3D printing of UV cross-linkable composites
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
76+7
Series
Abstract
The rapid evolution of 3D printing has revolutionized the manufacturing sector, offering unparalleled adaptability, customized solutions, and enhanced productivity. Despite these strides, using materials derived from fossil fuels presents considerable environmental obstacles. This research delves into the creation of sustainable composite materials by strengthening a poly(trimethylene carbonate) (PTMC) polymer matrix with biochar, employing digital light projection stereolithography (DLP-SLA) and UV light exposure for the fabrication of these structures. The primary focus of this work was to achieve five key objectives: (1) Synthesizing PTMC macromer; (2) Preparing composite resins from PTMC macromer and biochar; (3) Creating composite structures using digital light projecting stereolithography (DLP-SLA) with a poly(trimethylene carbonate) (PTMC) matrix embedded with biochar particles, and assessing the compatibility of biochar with the DLP-SLA device; (4) Crosslinking PTMC/Biochar networks with UV light exposure; and (5) Characterizing the physical and chemical properties of the samples and assessing the compatibility of biochar with the PTMC polymer matrix. The PTMC macromer was synthesized and functionalized. To confirm the synthesis, 1H-NMR and size exclusion chromatography (SEC) analysis were utilized. The rheological properties of the photo-cross-linkable resins (PTMC0, PTMC10, and PTMC30) were examined. PTMC0 showed Newtonian fluid characteristics, while PTMC10 and PTMC30 exhibited shear-thinning behaviour, indicating non-Newtonian pseudoplastic fluids. DLP-SLA successfully fabricated PTMC0 and PTMC10 structures, showing its feasibility. All resins were effectively crosslinked with UV light exposure under. The thermal properties of the crosslinked structures were characterized using thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry analysis (DSC). Mechanical testing indicated increased Young's modulus and toughness in biochar-reinforced composites (PTMC10 and PTMC30). SEM analysis confirmed even particle dispersion and compatibility between the matrix and biochar. Water contact angle tests demonstrated the hydrophobic nature of UV-crosslinked PTMC, showing increasing hydrophobicity as biochar content increased. Swelling tests indicated reduced water uptake with higher biochar concentrations. The thesis marks a significant advancement in the pursuit of sustainable 3D printing. By harnessing the unique properties of PTMC and biochar, this research has showcased their potential in DLP-SLA technique. This not only holds the promise of developing environmentally friendly, high-performance products but also has the potential to significantly impact the broader acceptance of sustainable approaches in additive manufacturing. Furthermore, our study supports the integration of intelligent, environmentally friendly manufacturing systems, which is in line with Industry 4.0 aims.3D-tulostuksen nopea kehitys on mullistanut teollisuuden, tarjoten vertaansa vailla olevaa mukautumiskykyä, räätälöityjä ratkaisuja ja tuottavuuden lisääntymistä. Näistä mahdollisuuksista huolimatta fossiilipohjaisten materiaalien käyttö 3D tulostuksessa aiheuttaa huomattavia ympäristöesteitä. Tämä tutkimus pureutuu kestävien komposiittimateriaalien luomiseen vahvistamalla poly(trimetyleenikarbonaatti) (PTMC) polymeerimatriisia biohiilellä, hyödyntäen digitaalista valoprojektio-stereolitografiaa (DLP-SLA) ja UV-valon altistusta näiden rakenteiden valmistuksessa. Tämän työn tavoitteena oli saavuttaa neljä keskeistä tavoitetta: (1) PTMC makromeerin syntetisointi; (2) Valmistaa komposiitti hartseja; (3) PTMC/biohiili komposiitti rakenteiden valmistaminen DLP-SLA:lla, samalla arvioiden biohiilen yhteensopivuutta DLP-SLA:n kanssa; (4) PTMC/Biohiili komposiittien ristisilloittaminen UV-valolähteellä; ja (5) Näytteiden fyysisten ja kemiallisten ominaisuuksien karakterisointi ja näin ollen biohiilen yhteensopivuuden arviointi PTMC:n kanssa. PTMC-makromeri syntetisoitiin ja funktionalisoitiin. Synteesin onnistuminen varmistettiin 1H-NMR- ja SEC-analyyseillä. Fotopolymeerihartsien (PTMC0, PTMC10 ja PTMC30) viskoosia tutkittiin reometrillä. PTMC0 hartsi ilmensi Newtonialaisen fluidin ominaisuuksia, kun taas PTMC10 ja PTMC30 hartsit ilmensivät pseudoplastista käyttäytymistä. DLP-SLA:lla onnistuttiin valmistamaan PTMC0- ja PTMC10-rakenteita, mikä osoitti, että laite on yhteensopiva biohiilen kanssa. Tämän lisäksi kaikki hartsit ristiinsilloitettiin UV valolähteellä. Valmistettujen rakenteiden lämpötilaominaisuudet karakterisoitiin termogravimetri- ja differentiaali pyyhkäisykalorimetri analyyseillä (TGA ja DSC). Näytteiden mekaaninen analyysi osoittivat kohonnutta kimmokerrointa ja sitkeyttä, biohiilellä vahvistetuissa komposiiteissa (PTMC10 ja PTMC30). SEM-analyysi osoitti, että biohiili partikkelit olivat tasaisesti dispergoituneet polymeeri matriisissa ja yhteensopivia sen kanssa. Veden kosketuskulmaa analysoidessa, todettiin PTMC:n hydrofobisen luonteen, mikä näytti kasvavan biohiilipitoisuuden kasvaessa. Turvotustesti näytti heikentynyttä vedenottokykyä biohiilipitoisuuden kasvaessa. Tämä tutkimus merkitsee merkittävää edistysaskelta kestävän 3D-tulostuksen tavoittelussa. Hyödyntämällä PTMC ja biohiilen ainutlaatuisia ominaisuuksia, tämä tutkimus on osoittanut niiden potentiaalin DLP-SLA-tekniikoissa. Tämä ei ainoastaan lupaa kehittää ympäristöystävällisiä, suorituskykyisiä tuotteita, vaan sillä on myös potentiaalia merkittävästi vaikuttaa kestävien lähestymistapojen laajempaan omaksumiseen 3D tulostuksessa. Lisäksi tämä diplomityö on linjassa Teollisuus 4.0 -tavoitteiden kanssa, edistäen älykkäiden, ympäristöystävällisten tuotantojärjestelmien integrointia teollisuudessa.Description
Supervisor
Niskanen, JukkaThesis advisor
Baniasadi, HosseinKeywords
stereolithography, DLP-SLA, poly(trimethylene carbonate), biochar, photopolymerization