3D tlač je na vzostupe a hoci tieto nové nástroje sú špičkovou technológiou, jeden z najbežnejších materiálov, ktoré používajú, je takmer rovnako starý ako priemyselná revolúcia. Tento materiál je PLA – kyselina polylaktická. Biologicky odbúrateľný polymér, ktorý môže byť vyrobený z obnoviteľných rastlinných zdrojov, ako je napríklad kukurica. PLA sa používa v rôznych aplikáciách po celom svete, ale prvýkrát bol syntetizovaný v roku 1845 Theophile-Jules Pelouze pri skúmaní použitia cukru z červenej repy. Až v 20. rokoch 20. storočia Wallace Carothers urobil PLA ako životaschopný polymér, keď pracoval pre DuPont, ktorý si ho patentoval v roku 1954, a až koncom storočia objavili Sally a Patrick Gruber spôsob, ako vyrobiť PLA z kukurice.  

Hoci sa stal PLA najobľúbenejšou surovinou pre 3D tlač, nie je bez nevýhod. Iné plasty v širokom používaní, ako je ABS, ponúkajú vynikajúcu odolnosť proti nárazu a mechanickú pevnosť, ale prichádzajú s vlastným sprievodným súborom problémov, často ekologických. Existuje rastúca oblasť výskumu, ktorá sa zaviazala preskúmať spôsoby, akými môžu byť vytvorené kompozitné polyméry na riešenie niektorých nedostatkov týchto materiálov, ako aj na zlepšenie ich životaschopnosti na svete, ktorý čoraz viac čelí klesajúcej ponuke. Vzrušujúci príklad toho pochádza zo štúdie vykonanej výskumníkmi na Škole strojného a materiálového inžinierstva na Washingtonskej štátnej univerzite v roku 2019 – kompozitného polyméru vytvoreného extrúdovaním PLA s vyhoretými kávovými usadeninami.

Máte radi kávu? Tak ako aj zvyšok sveta! Ako celosvetovo populárny nápoj sa každoročne konzumujú milióny ton kávových zŕn – a preto svet produkuje milióny ton kávových zŕn. Vyhoreté kávové usadeniny (SCG) sa považujú za odpadový produkt, hoci sa na ne zistilo viacero použití, ako je kompostovanie, obohacovanie pôdy a pestovanie húb, ako aj priemyselné procesy filtrovania. Napriek tomu zostáva obrovská ponuka SMG, ktoré by sa mohli ďalej používať, a výskumníci z WSU sa rozhodli ich kombinovať s PLA. Získali olejom extrahované SCG od spoločnosti Singtex Industrial Co. na Taiwane a rozdrvený PRÁŠOK PLA z Filabotu a predmiešali dva materiály do niekoľkých rôznych hmotnostných koncentrácií. Použili zmesi 0 (ako kontrolka) 5, 10, 15 a 20 percent SCG. Výsledná zmes bola extrudovaná EX2 z Filabotu pri teplote 162 C a začlenená do vlákna pripraveného na tlač s priemerom 1,75 mm – čo zodpovedá bežným parametrom pre konvenčné PLA filamenty. Výtlačky boli vyrobené z obdĺžnikových blokov, ako aj kruhových tyčí, ktoré sa podrobili mechanickému testovaniu.

Proces tlače odhalil, že vlákno s najvyššou koncentráciou SCG skutočne vykazovalo vlastnosti, ktoré uľahčili úspešnejšie výtlačky ako konvenčná PLA. Bolo to spôsobené časticami kávy, ktoré znižujú viskozitu materiálu tým, že pôsobia ako mazacie plastifikátory medzi polymérnymi reťazcami. Menej viskózny polymér sa ľahšie vytláča a podporuje priľnavosť medzi tlačovými vrstvami, čo môže znížiť pravdepodobnosť neúspešných výtlačkov. Po preukázaní životaschopnosti zloženého polyméru prostredníctvom úspešných výtlačkov rôznych koncentrácií SCG výskumníci umiestnili tie isté výtlačky cez kolá meraného testovania mechanických vlastností. 

Vzorky boli merané a prezerané optickými aj skenovacími elektrónovými mikroskopmi. Tenké vrstvy boli vytlačené na mikroskopických snímkach a keď svetlo svietilo, koncentrácie častíc kávy boli pozorované pozastavené v plachte, dôsledne distribuované. Ako sa koncentrácia zvýšila, vlákno sa stalo menej priepustným pre svetlo. Skenovací elektrónový mikroskop poskytol ešte viac minútových stôp o tom, ako sa SCG tak ľahko distribuuje po celej PLA – videné pri 438x zväčšení častíc kávy majú mikroštruktnú štruktúru pomerne guľovú alebo polygónovú – ako si viete predstaviť zrnko piesku. Ľahko sa šíri do polyméru. Jednou z najmenej žiadúcich vlastností PLA je jej krehkosť – ľahko sa zlomí skôr, ako sa ohýba. Dôvod je možné vidieť aj cez SEM v mikro úrovni – PLA má zlomené povrchy, ktoré pôsobia ako kanály pre stres na načítanie podobne ako zlomové čiary do kameňa. Keď sa častice SCG zakomponujú do PLA, prerušia tieto zlomené povrchy a podporujú viac tvárového správania materiálu.

Na vytlačených vzorkách sa uskutočnili dva rôzne testy na ďalšiu kvantifikáciu zvýšenej ťažnosti kompozitného polyméru SCG-PLA. Obdĺžnikové bloky boli testované reostatom prostredníctvom torzného ohýbania a ukázalo sa, že 20% vzorka koncentrácie má 26% pokles úložného modulu – z laického hľadiska bol menej tuhý ako konvenčná PLA. Kruhové tyče boli podrobené testu Split Hopkinson Pressure Bar, aby sa určilo, koľko tvárnej deformácie by mohlo nastať predtým, ako by výtlačky zlyhali pod stresom. Tento test je podobný ohýbaniu vetvy stromu medzi rukami, aj keď oveľa presnejší a špecificky kontrolovaný. Test je schopný merať nielen to, koľko sily je potrebné na zachytenie tvárneho materiálu, ale aj to, ako rôzne dynamické scenáre zaťaženia môžu ovplyvniť tento konečný bod zlomu.

Opäť, ak to porovnáte s vetvou stromu medzi rukami – zlomí sa, ak sa rýchlo rozbije na polovicu, ale je schopný ohýbať sa a zostať celý, ak je pomaly vystavený rovnakému množstvu sily v priebehu času. Toto množstvo energie, ktoré môže byť absorbované objemom materiálu predtým, ako zlyhá, je známe ako jeho húževnatosť. Ukázalo sa, že húževnatosť vzoriek sa zvyšuje spolu s koncentráciou SCG, pričom 20% testovanie koncentrácie pri 418,7% náraste oproti konvenčnej PLA.

Výskum vykonaný v tejto štúdii demonštruje úspešnú integráciu vyhoretých kávových zŕn do PLA, aby sa vytvoril zložený polymér s vynikajúcimi vlastnosťami ako konvenčná PLA. Hoci moderná spotrebiteľská kultúra bola podmienená pozorovaním takzvaných ekologických alternatív ako menejcenných ako ich konkurenti, v tomto prípade sa ukázalo, že SCG-PLA je ekologicky prospešná a materiálne nadradená – užitočná a nákladovo efektívna cesta pre akýkoľvek rozsah výroby.

 

Zdroj: filabot.com