Circular economy through a recycled tire rubber-based filament: an investigation of printing parameters and mechanical behaviour

The global world’s number of vehicles has grown exponentially over the past decades, and as a result, tire consumption also increased. Indeed, every year around 550 million units of tyres are discarded. This situation raises the need for the reuse and recycling of tyres that, nowadays, for the most part end up landfilled. To face this problem, micronized particles of waste tyre rubber have been processed to be embedded into a polymeric matrix for multiple market segments. Fused Filament Fabrication (FFF) is the most popular Material Extrusion Additive Manufacturing (MEAM) technique using polymeric feedstock materials to create products with complex geometry thanks to its flexibility and low cost. Therefore, FFF can be exploited as an effective method to promote to the Circular Economy model, reducing production costs and increasing sustainability by embedding recycled tyres in the feedstock material. However, to date, 3D-printable filaments embedding recycled tyre rubber, have not been thoroughly investigated. To fill this gap, in this thesis, the printability, mechanical behaviour, and morphological characterization of a thermoplastic polyurethane–waste tire rubber (TPU-WTR, 20/80 %wt) composite filament blend are explored. The printing parameters of such filament were studied and optimized to obtain the best printing condition for the production of bulk samples and different topologies of Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) structures. The mechanical behaviour of TPU-WTR was investigated using mechanical testing and compared to wild-type TPU. Hysteresis analyses were also performed. In addition, the Poisson's of the TPU-WTR was evaluated. Concerning, the TPMS lattices, the compression behaviour of four different TPU-WTR structures (i.e., gyroid, honeycomb-gyroid, Schwarz primitive and split-P) were evaluated. The results demonstrate the printability of recycled waste tyre rubber using the FFF technology and the possibility of exploiting this material for manufacturing complex parts, such as soft scaffolds. The TPU-WTR filament could thus have the capability of replacing commercially used elastomers and foams for the production of customized parts with benefits for both consumers and the environment, also giving a fresh impetus to the production of sustainable filaments for FFF 3D printing. Hence, these results also demonstrating the potential of MEAM in the field of Circular Economy.

Negli ultimi decenni il numero globale di veicoli è cresciuto esponenzialmente e, di conseguenza, anche il consumo di pneumatici è aumentato. Ogni anno, infatti, ne vengono scartati circa 550 milioni. Questa situazione pone la necessità di riutilizzare e riciclare pneumatici dei quali, oggi, la maggior parte finisce in discarica. Per fronteggiare questo problema vengono prodotte particelle micrometriche di gomma pneumatica di scarto, le quali vengono lavorate e incorporate in una matrice polimerica per produrre materiali che possano essere immessi in diversi segmenti di mercato. La tecnologia di stampa 3D a filamento (FFF, Fused Filament Fabrication), grazie alla sua flessibilità e al basso costo, è la più popolare tecnica di Manifattura Additiva a Estrusione di Materiale (MEAM, Material Extrusion Additive Manufacturing) la quale utilizza filamenti polimerici per creare prodotti a geometria complessa. Pertanto, la tecnologia FFF può essere sfruttata efficacemente per sostenere il modello di Economia Circolare, incorporando pneumatici riciclati nei filamenti, riducendo quindi i costi di produzione e aumentando la sostenibilità. Tuttavia, ad oggi, i filamenti stampabili in 3D che incorporano gomma riciclata non sono stati studiati a fondo. Per colmare tale lacuna, la tesi, esplora la stampabilità, il comportamento meccanico e la caratterizzazione morfologica di un filamento di blend polimerico poliuretano termoplastico – gomma pneumatica di scarto 20/80 % in peso (TPU-WTR, Thermoplastic Polyurethane–Waste Tire Rubber). I parametri di stampa di tale filamento sono stati studiati e ottimizzati per ottenere la migliore qualità di stampa per la produzione sia di campioni pieni che di diverse strutture porose di tipo TPMS (Triply Periodic Minimal Surface). Il comportamento meccanico del TPU-WTR è stato studiato tramite test a trazione e a isteresi confrontando i risultati ottenuti con quelli derivati da prove su TPU vergine. Per il filamento TPU-WTR è stato inoltre determinato il coefficiente di Poisson. Infine, è stato testato il comportamento a compressione di quattro diverse strutture TPMS a base di TPU-WTR (in particolare giroide, giroide-a nido d’ape, Schwarz Primitiva e split-P). I risultati sperimentali mostrano come sia possibile utilizzare il filamento TPU-WTR per la stampa di parti aventi geometrie complesse. Il TPU-WTR potrebbe inoltre rappresentare una valida alternativa agli elastomeri e alle schiume polimeriche presenti oggi sul mercato, per la produzione di parti personalizzate, con vantaggi sia per i consumatori che per l'ambiente. Tale studio vuole infatti contribuire a fornire nuovi stimoli verso lo sviluppo di filamenti sostenibili per la stampa 3D al fine di dimostrare l’elevato potenziale del processo MEAM nel campo dell'Economia Circolare.