27441

بررسي رفتار خستگي نمونه‌هاي پليمري زيست ‌تخريب‌پذير توليد شده با روش چاپ سه‌بعدي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1398

1401/6/28

دكتر محمد صديقي

مكانيك

امروزه فناوري چاپ سه¬بعدي به‌عنوان يكي از روش‌هاي ساخت سريع قطعات با هندسه پيچيده، كاربرد فراواني در زمينه‌ توليد ايمپلنت‌هاي پزشكي زيست¬تخريب‌پذير دارد. پليمر‌‌هايي مانند پلي¬لاكتيك اسيد با توجه به ويژگي¬هاي زيست سازگاري و زيست¬تخريب¬پذيري، از مهم‌ترين مواد اوليه مصرفي در اين زمينه به شمار مي¬آيند. بااين‌حال پلي‌لاكتيك اسيد به علت برخي محدوديت‌ها در خواص مكانيكي، معمولاً به‌تنهايي در ساخت ايمپلنت‌هاي جذبي مورداستفاده قرار نمي‌گيرد. در پژوهش حاضر باهدف بهبود رفتار خستگي پلي‌لاكتيك اسيد، ابتدا فيلامنت تركيبي PLA و PCL با نسبت‌هاي تركيب متفاوت به روش تداخل مذاب توليد شد. سپس نمونه‌هاي مختلف آزمون كشش، فشار، خستگي و خوردگي متناسب با پارامترهاي بهينه چاپ سه‌بعدي با روش مدل سازي رسوب ذوب شده ساخته شدند. همچنين به بررسي ارتباط ميان خواص مكانيكي و خواص حرارتي پرداخته‌شده است. نتايج حاكي از آن است كه دو پليمر PLA و PCL در تركيب بالاتر از 10 درصد وزني PCL تركيب ناپذير مي¬باشند اما به علت خواص مكانيكي و خوردگي مطلوب تركيبات نهايي، مي‌توان از تركيبات ساخته شده 10 و 20 درصد وزني PCL در پليمر پايه PLA در كاربرد‌هاي پزشكي بهره برد. مطابق با نتايج آزمون‌هاي حرارتي تركيب PLA/10wt%PCL در مقايسه با ديگر تركيبات داراي بيشترين ميزان بلورينگي به مقدار 10.5% است. عمر خستگي نمونه‌هاي چاپ‌شده از پليمر‌هاي تركيبي PLA/10wt%PCL و PLA/20wt%PCL در مقايسه با PLA خالص به ترتيب افزايش %64.7 و %45 را نشان مي‌دهد. نتايج آزمون‌هاي حرارتي و خستگي نشان¬گر ارتباط مستقيم ميان مقدار بلورينگي و رفتار خستگي ماده است. همچنين نتايج آزمون خوردگي نشان دادند نمونه‌هاي چاپ‌شدهPLA و PLA/20wt%PCL پس از 8 هفته به ترتيب 1.68% و 4.33% كاهش وزن و 10% و 31% كاهش حد عمر خستگي را دارند. علاوه بر آن نتايج نشان دادند كه نمونه‌هاي تركيبي چاپ شده PLA/20wt%PCL و PLA در بازه‌هاي زماني 2، 4 و 6 هفته پس از آزمون خوردگي، كاهش وزن قابل توجهي نشان نمي‌دهد. اما هفته هشتم خوردگي، نمونه هاي PLA/20wt%PCL نرخ خوردگي مطلوب‌تري نسبت به PLA خالص دارد. همچنين نتايج نشان مي‌دهند كه پليمر تركيبي PLA/20wt%PCL بر خلاف كاهش 31% عمر خستگي پس از خوردگي، رفتار خستگي مناسب‌تري نسبت به نمونه‌هاي PLA چاپ شده خورده نشده نشان مي‌دهند.

1401/09/02

Investigating the fatigue behavior of biodegradable polymer samples produced by 3D printing

9/19/2023 12:00:00 AM

Nowadays, 3D printing technology is widely employed in producing biodegradable medical implants as one of the methods for fast manufacturing of parts with complex geometry. Polymers like Polylactic Acid (PLA) are the most important raw materials in this field due to their biocompatibility and biodegradability. However, PLA is not used alone in making absorbable implants due to some limitations in mechanical properties. In this stud, the melt blending method is utilized to blend PLA and polycaprolactone (PCL) to improve the fatigue behavior of PLA. Various tests such as: tensile, compression, fatigue, and corrosion tests were conducted according to the optimal parameters of fused deposit modeling method (FDM). Furthermore, the relationship between mechanical properties and thermal properties has been investigated. The results indicate that the PLA and PCL blend at higher than 10wt% PCL are immiscible. However, due to the mechanical properties and appropriate corrosion of the final blends, it is possible to use the 10wt% PCL and 20wt% PCL in the PLA base polymer in medical applications. According to the results of thermal tests, PLA/10wt%PCL blend has the highest crystallinity of 10.5% compared to other blends. The fatigue life of the printed samples of PLA/10wt%PCL and PLA/20wt%PCL were compared with pure PLA shows an increase of 64.7% and 45%, respectively. The results of thermal and fatigue tests show a direct relationship between the crystallinity (Xc,PLA) and the fatigue behavior of the material. Besides, the corrosion test results showed that the PLA and PLA/20wt%PCL printed samples have 1.68% and 4.33% weight loss and 10% and 31% reduction in fatigue life after eight weeks, respectively. The results also showed that the PLA/20wt%PCL and PLA printed samples did not show significant weight loss in two, four, and six weeks after the corrosion test. Nevertheless, after eight weeks in corrosion media, PLA/20wt%PCL samples have a more favorable corrosion rate than pure PLA. Also, the investigation of fatigue behavior after corrosion of pure and blended polymer samples shows that PLA/20wt%PCL, despite a reduction of 31% in fatigue life after corrosion, has a better fatigue behavior than not corroded printed PLA samples.

چاپ سه‌بعدي , پلي‌لاكتيك اسيد , پلي‌كاپرو لاكتون , زيست تخريب‌پذيري , خستگي پُر‌چرخه , خوردگي

3D printing , polylactic acid , polycaprolactone , biodegradability , high-cycle fatigue , corrosion

Pooya Kiani

Prof. Mohammad Sedighi