اختصاصی بسپار/ پیشرفت‌ها و چالش‌های تقویت بسپارها با الیاف کربن در چاپ سه‌بعدی: نگاهی نو به صنعت پلیمر
گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ ایران پلیمر چاپ سه‌بعدی یکی از فناوری‌های پیشرو در تولید قطعات پیچیده، در سال‌های اخیر بوده است. تقویت بسپارها با الیاف کربن به‌منظور بهبود خواص مکانیکی، از جمله استحکام کششی و سختی، در این فناوری رواج یافته است. با این حال، پژوهش‌های ارائه‌شده در همایش ANTEC® 2025 توسط پژوهشگران دانشگاه Utah Valley نشان می‌دهد که موفقیت این روش به نوع بسپار مورد استفاده بستگی دارد. این مقاله به بررسی دستاوردها و چالش‌های تقویت بسپارهای گرمانرم با الیاف کربن در چاپ سه‌بعدی می‌پردازد و با ارائه آمار و تحلیل‌های دقیق، راهکارهایی برای آینده این صنعت پیشنهاد می‌کند.
بررسی کارکرد بسپارهای مختلف در چاپ سه‌بعدی
پژوهشگران در این مطالعه چهار بسپار پرکاربرد در چاپ سه‌بعدی را بررسی کردند: پلی‌پروپیلن (PP)، نایلون-۶ (PA-6)، پلی‌لاکتیک اسید (PLA) و پلی‌اتیلن ترفتالات گلیکول (PETG). آزمایش‌ها با استفاده از چاپگر استاندارد Bambu X1 Carbon و رشته‌های تجاری انجام شد. برای اطمینان از دقت نتایج، نمونه‌های کششی مطابق استاندارد ASTM 638-14 تهیه شدند و پارامترهای چاپ، از جمله سرعت لایه اول (۲۰ میلی‌متر بر ثانیه) و لایه‌های بعدی (۵۰ میلی‌متر بر ثانیه)، بهینه‌سازی شدند.
موفقیت چشمگیر PP و PA-6
نتایج نشان داد که تقویت با الیاف کربن در پلی‌پروپیلن و نایلون-۶ کارکرد فوق‌العاده‌ای دارد. در مورد PP، افزودن الیاف کربن استحکام کششی را ۸۷ درصد افزایش داد و از ۹.۰۲ مگاپاسکال به ۱۶.۹ مگاپاسکال رساند. نایلون-۶ حتی نتایج بهتری نشان داد و با افزایش ۹۶.۵ درصدی، استحکام کششی آن از ۳۷.۹ مگاپاسکال به ۷۴.۵ مگاپاسکال رسید. این بهبود، نایلون-۶ تقویت‌شده را برای کاربردهای سازه‌ای (Structural Applications) ایده‌آل می‌کند.
تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد که تراکم بالای الیاف کربن (۱۰ تا ۱۲ درصد وزنی) در PA-6 امکان انتقال بار بهینه را فراهم می‌کند. الیاف اغلب در جهت تنش‌ها هم‌راستا می‌شوند که باعث شکست ترد (Brittle Failure) در مقایسه با رفتار (Ductile Necking) نمونه‌های بدون تقویت می‌شود. در PP، الیاف کربن به‌عنوان نقاط هسته‌زایی (Nucleation Sites) عمل کردند و با افزایش بلورینگی، استحکام را بهبود بخشیدند، هرچند ماده را تردتر کردند.
چالش‌ها در PLA و PETG
برخلاف PP و PA-6، تقویت PLA و PETG با الیاف کربن نتایج ناامیدکننده‌ای داشت. استحکام کششی PETG با کاهش ۱۹.۷۵ درصدی از ۳۶.۳ مگاپاسکال به ۲۹.۲ مگاپاسکال افت کرد. PLA نیز کاهش ۶.۴۷ درصدی را تجربه کرد و استحکام آن از ۴۳.۵ مگاپاسکال به ۴۰.۷ مگاپاسکال رسید. تصاویر SEM در PLA حفره‌های گسترده‌ای اطراف الیاف کربن نشان داد که نشان‌دهنده‌ی چسبندگی بین سطحی ضعیف (Interfacial Adhesion) است. این الیاف نه تنها باعث تقویت نشدند بلکه با ایجاد نقاط تمرکز تنش، شکست زودهنگام را تسریع کردند.
در PETG، سطوح شکست نشان‌دهنده‌ی جدایش الیاف (Fiber Pull-Out) بود که به دلیل پیوند ضعیف بین لیف و ماتریس بسپار رخ داد. دیدگاه پژوهشگران این است که تفاوت در رسانایی گرمایی الیاف کربن باعث توزیع ناهمگن گرما در حین چاپ شد و منجر به همجوشی ناقص لایه‌ها (Layer Fusion) گردید. حفره‌هایی با هندسه مشابه الیاف نیز این مشکل را تایید کردند.
عوامل کلیدی در فرایند تولید
سرعت چاپ
تنظیم دقیق سرعت چاپ برای تقویت موفق بسپارها حیاتی است. سرعت بیش‌ازحد باعث ایجاد حفره و کاهش چسبندگی لایه‌ها می‌شود، به‌ویژه در بسپارهای تقویت‌شده که مدیریت گرمایی پیچیده‌ای دارند. سرعت ۲۰ میلی‌متر بر ثانیه برای لایه اول و افزایش تدریجی تا ۵۰ میلی‌متر بر ثانیه، بهترین یکپارچگی لیف-ماتریس را فراهم کرد.
مدیریت رطوبت
بسپارهای جاذب رطوبت مانند نایلون-۶ نیاز به نگهداری در محیط‌های خشک با استفاده از مواد رطوبت‌گیر دارند. این اقدام از نقص‌های مرتبط با رطوبت که می‌توانند نتایج را نامطلوب کنند، جلوگیری می‌کند. در این مطالعه، تمام مواد در ظروف درزبندی نگهداری شدند.
الگوی پرشدن و تراکم
الگوی پرشدن ۴۵ درجه برای یکنواختی انتخاب شد، اما پژوهشگران پیشنهاد کردند که الگوهای دیگر ممکن است هم‌راستایی الیاف را برای بارهای خاص بهبود بخشند. این موضوع می‌تواند زمینه‌ای برای پژوهش‌های آینده باشد.
راهکارهای غلبه بر چالش‌ها
برای بهبود کارکرد PLA و PETG، استفاده از عامل‌های جفت‌کننده (Coupling Agents) یا اصلاح سطح الیاف می‌تواند چسبندگی بین سطحی را تقویت کند. این تغییرات شیمیایی ممکن است شکاف سازگاری بین الیاف کربن و ماتریس بسپار را پر کند. هم‌چنین، سامانه‌های الیاف ترکیبی که الیاف کربن را با نانومواد دیگر ترکیب می‌کنند، می‌توانند راه‌حل‌هایی ارائه دهند که الیاف کربن به‌تنهایی قادر به ارائه آن‌ها نیست.
علاوه بر این، درک جامع‌تر از کارکرد بلندمدت و اثرات زیست‌محیطی این مواد ضروری است و کاربردهای واقعی نیازمند بررسی رفتار مواد تحت بارهای پایدار، دماهای متغیر و شرایط رطوبتی مختلف است. این موضوع فرصت‌های جدیدی برای پژوهش‌های آینده ایجاد می‌کند.
چشم‌انداز صنعت بسپار در چاپ سه‌بعدی
تقویت بسپارها با الیاف کربن در چاپ سه‌بعدی پتانسیل بالایی برای تولید قطعات سبک و مقاوم دارد، اما انتخاب بسپار مناسب و بهینه‌سازی فرایندها کلید موفقیت است. موفقیت‌های PP و PA-6 نشان‌دهنده کاربردهای گسترده در صنایع خودروسازی، هوافضا و پزشکی است، در حالی که چالش‌های PLA و PETG نیاز به نوآوری‌های بیش‌تر را برجسته می‌کنند. با پیشرفت فناوری‌های چاپ سه‌بعدی و توسعه مواد جدید، انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۷ بازار جهانی بسپارهای تقویت‌شده در چاپ سه‌بعدی به ارزش ۲.۵ میلیارد دلار برسد. آینده صنعت بسپار در گرو ترکیب هوشمندانه فناوری، علم مواد و زیست‌پایداری (Sustainability) است که می‌تواند چاپ سه‌بعدی را به ابزاری قدرتمند برای تولید پایدار تبدیل کند.
