3D-utskrift av träpolymerkompositer för hållbara ortoser : En experimentell studie av trä-polymer-växelverkan och dess inverkan på mekaniska egenskaper hos PLA- och PP-baserade kompositer

Sammanfattning

I denna studie undersöktes de mekaniska egenskaperna hos 3D-utskrivna WPC-testkroppar innehållande träfibrer av gran i olika storleksfraktioner (50 µm, 100 µm, 300 µm och 500 µm) och med två olika polymermatriser, polylaktid (PLA) och polypropen (PP). Syftet med studien var att analysera hur fiberstorlek, polymermatris och utskriftsorientering påverkade materialens mekaniska och termiska egenskaper samt materialens lämplighet för användning vid tillverkning av individanpassade ortoser. WPC-materialen framställdes genom inblandning av granspån i PLA respektive PP, varefter testkroppar med hundbensgeometri tillverkades genom FDM-baserad 3D-utskrift. De mekaniska egenskaperna analyserades med dragprovning och brottytorna studerades med mikroskopisk analys. Materialens termiska egenskaper undersöktes med termogravimetrisk analys (TGA) och differentiell svepkalorimetri (DSC). Därutöver analyserades träfibrernas kemiska påverkan på fiber–matris-interaktionen genom extraktivämnesanalys, där extraktivämnen extraherades med Soxhlet-extraktion följt av FTIR-spektroskopi. Resultaten visade att tillsats av träfibrer generellt ledde till försämrade mekaniska egenskaper jämfört med de rena polymererna, vilket indikerar begränsad vidhäftning mellan träfibrer och polymermatris. Skillnaderna mellan de olika fiberstorleksfraktionerna var relativt små, medan polymermatris och utskriftsorientering hade en tydligare påverkan på materialens mekaniska prestanda. PLA-baserad WPC uppvisade högre styvhet men ett mer sprött brottbeteende, medan PP-baserad WPC visade lägre hållfasthet och större duktilitet. De termiska analyserna visade att fiberstorleken hade begränsad inverkan på den termiska stabiliteten, medan inblandning av träfibrer generellt medförde tidigare termisk nedbrytning jämfört med respektive ren polymer. Sammanfattningsvis visade resultaten att de undersökta WPC-materialen, i den sammansättning och med den tillverkningsprocess som användes, inte uppnådde tillräckliga mekaniska egenskaper för att vara lämpliga för individanpassade ortoser. Studien belyser därmed begränsningar med träpolymerkompositer vid 3D-utskrift och understryker behovet av förbättrad fiber–matris-vidhäftning samt fortsatt material- och processutveckling för framtida forskning.