). Secondo quanto riferito, l’SH-TPU utilizzato nello studio ha mostrato una minore dipendenza meccanica dalle condizioni di stampa rispetto a un TPU commerciale stampato in 3D e ha anche avuto il valore aggiunto dei danni di guarigione a temperatura ambiente.

Le proprietà autorigeneranti dei tessuti biologici come pelle e tendini sono anche desiderabili nella stampa 3D e la capacità di integrare caratteristiche simili in materiali di stampa polimerici flessibili potrebbe potenzialmente aprire nuove aree alla produzione additiva in termini di robotica morbida ed elettronica di consumo. , tra le altre cose. La ricerca in questo campo è in rapido aumento, sebbene il raggiungimento di queste caratteristiche desiderate attraverso la stampa 3D si sia rivelato difficile finora.

Tuttavia, in passato sono stati compiuti progressi dopo la stampa riuscita di un biopolimero a base di gamberetti che potrebbe sbloccare dispositivi indossabili autoriparanti e lo sviluppo di schermi di computer e smartphone autoriparanti stampati in 3D . Ci sono state anche previsioni secondo cui droni e velivoli in trasformazione e autoriparanti potrebbero diventare una realtà entro i prossimi due decenni.

Più recentemente, i ricercatori della University of Southern California hanno sviluppato un materiale di gomma stampato in 3D in grado di ripararsi da solo che potrebbe aumentare la longevità di scarpe, pneumatici, robotica morbida ed elettronica, mentre un team della Lamar University ha utilizzato la stereolitografia (SLA) per stampa strutture ispirate ai cactus dotate di autoriparazione autonoma.

Altrove, gli scienziati della National Central University di Taiwan hanno creato un vetro emulsione autorigenerante resistente ai raggi UV e al calore e una collaborazione tra la Texas A&M University e il US Army Research Laboratory ha visto lo sviluppo di una nuova famiglia di materiali di stampa 3D polimerici riciclabili e autoriparanti .

Per il loro studio, i ricercatori di Delft hanno cercato di produrre e testare meccanicamente un metodo per la stampa 3D di SH-TPU a bassa temperatura utilizzando FDM. Innanzitutto, SH-TPU è stato sintetizzato come lastra polimerica e quindi trasformato in un filamento stampabile 3D prima di essere stampato con successo su una Ultimaker 2+ modificata. La testina di stampa della macchina è stata sostituita con un estrusore E3D Titan ed è stata installata una ventola aggiuntiva per aiutare il materiale a mantenere la stabilità dopo l’uscita dall’ugello. I file dei codici G per la stampa sono stati quindi generati utilizzando il software CURA di Ultimaker per stampare blocchi rettangolari che misurano 20x10x4 mm.

I campioni di SH-TPU sono stati stampati a tre diverse temperature della testina di stampa; 225, 230 e 235 gradi Celsius. Quelle stampate a 230 gradi sono state ritenute la migliore qualità in base all’ispezione visiva. I ricercatori hanno valutato le proprietà meccaniche dei campioni stampati in 3D utilizzando un test di taglio a compressione e hanno anche osservato il loro comportamento di autoriparazione creando un taglio controllato e testando il comportamento meccanico dei campioni guariti.

Durante il processo di guarigione, i campioni tagliati sono stati lasciati in un forno a 30 gradi Celsius per 24 ore. Secondo i ricercatori, la capacità dell’SH-TPU di guarire completamente i danni da taglio e recuperare le proprietà di resistenza alla frattura è stata pienamente dimostrata durante lo studio.

I ricercatori hanno osservato grandi variazioni nel diametro del filamento SH-TPU che hanno provocato una deposizione di polimero irregolare durante la stampa, che ha ridotto la qualità di stampa. Tuttavia, ritengono che ciò possa essere ottimizzato in futuro e, nonostante ciò, SH-TPU ha mostrato una distanza del vuoto molto bassa e ha mantenuto la sua piena integrità di forma. Secondo gli scienziati, questo mostra il potenziale dei polimeri autorigeneranti per ottenere parti stampate in 3D di alta qualità senza un evidente rilevamento dei filamenti che hanno costruito il campione.

Inoltre, SH-TPU ha mantenuto completamente la sua capacità di autoriparazione dopo il processo di stampa 3D e ha ripristinato totalmente il suo comportamento meccanico. Secondo i ricercatori, la stampa 3D basata sull’estrusione di polimeri autorigeneranti si è concentrata principalmente sulla stampa di modellazione di deposizione liquida (LDM) di idrogel e polimeri reattivi alla temperatura basati su legami covalenti reversibili. Pertanto, poca attenzione è stata posta sulla stampa di SH-TPU a temperatura moderata o prossima a quella ambiente a causa della loro elevata adesione del fuso e caratteristiche di viscosità che rendono difficile la loro lavorabilità.

Tuttavia, come hanno identificato i ricercatori, le loro capacità di guarigione favorevoli e la grande quantità a cui possono essere prodotti li rendono buoni candidati per esplorare i polimeri autorigeneranti stampati con FDM.

Ulteriori dettagli dello studio possono essere trovati nel documento intitolato “Stampa 3D di un poliuretano termoplastico autorigenerante tramite FDM: dalla lastra polimerica alla valutazione meccanica”, pubblicato nella rivista Recent Advances in Self-Healing Polymers. L’articolo è scritto in collaborazione con L.Ritzen, V. Montano e S. Garcia.

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