Βελτιστοποίηση προϊόντων 3D εκτύπωσης με τη χρήση καινοτόμων πρόσμικτων υλικών από πλαστικό και βιοεξανθράκωμα

Abstract

This doctoral dissertation investigates and optimizes composite materials for use in Additive Manufacturing (AM) technologies, with an emphasis on 3D Printing via melt extrusion and resin photopolymerization. The study focuses on the use of biochar as a reinforcing filler in thermoplastic matrices, aiming to enhance the mechanical, thermal, and structural properties of printable composite materials. The research approach is based on a combined assessment of experimental data and theoretical models to study the behavior of materials such as PLA, ABS, PP, HDPE, and PETG, both in their pure form and in combination with various concentrations of biochar. The development, fabrication, and processing of composite filaments were carried out under controlled extrusion and photopolymerization parameters. Extensive characterization followed, employing techniques such as SEM, EDS, TGA, DSC, BDS, Raman spectroscopy, and MFR measurements. Particular emphasis was placed on examining the effect of biochar on enhancing tensile and flexural strength, hardness, and thermal stability of the materials. The selection of biochar was justified based on its environmental sustainability and multifunctional properties, while optimal concentrations and processing conditions that lead to high performance in AM processes were explored. This study contributes to the research community by offering, for the first time, a detailed and quantitative evaluation of the effects of olive-derived biochar on pure polymers. It provides a documented framework for material selection and the design of composite filaments for engineering, industrial, and environmental applications. Furthermore, it offers comparative data for assessing the compatibility of a sustainable, eco-friendly material—olive-derived biochar—with various thermoplastics, thereby supporting more rational material choices in AM. Specifically, Chapter 1 introduces the most commonly used 3D printing materials (PLA, ABS, PP, HDPE, and PETG), the available filler material options, and their key mechanical, thermal, and chemical properties. It analyzes the impact of additives on 3D-printed products, the evaluation methods, and the techniques for their application. Chapter 2 discusses the raw materials used for biochar production and describes the production process in detail, with specific reference to pyrolysis and its types. The properties, characteristics, and most common applications of biochar are examined, followed by a literature review of the current state of knowledge regarding biochar-based 3D printing composites. Chapter 3 presents in detail the two experimental techniques followed in the dissertation for the fabrication and evaluation of biochar-reinforced composites: fused filament fabrication (FFF) and the preparation of biochar-infused materials for resin 3D printing. Chapter 4 analyzes the results related to the PETG/biochar composite, with a detailed account of mechanical tests, SEM imaging, Raman spectroscopy, TGA and DSC analyses, and measurements of viscosity and melt flow rate. Chapter 5 presents the results for the other materials studied, namely ABS, PLA, PP, and HDPE, each combined with biochar. Finally, Chapter 6 summarizes the conclusions drawn from the completion of this doctoral dissertation.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη διερεύνηση και βελτιστοποίηση σύνθετων υλικών για χρήση σε τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής (Additive Manufacturing – AM), με έμφαση στη μέθοδο της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D Printing) μέσω εξώθησης τήγματος και μέσω της χρήσης φωτοπολυμερισμού ρητίνης. Στο επίκεντρο της μελέτης βρίσκεται η χρήση βιοεξανθρακώματος ως ενισχυτικού πληρωτικού σε θερμοπλαστικές μήτρες, με στόχο τη βελτίωση των μηχανικών, θερμικών και δομικών ιδιοτήτων των εκτυπώσιμων σύνθετων υλικών. Η ερευνητική προσέγγιση βασίστηκε στη συνδυαστική αξιολόγηση πειραματικών δεδομένων και θεωρητικών μοντέλων για τη μελέτη της συμπεριφοράς υλικών όπως τα PLA, ABS, PP, HDPE και PETG, σε καθαρή μορφή και σε συνδυασμό με ποικίλες συγκεντρώσεις βιοεξανθρακώματος. Η ανάπτυξη, παρασκευή και επεξεργασία των σύνθετων νημάτων πραγματοποιήθηκε με ελεγχόμενες παραμέτρους εξώθησης και με ελεγχόμενες παραμέτρους φωτοπολυμερισμού ρητίνης, ενώ ακολούθησαν εκτενείς χαρακτηρισμοί με τεχνικές όπως SEM, EDS, TGA, DSC, BDS, Raman και MFR. Σημαντική έμφαση δόθηκε στη μελέτη της επίδρασης του βιοεξανθρακώματος στην ενίσχυση της εφελκυστικής και καμπτικής αντοχής, της σκληρότητας και της θερμικής σταθερότητας των υλικών. Η επιλογή του βιοεξανθρακώματος τεκμηριώθηκε βάσει της περιβαλλοντικής του βιωσιμότητας και των πολυλειτουργικών του ιδιοτήτων, ενώ διερευνήθηκαν οι βέλτιστες συγκεντρώσεις και οι συνθήκες επεξεργασίας που οδηγούν σε υψηλή απόδοση κατά την AM διαδικασία. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφονται τις παρούσας διατριβής παρουσιάζει τα πιο διαδεδομένα υλικά 3D εκτύπωσης (PLA, ABS, PP, HDPE και PETG), οι υπάρχουσες επιλογές σε πρόσμικτα υλικά και οι κυριότερες μηχανικές, θερμικές και χημικές ιδιότητες τους. Αναλύεται η επίδραση των πρόσμικτων υλικών στα προϊόντα 3D εκτύπωσης, οι μέθοδοι αξιολόγησης, καθώς οι τρόποι χρήσης τους. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στις πρώτες ύλες για την παραγωγή του βιοεξανθρακώματος και περιγράφεται η διαδικασία παραγωγής του με αναλυτική αναφορά στη πυρόλυση και τα είδη της. Αναλύονται οι ιδιότητες, τα χαρακτηριστικά και οι πιο διαδεδομένες εφαρμογές του βιοεξανθρακώματος. Τέλος, γίνεται η βιβλιογραφική ανασκόπηση στην στάθμη της γνώσης, στα σύνθετα υλικά 3D εκτύπωσης με βιοεξανθράκωμα. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται αναλυτικά οι δύο πειραματικές τεχνικές που ακολουθήθηκαν στα πλαίσια της διατριβής, για την παρασκευή και αξιολόγηση πρόσμικτων υλικών με βιοεξανθράκωμα. Η τεχνολογία εναπόθεσης τηγμένου υλικού και η παρασκευή πρόσμικτων υλικών για εκτύπωση σε 3D εκτυπωτή ρητίνης. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται τα αποτελέσματα του σύνθετου υλικού PETG/βιοεξανθράκωμα. Γίνεται αναλυτική αναφορά στις μηχανικές δοκιμές, στην ανάλυση των δειγμάτων μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM), της φασματοσκοπίας Raman, στις αναλύσεις TGA και DSC και στη μέτρηση ανάλυση του ιξώδους και του ρυθμού ροής τήγματος. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τα υπόλοιπα υλικά που μελετήθηκαν στα πλαίσια της διατριβής. Τα υλικά αυτά ήταν το ABS, PLA, PP, HDPE αναμιγμένα με το βιοεξανθράκωμα. Τέλος, το κεφάλαιο 6 περιέχει τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την ολοκλήρωση της διδακτορικής διατριβής.