HUN-REN-BME Kutatócsoport





Additív gyártástechnológiával gyártott 3D erősítő struktúrájú vázszerkezet inzertként történő alkalmazásának elemzése fröccsöntött polimer kompozitokban

Pályázati azonosító:
FK 134336
Támogató:
Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)
Futamidő:
2020. szeptember 1. - 2024. augusztus 31.
Témavezető (BME):
Dr. Tábi Tamás

Résztvevő kutatók (BME):
Dr. Kovács Norbert Krisztián
Dr. Suplicz András
Dr. Szabó Ferenc

Pályázat összefoglalója

Napjainkban a polimer termékek egyre nagyobb számban jelennek meg a biztonságilag kritikus és nagy terhelésnek kitett alkatrészek esetében is. Ennek eredményeként egyre nagyobb hangsúly helyeződik a szál erősítésű kompozit anyagok felhasználására, amelyeknél a mechanikai tulajdonságok irányfüggése az alkalmazott erősítő anyagok irányultságával áll összefüggésben. Szálerősítésű kompozit anyagokat fröccsöntéssel is feldolgozhatunk, amely során a szálak orientációját alapvetően az áramlási viszonyok határozzák meg. Ezért sok esetben a mechanikai igénybevételből származó követelmények kielégítéséhez megnövelt falvastagságú termékeket szükséges gyártani. Gyakran szükséges erősítő bordák beépítése is, amelyek alapanyag, súly és költség többletet okoznak. További problémát jelent az ömledék áramlásából fakadóan az áramlási frontok találkozása, amely során mechanikailag kritikus helyek alakulhatnak ki, valamint a technológia sajátosságából adódó szálrövidülés. A projekt célja olyan komplex tervezési módszertan kidolgozása, amelynek segítségével a fröccsöntött termékekben a terheléseknek megfelelő erősítő szerkezet külön lépésben, 3D nyomtatással hozható létre. Ennek előnye, hogy az erősítőszerkezet jellemzői (orientáció, száltartalom stb.) az áramlási viszonyoktól függetleníthetők és az igénybevételtől függően akár pontról pontra változtathatók. Az eljárás további előnye, hogy a szálrövidülés is nagymértékben redukálható, ezáltal növelve a szálerősítés hatékonyságát, továbbá az anyagában történő újrahasznosítás lehetőségét. További cél a kifejlesztett eljárás alkalmazása és kiterjesztése olyan biopolimerekre is, mint a napjainkban a kutatások fókuszában lévő Politejsav (PLA).

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz
2020. szeptember 1. - 2021. augusztus 31.
Jelen kutatási időszakban az első feladatunk a biopolimerekkel és biopolimer kompozitokkal (biokompozitok) kapcsolatos szakirodalom áttekintése volt. Feltártuk a PLA hátrányos tulajdonságait (alacsony hő- és ütésállóság) és azok javítását célzó lehetőségeket. Áttekintettük a PLA szívósításának lehetőségeit, úgymint a lágyítók, szívósító adalékok használata vagy egy másik, eredendően szívós biopolimerrel alkotott keverék (blend) képzésének lehetőségét. A szakirodalom összegzését egy áttekintő tanulmányban tettünk közzé a Polymer Testing (Q1) folyóiratban. Ezzel párhuzamosan megkezdtük az alapanyagok, valamint a szükséges eszközök, úgy, mint a 3Devo Precision 450 típusú kompakt filament gyártó, valamint egy Markforged Method X típusú, fűtött munkaterülettel rendelkező FFF berendezés beszerzését. A kutatásunkat a kapcsolt termikus-mechanikai végeselemes vizsgálatokhoz szükséges anyagtulajdonságok mérésével folytattuk. A gyártástechnológia modellezésére, a geometriák gyárthatósági vizsgálatára, valamint a fröccsöntési szimulációkból számított, a szerkezetre ható terhelések kiszámítására fröccsöntési szimulációkat használtunk. Végül a PLA és bazaltszálas PLA kompozitok 3D nyomtatással történő feldolgozhatóságát vizsgálatuk. A kompozit nyomtatószálak (filamentek) gyártását követően mintadarabokat gyártottunk, és mikroszerkezeti vizsgálatokat végeztünk a nyomtatott szerkezetek szálhossz-eloszlásának, orientációjának és porozitásának meghatározására. Megállapítottuk, hogy az erősítetlen PLA próbatestben a nyomtatási irány mentén két lefektetett szál között jellegzetes háromszög alakú légrések alakulnak ki, és ezeknek a háromszög alakú légréseknek a mennyisége a szálerősítés alkalmazásával csökken. Vizsgálataink alapján a kompozit filamentben és ebből adódóan a nyomtatott kompozit termékben a maradó szálhossz döntően a kritikus szálhossz alatt van, így célul tűztük ki a kompozit maradó szálhosszának növelését, amelyet kíméletesebb feldolgozással kívánunk megvalósítani.
PLA és PLA alapú bazalt kompozit filamanet gyártása

2. munkaszakasz
2021. szeptember 1. - 2022. augusztus 31.
A kutatás második évében a fő célunk a kompozit nyomtató szálak (filamentek) maradó szálhosszának a növelése volt. Ehhez egy új eljárás fejlesztettünk ki, amely során a PLA alapanyagot ikercsigás extruderbe juttattuk, és folyamatos bazaltszál rovingot vezettünk be a szerszámhoz közeli kigázosító nyíláson minimalizálandó a szálakra ható nyíróigénybevételt. A módszer eredményeként az átlagos szálhossz a vágott szálak esetében mért 60 µm-ról 1300 µm-ra (1,3 mm-re) nőtt. Ezt követően megvizsgáltuk ezen filamentek feldolgozhatóságát (nyomtathatóságát) valamint a 3D nyomtatott kompozitok mechanikai tulajdonságait. A kompozitok esetében használatos előrejelző módszerek alkalmazhatóságát is teszteltük a 3D nyomtatott szerkezetekre vonatkozóan. Megállapítottuk, hogy a fröccsöntött kompozitokra jól alkalmazható számítási módszerek gyakran pontatlanok a 3D nyomtatott kompozitok esetében, ezért ezek további korrekciót és kiegészítést igényelnek. Munkánk folytatásaként egyedi 3D nyomtatott betétgeometriákat terveztünk és gyártottunk a későbbi fröccsöntési kísérletekhez. 4 betét geometriát választottunk ki a számos verzió közül a 3D nyomtatási vizsgálatokhoz. A 3D nyomtatott betétek átfröccsöntése során keletkező deformációk elemzését üvegbetéttel ellátott fröccsöntőszerszámban vizsgáltuk, és a képeket digitális képkorrelációval elemeztük. Az áramlásból származó erőket, amelyeket a mechanikai számítások bemeneti adataiként használtunk, Moldex3D programmal számoltuk ki. A magas viszkozitással kapcsolatos problémák leküzdésére kalcium-sztearátot (Ca-ST) választottunk csúsztatószerként. Már 1 m% Ca-ST hatására is jelentősen megnőtt a PLA áramlási sebessége. Ez alapján egyszerűsíteni lehetett a vázszerkezet impregnálási folyamatát. Ugyanakkor továbbfejlesztettük a PLA mátrixanyag termikus méretstabilitását is. A fröccsöntött PLA próbatestek hőalaktartási hőmérséklete a fröccsöntött PLA kristályosításával és hatékony gócképzők alkalmazásával 55°C-ról több mint 120°C-ra emelkedett.
3D nyomtatott kompozit szerkezete

3. munkaszakasz
2022. szeptember 1. - 2023. augusztus 31.
A harmadik évben tovább folytattuk a PLA-val kapcsolatos kutatásunkat. Vizsgáltuk a különböző adalékanyagokat, gócképzőket továbbá a lágyítóknak a termék felületre történő migrálását. Megállapítottuk, hogy az előzetes várakozással szemben a kristályosított PLA próbatestekből kisebb mértékű volt az adalékanyagok diffúziója. Vizsgáltuk továbbá a háromfázisú bioműanyag keverékeket, amelyben mindhárom fázis biopolimer (PLA, PBAT és PBS (PoliButilén-Szukcinát)) volt. Kimutattuk, hogy mind a PBAT, mind pedig a PBS kristálygócképző hatással rendelkezik, és használatuk nagyon jelentős mértékben növelte meg a PLA szakadási nyúlását (3,7%-ról több mint 20%-ra). Kutatásunk további részében a 3D nyomtatással létrehozandó szálerősített vázstruktúrára fókuszáltunk. Az előkísérletek eredményei alapján 10x10x10 mm befoglaló méretű gyroid egységcellákat nyomtattunk, különböző átmérőjű fúvókákkal, majd ezek méretpontosságát optikai mikroszkóppal ellenőriztük. Megállapítottuk, hogy az alkalmazott gyroid egységcella geometria mérettartása 0,4 mm fúvókaátmérő esetén volt a legpontosabb. A cellák mechanikai jellemzőit nyomóvizsgálatokkal minősítettük. A gyroid próbatesteknél megfigyelhető a cellákra jellemző plató, nagy alakváltozást képesek elviselni közel állandó feszültség mellett, ami jelen esetben 20-25 MPa/g. Ezt követően a gyroid struktúrát fröccsöntéskor inzertként alkalmaztuk. Megállapítottuk a 3D nyomtatott inzertek körüli teljes kitöltéshez szükséges fröccsöntési paramétereket. Ezt követően a fröccsöntéssel készült mintákon is nyomóvizsgálatot végeztünk. A fröccsöntött próbatestek esetében nem különíthető el a lineárisan rugalmas és a platós szakasz annyira élesen, mint az inzert próbatesteknél. Ennek oka a többfázisú szerkezet. Megállapítottuk, hogy a platós szakaszt nem előzi meg feszültségesés, tehát a tervezett inzert geometria kifejti hatását. Összeségében elmondható, hogy a fröccsöntési kísérletek sikeresek voltak.
Fröccsöntési kísérlet: A: mérési elrendezés az üvegszerszámban; B: részlegesen kitöltött termék; C: teljesen kitöltött, jó termék; D: keresztmetszeti képe a fröccsöntött darabnak

4. munkaszakasz
2023. szeptember 1. - 2024. augusztus 31.



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Tábi T., Gere D., Csézi G., Pölöskei K.: Influence of Epoxidized Natural Rubber of the thermoformability of Poly(Lactic Acid) biopolymer films using elevated temperature ball burst tests. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 149, 75-87 (2024) 10.1007/s10973-023-12712-1 IF=4.4 Q1
  2. Dragan V. K., Petrovics N., Kirchkeszner Cs., Tábi T., Szabó B. S., Eke Zs.: The kinetics of swelling and migration: A case study of plasticized polylactic acid food contact plastics tested with ethanolic food simulants. Express Polymer Letters, 18, 391-405 (2024) 10.3144/expresspolymlett.2024.29 IF=3.3 Q2
  3. Tóth Cs., Vas L. M., Kovács N. K.: Achieving gradual failure under bending by the layering design of 3D printed continuous fiber reinforced composites. Results in Engineering, 22, 102075/1-102075/8 (2024) https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102075 IF=5 Q1
  4. Krizsma Sz., Suplicz A.: Analysis of the applicability and state monitoring of material extrusion–printed acrylonitrile butadiene styrene injection mould inserts with different infill levels. Materials Today Communications, 35, 106294/1-106294/ (2023) 10.1016/j.mtcomm.2023.106294 IF=3.8 Q2
  5. Hajagos Sz., Zink B.: Polimer fröccsöntő inzertek deformációs viselkedésének modellezése numerikus számításokkal. in 'XXXI. Nemzetközi Gépészeti Konferencia OGÉT Temesvár, Románia. 2023.04.27-2023.04.30.,183-188 (2023)
  6. Krizsma Sz., Suplicz A.: Prototípus fröccsöntő szerszámok üzem közbeni állapotfelügyelete és termékminőség vizsgálata. in 'XXXI. Nemzetközi Gépészeti Konferencia Temesvár, Románia. 2023.04.17-2023.04.30.,323-328 (2023)
  7. Kiss B., Párizs R. D., Tóth Cs., Török D., Kovács N. K.: Anyagextrúzió alapú additív gyártástechnológiával készült termékek anizotróp viselkedésének elemzése. Polimerek, 5, 155-160 (2023)
  8. Tábi T.: Háromfázisú bioműanyag keverékek vizsgálata. in 'XXXI. Nemzetközi Gépészeti Konferencia (OGÉT 2023) Temesvár, Románia. 2023.04.27-2023.04.30.,460-465 (2023)
  9. Széplaki P., Szabó F.: Fröccsöntő szerszám inzertek deformációinak mérése és vizsgálata gyártási ciklus közben. in 'OGÉT 2023 : XXXI. Nemzetközi Gépészeti Konferencia Temesvár, Románia. 2023.04.27- 2023.04.30,450-453 (2023)
  10. Kotrocz L., Bakonyi P.: Investigation the temperature-dependent surface mechanical properties of PolyJet printed samples by cyclic indentation testing in a DMA system. Results in Materials, 17, 100360/1-100360/1-8 (2023) 10.1016/j.rinma.2022.100360
  11. Csézi G., Tábi T.: Hőkezelési hőmérséklet hatása a nyújtott politejsav tulajdonságaira. in 'XXXI. Nemzetközi Gépészeti Konferencia (OGÉT 2023) Temesvár, Románia. 2023.04.27-2023.04.30.,75-80 (2023)
  12. Krizsma Sz. G., Suplicz A.: Monitoring and modelling the deformation of an aluminium prototype mould insert under different injection moulding and clamping conditions. Results in Engineering, 20, 101556/1-101556/13 (2023) 10.1016/j.rineng.2023.101556 IF=5 Q1
  13. Petrovics N., Kirchkeszner Cs., Patkó A., Tábi T., Magyar N., Kovácsné Székely I., Szabó B. S., Nyiri Z., Eke Zs.: Effect of crystallinity on the migration of plastic additives from polylactic acid-based food contact plastics. Food Packaging and Shelf Life, 36, 101054/1-101054/ (2023) 10.1016/j.fpsl.2023.101054 IF=8 D1
  14. Semperger O. V., Suplicz A.: The effect of the titanium dioxide nanoparticles on the morphology and degradation of polyamide 6 prepared by anionic ring-opening polymerization. Polymer Engineering and Science, 62, 2079-2088 (2022) 10.1002/pen.25990 IF=3.2 Q2
  15. Petrény R., Tóth Cs., Mészáros L., Horváth A.: Development of electrically conductive hybrid composites with a poly(lactic acid) matrix, with enhanced toughness for injection molding, and material extrusion-based additive manufacturing. Heliyon, 8, e10287/1-e10287/ (2022) 10.1016/j.heliyon.2022.e10287 IF=4 Q2
  16. Tábi T., Ageyeva T., Kovács J. G.: The influence of nucleating agents, plasticizers, and molding conditions on the properties of injection molded PLA products. Materials Today Communications, 32, 103936/1-103936/8 (2022) 10.1016/j.mtcomm.2022.103936 IF=3.8 Q2
  17. Petrovics N., Kirchkeszner Cs., Tábi T., Magyar N., Kovácsné Székely I., Szabó B. S., Nyiri Z., Eke Zs.: Effect of temperature and plasticizer content of polypropylene and polylactic acid on migration kinetics into isooctane and 95 v/v% ethanol as alternative fatty food simulants. Food Packaging and Shelf Life, 33, 100916/1-100916/10 (2022) 10.1016/j.fpsl.2022.100916 IF=8 D1
  18. Tábi T., Pölöskei K.: The effect of processing parameters and Calcium-stearate on the ejection process of injection molded Poly(Lactic Acid) products. Periodica Polytechnica-Mechanical Engineering, 66, 17-25 (2022) 10.3311/PPme.18246 IF=1.3
  19. Krizsma Sz. G., Suplicz A.: Comprehensive in-mould state monitoring of Material Jetting additively manufactured and machined aluminium injection moulds. Journal of Manufacturing Processes, 84, 1298-1309 (2022) 10.1016/j.jmapro.2022.10.070 IF=6.2 Q2
  20. Ageyeva T., Kovács J. G., Tábi T.: Comparison of the efficiency of the most effective heterogeneous nucleating agents for Poly(lactic acid). Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 147, 8199-8211 (2022) 10.1007/s10973-021-11145-y IF=4.4 Q1
  21. Krizsma Sz. G., Suplicz A.: State-monitoring and product quality measurement of additively manufactured injection mould inserts. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1246, 012020/1-012020/8 (2022) 10.1088/1757-899X/1246/1/012020
  22. Párizs R. D., Török D., Ageyeva T., Kovács J. G.: Machine Learning in Injection Molding: An Industry 4.0 Method of Quality Prediction. Sensors, 22, 2704/1-2704/16 (2022) 10.3390/s22072704 IF=3.9 Q2
  23. Tóth Cs., Kovács N. K.: Comparison of the accuracy of analytical models for basalt fiber–reinforced poly(lactic acid) composites prepared by injection molding and fused filament fabrication. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 121, 3999–4010 (2022) 10.1007/s00170-022-09572-8 IF=3.4 Q2
  24. Tábi T.: Talkum hatása a politejsav biopolimer tulajdonságaira. in 'XXX. Nemzetközi Gépészeti Konferencia (OGÉT 2022) Székelyudvarhely, Románia. 2022.04.21-2022.04.24.,5 (2022)
  25. Tóth Cs., Kovács N. K.: Development of a Novel Hybrid Manufacturing Technology For Continuous Fiber-Reinforced Thermo-Plastic Composites. Acta Materialia Transylvanica, 5, 39-44 (2022) 10.33924/amt-2022-01-09
  26. Tábi T.: Tények és tévhitek a biopolimerekkel kapcsolatban - II. rész. Biohulladék, 14, 21-26 (2021)
  27. Csézi G., Tábi T.: Orientált biopolimer szerkezetek vizsgálata. in 'XXIX. Nemzetközi Gépészeti Konferencia (OGÉT 2021) Románia. 2021.04.23.,101-105 (2021)
  28. Tábi T.: Tények és tévhitek a biopolimerekkel kapcsolatban - II. rész (másodközlés). Polimerek, 7, 337-340 (2021)
  29. Krizsma Sz. G., Kovács N. K., Kovács J. G., Suplicz A.: In-situ monitoring of deformation in rapid prototyped injection molds. Additive Manufacturing, 42, 102001/1-102001/8 (2021) 10.1016/j.addma.2021.102001 IF=11.632 D1
  30. Tábi T., Ageyeva T., Kovács J. G.: Improving the ductility and heat deflection temperature of injection molded Poly(lactic acid) products: A comprehensive review. Polymer Testing, 101, 107282/1-107282/36 (2021) 10.1016/j.polymertesting.2021.107282 IF=4.931 D1
  31. Szabó F., Suplicz A., Kovács J. G.: Development of injection molding simulation algorithms that take into account segregation. Powder Technology, 389, 368-375 (2021) 10.1016/j.powtec.2021.05.053 IF=5.64 Q1
  32. Semperger O. V., Pomlényi P., Suplicz A.: Felület-bevonatolási eljárás T-RTM technológiához. Polimerek, 7, 186-192 (2021)
  33. Krizsma Sz. G., Suplicz A.: Additív gyártástechnológiával előállított fröccsöntő szerszámbetétek üzem közbeni deformációinak vizsgálata. Polimerek, 7, 155-160 (2021)
  34. Kirchkeszner Cs., Petrovics N., Tábi T., Magyar N., Kovács J., Szabó B. S., Nyiri Z., Eke Zs.: Swelling as a promoter of migration of plastic additives in the interaction of fatty food simulants with polylactic acid- and polypropylene-based plastics. Food Control, 132, 108354/1-108354/12 (2021) 10.1016/j.foodcont.2021.108354 IF=6.652 Q1
  35. Tábi T.: Fröccsöntött politejsav biopolimer sorozatgyárthatóságának elemzése. in 'XXIX. Nemzetközi Gépészeti Konferencia (OGÉT 2021) Románia. 2021.04.23.,200-203 (2021)
  36. Széplaki P., Hajagos Sz., Zink B., Szabó F.: Fröccsöntött termékben elhelyezett fotopolimer inzert hőtanának és deformációjának vizsgálata. in 'XXIX. Nemzetközi Gépészeti Konferencia OGÉT Online. 2021.04.23.,196-199 (2021)
  37. Tábi T.: Tények és tévhitek a biopolimerekkel kapcsolatban - I. rész (másodközlés). Polimerek, 7, 298-301 (2021)

© 2014 BME Polimertechnika Tanszék - Készítette: Dr. Romhány Gábor