{"id":679,"date":"2020-12-17T21:58:16","date_gmt":"2020-12-17T21:58:16","guid":{"rendered":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/?p=679"},"modified":"2021-03-09T12:17:59","modified_gmt":"2021-03-09T12:17:59","slug":"upm-formi-biokomposiitti","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/2020\/12\/17\/upm-formi-biokomposiitti\/","title":{"rendered":"UPM Formi: Biokomposiittigranulaatista 3D-tulostusfilamentiksi \u2013 v\u00e4rj\u00e4ys ja mekaaninen suorituskyky"},"content":{"rendered":"\n<p>Pursottavissa ja jauhepetimenetelm\u00e4\u00e4n perustuvissa 3D-tulostimissa voidaan k\u00e4ytt\u00e4\u00e4 perinteisten muovien lis\u00e4ksi komposiittimateriaaleja, eli muovin sek\u00e4 kuitujen tai jauheen yhdistelm\u00e4\u00e4. Markkinoilla onkin saatavilla muovimateriaaleja, joihin on yhdistetty esimerkiksi metallihiukkasia tai puu-, hiili-, kevlar- tai lasikuituja. Ekologisesta n\u00e4k\u00f6kulmasta biokomposiitit eli biopohjaisia kuituja hy\u00f6dynt\u00e4v\u00e4t komposiittimateriaalit ovat t\u00e4rke\u00e4 tutkimuksen ala. Kun muovimatriisina viel\u00e4 k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n biopohjaista PLA-muovia, on lopullinen tuote varsin ymp\u00e4rist\u00f6yst\u00e4v\u00e4llinen verrattuna moniin muihin l\u00e4mp\u00f6muovattaviin muoveihin. <\/p>\n\n\n\n<p>Puukuitujen hy\u00f6dynt\u00e4minen on mielek\u00e4st\u00e4 my\u00f6s taloudellisesti, sill\u00e4 puuteollisuuden \u201dnollakuidut\u201d voidaan hy\u00f6dynt\u00e4\u00e4 uudella tavalla, kun siit\u00e4 tuotetaan raaka-ainetta 3D-tulostukseen. Kuitujen lis\u00e4ys osaksi 3D-tulostusmateriaaleja vaikuttaa kuitenkin merkitt\u00e4v\u00e4sti materiaalin ominaisuuksiin, sill\u00e4 toistaiseksi biokomposiittien mekaaniset ominaisuudet j\u00e4\u00e4v\u00e4t perinteisten muovilaatujen jalkoihin. On kuitenkin huomioitava, ett\u00e4 biokomposiittien kilpailuedut l\u00f6ytyv\u00e4t muista ominaisuuksista. Ne ovat sek\u00e4 edullisia ett\u00e4 keveit\u00e4, ja puukuidun lis\u00e4ys muovimatriisiin antaa sille todellisen puun tuntua ja visuaalisuutta, jolloin niit\u00e4 voidaan k\u00e4ytt\u00e4\u00e4 sek\u00e4 muovi- ett\u00e4 puumateriaaleja korvaavina tuotteina sellaisissa kohteissa, joissa materiaalin mekaaniset ominaisuudet eiv\u00e4t ole ratkaiseva tekij\u00e4. T\u00e4ss\u00e4 kirjoituksessa perehdymme UPM Formi-biokomposiittien ominaisuuksiin sek\u00e4 k\u00e4sittelyyn.<\/p>\n\n\n\n<p>Kuitumateriaalien 3D-tulostamiseen on olemassa my\u00f6s \u201dcontinuous fiber\u201d-3D-tulostusmenetelm\u00e4, jossa tulostuksen aikana kappaleeseen sy\u00f6tet\u00e4\u00e4n yhten\u00e4ist\u00e4 kuitumateriaalia jatkuvana sy\u00f6tt\u00f6n\u00e4. Tavallisissa komposiittiseoksissa &lt;0,25 mm kokoluokan kuidut ovat jakautuneena tasaisesti materiaaliin, sill\u00e4 liian suurilla kuiduilla ja partikkeleilla on taipumus aiheuttaa tukoksia suutinp\u00e4\u00e4ss\u00e4. Jatkuvatoimisella teknisen kuidun lis\u00e4ysmenetelm\u00e4ll\u00e4 tuotetut kappaleet ovat eritt\u00e4in kest\u00e4vi\u00e4; muoviset kappaleet voivat vastata mekaanisilta ominaisuuksiltaan jopa keveit\u00e4 metalleja. Samaa ei voi sanoa perinteisist\u00e4 kuitukomposiiteista, sill\u00e4 kuidut voivat vaikuttaa heikent\u00e4v\u00e4sti mm. kerrosten kiinnittymiseen toisiinsa. Jatkuvatoiminen kuidun lis\u00e4ys tulostuksen aikana vaatii kuitenkin 3D-tulostimen, joka on r\u00e4\u00e4t\u00e4l\u00f6ity t\u00e4lle menetelm\u00e4lle. Kuitukomposiittimateriaaleja puolestaan voivat tulostaa kaikki jauhepeti- ja materiaalia pursottavat tulostimet.<\/p>\n\n\n\n<p>UPM Formi-granulaatti on UPM Biocomposites\u2013yhti\u00f6n valmistamaa selluloosa-muovikomposiittimateriaalia, joka on tarkoitettu valu- ja ekstruusiotuotantoon. Valmiissa granulaatissa on 20 % tai 40 % selluloosaa, (t\u00e4st\u00e4 eteenp\u00e4in materiaaleihin viitataan nimill\u00e4 UPM 20 ja UPM 40), lopun aineesta ollessa v\u00e4rit\u00f6nt\u00e4 PLA-muovia (kuvassa 1 vasemmalla). N\u00e4in ollen komposiittimateriaali on perinteisi\u00e4 muoveja ekologisempaa, ja se voidaan sek\u00e4 kierr\u00e4tt\u00e4\u00e4 ett\u00e4 polttaa energiaksi j\u00e4tteenpolttolaitoksessa. Tuoreen materiaalin v\u00e4ri on l\u00e4hell\u00e4 beige\u00e4. Materiaalille on ominaista se, ett\u00e4 sit\u00e4 voi tummentaa mm. nostamalla prosessoinnin tai 3D-tulostuksen aikaista l\u00e4mp\u00f6tilaa tai j\u00e4lkik\u00e4sittelem\u00e4ll\u00e4 kappale 3D-tulostuksen j\u00e4lkeen. 3D-filamentti voidaan my\u00f6s v\u00e4rj\u00e4t\u00e4 lis\u00e4\u00e4m\u00e4ll\u00e4 granulaatin sekaan v\u00e4rillist\u00e4 PLA-muovia tai muita v\u00e4rj\u00e4\u00e4vi\u00e4 aineita filamentin valmistusvaiheessa. tarkempia tietoja tuotteesta on l\u00f6ydett\u00e4viss\u00e4 osoitteesta <a href=\"https:\/\/www.upmformi.com\/\">https:\/\/www.upmformi.com\/<\/a>. <\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1024\" height=\"411\" src=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva1-1024x411.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-680\" srcset=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva1-1024x411.jpg 1024w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva1-300x120.jpg 300w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva1-768x308.jpg 768w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva1.jpg 1306w\" sizes=\"auto, (max-width: 1024px) 100vw, 1024px\" \/><figcaption>Kuva 1. Kuvassa vasemmalla UPM40 -granulaattia, keskell\u00e4 3DEVO Composer 450 filamentin valmistuslaitteisto ja oikealla pinnanlaadultaan karkeaksi j\u00e4\u00e4nytt\u00e4 Formi -filamenttia.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p><strong>UPM Formi-filamenttien valmistus ja v\u00e4rj\u00e4ys<\/strong><\/p>\n\n\n\n<p>UPM:n valmistamia biokomposiitteja on saatavilla sek\u00e4 valmiina filamenttin\u00e4 ett\u00e4 granulaattimuotoisena. Granulaattimuotoista materiaalia k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n yleens\u00e4 suuremman mittaluokan 3D-tulostinten tai robotisoitujen 3D-tulostusp\u00e4iden kanssa kun materiaalien sy\u00f6tt\u00f6nopeus on suuri. Yleistason \u201cp\u00f6yt\u00e4kokoluokan\u201d laitteissa puolestaan k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n filamentteja, jolloin vaihtoehtona on joko materiaalin ostaminen filamenttina (jos sit\u00e4 on saatavilla) tai granulaatin muuttaminen filamentiksi.<\/p>\n\n\n\n<p>Materiaalia ei ole saatavilla v\u00e4rj\u00e4ttyn\u00e4, jolloin v\u00e4rimaailman laajentaminen vaatii my\u00f6s toimenpiteit\u00e4 tuotteen k\u00e4ytt\u00e4j\u00e4lt\u00e4. T\u00e4ss\u00e4 osiossa perehdyt\u00e4\u00e4n UPM Formi-granulaateista valmistettujen filamenttien valmistamiseen sek\u00e4 v\u00e4rj\u00e4\u00e4miseen.<\/p>\n\n\n\n<p>Tutkimuksessa k\u00e4ytettiin UPM 20 ja UPM 40 granulaatteja. Filamentit tuotettiin 3DEVO Composer 450 Filament Maker-laitteella. L\u00e4mp\u00f6tila-asetukset nelj\u00e4lle l\u00e4mp\u00f6tilavy\u00f6hykkeelle olivat 190\/195\/185\/180 \u00b0C, ja ruuvin nopeudeksi s\u00e4\u00e4dettiin 5 kierrosta minuutissa. Filamentin v\u00e4rj\u00e4yst\u00e4 testattiin yksinkertaisesti UPM 40 granulaatilla ja PLA-tulostusj\u00e4tteell\u00e4. Tulostuslaboratorioon ker\u00e4\u00e4ntynytt\u00e4 harmaata tulostusj\u00e4tett\u00e4 rouhittiin SHR3D IT-silppurilla (valmistaja: 3devo), ja silppua lis\u00e4ttiin granulaatin sekaan noin 50\u201350 % massasuhteessa. Seos sy\u00f6tettiin filamentinvalmistuslaitteeseen, jossa k\u00e4ytettiin aiemmin mainittuja l\u00e4mp\u00f6tila- ja nopeuss\u00e4\u00e4t\u00f6j\u00e4.<\/p>\n\n\n\n<p>Filamentin valmistaminen UPM:n granulaateista alkoi haasteilla. Biokomposiitit osoittautuivat materiaaleiksi, jotka eiv\u00e4t kuumennettuna sied\u00e4 vetoa juuri lainkaan. Filamentinvalmistuslaitteessa olevan suutinp\u00e4\u00e4n halkaisija on tehdasasenteisena 4,00 mm, mik\u00e4 mahdollistaa sek\u00e4 2,85 mm, ett\u00e4 1,75 mm standardifilamenttien valmistamisen. Koska testeiss\u00e4 k\u00e4ytett\u00e4viin 3D-tulostimiin sopii vain 1,75 mm filamentti, on materiaalia vedett\u00e4v\u00e4 suhteellisen rajusti, jotta oikea paksuus voidaan saavuttaa. Ero 4,00 mm alkupaksuuden ja 1,75 mm tavoitepaksuuden v\u00e4lill\u00e4 oli liian suuri, eik\u00e4 filamentti pysynyt ehj\u00e4n\u00e4 sit\u00e4 vedett\u00e4ess\u00e4. Siin\u00e4 miss\u00e4 laitteesta saapuva perinteinen muovi venyy sit\u00e4 vedett\u00e4ess\u00e4, komposiittimateriaalilla on taipumus revet\u00e4. T\u00e4m\u00e4 johtuu siit\u00e4, ettei kuitujen ja muovimatriisin v\u00e4lille synny kokonaisuutta koossa pit\u00e4vi\u00e4 vuorovaikutuksia. T\u00e4t\u00e4 ongelmaa ei kyetty ratkaisemaan mm. pursotus- ja vetonopeutta s\u00e4\u00e4t\u00e4m\u00e4ll\u00e4. Tilanne ratkaistiin koneistamalla laitteeseen uusi 2,00 mm halkaisijan pursotusp\u00e4\u00e4.<\/p>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-image is-style-default\"><figure class=\"alignright\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"300\" height=\"297\" src=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva2-300x297.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-684\" srcset=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva2-300x297.jpg 300w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva2-150x150.jpg 150w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva2.jpg 736w\" sizes=\"auto, (max-width: 300px) 100vw, 300px\" \/><figcaption>Kuva 2. Pinnaltaan hieman ep\u00e4tasaista UPM Formi -filamenttia<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n<p>Filamentin tuottaminen onnistui pursotusp\u00e4\u00e4n vaihdon j\u00e4lkeen p\u00e4\u00e4asiassa hyvin. UPM 20 muuntui filamentiksi ilman suurempia ongelmia. UPM 40 % oli yksin liian kuitupitoista filamentin tuotantoa varten, joka n\u00e4kyi repeilyn\u00e4 ja hilseilyn\u00e4 sit\u00e4 vedett\u00e4ess\u00e4 sek\u00e4 filamentin katkeamisherkkyyten\u00e4 sit\u00e4 k\u00e4sitelt\u00e4ess\u00e4. Testin aikana ei onnistuttu valmistamaan suurta m\u00e4\u00e4r\u00e4\u00e4 tulostettavaa UPM 40 filamenttia, edes parametreja s\u00e4\u00e4t\u00e4m\u00e4ll\u00e4. Filamentin laatuun vaikuttava l\u00e4mp\u00f6tila haluttiin pit\u00e4\u00e4 filamentin valmistuksessa mahdollisimman alhaisena materiaalin l\u00e4mp\u00f6hajoamisen minimoimiseksi. Liian alhainen l\u00e4mp\u00f6tila johti kuitenkin herk\u00e4sti filamentin hilseilyyn (kuva 2) ja pinnan rosoisuuteen, kaupallisen puukuitufilamentin ollessa pinnaltaan huomattavasti sile\u00e4mp\u00e4\u00e4. <\/p>\n\n\n\n<p>Testattujen filamenttip\u00e4tkien pinnan ep\u00e4tasaisuudella ei kuitenkaan havaittu vaikutusta 3D-tulostettavuuteen tai tulostettujen kappaleiden laatuun, jolloin haitta j\u00e4i kosmeettiseksi. UPM 40-granulaatista saatiin valmistettua hyvin toimivaa materiaalia, kun sit\u00e4 sekoitettiin puhtaan PLA-muovin kanssa 50\u201350 % massasuhteessa.<\/p>\n\n\n\n<p>V\u00e4rj\u00e4tyn filamentin valmistaminen onnistui p\u00e4\u00e4asiassa ongelmitta. Pursotusprosessissa tapahtui hetkitt\u00e4isi\u00e4 UPM 40 granulaatin ty\u00f6st\u00f6\u00e4 muistuttavia h\u00e4iri\u00f6it\u00e4, jotka saattoivat johtaa prosessin keskeytt\u00e4miseen. Laadultaan tuotettu filamentti vaikutti hyv\u00e4lt\u00e4, eik\u00e4 se ollut UPM 40 tavoin erityisen haurasta (kuva 3a). Samoin filamentin 3D-tulostaminen onnistui ongelmitta ja filamentin kiinnittyminen tulostusalustaan oli eritt\u00e4in tehokasta, tulostettuja kappaleita oli jopa haastava irrottaa alustastaan. Lis\u00e4ksi tulostettaessa huomattiin, ettei filamentti ollut t\u00e4ysin tasalaatuista. Filamentin v\u00e4ri vaihteli hieman, toisinaan v\u00e4ri on puhtaan harmaa, ajoittain v\u00e4ri puolestaan muistutti enemm\u00e4n puhdasta granulaattia. Tulostuksen laatuun v\u00e4rin vaihtelu ei kuitenkaan vaikuttanut.<\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large is-style-default\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1024\" height=\"339\" src=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva3-abc-1024x339.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-703\" srcset=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva3-abc-1024x339.jpg 1024w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva3-abc-300x99.jpg 300w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva3-abc-768x255.jpg 768w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva3-abc-1536x509.jpg 1536w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva3-abc.jpg 1572w\" sizes=\"auto, (max-width: 1024px) 100vw, 1024px\" \/><figcaption>Kuva 3. a) harmaaksi v\u00e4rj\u00e4tty\u00e4 ja hyv\u00e4laatuista UPM Formi-filamenttia, b) UPM Formi-granulaatti- ja PLA-rouhetta, c) Mustaksi v\u00e4rj\u00e4tty\u00e4 UPM Formi-filamenttia.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p>Filamentin homogenisointia testattiin uudestaan mustan PLA-j\u00e4temuovin avulla. Periaate oli sama, kuin aiemmin, mutta t\u00e4ll\u00e4 kertaa PLA-rouhe sek\u00e4 UPM 40-granulaatti rouhittiin yhteen sekoitettuna kertaalleen 3devo shr3dit -silppurilla. T\u00e4ll\u00f6in granulaatinkin raekoko pieneni, eik\u00e4 filamentin laadussa en\u00e4\u00e4 havaittu laatueroja sit\u00e4 valmistettaessa (kuva 3b). Tuotettu filamentti oli laadultaan ja tulostettavuudeltaan eritt\u00e4in hyv\u00e4\u00e4 ja tasaista (kuva 3c).<\/p>\n\n\n\n<p><strong>Vetolujuuskokeet<\/strong><\/p>\n\n\n\n<p>Mink\u00e4 tahansa kuitujen tai partikkelien lis\u00e4ys muovimatriisiin muuttaa alkuper\u00e4isen materiaalin lujuusominaisuuksia. Integroitavan materiaalin ominaisuudet, sekoitussuhteet sek\u00e4 hyvin monet muut tekij\u00e4t vaikuttavat lopputuotteen 3D-tulostettavuuteen sek\u00e4 mekaanisiin ominaisuuksiin. My\u00f6s 3D-tulostusparametrit vaikuttavat lopullisen kappaleen ominaisuuksiin. Biopohjaisten kuitujen on havaittu v\u00e4hent\u00e4v\u00e4n muovimateriaalin vahvuutta, mutta lis\u00e4\u00e4v\u00e4n sen j\u00e4ykkyytt\u00e4 \u2013 eli materiaalin kyky vastustaa olomuodon muutoksia lis\u00e4\u00e4ntyy, mutta kappale katkeaa helpommin. Uusien 3D-tulostusmateriaalien olisi yllett\u00e4v\u00e4 v\u00e4hint\u00e4\u00e4n l\u00e4hes yht\u00e4 hyviin ominaisuuksiin, kuin mihin kuluttajat ovat tottuneet, jotta tuote voi menesty\u00e4. My\u00f6s muilla hyvill\u00e4 ominaisuuksilla, kuten ekologisuudella, on painoarvoa, mutta kuluttaja \u00e4\u00e4nest\u00e4\u00e4 lompakollaan helposti parasta laatua \u2013 ja t\u00e4ten biokomposiittienkin t\u00e4ytyy kehitty\u00e4 mekaanisilta ominaisuuksiltaan riitt\u00e4v\u00e4n hyviksi, jotta niiden k\u00e4ytt\u00f6 on mielek\u00e4st\u00e4. T\u00e4ss\u00e4 osuudessa perehdyt\u00e4\u00e4n biokomposiittien mekaanisiin ominaisuuksiin ja siihen, kuinka ne p\u00e4rj\u00e4\u00e4v\u00e4t puhdasta muovia vastaan.<\/p>\n\n\n\n<p>Seuraavista materiaaleista 3D-tulostettiin vetolujuussauvoja, joiden mekaaniset ominaisuudet m\u00e4\u00e4ritettiin ASTM D638-standardin mukaisesti:<\/p>\n\n\n\n<ol class=\"wp-block-list\" type=\"1\"><li>UPM Formi 20 % granulaatista valmistettu biokomposiitti<\/li><li>UPM Formi 40 % ja 3devo PLA granulaateista valmistettu biokomposiitti (50\u201350 % tilavuussuhde)<\/li><li>Octofiber biokomposiitti (puukuitupitoisuus 20 %)<\/li><li>FormFutura EasyWood biokomposiitti (puukuitupitoisuus 40 %)<\/li><li>FormFutura Grey PLA<\/li><\/ol>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-image is-style-default\"><figure class=\"alignright size-medium is-resized\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva4-300x224.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-693\" height=\"340\" srcset=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva4-300x224.jpg 300w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva4.jpg 701w\" sizes=\"(max-width: 300px) 100vw, 300px\" \/><figcaption>Kuva 4. Vetolujuussauvojen 3D-tulostusprosessi.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n<p>Tulostimena k\u00e4ytettiin ZMorph 2.0 SX-3D-tulostinta (kuva 4). Tulostusl\u00e4mp\u00f6tila oli 200 \u00b0C kaikilla filamenteilla, paitsi Octofiberin tapauksessa, tulostuspedin l\u00e4mp\u00f6tilan ollessa 60 \u00b0C. Octofiber ohjeistaa k\u00e4ytt\u00e4m\u00e4\u00e4n hieman korkeampaa, 210\u2013225 \u00b0C tulostusl\u00e4mp\u00f6tilaa, joten kyseinen filamentti tulostettiin 220 \u00b0C suuttimella. Kappaleet tulostettiin 100 % t\u00e4yt\u00f6ll\u00e4 ja materiaalinsy\u00f6t\u00f6ll\u00e4, sek\u00e4 0,2 mm kerroskorkeudella, jotka ovat er\u00e4it\u00e4 tulostusprosessin sek\u00e4 kappaleiden laatuun vaikuttavista parametreist\u00e4. <\/p>\n\n\n\n<p>Puukuitufilamenttien kiinnittyminen puhtaaseen tulostusalustaan oli hieman haastavaa, sill\u00e4 toisinaan materiaali irtosi tulostusalustasta v\u00e4litt\u00f6m\u00e4sti pursotuksen j\u00e4lkeen. Alustan k\u00e4sittely vedell\u00e4 laimennetulla Eri Keeper-liimalla korjasi tilanteen, eik\u00e4 irtoamista en\u00e4\u00e4 tapahtunut. Puhtailla PLA-filamenteilla t\u00e4t\u00e4 haastetta ei havaittu.<\/p>\n\n\n\n<p>Biokomposiittimateriaalien hygroskooppisuus, eli taipumus sitoa ilmankosteutta itseens\u00e4 (ominaista monille muillekin muovilaaduille) n\u00e4kyi selv\u00e4sti kaikissa, paitsi itse tuotetuissa tulostusmateriaaleissa, johtuen aiemmin mainittujen materiaalien pitk\u00e4st\u00e4 s\u00e4ilytysajasta. 3D-tulostuksen aikana t\u00e4m\u00e4 ilmeni vesih\u00f6yryn purkautumisena tulostusp\u00e4\u00e4st\u00e4 tulostuksen edetess\u00e4. Vesih\u00f6yryn purkautuminen voi osaltaan vaikuttaa tulostuksen laatuun ja sit\u00e4 my\u00f6t\u00e4 t\u00e4m\u00e4n tutkimuksen tuloksiin. My\u00f6s PLA itsess\u00e4\u00e4n on hygroskooppista ainetta, mutta k\u00e4ytetty materiaali ei ollut ehtinyt sitomaan kosteutta.<\/p>\n\n\n\n<p>Materiaalien ominaisuusmittaukset suoritettiin It\u00e4-Suomen yliopiston Sovelletun fysiikan laitoksen Instron 8874-laitteella (Instron Corp.) tavallisissa huoneolosuhteissa. Mittaukset suoritti It\u00e4-Suomen yliopiston sovelletun fysiikan maisteriopiskelija Isa Lyijynen.<\/p>\n\n\n\n<p><strong>Tuloksia<\/strong><\/p>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-image is-style-default\"><figure class=\"alignright size-medium is-resized\"><img decoding=\"async\" src=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva5-300x294.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-695\" height=\"340\" srcset=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva5-300x294.jpg 300w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva5.jpg 534w\" sizes=\"(max-width: 300px) 100vw, 300px\" \/><figcaption>Kuva 5. Vetolujuussauvoja. Mateiraalit vasemmalta oikealle: UPM Formi 20, Octofiber ja UPM Formi 40.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n<p>Biokomposiittien pinnanlaatu 3D-tulostettaessa oli p\u00e4\u00e4osin hyv\u00e4. Kappaleissa ei havaittu dimensionaalisia poikkeamia, mutta tulostusj\u00e4lki oli ajoittain aavistuksen onttoa (kuva 5). T\u00e4m\u00e4 on tunnistettu ongelma biokomposiittien tulostuksessa, joka voidaan korjata lis\u00e4\u00e4m\u00e4ll\u00e4 materiaalinsy\u00f6tt\u00f6\u00e4. Itsetehdyn filamentin tulostusj\u00e4lki oli \u2013 jopa alkuper\u00e4isten odotusten vastaisesti \u2013 hieman kaupallista filamenttia parempi. Kappaleista tuli pinnaltaan tasaisempia, eik\u00e4 mm. kappaleiden p\u00e4ihin muodostunut yht\u00e4 havaittavaa onttoisuutta, mit\u00e4 kaupallisesta filamentista valmistetuissa kappaleissa voitiin n\u00e4hd\u00e4. T\u00e4m\u00e4 tosin johtuu todenn\u00e4k\u00f6isesti aiemmin mainitusta materiaalin hygroskooppisuudesta ja vesih\u00f6yryn purkautumisesta kaupallisia, huoneolosuhteissa s\u00e4ilytettyj\u00e4 materiaaleja tulostettaessa.<\/p>\n\n\n\n<p>UPM ilmoittaa UPM 20-tuotteelle vetolujuudeksi 28 MPa ja UPM 40-tuotteelle 48 MPa. Elastisuusmoduulien arvoiksi on vastaavasti ilmoitettu 2,6 GPa ja 5,4 GPa. N\u00e4m\u00e4 tulokset ovat mitattu muottivaletuista kappaleista. 3D-tulostetuista kappaleista mitattuina mekaaniset ominaisuudet j\u00e4iv\u00e4t kauas ilmoitetuista arvoista (kuvat 6a ja 6b, esitetty keskiarvo ja vaihteluv\u00e4li). <\/p>\n\n\n\n<p>My\u00f6s muiden testattujen biokomposiittimateriaalien mekaaninen suorituskyky oli hyvin heikko verrattuna puhtaaseen PLA-muoviin. T\u00e4m\u00e4 johtuu hyvin todenn\u00e4k\u00f6isesti 3D-tulostuksen ja muottivalun eroista, jotka heijastuvat kappaleen tiheyteen, t\u00e4ytt\u00f6asteeseen sek\u00e4 sis\u00e4isiin liitoksiin. Muottivalettu kappale on varmasti t\u00e4ytt\u00e4 tavaraa, eik\u00e4 sen sis\u00e4lle j\u00e4\u00e4 huomattavia ilmataskuja. 3D-tulostettujen kappaleiden sis\u00e4lle todenn\u00e4k\u00f6isesti j\u00e4\u00e4 ilmaa, joka heijastuu suoraan kappaleen tiheyteen ja massaan. Materiaalin massan ja tiheyden on havaittu olevan yksi t\u00e4rkeimmist\u00e4 mekaanisia ominaisuuksia m\u00e4\u00e4ritt\u00e4vist\u00e4 tekij\u00f6ist\u00e4. <\/p>\n\n\n\n<p>Toinen vaikuttava tekij\u00e4 ovat materiaalin sis\u00e4iset liitokset. 3D-tulostetussa kappaleessa on kerroksia, joiden liittyminen toisiinsa voi olla heikkoa, varsinkin kun tilannetta verrataan muottivalettuun kappaleeseen, jossa kappale muodostuu k\u00e4yt\u00e4nn\u00f6st\u00e4 yhdest\u00e4 kerroksesta, jolloin mekaanisia ominaisuuksia heikent\u00e4vi\u00e4 liitoskohtia ei esiinny. T\u00e4ss\u00e4 kokeessa ei kuitenkaan testattu erilaisten 3D-tulostusparametrien vaikutusta mekaanisiin ominaisuuksiin, joten on hyvin mahdollista, ett\u00e4 parempiin tuloksiin olisi voitu p\u00e4\u00e4st\u00e4 mekaanisten ominaisuuksien osalta. Kaikki kappaleet 3D-tulostettiin samoja parametrej\u00e4 k\u00e4ytt\u00e4m\u00e4ll\u00e4. 3D-tulostettu PLA Grey oli mekaanisilta ominaisuuksiltaan kutakuinkin odotettujen arvojen tasolla, joten 3D-tulostuksen laatu oli oletettavasti hyv\u00e4 ja parametrit s\u00e4\u00e4detty tyydytt\u00e4v\u00e4sti ainakin tavallisimpien 3D-tulostusmuovien kannalta.<\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large is-style-default\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1024\" height=\"332\" src=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva6ab-1024x332.jpg\" alt=\"\" class=\"wp-image-701\" srcset=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva6ab-1024x332.jpg 1024w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva6ab-300x97.jpg 300w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva6ab-768x249.jpg 768w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva6ab-1536x499.jpg 1536w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2020\/12\/2020-12-bk-kuva6ab.jpg 1605w\" sizes=\"auto, (max-width: 1024px) 100vw, 1024px\" \/><figcaption>Kuva 6. Materiaalien vetolujuuksia ja elastisuusmoduuleita<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<p>Kuitujen lis\u00e4\u00e4minen muovimatriisiin lis\u00e4\u00e4 materiaalin elastisuusmoduulia eli lujuutta huomattavasti. T\u00e4m\u00e4 voidaan huomata etenkin muottivaletuissa kappaleissa, mutta ero oli jopa p\u00e4invastainen 3D-tulostetuissa kappaleissa. Kirjallisuudessa tunnetaan ilmi\u00f6, jossa komposiittimateriaalin kuidut orientoituvat tulostusp\u00e4\u00e4n ja \u2013suunnan mukaan ja kappale saa lis\u00e4kest\u00e4vyytt\u00e4 kuitujen s\u00e4\u00e4nn\u00f6llisest\u00e4 suuntautumisesta, mutta t\u00e4llaista mekaanisia ominaisuuksia voimistavaa vaikutusta ei t\u00e4ss\u00e4 testiss\u00e4 havaittu. Valetuissa kappaleissa kuidut j\u00e4rjest\u00e4ytyv\u00e4t satunnaisesti, eik\u00e4 samankaltaista kest\u00e4vyytt\u00e4 lis\u00e4\u00e4v\u00e4\u00e4 ilmi\u00f6t\u00e4 tapahdu. On kuitenkin mainittava, ett\u00e4 testiss\u00e4 k\u00e4ytetyt biokomposiittimateriaalit eiv\u00e4t olleet laadultaan huippuluokkaa, sill\u00e4 kaupallisia filamentteja oli s\u00e4ilytetty huoneolosuhteissa lukuisia kuukausia, sek\u00e4 itse tuotetuissa UPM Formi-filamenteissa oli todenn\u00e4k\u00f6isesti laadullista vaihtelevuutta. My\u00f6sk\u00e4\u00e4n 3D-tulostusparametrit eiv\u00e4t olleet r\u00e4\u00e4t\u00e4l\u00f6ity biokomposiitteja varten, jolloin tulostuslaatuun j\u00e4i parantamisen varaa.<\/p>\n\n\n\n<p>Tutkimuksen t\u00e4ss\u00e4 vaiheessa voidaan todeta, ett\u00e4 UPM Formin kaltainen v\u00e4rit\u00f6n, v\u00e4rj\u00e4tt\u00e4v\u00e4 ja 3D-tulostettava biokomposiittimateriaali on hyv\u00e4 tuote sen monipuolisuutensa ja ekologisuutensa vuoksi. Materiaalin muovaus ja v\u00e4rj\u00e4ys omien tarpeiden mukaan onnistui helposti ty\u00f6h\u00f6n sopivilla v\u00e4lineill\u00e4, ja lopputuotteeksi saatiin erinomaisesti toimivaa filamenttia itselle sopivassa v\u00e4riss\u00e4. Tuotteen huonot ominaisuudet liittyiv\u00e4t l\u00e4hinn\u00e4 filamentin hauraaseen rakenteeseen, jolloin materiaalilla oli perinteisi\u00e4 filamentteja jokseenkin suurempi taipumus katketa. 3D-tulostettaessa t\u00e4m\u00e4 ei kuitenkaan ollut ongelma. Edellytykset biokomposiittien yleistymiselle kuluttajamarkkinoilla ovat olemassa. <\/p>\n\n\n\n<p>Useat pursottamalla 3D-tulostetut kappaleet eiv\u00e4t v\u00e4ltt\u00e4m\u00e4tt\u00e4 vaadi erityisen hyvi\u00e4 mekaanisia ominaisuuksia, jolloin t\u00e4rkein kuluttajan tuotevalintaan aiheuttava tekij\u00e4 on visuaalisuus. N\u00e4in ollen tarve \u00f6ljypohjaisille muovimateriaaleille voi v\u00e4henty\u00e4 ja alan ymp\u00e4rist\u00f6jalanj\u00e4lki pienenty\u00e4 yksinkertaisin toimenpitein. Biokomposiittimateriaalit voivat hyvinkin kattaa tulevaisuudessa merkitt\u00e4v\u00e4n osan filamenttimarkkinoista, mik\u00e4li materiaalintuottajat ottavat ekologisuuden markkinaedukseen ja kehitt\u00e4v\u00e4t kuluttajille vaihtelevia biokomposiittimateriaaleja. T\u00e4m\u00e4 vaatii kuitenkin kehitysty\u00f6t\u00e4 my\u00f6s puuteollisuuden toimijoiden kanssa, jotka tuottavat toimintansa sivutuotteena niin kutsuttua nollakuitua, joka voi jalostuksen kautta saada huomattavaa lis\u00e4arvoa \u2013 nyky\u00e4\u00e4n tuota kuitua hy\u00f6dynnet\u00e4\u00e4n tuotteellisesti vain joissain m\u00e4\u00e4rin. Biokomposiittifilamenttien tulee kuitenkin olla riitt\u00e4v\u00e4n tasalaatuisia ja 3D-tulostusyst\u00e4v\u00e4llisi\u00e4, jotta ne voivat menesty\u00e4 markkinoilla ja p\u00e4ihitt\u00e4\u00e4 perinteiset filamenttimateriaalit. Kehitett\u00e4v\u00e4\u00e4 ja mahdollisuuksia on, vaikkakin t\u00e4ss\u00e4 tutkimuksessa tehdyt havainnot luovat biokomposiittimateriaaleista hieman heikon kuvan \u2013 mutta syyt niiden taustalla ovat tunnistettavia ja ratkaistavia.<\/p>\n\n\n\n<p><\/p>\n\n\n\n<p>Aiheeseen liittyvi\u00e4 kirjallisuusl\u00e4hteita:<br><\/p>\n\n\n\n<ul class=\"wp-block-list\"><li>A. Le Duigou, M. Castro, R. Bevan &amp; N. Martin. 3D printing of wood fibre biocomposites: From mechanical to actuation functionality. Materials &amp; Design 96:106-114 (2016).<\/li><li>S. Wahab, A. Wagiman &amp; M. Ibrahim. Development of wood-based composites material for 3D printing process. Applied Mechanics and Materials 315:987-991 (2013).<\/li><li>M. Kariz, M. Sernek, M. Obu\u0107ina &amp; M. K. Kuzman. Effect of wood content in FDM filament on properties of 3D printed parts. Materials Today Communications 14:135-140 (2018).<\/li><li>S. A. Raj, E. Muthukumaran &amp; K. Jayakirshna. A Case Study of 3D Printed PLA and Its Mechanical Properties. Materials Today: Proceedings 5:11219-11226 (2018).<\/li><li>B. M. Tymrak, M. Kreiger &amp; J. M. Pearce. Mechanical properties of components fabricated with open-source 3-D printers under realistic environmental conditions. Materials &amp; Design 58:242-246 (2014).<\/li><li>N. G. Tanikella, B. Wittbrodt &amp; J. M. Pearce. Tensile strength of commercial polymer materials for fused filament fabrication. Additive Manufacturing 15:40-47 (2017).<\/li><li>A. Lanzotti, M. Grasso, G. Staiano &amp; M. Martorelli. The impact of process parameters on mechanical properties of parts fabricated in PLA with an open-source 3-D printer. Rapid Prototyping Journal 21(5):604-617 (2015).<\/li><li>J. Torres, J. Cotelo, J. Karl &amp; A. P. Gordon. Mechanical Property Optimization of FDM PLA in Shear with Multiple Objectives. JOM: The Journal of Minerals, Metals &amp; Materials Society 67(5):1183-1193 (2015).<\/li><li>A. P. Mathew, K. Oksman &amp; M. Sain. Mechanical properties of biodegradable composites from poly lactic acid (PLA) and microcrystalline cellulose (MCC). Journal of Applied Polymer Science 97(5):2014-2025 (2005).<\/li><\/ul>\n\n\n\n<p>T\u00e4m\u00e4 kirjoitus liittyy Antti V\u00e4is\u00e4sen v\u00e4it\u00f6skirjatutkimukseen jonka aiheena on 3D-tulostettavien muovimateriaalien ty\u00f6- ja k\u00e4ytt\u00f6turvallisuus. Tutkimusty\u00f6 toteutettiin yhteisty\u00f6ss\u00e4 Savonian 3DTIK \u2013hankkeen ja It\u00e4-Suomen yliopiston kanssa. Aiemmin on tutkittu biokomposiittimateriaalien pienhiukkasp\u00e4\u00e4st\u00f6j\u00e4, niihin liittyv\u00e4 blogikirjoitus l\u00f6ytyy osoitteesta: <a rel=\"noreferrer noopener\" href=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/2018\/10\/31\/jatemuovista-ja-kotimaisesta-puusta-3d-tulostusmateriaaleiksi\/\" target=\"_blank\">https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/2018\/10\/31\/jatemuovista-ja-kotimaisesta-puusta-3d-tulostusmateriaaleiksi\/<\/a><\/p>\n\n\n\n<p>Antti V\u00e4is\u00e4nen<br>projektity\u00f6ntekij\u00e4, Savonia-ammattikorkeakoulu<br>apurahatutkija, Sis\u00e4ymp\u00e4rist\u00f6n ja ty\u00f6hygienian tutkimusryhm\u00e4, Ymp\u00e4rist\u00f6- ja biotieteiden laitos, It\u00e4-Suomen yliopisto<\/p>\n\n\n\n<p>Antti Alonen<br>tki-asiantuntija<br>Savonia-ammattikorkeakoulu<\/p>\n\n\n\n<figure class=\"wp-block-image size-large is-style-default\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" width=\"1024\" height=\"194\" src=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2021\/03\/lippulogot-1024x194_2020.png\" alt=\"\" class=\"wp-image-860\" srcset=\"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2021\/03\/lippulogot-1024x194_2020.png 1024w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2021\/03\/lippulogot-1024x194_2020-300x57.png 300w, https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-content\/uploads\/sites\/4961\/2021\/03\/lippulogot-1024x194_2020-768x146.png 768w\" sizes=\"auto, (max-width: 1024px) 100vw, 1024px\" \/><\/figure>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Pursottavissa ja jauhepetimenetelm\u00e4\u00e4n perustuvissa 3D-tulostimissa voidaan k\u00e4ytt\u00e4\u00e4 perinteisten muovien lis\u00e4ksi komposiittimateriaaleja, eli muovin sek\u00e4 kuitujen tai jauheen yhdistelm\u00e4\u00e4. Markkinoilla onkin saatavilla muovimateriaaleja, joihin on yhdistetty esimerkiksi metallihiukkasia tai puu-, hiili-, kevlar- tai lasikuituja. Ekologisesta n\u00e4k\u00f6kulmasta biokomposiitit eli biopohjaisia kuituja hy\u00f6dynt\u00e4v\u00e4t komposiittimateriaalit ovat t\u00e4rke\u00e4 tutkimuksen ala. Kun muovimatriisina viel\u00e4 k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n biopohjaista [&hellip;]<\/p>\n","protected":false},"author":4267,"featured_media":701,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[27],"tags":[39,59,60],"class_list":["post-679","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-3dtik","tag-filamentti","tag-granulaatti","tag-komposiitti"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/679","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/users\/4267"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=679"}],"version-history":[{"count":18,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/679\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":865,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/679\/revisions\/865"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/media\/701"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=679"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=679"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=679"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}