Örebro Universitet Örebro University
Institutionen för naturvetenskap och teknik School of Science and Technology
701 82 Örebro SE-701 82 Örebro, Sweden
Tillverkning av Akrylnitril-Butadien-Styren
(ABS)-filament förstärkt med fibrer av
mikrocellulosa
Eric Folebäck
Civilingenjör Industriell ekonomi Örebro vårterminen 2021
Examinator: Nader Asnafi
Manufacturing of Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS)-filament reinforced with microcellulose fibers
Sammanfattning
Termoplaster används i en mängd olika produkter världen över. En starkare termoplast kan leda till att en mindre mängd material behövs för att bibehålla samma styrka i en produkt. En lättare produkt kan exempelvis leda till minskad bränsleförbrukning vilket är positivt i avseende för miljön, socialt och ekonomiskt.
Ett möjligt sätt att tillverka en starkare termoplast skulle kunna vara att förstärka den med cellulosafibrer. FineCell Sweden AB tillverkar cellulosafibrer i mikrostorlek genom en miljövänlig och energieffektiv kemisk process, vilket resulterar i en ekologiskt hållbar produkt. Nya tillverkningsmetoder som additiv tillverkning tillåter nya möjligheter för de former som kan tillverkas med termoplaster. Det är intressant att undersöka om det går att använda en cellulosaförstärkt termoplast till 3D-printning.
Detta examensarbete har fokuserat på extrudering av mikrocellulosaförstärkt filament, och hur olika tillverkningsprocesser påverkar kvalitén och hur de mekaniska egenskaperna påverkas. Resultatet visar att mikrocellulosan i vissa fall kan ge ökad elasticitetsmodul, och att torkning och hantering av cellulosan innan extrudering är avgörande för egenskaperna, då eventuell fukt leder till porer vilka påverkar de mekaniska egenskaperna negativt.
I vidare arbete skulle fler materialegenskaper för det tillverkade filament vara intressant att undersöka. Det skulle vara intressant att tillverka filament med en ”Twin-screw” extruder, då det kan fördela fibrerna och skjuva till mindre storlek. Det skulle även vara intressant att undersöka mikrocellulosaförstärkning med andra typer av tillverkningsmetoder, högre fiberandelar och andra sorters termoplaster.
Abstract
Thermoplastics are used in a variety of products worldwide. A stronger thermoplastic could lead to a smaller amount being needed to maintain the same strength in a product. A lighter product can, for example, lead to reduced fuel consumption, which is positive for the environment, socially and economically.
One possible way to make a stronger thermoplastic could be to reinforce it with cellulose fibers. FineCell Sweden AB manufactures micro-sized cellulose fibers through an environmentally friendly and energy-efficient chemical process, which results in an ecologically sustainable product. New manufacturing methods such as additive manufacturing allows new possibilities for the shapes that can be manufactured with thermoplastics. It is interesting to investigate whether it is possible to use a cellulose-reinforced thermoplastic for 3D-printing.
This master thesis has focused on the extrusion of microcellulose-reinforced filament and how different manufacturing methods affect the quality and how the mechanical properties are affected. The results show that the microcellulose can in some cases give an increased modulus of elasticity and that drying and handling of the cellulose before extrusion is decisive for the properties, as any moisture leads to pores which adversely affect the mechanical properties. In further work, more material properties of the manufactured filament would be interesting to investigate. It would be interesting to make filaments with a "twin-screw" extruder, as it can distribute the fibers and shear to a smaller size. It would also be interesting to investigate microcellulose amplification with other types of manufacturing methods, higher fiber ratios and other types of thermoplastics.
Förord
Examensarbetet har genomförts av mig Eric Folebäck under våren 2021 och innefattar 30 högskolepoäng, arbetet har pågått under sista terminen på min Civilingenjörsutbildning inom Industriell ekonomi vid Örebro Universitet.
Jag vill tacka Jonas Engstrand som har varit min handledare och närmsta kontakt på FineCell Sweden AB.
Tack till Christer Korin som har varit min handledare på Örebro Universitet, och till Patrik Karlsson som hjälpt mig med CT-studien. Samt tack till Joakim Larsson och Per Lindström som har gett mig goda råd och hjälpt mig med utrustning, extrudering och materialprovning i Örebro Universitets maskinlaboratorium.
Innehållsförteckning
1 INTRODUKTION TILL EXAMENSARBETET... 1
FineCell Sweden AB ... 1 Forskningsproblemet ... 1 Disposition av rapporten ... 1 2 BAKGRUND FÖR EXAMENSARBETET ... 2 Problemet ... 2 2.1.1 Syfte ... 2 2.1.2 Frågeställning ... 2 2.1.3 Avgränsningar ... 2 Företagskontext ... 2
Generell industriell kontext ... 3
3 VETENSKAPLIGT RAMVERK INOM MATERIALTEKNIK ... 4
Termoplast ... 4 3.1.1 ABS (Akrylnitril-Butadien-Styren) ... 4 Cellulosa ... 5 3.2.1 Mikrocellulosa ... 5 Komposit ... 5 3.3.1 Fibrer ... 6 3D-printning ... 6 Materialprovning ... 7 3.5.1 ISO 527–2:2012 ... 7 3.5.2 ISO 179–1:2010 ... 7 4 METOD ... 8 Förstudie ... 8 Extrudering av filament ... 8 Kvalitetssäkring av filament ... 8 3D-printning av provbitar ... 8 Materialprovning ... 9
Analys av hårddata, resultat och slutsats ... 9
Metodologiska överväganden ... 9 Etiska avvägande ... 10 5 RESULTAT ... 11 Extrudering av filament ... 11 5.1.1 Metod 1 ... 11 5.1.2 Metod 2 ... 12 Kvalitetssäkring av filament ... 13 5.2.1 CT-scanning ... 13 3D-printning av provbitar ... 15 Materialprovning ... 17 5.4.1 Dragprov för Metod 1 ... 17 5.4.2 Dragprov för Metod 2 ... 19 5.4.3 Slagprov ... 20 6 DISKUSSION ... 21 Värdering av resultat ... 21
Förslag på fortsatt arbete ... 22 7 SLUTSATS ... 24 8 REFERENSER ... 25
BILAGOR
A: Ritning på dragprovstav från ISO 527–2:2012 B: Ritning på slagprovsstav från ISO 179–1:2010 C: Filabot extruder
D: Dragprovskurvor FÖRKORTNINGAR
ABS- Akrylnitril-Butadien-Styren, sida 2. AM- Additive Manufacturing, sida 6. CT- Computer tomography, sida 8.
FDM- Fused Deposition Modelling sida 6. FFF- Fused filament fabrication, sida 2. PEEK- Polyetereterketon, sida 3. PHA- Polyhydroxialkanoater, sida 3. PLA- Polyaktid, sida 2.
PP- Polypropen, sida 3.
1 Introduktion till examensarbetet
I kapitel 1 presenteras vilket område examensarbete kommer att handla inom och företaget FineCell Sweden AB. Det går sedan vidare med att förklara vilket forskningsproblem det är examensarbetet ska försöka lösa och dispositionen av rapporten.
Termoplaster används i en mängd olika applikationer och produkter världen över. Några fördelar med termoplaster är de är lätt att forma och de har relativt hög styrka för sin låga densitet [1]. En mekaniskt starkare termoplast kan leda till att en mindre mängd material behövs för att bibehålla samma styrka hos en produkt. En lättare produkt kan leda till minskad bränsleförbrukning i exempelvis en bil eller ett flygplan, vilket är positivt i avseende för miljön, socialt och ekonomiskt [2].
Cellulosa finns naturligt i växter och har användbara egenskaper i många olika sammanhang, exempelvis i papper, isolering och textilier. Det finns fortfarande utvecklingspotential och fler användningsområden där cellulosafibrer skulle kunna förbättra befintliga material och produkter. Att blanda cellulosafibrer i termoplast kan leda till förstärkta mekaniska egenskaper och ett mer ekologiskt hållbart material [2].
FineCell Sweden AB
FineCell Sweden AB, vidare benämnt FineCell är ett företag baserat i Linköping och de har kopplingar till KTH. De är idag tre anställda och år 2020 omsatte de 1 354 tkr. De tillverkar cellulosafibrer i mikrostorlek och deras produkter har flera olika områden där de håller på att introduceras just nu, exempelvis i bioprintning och som tillsats i färg och kosmetik [3]. Framställningen av FineCells torra mikrocellulosapulver som heter Finecell Powder, sker genom en miljövänlig och energieffektiv kemisk process, vilket resulterar i en ekologiskt hållbar produkt [3].
Forskningsproblemet
Efterfrågan på miljövänligare och ekologiskt hållbara produkter har ökat och därför har även efterfrågan på miljövänligare termoplaster och lättare termoplaster ökat [4]. Cellulosans egenskaper gör att om den används som fibrer i en komposit kan leda till lägre densitet och förstärkta mekaniska egenskaper [5, s 1]. Därmed möjliggöra tillverkningen av en produkt som är mer ekologiskt och socialt hållbar samtidigt som den blir mer ekonomisk.
Disposition av rapporten
I kapitel 2 Bakgrund för examensarbetet beskrivs problemet, syfte, frågeställning, avgränsningar och företagskontext för examensarbetet. I kapitel 3 Vetenskapligt ramverk inom
materialteknik presenteras den teori som behövdes för genomförandet av examensarbetet olika
delar. I kapitel 4 Metod redovisas de metoder som användes i de olika faserna. I kapitel 5
Resultat presenteras resultatet av extrudering av filament, 3D-printing och materialprovning. I
kapitel 6 Diskussion värderas resultatet och vad fortsatt arbete kan undersöka. I sista kapitlet 7
Slutsatser presenteras de slutsatser som kunnat dras efter examensarbetet.
I följande kapitel 2 Bakgrund beskrivs problemet examensarbetet ska försöka lösa, även syfte och frågeställningen presenteras.
2 Bakgrund för examensarbetet
Kapitel 2 börjar med att förklara vad det är FineCell vill undersöka, och går sedan vidare med syfte och frågeställning och vad en lösning på frågan kan resultera i. Kapitlet avslutas med de avgränsningar som gjorts och vad FineCell har gjort inom området tidigare.
Nya tillverkningsmetoder såsom additiv tillverkning, tillåter mindre begränsningar för de former och geometrier som kan tillverkas med termoplaster än tidigare. Den additiva tillverkningsmetoden som kom att användas i denna rapport är Fused Filament Fabrication (FFF) [6], och kommer vidare att vara den metod benämns som ”3D-printning”.
Problemet
FineCell vill undersöka om det är möjligt med hjälp av deras mikrocellulosafibrer förstärka termoplasten ABS (Akrylnitril-Butadien-Styren). Detta för att skapa en komposit med förstärkta mekaniska egenskaper, vilket möjliggör för lägre materialåtgång. Det är därför av intresse att undersöka om det är möjligt att 3D-printa med en cellulosaförstärkt termoplast. De mekaniska egenskaper som i detta examensarbete avsågs att undersökas var: brottgräns, elasticitetsmodul, dissipativ energi och slagseghet.
2.1.1 Syfte
Studiens syfte var att undersöka hur de mekaniska egenskaperna hos kompositfilament av ABS påverkas med fiber av mikrocellulosa. Studien syftar även till att undersöka hur tillverkningsprocessen kan gå till. Genom att öka de tidigare nämnda mekaniska egenskaperna, kan en mindre mängd termoplast användas i produkter för att upprätthålla samma styrka. Med lägre materialåtgång och lägre vikt till följd, vilket är mer ekonomiskt. I detta fall med ABS skulle det även behövas en mindre mängd icke förnyelsebar råvara behövas vilket skulle vara mer socialt och ekologiskt hållbart.
2.1.2 Frågeställning
• Hur påverkas de mekaniska egenskaperna hos ett kompositfilament av Akrylnitril-Butadien-Styren (ABS) med fibrer av mikrocellulosa och hur påverkar tillverkningsprocessen resultatet?
2.1.3 Avgränsningar
FineCells mikrocellulosa pulver FineCell Powder användes och extruderades tillsammans med
Magnum 3453 ABS pellets från Trinseo (Berwyn, Pennsylvania). Mikrocellulosa användes och
andra sorters fibrer eller termoplaster undersöktes inte i detta examensarbete. De mekaniska egenskaperna undersöktes enbart på 3D-printade provbitar, fler materialegenskaper skulle kunna undersökas om utrustning för det finns att tillgå.
Företagskontext
Tidigare har FineCell undersökt deras fibrers potential i termoplast genom att tillsätta fibrerna i PP (Polypropen) och de fick då resultatet att 30 WT% (Weight percentage) fibrer gav likvärdig mekaniska egenskaper som ren PP men med 45 % lägre vikt [4]. Detta samtidigt som mikrocellulosa gör blandning mer ekologisk hållbar jämfört med att använda enbart PP [4].
Generell industriell kontext
Dickson et al. [6] granskade ett antal olika rapporter och kom fram till att de vanligare termoplasterna för 3D-printning att tillsätta fibrer i var: PLA (Polyaktid), ABS (Akrylnitril-Butadien-Styren), PP (Polypropen) och PEEK (Polyetereterketon), då med kolfiber, glas eller basalt som fibrer. Andelen fiber i kompositen låg mellan 5–60 WT%, men i de flesta fall inom intervallet 5-30 WT%, detta då för hög andel fibrer kan leda till försämrade mekaniska egenskaper och försvårar 3D-printingen.
Mokhena et al. [7] tar upp flera studier vilka delar resultatet om att elasticitetsmodul och sträckgränsen för kompositen höjs med cellulosa, samtidigt som förlängning till brott blev mindre [8,9]. Studierna använder sig även av kopplingsagenter för att förbättra bindningen mellan fiber och PLA-matrisen [8,9], tillsätta cellulosafibrer i nanostorlek till PLA har gett liknade resultat [10–12].
Mármol et al. [13] kommer fram till att både i PLA och PHA (Polyhydroxialkanoater) ger mikrocellulosa större variation i ytjämnhet jämfört med nanokristaller, vilket ger bättre möjligheter för laminära bindningar och adhesion mellan lager i laminära kompositer, exempelvis plastfilmsbeläggning på papper. Mikrocellulosa är även billigare än både nanokristaller och PHA vilket gör det till en ekonomisk utfyllnad samtidigt som det ökar vissa mekaniska egenskaper [13].
I en studie gjord av Wang et al. [14] använde de den hydrofobiska termoplasten PP som matris, de behövde då även använda kopplingsagenten MAPP (Maleic Anhydride Polypropylene) för att cellulosafibrerna skulle få god dispersion i matrisen. I en annan studie av Wang et al. [15] tillsatte de cellulosafibrer till PLA och använde då kopplingsagenten PEG600 (Polyethylene glycol 600). De konstatera att det var väldigt svårt att få god dispersion utan kopplingsagent i en “Single-screw” extruder och att kopplingsagent behövdes för att det skulle gå att tillverka filament [15].
I kapitel 3 Vetenskapligt ramverk inom materialteknik förklaras den teori som krävs för det vidare arbetet.
3 Vetenskapligt ramverk inom materialteknik
I kapitel 3 presenteras den teori från de områden som behövs för att bygga förståelse för hur och varför examensarbetet genomförs.
Polymerer är en typ av material som finns både naturligt i miljön och kan vara syntetiskt tillverkade. Polymerer delas in i tre grupper: härdplaster, elastomerer (gummi) och termoplaster. Uppbyggnaden av dessa är det som gör att materialegenskaper utmärker sig från varandra och många andra material, gemensamt för polymererna är att de är uppbyggda av monomerer som bildar långa polymerkedjor [1, s 22]. En karaktäristisk egenskap för härdplaster är att kedjorna inte kan brytas och återbildas under uppvärmning och därför svårt att omforma eller återvinna [1, s 22]. En karaktäristisk egenskap för elastomerer är att de kan töjas och sedan återgå till sin ursprungsform utan att kedjorna bryts, de går att omforma och tvärbinda kedjorna igen med hjälp av vulkanisering [16]. Termoplaster består av långa individuella kedjor vilka består även under uppvärmning vilket gör att de omformas utan att monomererna förlora sin struktur och sina egenskaper [1, s 22].
Termoplast
Inom gruppen termoplast finns det flera olika typer och många olika användningsområden, termoplaster står för ungefär 80 % [17] av den totala plastkonsumtionen i världen. Priset för de flesta termoplaster är lågt och tillgång är hög över hela världen. Termoplaster är ofta petroleumbaserade och den vanligaste råvaran är råolja och därför påverkas termoplastpriset av oljepriset [17, s 127].
I omställningen för att minska klimatpåverkan och övergången från fossila till förnyelsebara råvaror sker det mycket arbete och forskning inom området vad som skulle kunna användas som råvara istället för råolja [17, s 30]. De vanligaste råvarorna som används i biobaserade termoplaster idag är stärkelsebaserade och kommer från majs, socker eller ärtor [17, s 30]. Även andra polymerer som finns naturligt i naturen kan användas vid tillverkningen av termoplast, exempelvis lin eller bomull [18].
Fördelar med termoplaster jämfört med de flesta metaller är de är mer lättarbetade, har lägre smälttemperatur vilket gör de lättare att forma, relativt hög styrka för sin låga densitet och de har dålig ledning av elektricitet vilket gör de bra som isolatorer [1]. Det finns situationer där termoplaster har nackdelar jämfört med andra material, då de har begränsat temperaturintervall där de kan användas. Termoplaster blir sköra i lägre temperaturer och börjar mjukna i högre temperaturer. Det finns även termoplaster av högre kvalité så kallade Engineering
thermoplastics [19], vilka har betydligt bättre egenskaper och är tåligare mot vissa av de
nämnda nackdelarna, exempelvis tåla högre temperaturer. Dessa har fortfarande ett högt pris och begränsade områden där de är ekonomiskt att använda, tillgången är även lägre jämfört med vanliga termoplaster [19].
3.1.1 ABS (Akrylnitril-Butadien-Styren)
ABS (Akrylnitril-Butadien-Styren) är en petroleumbaserad termoplast och består av monomererna Akrylnitril, Butadien och Styren, tillsammans bildar de en amorf polymer [20]. Andelarna mellan dessa kan justeras för att påverka materialegenskaperna hos termoplasten, några varianter är High and medium impact, High heat resistance och Electroplatable [20]. För specificera användningsområdet utöver förhållandet mellan monomererna kan tillsatser användas för att öka smörjning, temperaturtålighet och UV-skydd [20].
ABS används i många sammanhang därför att den är billig, robust, slittålig och tål relativt höga temperaturer [21]. ABS kan även bearbetas med flera olika sorters maskiner för tillverkning och bearbetning, exempelvis formsprutning, extrudering och 3D-printning [20]. ABS är återvinningsbar till 100 % och i temperaturer under glastemperatur (cirka 100 °C) är den varken giftig eller farlig [20]. När ABS smälts frigörs gaser som är skadliga för människor och bör därför ske under väl ventilerade förhållanden [21].
ABS är hygroskopisk vilket betyder att den absorberar fukt från luften, fukt kan sedan påverka kvaliteten negativt under tillverkning [21]. Detta på grund av att ABS innehåller polära bindningar vilka gärna binder sig till vattenmolekyler [22]. För användning utomhus behövs skydd mot UV-ljus för att förhindra degradering antingen genom ytbeläggning eller tillsats [20]. ABS smälttemperatur är cirka 200 °C [21] beroende på förhållandet mellan monomererna. För bli tillräckligt flytande för att 3D-printas krävs en nozzletemperatur (temperaturen i munstycket) på 220-250 °C [21] vilket vanliga FFF 3D-printers klarar av. Utvidgningskoefficienten påverkar vad som händer med detaljen under printningsprocessen, när ABS svalnar så krymper den upp till 2 % och eventuella sprickor mellan lager eller Warping (slår sig) kan då uppkomma [21]. För att förebygga detta krävs god vidhäftning mot byggplattan genom uppvärmning av plattan till cirka 90-110 °C och eventuellt lim, även uppvärmd inkapsling av printvolymen förebygger krympning under printning [21].
Cellulosa
Cellulosa är en polysackarid vilket är en polymer som finns naturligt i olika typer av växter, den är uppbyggd av monosackaridkedjor som binds samman med vätebindningar [5, s 1]. Cellulosa är nedbrytbar i naturen och är stark med en låg densitet. Dessa egenskaper gör att om den kan användas som fiber i en komposit kan leda till lägre densitet, lägre kostnad, mindre miljöpåverkan och förbättrade mekaniska egenskaper [5, s 1].
3.2.1 Mikrocellulosa
För att få fler användningsområden för cellulosafibrer kan de tas fram i mindre mikrofibrer (längd 10-20 μm [4]). Mikrofibrer kan sedan förminskas till nanostorlek (längd 100-900 nm, bredd 3-4 nm [4]) genom skjuvning av mikrofibrerna som sker under kompoundering med termoplast i en ”Twin-screw” extruder. Mikrofibrer är hydrofila och har hög ytenergi vilket betyder att de lätt binder sig med andra molekyler med hög ytenergi som exempelvis vatten [23]. Mikrocellulosa absorberar därför fukt från luften och bör torkas innan användning, hur mycket och hur fort fukt binder sig till cellulosafibrerna beror på dess form och struktur [24].
Komposit
En komposit består av minst två olika material där vanligtvis den ena är matris och den andra fibrer, genom att kombinera två olika material erhålls ett nytt material med andra egenskaper jämfört med materialen var för sig [17, s 821]. Fibrerna fördelar påfrestningen från matrisen ut i ett större område och på så sätt minskar påfrestningen i specifika punkter, jämfört med material utan förstärkning. En viktig aspekt vid användning av kompositer är att riktningen av fibrerna påverkar och kan ge kompositen anisotropiska materialegenskaperna, vilket betyder att egenskaperna skiljer sig åt beroende på vilken riktning det utsätts för krafter [17, s 821]. Materialegenskaperna hos en komposit påverkas av eventuella brister som föroreningar och porositet. Dickson et al. [6] konstaterar att kvalitén i en 3D-printad detalj påverkas av hur
mycket porositet det finns i filamentet och i den slutgiltiga detaljen. För att förebygga porositet i filamentet kan tiden som fibrerna blandas i den smälta termoplasten vara lång, även ett högt tryck kan hjälpa till att minska porositeten [6].
3.3.1 Fibrer
Vanliga material som fibrer i kompositer är glas, kolfiber eller cellulosa. Formen och storlek på fibrerna kan vara tyg, tråd eller korta fibrer [17, s 823]. Vilken typ som bör användas beror på hur detaljen designas och ska användas, då de olika typerna har fördelar och nackdelar. Gemensamt för alla fibrer är att de har högt Aspect-ratio [17, s 821], vilket betyder förhållandet mellan längd och diameter på fibrerna är högt.
Kompositens materialegenskaper påverkas av adhesionen mellan fibern och matrisen, det vill säga hur väl fibern och matrisen binds till varandra. Detta område kallas för interface [25, s 39] och kan se olika ut beroende på vilka material som ingår. Interfacen kan vara en diffusionszon vilket betyder att materialen till viss del diffunderar ihop, det kan även ske genom kärnbildning eller kemisk reaktion [25, s 39]. Hög ytenergi leder till att de två komponenterna lättare binder sig till varandra. För en starkare bindning mellan fiber och matris kan kopplingsagenter användas för att påverka interfacen [25, s 39], detta är något som kan behövas då fibrer eller matris är opolära och inte gärna binder till det andra material. De flesta termoplaster är hydrofobiska och har låg ytenergi, vilket leder till att de hygroskopiska cellulosafibrerna med hög ytenergi, får svårt att binda och sprida sig i termoplastmatrisen [23].
Effekten av att tillsätta korta fibrer i en polymer leder ofta till att elasticitetsmodul ökar och slagsegheten minskar [25, s 2]. Undantag när matrisen är en skör polymer då kan fibrer öka även slagsegheten och elasticitetsmodul.
Andelen fibrer i kompositen påverkar materialegenskaperna och en högre andel leder till högre elasticitetsmodul upp till en viss gräns [26]. Denna gräns avgörs av hur väl fibrerna och matris binds i interfacen och när alla fibrer inte längre kan bindas till matrisen. Fibrer kan påverka smälttemperatur och smält flödeshastighet vilket kan försvåra användningen av kompositen som filament till 3D-printning [27]. Det finns risk att agglomerering sker (fibrer samlas i klumpar) eller att fibrer fastnar och blockerar nozzlen (munstycket) under extrudering [26].
3D-printning
3D-printning är ett annat namn för additiv tillverkning (Additive manufacturing, AM) och innefattar olika tillverkningsmetoder för tre-dimensionella detaljer. Några av fördelarna med 3D-printning jämfört med andra tillverkningsmetoder, är att det går att tillverka komplexa geometrier med stor designfrihet och lite spillmaterial [6]. Det finns olika typer av 3D-printers vilka är designade för olika material som metall, termoplast eller kompositer. Dessa fungerar på olika sätt och är till för olika byggmaterial, och har därför olika temperaturintervall och typ av uppvärmning. Gemensamt är att byggmaterialet smälts samman och tvärsnitt av detaljen tillverkas lager för lager (X- och Y-plan) och bygger sedan på höjden (Z-led).
En 3D-printmetod är Fused Filament Fabrication (FFF) vilken även kallas för Fused
Deposition Modelling (FDM) [6]. Byggmaterialet är vanligtvis en polymer eller komposit i en
tråd upprullad på en rulle vilket kallas för filament. Filamentet matas sedan fram och pressas genom ett uppvärmt nozzle (munstycke) för att smälta och sedan överföras till byggplattan. När hela första lagret är klart byggs sedan andra lagret ovanpå det första och så vidare.
Det finns flera parametrar som påverkar materialegenskaperna och kan enligt Cuan-Urquizo et al. [28] delas in i tillverkningsparametrar och strukturella parametrar. Tillverkningsparametrar innefattar bland annat nozzletemperatur, byggplattans temperatur, nozzlehastighet (hastigheten munstycket rör över byggplattan), de strukturella parametrarna innefattar lagertjocklek (höjd), rastervinkel (mönster av innanmätet) och riktning printingen sker i.
Materialprovning
För att prova materialegenskaperna hos additivt tillverkade geometrier på ett jämförbart och repeterbart sätt, finns standarden ISO/ASTM 52 900:2015. Delen som är för additiv tillverkning av plast är ISO/ASTM 52 903-2:2020 och heter Specifikation för extrusionsbaserad additiv
tillverkning av plastmaterial [29]. Denna hänvisar sedan till ISO 527-2 Plast-Bestämning av töjningsegenskaper [30] och ISO 179-1 Bestämning av slagseghet med charpyprov – Del 1: Icke-instrumenterad provning [31].
3.5.1 ISO 527–2:2012
Internationella standarden för att testa termoplasters sträckgräns är ISO 527-2:2012 [30,32]. Standarden används för termoplaster som är oförstärkta och fiberförstärkta med korta fibrer. Standarden kan testa termoplaster tillverkade genom formning, extrudering, maskinbearbetning eller gjutning (notera att additiv tillverkning officiellt inte ingår i standarden, men bland annat dragprovsstavarnas dimensioner är lämpliga att använda även för ISO/ASTM 52 900:2015). De mekaniska egenskaper som ingår i ISO 527–2 och fås från dragprovning är: brottgräns, elasticitetsmodul (E-modul) och förlängning. Dragprovsstavar ska ha en tjocklek på 4 mm, nominell bredd på 10 mm och en mätlängd på 75 mm [30] och minst 3 stycken dragprovsstavar för varje material. Dragprovstavarnas övriga mått följer Typ 1A se ritning och tabell i Bilaga A.
3.5.2 ISO 179–1:2010
Internationella standarden för att testa termoplasters slagseghet med charpyprov är ISO 179-1:2010 [31]. Standarden används för termoplaster som är fiberförstärkta med korta fibrer. Standarden kan testa termoplaster som är tillverkade genom formning, extrudering, maskinbearbetning och gjutning (notera att additiv tillverkning officiellt inte ingår i standarden, men antal provstavar och slagprovsstavarnas dimensioner är lämpliga att använda även för ISO/ASTM 52 900:2015). Slagprovsstavar ska ha en tjocklek på 4 mm, bredd på 10 mm och en längd på 80 mm, minst 10 slagprov för varje material [31]. Slagprovbitarnas mått följer Typ 1 se ritning och tabell i Bilaga B.
Nästkommande kapitel 4 Metod förklaras hur examensarbetet genomfördes utifrån teorin i bakgrunden och det vetenskapliga ramverket.
4 Metod
I detta kapitel presenteras hur examensarbetet och forskningsprocessen genomfördes och vilka faser det har genomgått. I varje fas motiveras hur arbetet skett och vilken eller vilka metoder som användes.
I Figur 1 visas hur genomförandet gått till och vilka olika faser som ingått i examensarbetet.
Figur 1. Flödesdiagram över forskningsprocessen.
Föregående steg behövde vara klart med tillfredsställande resultat innan arbetet kunde fortskrida till nästa steg, därför krävde vissa steg mer arbete än andra steg.
Förstudie
En litteratursökning genomfördes för att ta reda på vad och hur andra har gjort tidigare, detta återfinns i avsnitt 2.3. Litteratur granskades för att få svar på frågor på hur arbetet bör gå till, hur 3D-printning och materialprovningen utförs på ett standardiserat arbetssätt, detta återfinns i kapitel 3.
Extrudering av filament
I avsnitt 3.2.1 blev det tydligt att hanteringen av den torkade cellulosan innan extrudering påverkar hur mycket fukt som hinner absorberas på nytt efter det att cellulosan lämnat ugnen. Olika arbetssätt, torkprocesser och utrustning påverkar resultatet på filamentet och de 3D-printade provbitarna, olika metoder kommer därför genomföras.
Två olika metoder av förberedelser och torkning inför extrudering genomfördes. Den första metoden kallas Metod 1, och ställer låga krav på torkugnen och hanteringen av pellets och mikrocellulosa. Den andra metoden kallas Metod 2, syftet med denna metod är ytterligare åtgärder för att undvika att ny fukt hinner absorberas, genom högre temperatur under torkning och kortare tid för kontakt med rumstemperarad luft. Metod 2 ställer högre krav på extruderingsutrustning och hur pellets och mikrocellulosa hanteras innan extrudering.
Kvalitetssäkring av filament
Konstant och rätt diameter är viktigt för att filamentet ska gå att använda vid 3D-printning, diametern kontrollerades genom mätningar innan spolning med en digital mikrometer. För att kontrollera kvalitén på filamentet undersöktes stickprov med hjälp av en CT-scanner (Computer tomography, datortomografi). Detta visade porer och hur fibrerna har fördelat sig inom filamentet.
3D-printning av provbitar
Materialprovning utfördes enligt ISO-standarderna: ISO/ASTM 52903-2:2020, 527-2:2012 och 179-1:2010 [29–31], detta för att få ett reliabelt resultat. Inställningarna och parametrar under 3D-printningen var desamma för alla provstavar och filament, för att undvika eventuella skillnader i exempelvis lager adhesion som bland annat påverkas av nozzletemperatur.
Materialprovning
De tillverkade provbitarna provades sedan för att ta reda på de mekaniska egenskaperna; sträckgräns, brottförlängning och elasticitetsmodul från dragprovning och slagseghet från slagprovning. Resultatet från testerna klassificerades och delades in enligt klasserna i tabeller, för att läsaren med enkelhet ska kunna jämföra (komparera) de olika fiberförstärkta termoplasterna med termoplast utan fibrer [33].
Analys av hårddata, resultat och slutsats
Den kvantifierade hårddatan som samlades in i materialprovningen sammanställdes och genomsnitt beräknades för varje typ av prov och filament. Grafer och tabeller visade resultat och trender för de olika typerna av prov. För att avgöra om den fiberförstärkta termoplasten blev starkare jämfört med den rena termoplasten kunde de sedan jämföras (komparation). Utifrån kunskapen från litteratursökningen i inledningen av rapporten tillsammans med analysen av materialprovningen kunde slutsatser dras om fiberförstärkning gav förändrade mekaniska egenskaper och varför.
Metodologiska överväganden
Det finns risk att från undersökningen av filament, 3D-printade provbitarna och komparation av mätvärdena dra slutsatser som inte stämmer. Under extrudering av filament eller 3D-printning kan det uppkomma variationer i diameter eller fiberdispersion, kontaminering eller andra fel som påverkar resultatet. Mätfel från provning och utrustning kan även uppkomma och därför ge missvisande resultat.
Det kan vara så att mikrocellulosan ger förstärkta mekaniska egenskaper till filamentet, men även att fiberförstärkt filamentet lämpar sig mindre för 3D-printning jämfört med icke förstärkt filamentet. Att använda tillverkningsmetoden formsprutning som enbart smälter termoplasten en gång, och inte ger några invändiga porer på grund av 3D-printningsmönster. Skulle kunna ge annat resultat för fiberförstärkt ABS, jämfört med filamentet och 3D-printade provbitarna. Utrustningen som användes var sådan som fanns att tillgå i Örebro Universitets maskinlaboratorium. Extruder för tillverkning av filament var en Filabot- EX2 (Single-screw extruder) tillsammans med Filabots Airpath och Spooler, dessa tre tillsammans bildar en filamentproduktionslina se bild i Bilaga C. Vågen som användes var en HX2002T med 0,01 g noggrannhet. Mikrometern som användes för att mäta diametern var en Mitutoyo 293-821-30 med 0.001mm noggrannhet. CT-scannern som användes var en Bruker Skyscan 1272. Slicerprogrammet som användes var Cura 4.7, 3D-printern för tillverkning av provbitar var en
Creality Ender 3. Dragprovning skedde i en Instron 4486 kraftcell. Klimatet var uppmätt med
en Co/tech Indoor Thermometer/Hygrometer E0119TH.
Pendelhejaren som användes vid slagprovningen hade manuell avläsning och slagproven gav endast ett litet utslag på skalan vilket gjorde att det var små skillnader på skalan mellan de olika slagproven, noggrannheten skulle därför kunna förbättras med mer noggrann slagprovningsutrustning.
Etiska avvägande
Det är viktigt att författaren följer de principer och normer som finns inom ingenjörsetik och forskningsetik. För att undersökningen ska bli etisk korrekt måste den kunna besvara följande: ge både praktisk och teoretisk kunskap (detta beskrevs i kapitel 1 och 2), ha god vetenskaplig kvalitet (vilket är beskrivet i inledningen på kapitel 4 och avsnitt 4.1) och genomföras på ett etiskt tillvägagångssätt [33, s 260-1]. I detta examensarbete tas en ny teknisk lösning fram och det är därför viktigt att ha betänkt vilka konsekvenser det kan få för samhället innan och under arbetet [33, s 261].
I nästa kapitel 5 Resultat presenteras resultatet från arbetet som har följt de presenterade metoderna i detta kapitel.
5 Resultat
Kapitel 5 följer de metoder och arbetsordning som presenterades i kapitel 4 Metod och i Figur 1.
Tillverkning av filament, provbitar och materialprovning genomfördes med hjälp av teorin i bakgrunden och det vetenskapliga ramverket tillsammans med de metodval som gjordes i förra kapitlet.
Extrudering av filament
Gemensamt för båda metoderna är inställningarna av extruder, nedkylning och spolning. Inställningarna som användes var Screw speed på 24 varv per minut (~60 % på Filabot EX2), extrudertemperatur på 220 +/- 3°C och Airpath speed 80 % (avsvalning). Nozzlediameter var 1,75 mm. Varje typ av filament gjordes i totalvikt på 400 gram för Metod 1 och 300 gram för
Metod 2. Diametern på filamentet var 1,75 mm med avvikelse +/- 0,05 mm.
5.1.1 Metod 1
ABS-pellets och mikrocellulosa torkades separata i en ugn under 2h i 90 °C. De torkade fibrerna och pelletsen vägdes upp med en noggrannhet på 0,01 g. De uppvägda delarna blandas manuellt i en glasbehållare så att de beige fibrerna okulärt täckte de vita plastpelletsena jämt. Tiden från och med cellulosa och pellets plockades ut ur ugnen, båda delarna vägdes upp och blandades tog 10–15 minuter. Rumstemperatur var 22 +/- 0,5 °C och den relativa luftfuktigheten var 28 +/- 2 %.
Blandningen hälldes sedan i extrudertratten (silvriga rektangeln ovanpå extrudern i bilaga C). Det första av blandningen nådde extruderskruven direkt och resten av innehållet i tratten tömdes på 30–35 minuter.
Försök att extrudera med 5 WT% mikrocellulosa gjordes men filamentet blev sprött och det bröts när det skulle spolas upp på rullen, därefter extruderades de lägre fiberandelarna 1,2 och 3 WT%. Finjusteringar av Screw speed gjordes för att säkerställa konstant och rätt diameter för fiberblandningarna. Detta arbetssätt repeterades sedan för fiberblandningarna 1, 2 och 3 WT%. Det blev en tydlig visuell skillnad i färgen mellan de olika blandningar och med enkelhet kunde 0, 1, 2, 3 och 5 WT% urskiljas från varandra, se Figur 2.
Figur 2. Filament med diameter på 1,75 mm, från vänster till höger 0, 1, 2, 3 och 5 WT%.
Högre andel fibrer resulterade i en mer beige färg och större variation i ytjämnhet jämfört med det vita ABS-filamentet.
5.1.2 Metod 2
ABS-pellets och mikrocellulosa torkades separata i en ugn under 1h i 120 °C. De torkade fibrerna och pelletsen vägdes sedan upp med en noggrannhet på 0,01 g. De uppvägda delarna blandas manuellt i en glasbehållare så att de beige fibrerna okulärt täckte de vita plastpelletsena jämt. Tiden från och med cellulosa och pellets plockades ut ur ugnen, delarna vägdes upp och blandades tog 10–15 minuter. Rumstemperatur var 21 +/- 0,5 °C och den relativa luftfuktigheten var 22 +/- 2 %.
De blandade pelletsen och mikrocellulosan och torkades ytterligare 1h i 120 °C. Blandningen hälldes sedan direkt från ugnen ner i en uppvärmd behållare i extrudertratten där det första rann ur behållaren och nådde extruderskruven direkt, behållaren tömdes sedan på 15–20 minuter. Behållaren höll en temperatur på 117 +/- 2 °C och hade ett icke lufttätt lock för att försvåra värmetransport ur behållaren.
Finjusteringar av Screw speed gjordes för att säkerställa konstant och rätt diameter för fiberblandningarna 5 och 10 WT%. Försök att extrudera med 15 WT% fibrer gjordes men filamentet blev oregelbundet när det kom ut ur extrudernozzeln, det gick inte att få till ett filament trots ändringar av extruderinställningar.
Det blev en tydlig visuell skillnad i färgen mellan de olika blandningar och med enkelhet kunde 0, 5 och 10 WT% urskiljas från varandra, se Figur 3.
Figur 3. Filament med diameter på 1,75 mm, från vänster till höger 0, 5 och 10 WT%.
Högre andel fibrer resulterade i en mer beige färg jämfört med det vita ABS-filamentet. Kvalitetssäkring av filament
Medelvärdet på diametern som försökte uppnås var 1,75 mm med avvikelse +/- 0,05 mm. Inom detta intervall fluktuera diametern utan att justering av inställningarna, och var därför svår att undvika.
5.2.1 CT-scanning
Vid undersökning av innanmätet av filamentet användes en CT-scanner och resultatet från denna visar att många av filamenten innehåller porer. De filament tillverkade med Metod 1 visar att en högre andel fibrer också leder till en större andel porer, se Figur 4.
Figur 4. CT-scanning av filament tillverkat med Metod 1 med 0, 1 och 5 WT%. De runda mörka prickarna inom filamentet är porer, de ljusa sträcken i 1 och 5 WT% är mikrocellulosa. Notera skillnad i skala på 1 WT% jämfört med övriga.
De filament tillverkade med Metod 2 visar att en högre andel fibrer inte leder till en större andel porer, se Figur 5.
Figur 5. CT-scanning av filament tillverkat med Metod 2 med 5 och 10 WT%. De ljusa sträcken är mikrocellulosa. Notera skillnad i skala.
3D-printning av provbitar
För att inte provbitarna skulle påverkas av ändringar av inställningarna användes samma inställningar för alla provbitar och fiberblandningar. Inställningar togs först fram för 3 WT%. Nozzletemperaturen försöktes få låg för att undvika degradering av cellulosan. Dessa inställningar fungerade sedan även till övriga blandningar och ren ABS.
För 3D-printningen användes slicerprogrammet Cura 4.7. Enligt ISO 52903–2 som beskrevs i avsnitt 3.5 är de parametrar som påverkar produktionen och reproducerbarheten:
- Nozzle temperature: 250 °C
- Feed rate: 110 % flow, print speed 30 mm/s (first layer 10 mm/s) - Nozzle diameter: 0,8 mm
- Layer thickness: 0,4 mm
- Contour and infill: 3 wall line count and 100 % infill - Build envelope temperature: -
- Build platform temperature: 90 °C (glass bed)
- Manufacturing time: 40 min för en dragprovsstav och 15 min för en slagprovsstav Ordningen lagerna blev printade i var först de 3 ytterkonturvarven och sedan det inre. Mönsterriktning för det inre mönstret var i Y-led (längdled) och X-led (tvärgående) i vartannat lager, vilket ger totalt 5 lager i Y-led och 5 lager i X-led, se Figur 6. Slagprovsstavarna hade samma inställningar och printades i Y-led ”l” och X-led ”b” och byggdes på höjden ”h” i Bilaga B.
Färgskillnaden mellan de olika filamenten var synligt även efter 3D-printning, se Figur 7 och 8.
Figur 7. Dragprovsstavar enligt ISO 527–1 typ 1A, med Metod 1, från vänster till höger 0, 1, 2 och 3 WT%.
Figur 8. Dragprovsstavar enligt ISO 527–1 typ 1A, med Metod 2, från vänster till höger 0, 5 och 10 WT%.
Materialprovning
Dragprov och slagprov utfördes enligt den teori som beskrevs i avsnitt 3.5.1 på de 3D-printade provbitarna och genomsnitt av mätvärdena presenteras i tabeller nedan. 5.4.1 Dragprov för Metod 1
Några provstavar fick tydliga småfel från 3D-printningen och togs därför inte ut som de primära tre första dragproven. Men de provades ändå som de fjärde provstavarna i 1 och 2 WT%, de utmärkte sig inte från övriga och data från dessa inkluderades därför i beräkningar av genomsnitt. Resultatet från dragprovningen kan ses i Tabell 1, dragprovskurvorna kan ses i sin helhet i Bilaga D. Dragprovningen genomfördes vid en rumstemperatur på 22,2 +/- 0,5 °C och relativ luftfuktighet på 17 +/- 2 %.
Tabell 1. Genomsnitt för respektive fiberandel från dragprovningen.
Andel fiber Elasticitetsmodul (MPa) Brottgräns (MPa) Brottförlängning Dissipativ energi (MJ/m2) Metod 1 0 WT% 2019 31,9 2,77 % 0,173 1 WT% 1788 25,9 2,86 % 0,219 2 WT% 1635 21,0 3,90 % 0,397 3 WT% 1012 11,2 2,57 % 0,071
Elasticitetsmodul och brottgräns sänktes för alla dragprov med mikrocellulosa. För 1 och 2 WT% ökade brottförlängning jämfört med 0 WT%. Den dissipativa energin blev även större för 1 och 2 WT% då det plastiska området var större jämfört 0 WT%. 3 WT% fick betydligt lägre elasticitetsmodul, brottgräns, förlängning och dissipativ energi jämfört med 0 WT%. Vid undersökning av brottytorna på dragprovsstavarna i Figur 9 syns tydligt att porerna i filamentet är kvar i de 3D-printade provstavarna, högre andel fibrer har lett till en högre andel porer. Även mönstret som beskrevs i 5.3 syns därför att strängarna inte smält ihop helt.
Figur 9. Brottytor på dragprovsstavarna, de mörka runda prickarna inom strängen är porer som kommer från filamentet, de triangulära eller kantiga porerna kommer från 3D-printningen och blir till mellan lager och strängar. Skalorna visar 5000 µm vilket är halva bredden på brottytan.
Högre andel fibrer har lett till sämre adhesion mellan lagerna och strängarna. Nedre delen på brottytorna är den sida som har legat mot den uppvärmda byggplattan och har varit närmare högre temperatur. Därför har de första lagerna smält ihop bättre vilket resulterar i färre porer mellan strängarna i botten (syns tydligt i 0 och 1 WT% i Figur 9).
5.4.2 Dragprov för Metod 2
Resultatet från dragprovningen kan ses i Tabell 2 nedan, dragprovskurvorna kan ses i sin helhet i Bilaga D. Dragproven genomfördes vid en rumstemperatur på 21,3 +/-0,5 °C och relativ luftfuktighet på 25 +/- 2 %.
Tabell 2. Genomsnitt för respektive fiberandel från dragprovningen.
Andel fiber Elasticitetsmodul (MPa) Brottgräns (MPa) Brottförlängning Dissipativ energi (MJ/m2) Metod 1 0 WT% 2019 31,9 2,77 % 0,173 1 WT% 1788 25,9 2,86 % 0,219 2 WT% 1635 21,0 3,90 % 0,397 3 WT% 1012 11,2 2,57 % 0,071 Metod 2 5 WT% 2136 31,5 2,46 % 0,039 10 WT% 2036 29,7 2,87 % 0,144
För 5 WT% hade elasticitetsmodulen ökat med nästan 6 % jämfört med 0 WT%, brottgränsen var ungefär densamma. Förlängningen och den dissipativa energin var lägre jämfört med 0 WT%. För 10 WT% förblev elasticitetsmodul och förlängningen ungefär lika med 0 WT%, brottgräns och den dissipativa energin hade sänkts.
Vid undersökning av brottytorna på dragprovsstavarna Figur 10, syns det färre porer än 1, 2 och 3 WT% i Figur 9, trots en högre andel fibrer.
Figur 10. Brottytor på dragprovsstavarna, de mörka runda prickarna inom strängen är porer som kommer från filamentet, de triangulära porerna kommer från 3D-printningen och blir till mellan lager och strängar. Skalorna visar 5000 µm vilket är halva bredden på brottytan.
Högre andel fibrer har lett till sämre lageradhesion mellan lagerna och strängarna. Noterbart är att 10 WT% har fler porer i första lagret än de efterföljande, vilket kan betyda oregelbundenhet av porer i filamentet.
5.4.3 Slagprov
Resultatet från slagprovningen presenteras i Tabell 3 nedan och utfördes som beskrivet i avsnitt 3.5.2. Slagprovning av alla filament extruderat med Metod 1 och 2 genomfördes i 22,2 +/- 0,5 °C och luftfuktighet 17 +/- 2 %.
Tabell 3. Genomsnitt för respektive fiberandel från slagprovningen.
Metod 1 Metod 2
0 WT% 1 WT% 2 WT% 3 WT% 5 WT% 10 WT%
29,8 24,3 24,1 10,1 28,7 28,7 KJ/m2
Gemensamt för Metod 1 och Metod 2 var att fibrer gav en lägre slagseghet jämfört med 0 WT%. Både 5 och 10 WT% tillverkade med Metod 2 hade en större slagseghet än 1, 2 och 3 WT% tillverkade med Metod 1.
6 Diskussion
Följande kapitel börjar med att resultatet värderas och sedan ges förslag på vad fortsatt arbete skulle kunna undersöka.
I bilderna från CT-scanningen Figur 4 och bilderna på brottytorna i Figur 9, syns det tydligt att ökad andelen mikrocellulosafibrer i Metod 1 leder till ökad andel porer. I Figur 9, 3 WT%, syns mycket porer och att det är dålig kvalité på 3D-printningen. I Tabell 1 syns det även att 3 WT% fick betydligt lägre mekaniska egenskaper jämfört med ren ABS. Brottytorna i Figur 9 visar att det har smält ihop dåligt mellan lager och strängar då det är luft mellan strängarna. Detta kan vara på grund av att porerna och fibrerna påverkar smältviskositeten, och därför inte bli lika flytande som ren ABS trots samma temperatur vid 3D-printning. Porer i filamentet kan frigöras när det kommer ut genom nozzeln, mängden material som kommer ut är då mindre än vad det skulle vara i ett solitt filament, det leder till att det saknas material för att fylla ut ordentligt mellan strängarna.
Värdering av resultat
Brottytorna och mätvärdena i tabellerna visar tydligt att porer har en stor påverkan på de mekaniska egenskaperna. Anledningen till porernas uppkomst är att fukt från luften hinner absorberas och binda sig till de hydrofila cellulosafibrerna innan extrudering. När blandningen extruderas värms den upp till över 200 °C vilket gör att fukten förångas och kapslas in i filamentet. Det är därför Metod 2 har fler åtgärder för att minska risken att fukt hinner absorberas innan extrudering, den ökade temperaturen vid torkning och torkning efter uppvägning, torkar ur mer fukt innan extrudering än Metod 1. Den åtgärd som troligtvis gör störst nytta är den uppvärmda behållare blandningen ligger i innan den kommer i kontakt med extruderingsskruven, därför att den bibehåller blandningens temperatur på över 100 °C, vilket minimerar risken att ny fukt absorberas. Jämfört med att blandningen annars ligger exponerad i rumstemperad luft. Bilderna från CT-scanningen 4 och 5 och brottytorna Figur 9 och 10 bekräftar att det i Metod 2 inte uppkommit lika mycket porer som med Metod 1 trots högre andelar fibrer.
Alla av de provade mekaniska egenskaperna förutom brottförlängning och den dissipativa energin för filament tillverkat med Metod 1 sänktes med en ökad fiberandel, vilket syns i resultatet från både dragprovning och slagprovning i Tabell 1 och 3.
För Metod 2 hade elasticitetsmodulen för 5 WT% ökat med nästan 6 % jämfört med ren ABS, brottgränsen var ungefär densamma. Förlängningen, slagseghet och den dissipativa energin var lägre jämfört med ren ABS. Elasticitetsmodul för 10 WT% hade inte ökat lika mycket som 5 WT% och förlängningen var ungefär lika som ren ABS, brottgräns och den dissipativa energin hade sänkts.
Gemensamt för Metod 1 och Metod 2 är att dragprovskurvorna för dragprovsstavarna tillverkade från samma filament skiljer sig lite från varandra, se Bilaga D, detta tyder på att det finns variation mellan dragprovsstavarna. Det kan vara filamentet som har skillnader i diameter, oregelbunden spridning av fibrerna eller oregelbundet spridda porer, se Figur 10 och 10 WT%, där det är mer porer i första lagret än de efterföljande. Det kan även uppkomma skillnader under 3D-printningen, exempelvis skillnader i rumstemperatur eller i nozzeln. Mätvärdena från dragprovningen kan även variera om staven har suttit snett monterat och därför gett avvikande resultat. I de tvärsnitt som visas i Figur 5 ser det ut att vara mer fibrer i 5 WT% än 10 WT%,
det kan vara för att det är ojämnt fördelade fibrer i precis det tvärsnitt som visas. Denna variation är något som påverkar validiteten, att utföra fler prover för varje fiberandel kan förbättra validiteten. För att förbättra reliabiliteten skulle fler omgångar av samma fiberandel extruderas igen och provas, och på sätt undersöka hur tillförlitlig och repeterbara metoderna är.
Färgen på mikrocellulosan var beige och därför är det troligt att en högre andel fibrer även resulterar i en mer beige färg än den vita ABS som användes. Vid jämförelse av Figur 2 och 3 och Figur 7 och 8, syns det att de lägre fiberandelarna som användes i Metod 1 gav en mörkare färg än högre fiberandelarna i Metod 2. Spridning av fibrer inom ett och samma filament kan ha varierat, men det borde då varit lätt att urskilja skillnader i färgen på filamentrullen eftersom det blev tydlig skillnad i färg mellan de olika fiberandelarna i Figur 2 och 3.
Vid jämförelse av resultatet i Tabell 2 och 3 med Metod 1 mot Metod 2, blir det tydligt att hanteringen av fibrerna och hur mycket fukt de exponeras för innan extrudering är avgörande för kvalitén på filamentet. Även om fibrerna kan bidra till förstärkning är de negativa effekterna av porerna stora.
Provbitarna med 5 och 10 WT% tillverkat med Metod 2, gav mikrocellulosan ökad elasticitetsmodulen, vilket var en av de sökta mekanisk egenskaperna. Det skulle därför kunna gå att använda en mindre mängd material jämfört med icke förstärkt ABS i en produkt. Samtidigt som produkten bibehåller jämförbar mekanisk styrka, vilket är mer ekonomiskt. Mindre material och lägre vikt kan leda till lägre bränsleförbrukning vilket är positivt för miljön och mer socialt hållbart. Med ABS som matris skulle en mindre mängd icke förnyelsebar råvara (råolja i ABS) behövas, och i stället ersättas med en förnyelsebar (mikrocellulosa), vilket är mer socialt och ekologiskt hållbart.
Förslag på fortsatt arbete
Materialegenskaperna hos kompositen påverkas till stor del av hur mycket porer den innehåller, det vore därför bra med ytterligare åtgärder för att förebygga ny fukt absorberas av cellulosan. En åtgärd för att förebygga fukt är att använda en lufttät uppvärmd behållare som blandningen ligger i och sedan mata skruven direkt. I och med att elasticitetsmodulen höjs för 5 och 10 WT%, finns det potential för ytterligare förstärkning med ökad fiberandel. Det kan uppkomma porer och defekter i de 3D-printade provbitarna som inte är synliga på ytan, det skulle därför vara intressanta undersöka även de i en CT-scanner.
Ytbehandling eller modifikation av mikrocellulosan kan leda till att de binds bättre till matrisen. FineCell har ett hydrofobmodifierat mikrocellulosapulver som kan leda till bättre bindning och mindre porer. Användning av kopplingsagenter i kompositen kan leda till bättre bindning mellan fibrer och matris, och då leda till höjda mekaniska egenskaper.
I framtida arbeten skulle det vara intressant att tillverka filament med en ”Twin-screw” extruder. Det borde ge en jämnare spridning av fibrerna och även öka skjuvning av mikrocellulosan, för att förminska den till nanofibrer. Materialprovning utfördes bara på 3D-printade provbitarna tillverkade av det extruderade filamentet. I vidare arbete skulle andra termoplaster och andra tillverkningsmetoder vara intressant att undersöka, exempelvis formsprutning. Därför att fördelningen och riktningen på fibrerna skulle kunna se annorlunda ut och därför ge ett annat resultat. Att använda en biobaserad termoplast i stället för att använda en petroleumbaserad skulle leda till mindre negativ påverkan på miljön och mindre sociala problem.
7 Slutsats
I det sista kapitlet upprepas syftet och frågeställningen för att sedan besvaras med hjälp av det resultat och diskussion rapporten resulterat i.
Syftet med examensarbetet var att undersöka hur de mekaniska egenskaperna i ABS förändras med förstärkning av mikrocellulosafibrer, och hur tillverkningen av ett filament för 3D-printning kan gå till. En starkare termoplast som går att 3D-printa med kan leda till lägre materialåtgång och lägre vikt på olika produkter, vilket är positivt för miljön, socialt och mer ekonomiskt. Frågeställningen examensarbetet utgått ifrån är:
• Hur påverkas de mekaniska egenskaperna hos ett kompositfilament av Akrylnitril-Butadien-Styren (ABS) med mikrocellulosafibrer och hur påverkar tillverkningsprocessen resultatet?
De mekaniska egenskaperna elasticitesmodul, brottgräns, brottförlängning, dissipativ energi och slagseghet, påverkas av hur mycket mikrocellulosa och porer det är och hur väl filamentet fungerar att 3D-printa med. I resultatet blir det tydligt att det är nödvändigt att torka mikrocellulosan och pellets innan extrudering, och förbygga att ny fukt inte hinner absorberas. Detta för att undvika porer blir till på grund av inkapslad fukt. Porerna medför att de mekaniska egenskaperna för mikrocellulosafilamentet (vilka återfinns i Tabell 1, 2 och 3) i de flesta fall försämras jämfört med filamentet utan mikrocellulosa.
En av de sökta mekaniska egenskaperna var ökad elasticitetsmodulen vilket erhölls med hjälp av Metod 2 med 5 och 10 WT%, utmärkande för 5 och 10 WT% filamentet var att andelen porer var låg jämfört med övriga filamenten med mikrocellulosa. Om porer kan undvikas finns det potential för ytterligare ökning av de mekaniska egenskaperna med ökad fiberandel.
8 Referenser
[1.] Mills NJ. Plastics: microstructure and applications. Amsterdam; Boston: Elsevier Butterworth-Heinemann; 2005.
[2.] Cellulose Powder [Internet]. FineCell Sweden AB. [citerad 27 april 2021]. Tillgänglig vid: http://finecell.se/products/cellulose-powder/
[3.] Technology [Internet]. FineCell Sweden AB. [citerad 26 januari 2021]. Tillgänglig vid: http://finecell.se/technology/
[4.] FineCell_Cellulose_Powder_for_Biocomposite_v20191015_M.pdf [Internet]. [citerad 26 januari 2021]. Tillgänglig vid:
http://finecell.se/wp-content/uploads/2019/10/FineCell_Cellulose_Powder_for_Biocomposite_v20191015_M.pdf [5.] Crews K, Huntley C, Cooley D, Phillips B, Curry M. Influence of Cellulose on the Mechanical
and Thermal Stability of ABS Plastic Composites. Int J Polym Sci. 2016;2016:1–10.
[6.] Dickson AN, Abourayana HM, Dowling DP. 3D Printing of Fibre-Reinforced Thermoplastic Composites Using Fused Filament Fabrication—A Review. Polymers. 24 september 2020;12(10). [7.] Mokhena T, Sefadi J, Sadiku E, John M, Mochane M, Mtibe A. Thermoplastic Processing of
PLA/Cellulose Nanomaterials Composites. Polymers. 09 december 2018;10(12):1363.
[8.] Frone AN, Berlioz S, Chailan J-F, Panaitescu DM. Morphology and thermal properties of PLA– cellulose nanofibers composites. Carbohydr Polym. januari 2013;91(1):377–84.
[9.] Frone AN, Berlioz S, Chailan J-F, Panaitescu DM, Donescu D. Cellulose fiber-reinforced polylactic acid. Polym Compos. juni 2011;32(6):976–85.
[10.] Yu H-Y, Zhang H, Song M-L, Zhou Y, Yao J, Ni Q-Q. From Cellulose Nanospheres, Nanorods to Nanofibers: Various Aspect Ratio Induced Nucleation/Reinforcing Effects on Polylactic Acid for Robust-Barrier Food Packaging. ACS Appl Mater Interfaces. 20 december 2017;9(50):43920– 38.
[11.] Nakagaito AN, Fujimura A, Sakai T, Hama Y, Yano H. Production of microfibrillated cellulose (MFC)-reinforced polylactic acid (PLA) nanocomposites from sheets obtained by a papermaking-like process. Compos Sci Technol. juni 2009;69(7–8):1293–7.
[12.] Herrera N, Mathew AP, Oksman K. Plasticized polylactic acid/cellulose nanocomposites prepared using melt-extrusion and liquid feeding: Mechanical, thermal and optical properties. Compos Sci Technol. januari 2015;106:149–55.
[13.] Mármol G, Gauss C, Fangueiro R. Potential of Cellulose Microfibers for PHA and PLA Biopolymers Reinforcement. Molecules. 13 oktober 2020;25(20):4653.
[14.] Wang L, Roach AW, Gardner DJ, Han Y. Mechanisms contributing to mechanical property changes in composites of polypropylene reinforced with spray-dried cellulose nanofibrils. Cellulose. januari 2018;25(1):439–48.
[15.] Wang Q, Ji C, Sun L, Sun J, Liu J. Cellulose Nanofibrils Filled Poly(Lactic Acid) Biocomposite Filament for FDM 3D Printing. Molecules. 15 maj 2020;25(10):2319.
[16.] Coran AY. Vulcanization. I: Science and Technology of Rubber [Internet]. Elsevier; 1994 [citerad 21 januari 2021]. s. 339–85. Tillgänglig vid:
[17.] Biron M. Thermoplastics and thermoplastic composites [Internet]. 2018 [citerad 21 januari 2021]. Tillgänglig vid:
https://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&scope=site&db=nlebk&db=nlabk&AN=165 5720
[18.] Mostafa NA, Farag AA, Abo-dief HM, Tayeb AM. Production of biodegradable plastic from agricultural wastes. Arab J Chem. maj 2018;11(4):546–53.
[19.] Peters EN. Engineering Thermoplastics—Materials, Properties, Trends. I: Applied Plastics Engineering Handbook [Internet]. Elsevier; 2017 [citerad 21 januari 2021]. s. 3–26. Tillgänglig vid: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780323390408000018
[20.] Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS Plastic): Uses, Properties & Structure [Internet]. [citerad 11 februari 2021]. Tillgänglig vid: https://omnexus.specialchem.com/selection-guide/acrylonitrile-butadiene-styrene-abs-plastic
[21.] 3D Printing with ABS Plastic: All You Need to Know [Internet]. AMFG. 2018 [citerad 11 februari 2021]. Tillgänglig vid: https://amfg.ai/2018/06/29/abs-plastic-3d-printing-all-you-need-to-know/
[22.] Materials_in_FDM.pdf [Internet]. [citerad 11 februari 2021]. Tillgänglig vid:
http://www.materialseducation.org/educators/matedu-modules/docs/Materials_in_FDM.pdf [23.] Wang L, Gardner DJ, Wang J, Yang Y, Tekinalp HL, Tajvidi M, m.fl. Towards industrial-scale
production of cellulose nanocomposites using melt processing: A critical review on structure-processing-property relationships. Compos Part B Eng. november 2020;201:108297.
[24.] Mihranyan A, Llagostera AP, Karmhag R, Strømme M, Ek R. Moisture sorption by cellulose powders of varying crystallinity. Int J Pharm. januari 2004;269(2):433–42.
[25.] Y.-W. Mai, Bernd Lauke, Shao-yun Fu. Science and Engineering of Short Fibre-Reinforced Polymer Composites. Woodhead Publishing; 2019.
[26.] Zindani D, Kumar K. An insight into additive manufacturing of fiber reinforced polymer composite. Int J Lightweight Mater Manuf. 01 december 2019;2(4):267–78.
[27.] Wang Z, Xu J, Lu Y, Hu L, Fan Y, Ma J, m.fl. Preparation of 3D printable micro/nanocellulose-polylactic acid (MNC/PLA) composite wire rods with high MNC constitution. Ind Crops Prod. december 2017;109:889–96.
[28.] Cuan-Urquizo E, Barocio E, Tejada-Ortigoza V, Pipes R, Rodriguez C, Roman-Flores A. Characterization of the Mechanical Properties of FFF Structures and Materials: A Review on the Experimental, Computational and Theoretical Approaches. Materials. 18 mars 2019;12(6):895. [29.] Standard - Additiv tillverkning - Specifikation för extrusionsbaserad additiv tillverkning av
plastmaterial - Del 2: Process - utrustning (ISO/ASTM 2:2020) SS-EN ISO/ASTM 52903-2:2020 [Internet]. Svenska institutet för standarder, SIS. [citerad 11 mars 2021]. Tillgänglig vid: https://www.sis.se/produkter/produktionsteknik/additiv-tillverkning/ss-en-isoastm-52903-22020/ [30.] Standard - Plast - Bestämning av töjningsegenskaper - Del 2: Provningsbetingelser för press- och
sprutmassa (ISO 527-2:2012) SS-EN ISO 527-2:2012 [Internet]. Svenska institutet för standarder, SIS. [citerad 11 mars 2021]. Tillgänglig vid:
https://www.sis.se/produkter/gummi-och-plastindustri/plast/allmant/sseniso52722012/
[31.] Standard - Plast - Bestämning av slagseghet med charpyprov - Del 1: Icke-instrumenterad provning (ISO 179-1:2010) SS-EN ISO 179-1:2010 [Internet]. Svenska institutet för standarder,
SIS. [citerad 11 mars 2021]. Tillgänglig vid: https://www.sis.se/produkter/gummi-och-plastindustri/plast/allmant/sseniso17912010/
[32.] ISO 527-2:2012(en), Plastics — Determination of tensile properties — Part 2: Test conditions for moulding and extrusion plastics [Internet]. [citerad 07 februari 2021]. Tillgänglig vid:
https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:527:-2:ed-2:v1:en
Bilaga A
Bilaga A: Ritning på dragprovstav från ISO 527-2:2012
Bilaga B
Bilaga B: Ritning på slagprovsstav från ISO 179-1:2010
Bilaga C
Bilaga C: Filabot extruder
Bilaga D
Bilaga D: Dragprovskurvor
Metod 1
Notera skillnad i skalor på X-axlarna.
Metod 2
Notera skillnad i skalor på X-axlarna.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0,00% 0,30% 0,61% 0,91% 1,21% 1,51% 1,82% 2,18% 2,60% Sp än n in g σ (MPa) Töjning Ɛ
