Elektriskt ledande kompositmaterial för additiv tillverkning
Resultat
I denna genomförbarhetsstudie har vi undersökt möjligheten att producera elektriskt ledande polyamid (PA) material med grafen. Materialet är avsett att användas i additiv tillverkningsteknik (AM) pulverbäddfusion. Därför måste den vara kompatibel med matningsmekanismen i AM-systemet och även med lasersmältningen under bearbetningen.
Målen med genomförbarhetsstudien har varit:
- Att identifiera lämplig grafen som kan blandas med polyamidpulver.
- Att blanda PA-pulver med utvald grafen från de utvalda källorna och karakterisera pulvrets egenskaper och det trögflytande flödet för att undersöka om materialet kunde vara lämpligt att använda i Wematters AM-maskiner.
- Välja den mest lovande blandningen av PA-pulver/grafenmaterial och smält kompositen för att observera egenskaperna.
- Konsortiebyggande aktiviteter och föreslå hur man kan gå vidare med utvecklingen och tillämpningen av ett innovationsprojekt.
Grafenmaterialen som testades var grafenoxid (GO) i lösning, reducerad grafenoxid med hög porositet (rGO) och exfolierad grafen i olika mängder. GO i lösning blandades med PA-pulver, reducerades sedan till rGO och slutligen torkades pulvret. De andra två typerna var torrblandade.
Vi fann att blandning i lösning orsakade klumpbildning, vilket ger problem för materialets flytbarhet. Torrblandningen fungerar bättre i detta avseende, men det kan vara möjligt att mala det våtblandade materialet.
Smälttester visar att blandningen under smältning av de olika grafen- och PA-pulvret inte är tillräckligt bra. Den otillräckliga vätningen mellan grafenmaterialen och PA-pulver är vad som orsakar detta problem. Detta var den viktigaste insikten i denna genomförbarhetsstudie. Smältblandningen kommer att vara den viktigaste aspekten att förbättra, och kommer att vara ett av syftena med vår fullständiga projektansökan.
Lovande metoder för att uppnå detta inkluderar plasmabehandling av PA-pulvret och grafenmaterialet. Även funktionalisering av grafenmaterialet redan vid tillverkningen med olika metoder är av stort intresse.
Konsortiebyggandet har tyvärr saknats lite på grund av corona. Vi skulle vilja hitta ett företag som är slutanvändare av elektriskt ledande AM-producerade objekt. Det skulle vara fördelaktigt, men inte avgörande att inkludera ett sådant företag för att fortsätta med en fullständig ansökan om forskningsprojekt.
Vi har uppfyllt de mål som vi satt upp; att undersöka flera källor till grafen, och har även undersökt egenskaperna för flöde och smältblandning.
Tiden till en produkt kan vara ganska kort om problemen är lösta, intresset från industrin för nya funktionella AM-material är stort och AM-maskinerna finns tillgängliga. Det är svårt att uppskatta, men det skulle vara rimligt att säga att det skulle kunna utvecklas inom 4 år.
Abstract in English Electrically conductive composite material for additive manufacturing
In this pre-study we have investigated the feasibility to produce electrically conductive polyamide (PA) material using graphene. The material is meant to be used in the additive manufacturing (AM) technique powder bed fusion. Therefore, it must be compatible with the feeding mechanism in the AM system and also with the melting by laser during the processing.
The goals of the pre-study have been:
1. To identify suitable graphene that can be mixed with polyamide powder.
2. To mix PA powder with the selected graphene from the selected sources and characterize the powder properties and the viscous flow to investigate if the material could be suitable to use in Wematters AM machines.
3. Select the most promising mix of PA powder/graphene material and melt the composite in order to observe the characteristics.
4. Consortium building activities and propose how to move forward with the development and the application of a FoI project.
The graphene materials tested were Graphene oxide (GO) in solution, high porosity reduced graphene oxide (rGO) and exfoliated graphene in different amounts. The GO in solution were mixed with PA powder, then reduced to rGO and finally the powder was dried. The other two types were dry mixed.
It was found that mixing in solution caused lump formation, which gives problems for the flowability of the material. The dry mixing works better in this regard, but it could be possible to grind the wet mixed material.
Melting tests show that the mixing during melting of the various graphene and PA powder is not good enough. The insufficient wetting between the graphene materials and PA powder is what causes this problem.
This was the most important insight in this pre study. The melt mixing will be the most important aspect to improve, and will be one of the aims of the full project application.
Promising methods to achieve this includes plasma treatment of the PA powder and the graphene material. Also, functionalization of the graphene material already at the production by various methods is of great interest.
The consortium building activities have unfortunately been lacking a bit due to the corona flu. We would like to find a company that is the end user of electrically conductive AM produced objects. It would be beneficial, but not crucial to include such a company to go on with a full research project application.
We have fulfilled the goals that we did set, to investigate several sources of graphene and have investigated the flow and melt blending characteristics.
The time to a product can be fairly short if the issues aresolved, the interest from industry of new functional AM materials is large and the AM machines are available. It is difficult to estimate, but it would be reasonable to say it could be developed within 4 years.
