清華大学はPLAとPBSの混合物がFDM 3Dプリントに適しているかどうかを研究している

北京の清華大学の研究者 3 名が最近、「熱溶解積層法 3D 印刷用ポリブチレンサクシネート/ポリ乳酸ブレンドの製造と特性評価」と題する論文を発表しました。この論文では、PLA 材料とさまざまな組成の PBS のブレンドを製造し、それらが熱溶解積層法 3D 印刷用のフィラメントとして使用するのに適しているかどうかを検証しています。

要約は、「融合堆積モデリング（FDM）印刷のために高い靭性と強度を備えた新しい生分解性材料を得るために、ポリ（ブチレンコハク酸塩）（PBS）ベースのポリマー材料をポリラクチン酸（PLA）と混ぜて調製しました。結果は、PLA含有量が増加すると、溶融粘度が高く、特にFDM印刷に適していることが示されています。 DMプリンティングは、市販のFDM印刷材料の低い伸びと比較して、典型的な延性挙動を示しています。 PLA ブレンドは生分解性であることに加え、優れた機械的特性と FDM 印刷材料としての適合性も備えています。さらに、私たちの研究は、熱可塑性ポリマー材料の FDM 印刷への適合性を評価する方法を提供することが期待されています。」

FDM 3D プリントで作成された PBS/PLA ハイブリッドロッドの外観。プロトタイピングの面では、FDM は最も広く採用されている技術の 1 つであり、この技術に関する材料研究が数多く行われてきました。研究者たちは、高い寸法精度と優れた機械的特性を備えた FDM 3D プリント用の新しいポリマー材料の開発に懸命に取り組んでいます。 PLA は理論上は自然条件下で二酸化炭素と水から作ることができますが、残念ながら脆い材料であるため、その用途は限られています。

PBS は熱安定性に優れ、融点が低く、延性も優れているため、FDM 3D プリントに適しています。しかし、3D プリントフィラメントの使用に関する研究はあまり行われていません。

研究者らは次のように説明している。「溶融強度が低いことが、押し出し成形中にモノフィラメントを連続的に形成することが難しい理由の 1 つであり、このため印刷が半分失敗する。さらに、結晶化後に冷却中に比較的大きな体積収縮によって変形が発生し、製品に欠陥が生じる可能性がある。したがって、上記の欠点を解消し、FDM 印刷に適した材料にするためには、PBS の改良が非常に重要である。」

材料を混合することで、両方の成分の利点を組み合わせることができるため、この改質方法はポリマー材料によく使用されます。 FDM 3DプリンティングにおけるPBSブレンドの応用に関する研究はほとんど行われていないため、清華大学の研究チームもその取り組みを強化しています。

「ブレンドのレオロジー、熱、機械特性が調査され、これらのフィラメントでさまざまなサンプルが印刷され、FDM システムへの適合性が評価されました」と研究者らは記しています。「印刷された製品の層間接着強度も測定されました。さらに、熱可塑性ポリマー材料 (ポリマーブレンドに限定されない) が FDM 印刷に適しているかどうかを判断するための基準を提供するために、材料特性と FDM 印刷性能の関係を見つけることを期待しています。」

層間接着強度試験用の垂直印刷されたPBS40/PLA60サンプル
研究チームはまず、PBS と PLA のペレットを真空オーブンで 65°C で 12 時間乾燥させ、その後、混合ペレットを FDM 3D プリント用のフィラメントに押し出しました。ウサギのような他の形状とともに、直方体モデルも印刷され、FDM で克服すべき障害となる可能性のある変形を示しました。

ポリマーブレンド溶融物のせん断粘度とガラス転移温度などの熱特性を測定しました。研究者らは、ロッドの熱分析を行って「FDM 印刷プロセスが PBS/PLA ブレンドの結晶化挙動に与える影響を調査」するだけでなく、ポリマーブレンドのペレットを射出成形してダンベル型と長方形のロッドを作成し、引張試験と衝撃試験を行いました。

研究者らは次のように説明しています。「すべてのブレンドは優れた加工特性を示し、単軸スクリュー押出機で直径 1.75 mm のモノフィラメントに押し出すことができました。PBS 含有量が増加すると、ブレンドの破断伸びと衝撃強度が向上しました。ただし、ブレンドの結晶度が高くなったため、体積収縮が大きくなり、プリントバーの変形が大きくなりました。さらに、溶融粘度が低下したため、層間結合強度が向上しました。ブレンドの PLA 含有量が 40wt% 以上の場合、FDM 印刷は変形やプラットフォームからの剥離なしに室温でスムーズに実行できました。」

この論文では、PBS60/PLA40 と PBS40/PLA60 は、層間接着強度、材料の靭性、変形の観点から、FDM 3D 印刷に最適なブレンド組成であると述べています。

研究者らは次のように結論付けている。「真珠のような光沢、優れた機械的特性、優れた寸法精度を備えたバイオベースの PBS/PLA は、FDM フィラメントを製造するための新しい材料であり、多くの分野、特に建築設計に適しています。さらに、私たちの研究は、熱可塑性ポリマー材料が FDM 印刷に適しているかどうかを評価するための参考資料も提供します。」

出典: Additive Light

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