LDM. 3D printable polymer ink filled with EoL glass fibre reinforced composites

Glass reinforced polymer composites (GRP) are widely used as structural materials due to the high strength - to weight, stiffness-to weight ratios and corrosion resistance. However, GRP are estimated to have a lifecycle of twenty years, hence the need to urgently answer the question what to do with them afterwards. In fact, landfilling is still nowadays a widespread solution. Fortunately, more interest has been shown in a shift from traditional cradle to grave approach to a circular economy model. To make this accomplishment possible, applications where the added value of the recyclate is maximised and demonstrated need to be find. In this work, the introduction of up to 50 wt% of GRP recycled material into a 3D printable, self-standing, ink has been demonstrated to be feasible and to enhance the mechanical properties of the final printed product. The introduction of rheology modifier has proven to allow a reduction in the UV use during printing, paving the way for the decoupling of polymerization from extrusion and for the resolution of the in situ UV related polymerization issues: nozzle clogging and low adhesion between adjacent deposited filaments. A comprehensive analysis through rheological tests and printing tests has confirmed the self standing ability of the ink constituted by GAMESA recycled material, silica and modified urea.

I materiali compositi, costituiti da polimeri rinforzati con fibre di vetro, hanno registrato nell’ultimo periodo una grande diffusione per via della leggerezza, resistenza a fatica e alla corrosione da cui sono caratterizzati. Tuttavia, la gestione dei compositi a fine vita è un problema molto attuale. Infatti, sebbene processi come riciclo meccanico e pirolisi abbiamo raggiunto una notevole maturità tecnologica, necessitano di operazioni complesse, che, spesso, risultano economicamente svantaggiose. Spesso, quindi, il conferimento in discarica diventa la soluzione adottata. Risulta, per questo motivo, molto stimolante la sfida di recuperare e riutilizzare i compositi in prodotti ad alto valore aggiunto. In questa tesi viene valutata la fattibilità di utilizzare rGFRP all’interno di un inchiostro da stampare con tecnica LDM. Al +LAB, si lavora su questa tecnologia che consente di estrudere e depositare materiali viscosi a temperatura ambiente. La LDM si presta molto bene a poter diventare una valida tecnologia per il riutilizzo dei compositi a fine vita. Caratteristica fondamentale è, infatti, che è possibile stampare una grande quantità di materiali, dopo averne modificato le proprietà reologiche. Da qui, la possibilità di introdurre il materiale riciclato all’interno di una matrice polimerica. Più nel dettaglio, in questo studio è stato dimostrato, tramite prove di trazione uniassiale, il miglioramento delle proprietà meccaniche ottenuto grazie all’introduzione del riciclato. Dal punto di vista reologico, analisi in regime statico e in regime oscillatorio hanno permesso di caratterizzare il comportamento delle varie formulazioni studiate. E’ stato osservato che l’introduzione del materiale riciclato conferisce alla resina un comportamento di tipo pseudoplastico senza soglia di scorrimento. L’assenza della soglia di scorrimento rende necessario l’utilizzo della polimerizzazione UV in situ al fine di garantire il mantenimento della forma stampata. Tuttavia, l’utilizzo di UV durante tutta la durata della stampa ha come conseguenza, con elevata probabilità, il blocco del’ugello per via della fotopolimerizzazione di materiale appena all’uscita dell’estrusore e causa, inoltre, scarsa adesione tra filamenti depositati. Per questo motivo, l’efficacia di due additivi reologici: silice pirogenica e un additivo liquido costituito da urea modificata, è stata presa in esame. E’ stato dimostrato che l’aggiunta del solo additivo reologico liquido nella formulazione con riciclato, seppur formando un network di legami idrogeno, conferisce una soglia di scorrimento molto bassa che non consente al materiale di sostenere il peso dei layer sovrastanti. La migliore soluzione è risultata essere la combinazione dei due modificatori reologici, la cui azione combinata si traduce nella creazione di un network molto solido. Inoltre, l’aggiunta del materiale riciclato aumenta ulteriormente la soglia di scorrimento, rende il comportamento più Newtoniano ma riduce la viscosità apparente. I risultati delle prove di stampa hanno dimostrato che possono essere stampate strutture dalle forme piuttosto complesse, con sbalzi anche importanti, con un ridotto utilizzo di UV. Ciò apre la strada ad un possibile disaccoppiamento tra estrusione e fotopolimerizzazione.