wytwarzanie addytywne, materiały kompozytowe, zmęczeniowe badania niskocyklowe, relaksacja naprężeń, testy mechaniczne
additive manufacturing, composites materials, low-cycle fatigue tests, stress relaxation, mechanical tests
Tworzywa sztuczne stanowią szeroką grupę materiałów inżynierskich, które wykorzystywane są w przemyśle od kilkudziesięciu lat. Znajomość procesów w nich zachodzących przyczynia się do lepszego projektowania właściwości wytworzonych polimerów. Wnikliwe przeanalizowanie mechanizmów zachodzących w strukturze takich materiałów, ich właściwości fizykomechanicznych oraz termicznych przyczynia się do lepszego zrozumienia sposobu zmiany pożądanych właściwości materiałowych. W niniejszej pracy przedstawione zostały badania wytrzymałości na rozciąganie, zginanie, udarności, zmęczenia, relaksacji naprężeń dla materiałów polimerowych wytworzonych metodą Fused Deposition Modelling.
Po szerokiej analizie literaturowej podjętego problemu przedstawionego w niniejszej pracy doktorskiej zaobserwowano znaczące braki w trendach przeprowadzanych badań relaksacji naprężeń oraz niskocyklowego badania zmęczeniowego. Zauważalny jest popyt na materiały biodegradowalne, którymi zastępuje się tradycyjne polimery petrochemiczne. Użycie napełniaczy naturalnych eliminuje koszty wytwarzanych kompozytowych tworzyw sztucznych. Kawa oraz skorupki jaja kurzego stanowią tanie oraz ekologiczne źródło, z których możliwe jest późniejsze wykonywanie takich przedmiotów jak doniczki, sztućce lub biodegradowalne talerze i kubki.
Głównymi materiałami, używanymi do drukarek 3D są polimery termoplastyczne. Najbardziej rozpowszechnionym materiałem biodegradowalnym jest polilaktyd. Posiada on stosunkowo dobre właściwości mechaniczne w odniesieniu do masy oraz jest przyjazny dla środowiska. Wytworzenie filamentów, których osnową jest polilaktyd, a napełniaczami związki organiczne i nieorganiczne pochodzenia naturalnego, zwiększy możliwość zastosowania takich materiałów w przemyśle drukarek 3D oraz pozwoli na swobodne projektowanie właściwości mechanicznych oraz termicznych kompozytów.
Wytworzenie materiałów kompozytowych wzbogaconych o włókna naturalne powoduje zmniejszenie ilości odpadów, które w trakcie swojego rozkładu emitują dodatkowo między innymi metan i dwutlenek węgla. We współczesnym świecie zauważalny jest wzmożony nacisk na zastosowanie postulatów Przemysłu 4.0 oraz 5.0, które zakładają wiele proekologicznych rozwiązań. Zastosowanie takich tworzyw sztucznych również znacząco obniża koszty produkcji, a prawidłowe dobranie napełniaczy może przyczynić się do praktycznego użycia odpadów w celu polepszenia założonych parametrów. Na podstawie powyższych założeń w niniejszej pracy wytworzone zostały następujące kompozycje: polilaktyd z czterema stopniami wypełnienia, blendy polilaktydu i poli(3-hydroksymaślan-ko-3-hydroksywalerian) oraz kompozyty kawy i jajka na osnowie PLA.
Niezwykle ważne jest również zrozumienie zjawisk takich jak: pękanie, zmęczenie czy relaksacja, zachodzących w materiałach polimerowych wytworzonych metodami addytywnymi. Ze względu na swoją specyficzną budowę zauważalne są znaczące różnice w sposobie dekohezji oraz występowaniu charakterystycznych temperatur przemian. Połączenie znajomości tych zjawisk pozwala na świadome projektowanie właściwości wytrzymałościowych oraz biodegradacji środowiskowej. Przyczynia się to do zmniejszenia ilości odpadów tworzyw sztucznych, które znacząco obciążają środowisko.
Każdy wytworzony materiał inżynierski poddawany jest w trakcie użytkowania naprężeniom cyklicznym oraz statycznym. Wiedza z tego zakresu inżynierii pozwala przewidzieć moment, w którym polimer będzie ulegał dekohezji. Przeprowadzenie badań wytrzymałościowych przyczynia się również do możliwości maksymalnej eliminacji czynników powodujących występowanie zbyt dużych obciążeń.
Materiały polimerowe znalazły szerokie zastosowanie w przyrostowym wytwarzaniu materiałów. Jest to technika, pozwalająca na szybkie prototypowanie zaprojektowanych elementów. Ze względu na nieograniczone możliwości projektowania komputerowego istnieje możliwość wydrukowania prawie każdego rodzaju elementu. W tym przypadku jedynym ograniczającym czynnikiem są wymiary stołu oraz możliwość poruszania się głowicy w kierunku Z. Sprawia to, że technika addytywnego wytwarzania materiałów jest przystępna oraz pozwala na wykonanie elementów o skomplikowanych kształtach.
Plastic materials are a huge group of engineering materials that have been used in industry for several decades. Knowledge of the processes taking place in them contributes to better design of the properties of the produced polymers. A thorough analysis of the mechanisms occurring in the structure of such materials, their physico-mechanical and thermal properties contributes to a better understanding of how to change the desirable material properties. This paper presents tensile strength, weld examination, rupture energy, fatigue and stress relaxation tests for polymeric materials produced by the Fused Deposition Modeling method.
The production of composite materials enriched with natural fibers reduces the amount of waste, which during its decomposition additionally emits, among others, methane and carbon dioxide. In the modern world, there is an increasedemphasis on the application of the postulates of Industry 4.0 and 5.0, which assume many pro-ecological solutions. The use of such plastic materials alsosignificantly reduces production costs, and the correct selection of fillers can contribute to the practical use of waste in order to improve the assumed parameters. Based on the above assumptions, the following compositions were produced in this work: polylactide with four degrees of filling, blends of polylactide and poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) and coffee and egg composites based on PLA.
It is also very important to understand the cracking mechanisms that occur in polymeric materials. Due to its specific structure, there are noticeable differences in the method of decohesion and the occurrence of characteristic transformation temperatures. The combination of knowledge of these phenomena allows for conscious design of strength properties and environmental biodegradation. This contributes to reducing the amount of plastic waste, which significantly burdens the environment.
Each manufactured engineering material is subjected to cyclic and static stresses during use. Knowledge in this field of engineering allows to predict the moment when the polymer will undergo decohesion. Conducting strength tests also contributes to the possibility of maximum elimination of factors causing excessive loads. Knowledge of the phenomena of fatigue and stress relaxation contributes to the understanding of how long, at what deformations, unstressed and the number of load cycles, the composite produced by the additive method will undergo decohesion.
Polymer materials have found wide application in the additive manufacturing of polymers. It is a technique that allows for rapid prototyping of designed elements. Due to the unlimited possibilities of computer design, it is possible to print any type of element. In this case, the only limiting factors are the dimensions of the table and the ability to move the head in the Z direction. This makes the technique of additive manufacturing of materials affordable and allows the production of elements with complex shapes.
The main materials used for 3D printers are thermoplastic polymers. The most common biodegradable material is polylactide. It has relatively good mechanical properties in relation to weight and is environmentally friendly. The production of filaments whose matrix is polylactide, and the fillers are organic and inorganic compounds of natural origin, will increase the possibility of using such materials in the 3D printer industry and will allow for free design of mechanical and thermal properties of composites.
After an extensive literature analysis of the problem presented in this doctoral thesis, significant gaps in the trends of stress relaxation tests and low-cycle fatigue tests were observed. There is a noticeable demand for biodegradable materials, which are used to replace traditional petrochemical polymers. The use of natural fillers eliminates the cost of composite plastics produced. Coffee and eggshells are a cheap and ecological source, from which it is possible to later make such items as flower pots, cutlery or biodegradable plates and cups.
