Uusiomuovien ja muovikomposiittien reologisten mittausten avulla voidaan selvittää niiden prosessoitavuutta ja soveltuvuutta 3D-tulostukseen
Muovien kierrätys sekä ympäristöystävällisemmät vaihtoehdot muoveille ovat nykyaikana yhä kasvavana mielenkiinnon kohteena. EU:n tavoitteena on vähentää muovien ympäristöhaittoja sekä muovijätettä. Tähän pyritään muun muassa lisäämällä muovien kierrätystä.
Kuluttajat ja yritykset haluavat myös yhä enemmän ympäristöystävällisempiä vaihtoehtoja tuotteille. Yhtenä ympäristöystävällisenä vaihtoehtona pidetään luonnonmateriaaleja. Luonnonmateriaaleista kehitetään kaiken aikaa korvaavia vaihtoehtoja uusiutumattomia materiaaleja sisältäville tuotteille. Käyttökohteita löytyy keittiövälineistä rakennusmateriaaleihin.
Turun ammattikorkeakoulussa tutkitaan ja kehitetään kiertotalouden materiaaleja ja menetelmiä
Niin muovien kierrätys kuin myös uusiutuvat materiaalit ovat vahvassa roolissa, kun kiertotaloutta pyritään kehittämään. Myös Turun ammattikorkeakoulun TKI-toiminnassa kiertotalous on erittäin tärkeässä roolissa. Turun ammattikorkeakoululla on vahva osaaminen esimerkiksi lisäävän valmistuksen menetelmissä. Näitä menetelmiä sekä näihin menetelmiin käytettäviä uusia ympäristöystävällisiä materiaaleja pyritään kehittämään. Kehitettäessä uusia materiaaleja on tärkeää ottaa selvää materiaalien prosessoitavuudesta. Tätä kautta voidaan arvioida materiaalien soveltuvuutta haluttuun käyttökohteeseen tai prosessiin.
Tutkimuksessa viskositeettikuvaajat sekä uusiomuoveilla että muovikomposiiteilla erosivat ensiömuovista vain vähän.
Muovimateriaalien juoksevuus vaikuttaa merkittävästi materiaalien tulostettavuuteen
Lisäävässä valmistuksessa, erityisesti pursotusmenetelmään perustuvissa 3D-tulostimissa, materiaalin viskositeetti on tärkeässä roolissa. Viskositeetilla tarkoitetaan materiaalin juoksevuutta tai virtausvastustusta. Korkeampi viskositeetti tarkoittaa, että materiaali on tällöin jäykempää. Pursotusmenetelmään perustuvissa 3D-tulostimissa materiaali pursotetaan suuttimesta tulostusalustalle. Materiaalin liian korkea viskositeetti voi esimerkiksi vaikeuttaa materiaalin pursotusta 3D-tulostimen suuttimesta ulos, mikä voi aiheuttaa suuttimen tukkeutumisen. Viskositeettiin voidaan vaikuttaa materiaalista riippuen esimerkiksi lämpötilalla tai tulostusnopeudella.
Viskositeettia voidaan määrittää erilaisilla menetelmillä ja laitteilla. Yksi tällainen laite on rotaatioreometri. Turun ammattikorkeakoulun laboratoriossa on käytettävissä Anton Paarin MCR 102 -reometri. Rotaatioreometri koostuu mittapäästä sekä alustasta, joiden väliin mittava näyte asetetaan. Mittapäätä pyöritetään alustan pysyessä paikallaan. Pyörimisliike voi olla jatkuvaa tai oskilloivaa. Laitteeseen voidaan liittää myös uuni, jonka avulla materiaali voidaan lämmittää haluttuun lämpötilaan. Kestomuovit esimerkiksi pehmenevät lämpötilan noustessa. Uunin avulla muovisulan viskositeettia voidaan mitata rotaatioreometrillä.
Uusiomuovien ja muovikomposiittien soveltuvuus 3D-tulostukseen
MMAM (Multicomponents Materials Centre of Expertise for Additive Manufacturing) -hankkeelle toteutetussa tutkimuksessa selvitettiin uusiomuovien ja muovikomposiittien soveltuvuutta 3D-tulostukseen rotaatioreometrin avulla. Muovikomposiitit sisälsivät puupellettiä sekä hamppua. Muovikomposiitteja valmistutettiin materiaalitekniikan syventävän moduulin opintojaksolla. Rotaatioreometrillä saatuja viskositeettikuvaajia verrattiin ensiömuovin viskositeettikuvaajiin. Tutkimuksessa viskositeettikuvaajat sekä uusiomuoveilla että muovikomposiiteilla erosivat ensiömuovista vain vähän.
Tutkittujen materiaalien pitäisi pelkästään näiden tulosten perusteella soveltua viskositeetiltaan 3D-tulostukseen lähes yhtä hyvin kuin ensiömuovienkin. Viskositeetti on kuitenkin vain yksi osa isompaa kokonaisuutta, kun halutaan määrittää materiaalin soveltuvuutta tiettyyn prosessiin tai käyttökohteeseen. Jos materiaali esimerkiksi sisältää täyteaineita, näiden täyteaineiden partikkelikoko voi vaikuttaa materiaalin prosessoitavuuteen. Pursotusmenetelmään perustuvassa 3D-tulostuksessa suuri partikkelikoko voi esimerkiksi aiheuttaa suuttimen tukkeutumisen. Tutkimuksen perusteella voidaan kuitenkin sanoa, että tutkittavien materiaalien viskositeeteilla ei ollut huomattavaa vaikutusta 3D-tulostettavuuteen. Lisätutkimukset materiaaleille ovat kuitenkin tarpeellisia.
Koota, Hanna 2022. Uusiomuovien ja muovikomposiittien reologiset mittaukset. Opinnäytetyö (AMK), Prosessi- ja materiaalitekniikka, Turun ammattikorkeakoulu.