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Technische Möglichkeiten zur Herstellung von 3D-gedruckten technischen Bauteilen auf der Basis von wiederverwendetem Polypropylen

Von Bakterien und Metamaterialien bis hin zu Shape-Shifting und Support-Free haben die innovativen Forscher der TU Delft im Laufe der Jahre mit einer Vielzahl von 3D-Druckmaterialien gearbeitet. Jetzt konzentriert sich ihr Fokus auf Polypropylen, ein thermoplastisches Polymer, das in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet wird, obwohl Engineering typischerweise nicht unter diesen ist.

Die TU Delft-Forscher Fred Veer, Foteini Setaki und Ton Riemslag haben zusammen mit P. Sakkas von The New Raw eine neue Arbeit mit dem Titel “The strength and ductility of glass fibre reinforced 3D-printed polypropylene” veröffentlicht, die die technischen Möglichkeiten zur Herstellung von 3D-Drucktechniken auf der Basis von wiederverwendetem Polypropylen diskutiert.

Die Zusammenfassung lautet: “Die Möglichkeit, eine Mischung aus recyceltem Polypropylen (PP) mit neuem glasfaserverstärktem Polypropylen als Materialquelle für 3D-gedruckte Konstruktionskomponenten zu verwenden, wird untersucht. Die Festigkeit und Bruchdehnung werden für verschiedene Materialtypen und in Bezug auf die Druckrichtung bestimmt. Die Messwerte werden in einem neuwertigen Zustand mit den Literaturwerten für diese Materialien verglichen. Es zeigt sich, dass die Verwendung von recyceltem PP die Materialeigenschaften verschlechtert. Aus Hausmüll recyceltes PP hat deutlich schlechtere Eigenschaften als aus Industrieabfällen recyceltes PP.”

Foto: Delft University of Technology

Zwick Z10 Universalprüfmaschine

Ein Großteil des primären Materials wird verwendet, um Einwegformen aus jungfräulichem Kunststoff für Konstruktionszwecke herzustellen, was aus Umweltgesichtspunkten keine gute Nachricht ist. Es ist viel praktischer, recycelte Kunststoffe als Rohmaterialien zu verwenden, und in der Vergangenheit wurde in Bezug auf die Verwendung von recyceltem Polyethylen hoher Dichte geforscht. Aber PP hat bessere mechanische Eigenschaften und hat die richtigen thermischen Eigenschaften für den 3D-Druck.

Leider ist recyceltes PP viel weniger stark als unbenutztes PP. Um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen, wird recyceltes PP oft mit dem ursprünglichen Material und den Fasern gemischt.

“Für diese Untersuchung wurden verschiedene Mischungen von recyceltem, recyceltem und jungem Polypropylen mit kurzen Glasfasern getestet, um die verschiedenen Faktoren zu untersuchen, die die Gesamteigenschaften beeinflussen”, schrieb das Team. “Diese Forschung konzentrierte sich auf die Bruchfestigkeit und Dehnung des Materials, da diese gute Indikatoren für die Materialleistung sind und auch geeignet sind, die verschiedenen Mischungen zu vergleichen.”

Die Forscher mischten Mischungen aus recyceltem, re-recyceltem und jungfräulichem PP mit kurzen Glasfasern und führten das Material dann in einen beheizten Extruder mit vier Kammern ein, um sie in 3D zu bedrucken. Die Blätter wurden dann lasergeschnitten in hundeknochenförmige Proben und getestet unter Verwendung einer Universalprüfmaschine Zwick z10.

Foto: Delft University of Technology

“Für die Mischungen 1 und 2 wurden die Eigenschaften in Druckrichtung, 0°, in 45° zur Druckrichtung und in 90° zur Druckrichtung bestimmt”, erklärten die Forscher. “Die Mischungen 3, 4 und 5 wurden nur in der 0° -Richtung getestet, um einen Vergleich zwischen den Mischungen zu ermöglichen.”

Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Vorhersagbarkeit der Festigkeit einer Stoffmischung durch den Einsatz von Recycling leider verschlechtert wurde. Darüber hinaus muss die Druckrichtung in jedem Design berücksichtigt werden und die Struktur muss mit richtungsabhängigen Eigenschaften modelliert werden. Da es sich um Verbundwerkstoffe handelt, erklärten die Forscher, dass “der Entwicklungsaufwand viel größer sein wird als bei herkömmlichen Materialien”.

“Die Zugabe von mehr Glasfasern und die Verwendung von weniger recyceltem Polypropylen ergibt eine Mischung, die sich der von Neuware deutlich annähert. Ein umweltfreundliches Design, bei dem große Mengen an recyceltem Material verwendet werden, hat daher immer deutlich geringere Eigenschaften, was zur Verwendung von mehr Material führt”, folgerten die Forscher. “An sich muss das kein Problem sein, die Verwendung einer größeren Menge an Abfall bedeutet auch weniger Abfall zum Verbrennen. Es ist jedoch auch klar, dass eine mehrfache Wiederverwendung des Materials zu einem signifikanteren Verlust von Eigenschaften führt, wie aus dem Verlust der Eigenschaften der Mischungen 3 und 4 im Vergleich zu den Mischungen 1 und 2 ersichtlich ist. Verwendung von recyceltem Polypropylen für Produkte mit einer kurzen Lebensdauer ist daher kontraproduktiv, da es unbrauchbare Abfälle produziert, die nur verbrannt werden können, da sie in einer Deponie nicht biologisch abgebaut werden können. Daher ist es wichtig, recyceltes Polypropylen so zu verwenden, dass eine ausreichend lange Lebensdauer mit einem klaren Weg zur endgültigen Entsorgung erreicht wird.”

Das Team gab auch an, dass es keine klare Beziehung zwischen der Bruchdehnung und der Versagensspannung zu geben schien, und stellte fest, dass die Eigenschaften bei 45° oder 90° zur Druckrichtung viel niedriger sind als in der Druckrichtung.

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