3D-tulostettavan komposiitin kehitys matalalämpösovelluksiin

Abstract

Opinnäytetyön tarkoituksena oli tuottaa Turun ammattikorkeakoulun käyttöön matalalämpöiseen 3D-tulostukseen sopiva materiaali. 3D-tulostus on moniulotteisten kappaleiden luomista käyttäen valmistustapaa, jossa tulostus tapahtuu lisäämällä materiaalia erilaisilla tekniikoilla kerroksittain toistensa päälle. 3D-tulostus on kasvava keino tuottaa monenlaisia tuotteita moninaisiin käyttötarkoituksiin ilmailusta biolääketieteeseen. Matalalämpöisessä 3D-tulostuksessa pystytään käsittelemään materiaaleja, jotka eivät kestäisi korkeita lämpötiloja.

3D-tulostuksen prosessi alkaa luomalla halutusta kappaleesta CAD-malli, jonka mukaan tulostin valmistaa kerros kerrallaan valmiin kappaleen. Tässä työssä käytettiin ekstruusio- eli pursotintulostinta. Tähän matalalämpötulostustapaan sopii materiaaliksi suspensio eli dispersion tyyppi, joka sisältää kiintoainepartikkeleja jatkuvassa nestefaasissa. Suspension stabiilisuuteen vaikuttavat erilaiset sähkökemialliset ilmiöt ja mahdolliset lisäaineet. Opinnäytetyössä orgaanista polymeeriä käytettiin reologian säätöön. Reologia on aineen virtauksen tutkimusta. Sen keskeisimmät mittaustavat ovat rotaatio- ja oskillaatiomittaus. Opinnäytetyössä keskityttiin käyttämään rotaatiomittausta.

Työ toteutettiin Turun ammattikorkeakoulun tiloissa käyttämällä 3D-tulostukseen Brinter multimateriaalitulostinta ja reologiaan Anton-Paar MCR 102 -reometriä. Materiaaleiksi valikoituivat gelatiini ja kalsiumkarbonaatti, niiden ominaisuuksien ja varman saatavuuden myötä. Työssä tutkittiin kalsiumkarbonaatti- ja kalsiumkarbonaatti-gelatiinisuspensioita vesiliuoksessa. Havainnoitiin suspensioiden tulostettavuutta erilaisilla kiintoainepitoisuuksilla. Osasta suspensioista tehtiin myös reologisia rotaatiomittauksia.

Tulosten mukaan reseptillä 50 %-m kalsiumkarbonaattia, 45 %-m vettä ja 5 %-m gelatiinia oli lupaavimmat ominaisuudet matalalämpöistä 3D-tulostusta ajatellen. Suspensio vaikutti säilyttävän ominaisuutensa ainakin kahden vuorokauden ajan oikein käsiteltynä. Haasteena oli suspension homogeenisuuden ylläpitäminen. Jatkotutkimuskohteena olisi mielenkiintoista tutkia materiaalin tulostusta lämmitetyllä ruisku-suutin-yhdistelmällä ja viilennettävällä alustalla.

The purpose of this thesis was to create a novel 3D printable material for Turku University of applied sciences. In 3D printing the wanted object is made layer-by-layer until the wanted object is finished. 3D printing has applications in many different sectors from aviation to biomedical field. In low temperature 3D printing it is possible to use materials which do not tolerate high temperatures.

The 3D printing process starts when the object is first created with CAD software, and from this model the printer will manufacture the object one layer at a time until completion. In this thesis extrusion-based 3D printing technique was deployed. For this 3D printing technique a 3D printable suspension was created. In suspension, by definition, there are solid particles in continuous liquid phase. Many different factors have an influence on the stability of suspension such as different electrical phenomena and possible additives. In this thesis an organic polymer was used to adjust the rheological properties of the suspension. Rheology is the study of flow. Two of its most important ways to measure the flow are rotational and oscillatory tests. In this thesis, only rotational tests were used.

This thesis was created in the laboratory of Turku University of Applied Sciences. A Brinter multimaterial 3D printer was used to perform all the 3D printing tasks. and an Anton-Paar MCR 102 rheometer was used to study the rheology of the samples. The materials used were calcium carbonate and gelatin. These materials were chosen because of their availability and qualities in general. In this thesis the printability of calcium carbonate- and calcium carbonate-gelatin suspensions were studied.

The results show us that for 3D printability the best recipe contained 50 %-m of calcium carbonate, 45 %-m of water and 5 %-m of gelatin. The suspension also remained printable atleast 2 days after the creation of the material if properly handled. The challenge was to create a material that would stay homogenous long enough to create homogenous 3D-printed object. Interesting further research might include the use of a heatable chamber and nozzle and a cooled printing platform to minimize the effects on pre-mature gelation of the gelatin itself