Sustainable 3D printing with copolyester-based polymers

Abstract

3D printing has been increasing over the last few years and is a recent method for developing plastic products. 3D printing provides several sustainability advantages: less waste during manufacturing as it is an additive process; the ability to optimise geometries and create lightweight components that reduce material and energy consumption; and reduced waste due to the ability to produce recycled parts. The present research aims to study the influence of printing temperature, printing speed, and percentage of recyclate on the mechanical properties, flow behaviour and morphology of virgin and recycled parts of copolyester-based polymers. In the tests performed in this research, the mechanical characterization, morphological characterization and thermal characterization of the materials used were studied: low, medium and high viscosity polyethene terephthalate glycol (PETG). From the mechanical tests, it was possible to conclude that with increasing printing temperature, it can be seen that the mechanical properties are improved, as there is better adhesion between layers compared to low printing temperatures. Furthermore, the parts that were subjected to the impact test proved this phenomenon using optical microscopy. Regarding the printing speed, although there is a lot of proximity in the results, it was possible to observe that the parts printed at 10mm/s resulted in better quality, probably because the layers solidified adequately and provided a good adhesion between layers. Furthermore, regardless of the variation in printing temperature or printing speed, it was possible to observe that with the density measurements, it remained equal to 1.26g/cm³. Regarding the percentage of recycled, it was possible to see that with the increase in the regrind fraction, the MFI increases, and the mechanical properties tend to decrease, probably because irreversible changes were caused in the material properties. According to the thermal characterization, the glass transition temperature remained constant, and the degradation temperature of PETG increased, even though there was no significant difference with the increase in the regrind fraction.

A impressão 3D tem vindo a aumentar durante os últimos anos e é um método recente para o desenvolvimento de produtos em plástico. A impressão 3D fornece uma série de vantagens de sustentabilidade: menos resíduos durante o fabrico por ser um processo aditivo; a capacidade de otimizar geometrias e criar componentes leves que reduzem o consumo de material e de energia; e redução do desperdício devido à capacidade de produzir peças recicladas. A presente investigação visa o estudo da influência da temperatura de impressão, velocidade de impressão, e percentagem de reciclado nas propriedades mecânicas, no comportamento de fluxo e na morfologia das peças virgens e recicladas dos polímeros à base de copoliésteres. Nos testes realizados nesta pesquisa, estudou-se a caracterização mecânica, a caracterização morfológica e a caracterização térmica dos materiais utilizados: o polietileno teraftalato glicol (PETG) de baixa, média e alta viscosidade. A partir dos testes mecânicos, foi possível concluir que com o aumento da temperatura de impressão, é possível verificar que as propriedades mecânicas são melhoradas, visto que há uma melhor adesão entre camadas comparativamente com temperaturas de impressão baixas. Além disso, as peças que foram sujeitas ao teste de impacto comprovaram este fenómeno com recurso à microscopia ótica. No que toca à velocidade de impressão, apesar de haver muita proximidade nos resultados, foi possível observar que as peças impressas a 10mm/s resultaram numa melhor qualidade da peça, provavelmente porque as camadas solidificaram devidamente e proporcionaram uma boa adesão entre camadas. Para além disso, independentemente da variação da temperatura de impressão ou da velocidade de impressão, foi possível observar que com as medições da densidade, esta manteve-se igual a 1,26g/cm³. Em relação à percentagem de reciclado, foi possível observar que com o aumento da percentagem de reciclado, o MFI aumenta e as propriedades mecânicas tendem a diminuir, provavelmente porque foram causadas modificações irreversíveis nas propriedades do material. Segundo a caracterização térmica, a temperatura de transição vítrea manteve-se contante e a temperatura de degradação do PETG, apesar de não haver uma diferença significativa, aumentou com o aumento da percentagem de reciclado.