Standardization of recycled plastic materials for additive manufacturing

Résumé

Polymer extrusion-based additive manufacturing (AM) or 3D printing is a process that creates an object from a 3D model, a feedstock polymeric material in the form of wires or pellets, and a 3D-printer equipped with an extruder. Recycled polymeric materials can be used as feedstock for this technology. This thesis aims to enhance the quality of some plastic wastes to meet the standardized thermal and mechanical properties and make them suitable for 3D printing. In the modern manufacturing revolution, which follows the concept of "Industry 4.0", AM plays a key role as an enabling technology, allowing objects with almost any geometry to be created in a more direct way. Material extrusion-based AM can be divided into fused filament fabrication (FFF) and fused granular fabrication (FGF). FFF uses high-quality filament that is not too brittle nor too flexible and has a specific and constant diameter. Therefore, only certain materials with the appropriate mechanical properties could be processed by FFF. In contrast, the FGF method is not so limited by the variety of materials, as all industrial polymers can be found as pellets. Moreover, the preparation of feedstock for FGF eliminates the second thermal processing for wire production, which always results in the reduction of the polymer's molar mass. The most famous polymer for 3D printing is polylactide acid (PLA). It is a biodegradable and renewable thermoplastic polyester derived from renewable sources (mainly starch and sugar). The slow degradation rate in natural environments could lead to PLA accumulation. One way to utilize PLA waste is composting. But this method is used to degrade industrial waste, where a large amount of waste is collected every day, which is not the case for PLA at present. Also recycling the scraps for AM is interesting to save costs because PLA is an expensive polymer, and the construction of composting facilities currently involves large capital investments. In addition, an analysis of the normative base of AM in the polymer sphere revealed that ISO and ASTM organizations only developed seven standards for polymers in AM, without specifying the type of polymer. To achieve the goal of the thesis study, a series of three interrelated experiments was performed. The first experiment on accelerated thermal and hydrothermal ageing of PLA was aimed at studying the temporal dynamics of polymer degradation. Thus, it was found that hydrothermal ageing for 1344 h, which corresponds to more than 1.5 years of operation under real conditions, leads to a significant decrease in the tensile strength of PLA samples. Based on these results, PLA waste from 3D printing up to 1.5 years old from the date of printing was collected for the second experiment. This debris was mixed with pure PLA in proportions of 25%, 50% and 75%, respectively. The results of this experiment showed that a material based on pure and recycled PLA is a feasible material for FFF. In the last experiment, the properties of the mixtures received in the previous research were modified by adding titanium dioxide nanoparticles, and the samples were printed using FGF. The nanocomposite based on primary and secondary (recycled) PLA with the addition of 7% titanium dioxide nanopowder has similar thermal and mechanical properties to the primary polymer, considering the standard deviation. Finally, to ensure the quality of the received nanocomposite and the reproducibility of the properties, the quality indicators have been documented in an organization standard. Thus, in this work, it has been experimentally proved that using recycled PLA for extrusion-based AM is a realistic and achievable task, able to produce parts with improved comparable thermal and mechanical properties to those of primary PLA. RESUMEN La fabricación aditiva (FA) o impresión 3D basada en la extrusión de polímeros consiste en crear capa a capa un objeto a partir de un modelo 3D, un material polimérico de partida en forma de hilo o granza y una impresora 3D dotada con extrusora. Es posible alimentar impresoras 3D con materiales poliméricos reciclados. Esta tesis tiene como objetivo mejorar la calidad de algunos residuos plásticos para conseguir unas propiedades térmicas y mecánicas estandarizadas que permitan su adecuación como material de partida para la impresión 3D. En la cuarta revolución industrial, o concepto de Industria 4.0, la FA tiene un papel fundamental como tecnología habilitadora, permitiendo crear objetos con casi cualquier geometría en un proceso más directo. La extrusión de material basada en FA se puede dividir en fabricación mediante fundido de filamentos (FFF) y fabricación mediante fundido de gránulos (FFG). FFF utiliza filamentos de alta calidad, ni demasiado frágiles ni demasiado flexibles con un diámetro específico y constante. Por lo tanto, solo ciertos materiales con las propiedades mecánicas apropiadas podrían ser procesados por FFF. En comparación, el método FFG no está tan limitado por la variedad de materiales, ya que todos los polímeros industriales se pueden encontrar en forma de gránulos o pellets. Además, la preparación de la materia prima para FFG excluye el segundo procesamiento térmico para la producción de hilo, que siempre resulta en una reducción del peso molecular del polímero. El polímero más comúnmente usado para la impresión 3D es el ácido poliláctico (PLA). Es un poliéster termoplástico biodegradable y derivado de fuentes naturales (principalmente almidón y azúcar). No obstante, su degradación en ambientes naturales normales es lenta, lo que podría conducir a la acumulación de residuos de PLA en el medio ambiente. Una forma de utilizar los residuos de PLA es el compostaje, pero este método conlleva normalmente el uso de grandes instalaciones para degradar residuos que se generan en grandes cantidades, lo que no es el caso del PLA en la actualidad. Asimismo, reciclar residuos para su uso en AM es una opción que permitiría ahorrar costes, ya que el PLA es un polímero caro, y la construcción de instalaciones de compostaje implicaría afrontar grandes inversiones. Además, el análisis de la base de datos de normativas de estandarización resulta que, en el ámbito de la FA de polímeros, las organizaciones ISO y ASTM solo han desarrollado siete estándares para polímeros, sin especificar el tipo de polímero. Para lograr el objetivo de la tesis, se realizó una serie de tres experimentos interrelacionados. El primer experimento sobre el envejecimiento térmico e hidrotérmico acelerado del PLA tuvo como objetivo estudiar la dinámica temporal de la degradación de este polímero una vez procesado en FFF. Por lo tanto, se encontró que el envejecimiento hidrotérmico durante 1344 h, que corresponde a más de 1,5 años de operación en condiciones reales, conduce a una disminución significativa en la resistencia a la tracción de las muestras de PLA. Sobre la base de estos resultados, se recogieron residuos de PLA de la impresión 3D de hasta 1,5 años de edad desde la fecha de impresión para el segundo experimento. Estos desechos se mezclaron con PLA primario en proporciones de 25%, 50% y 75%, respectivamente. Los resultados de este experimento mostraron que un material basado en PLA primario y reciclado es un material factible para FFF. En el último experimento, las propiedades de las mezclas recibidas en la investigación anterior se modificaron mediante la adición de nanopartículas de dióxido de titanio, y las muestras se imprimieron utilizando FGF. El nanocompuesto basado en PLA primario y secundario (reciclado) con la adición de nano-partículas de dióxido de titanio al 7% tiene propiedades térmicas y mecánicas similares al polímero primario, considerando la desviación estándar. Finalmente, para garantizar la calidad del nanocompuesto recibido y la reproducibilidad de las propiedades, los indicadores de calidad se han documentado en una norma de estandarización. Por lo tanto, en este trabajo, se ha demostrado experimentalmente que el uso de PLA reciclado para AM basado en extrusión de polímeros es técnicamente viable, siendo posible producir piezas con propiedades térmicas y mecánicas comparables o mejoradas a las del PLA primario.