Poprawa właściwości PLA w filamentach do druku 3D.

PLA jest faworyzowany jako materiał do druku 3D ze względu na biodegradowalność i łatwość użycia, jego nieodłączne ograniczenia wytrzymałości i odporności na ciepło wymagają jednak ulepszeń poprzez dodatki. Dodatki w postaci włókien naturalnych i syntetycznych, cząstek nieorganicznych i nanomateriałów mają wpływ na właściwości mechaniczne, drukowność i ogólną funkcjonalność kompozytów PLA. Wskazuje na to, że wzmocnienia z włókien, takie jak włókna węglowe i szklane, znacznie zwiększają wytrzymałość na rozciąganie i sztywność, podczas gdy włókna naturalne przyczyniają się do zrównoważonego rozwoju, ale mogą zagrozić stabilności mechanicznej. Ponadto włączenie nieorganicznych wypełniaczy w postaci cząstek stałych, takich jak węglan wapnia, poprawia stabilność wymiarową i drukowność, chociaż większe cząstki mogą prowadzić do problemów z tworzeniem się aglomeratów cząstek.

PLA odpowiada na potrzeby rynkowe druku 3D.

Rosnące zapotrzebowanie na funkcjonalne prototypy i części końcowe napędza szybki rozwój technologii wytwarzania przyrostowego (AM), przy czym jedną z najpopularniejszych metod jest modelowanie osadzania topionego (FDM) lub wytwarzanie włókien topionych (FFF). FDM opiera się na filamentach, które są podawane przez podgrzewany ekstruder i osadzane warstwa po warstwie w celu stworzenia obiektów 3D. Wybór odpowiedniego materiału filamentowego ma kluczowe znaczenie dla udanego druku i osiągnięcia pożądanych właściwości produktu końcowego. W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie biopolimerami jako zrównoważoną alternatywą FDM dla materiałów ropopochodnych. Wśród biopolimerów kwas polimlekowy (PLA) wyróżnia się produkcją z zasobów odnawialnych oraz biodegradowalnością i biokompatybilnością. Popularność PLA w druku 3D wynika z jego zalet takich jak niska temperatura topnienia (150–180^oC) która pozwala na łatwe drukowanie i dobrą przyczepność warstw, umożliwiając tworzenie skomplikowanych projektów. Jednak PLA w porównaniu z innymi polimerami, w tym tymi z klasy poliestrów, takimi jak polihydroksymaślan (PHB), bursztynian polibutylenu (PBS), glikol politereftalanu etylenu (PETG) lub poli(akrylonitryl-butadien-styren) (ABS) wykazuje ograniczenia. W porównaniu z ABS lub PETG, PLA ma niższą wytrzymałość i odporność na ciepło. Jego temperatura ugięcia pod wpływem ciepła wynosi 53–56^oC, co oznacza, że części wykonane z PLA mogą odkształcać się w podwyższonych temperaturach. Dodatkowo PLA wykazuje dobrą wytrzymałość na rozciąganie, ale brakuje mu elastyczności, przez co nie nadaje się do wielu zastosowań. Co więcej, wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej PLA może powodować wypaczanie i deformację podczas drukowania.
PLA nie jest tak mocny ani trwały jak inne materiały FDM w stosunku do rozpuszczalników organicznych takich jak aceton, octan etylu, toluenu, dichlorometanu, ketonów alifatycznych), ponieważ drukowane części rozpuszczają się lub rozwarstwiają pod wpływem tych związków. Również trudniejsze warunki zasadowe, kwaśne i wilgotne środowisko mogą stanowić problem i mieć wpływ na trwałość i wydajność drukowanych obiektów. Filamenty oparte o PLA cieszą się dużym zainteresowaniem klientów ze względu na korzystne właściwości w zakresie ochrony środowiska a oferta filamentów PLA jest ciągle poszerzana przez dostawców i producentów.

Jak poprawić właściwości PLA?

Ograniczenia PLA można zmniejszyć poprzez włączenie różnych wypełniaczy i dodatków do filamentów. Mogą one poprawić właściwości mechaniczne, odporność termiczną i drukowność. PLA jest chwalony za to, że jest materiałem przyjaznym dla środowiska w druku 3D, jednak głębsza analiza ujawnia obraz bardziej zniuansowany. Filamenty kompozytowe PLA do zastosowań FDM wykraczają poza same materiały wzmacniające (takie jak włókna lub proszki). Zawierają one również zaskakujący wachlarz składników dodatkowych. Dodatki te, choć niezbędne do osiągnięcia pożądanych właściwości, mogą budzić obawy co do ogólnego wpływu na środowisko i efektywności. Najważniejszymi dodatkami stosowanymi w filamentach PLA są:

• Środki sprzęgające: Poprawiają one przyczepność między materiałem wzmacniającym a matrycą PLA. Przykładami są silany i polimery szczepione bezwodnikiem maleinowym, o typowych współczynnikach obciążenia 0,5–3 % wagi.
• Modyfikatory udarności: Dodatki te zwiększają wytrzymałość i odporność kompozytu na uderzenia. Mogą to być polimery elastomerowe takie jak termoplastyczny poliuretan (TPU), cząstki dodane do rdzenia lub powłoki oraz inne środki, zwykle dodawane w proporcjach 5–15 % wagowych.
• Substancje pomocnicze w przetwórstwie: Smary (kwasy tłuszczowe lub woski o obciążeniu 0,5–3% wagi.) i plastyfikatory takie jak. poli(glikol etylenowy) (PEG) przy typowych obciążeniach 5–10 % wagi.) poprawiają płynność i drukowność filamentu.
• Czynniki nukleujące i przeciwutleniacze: Dodatki te sprzyjają krystalizacji, poprawiają właściwości termiczne i zapobiegają degradacji PLA podczas przetwarzania i użytkowania. Przykłady obejmują talk w proszku, węglan wapnia (1-5% wagi.), przeciwutleniacze fenolowe i absorbery UV (0,1-3%).
• Środki zmniejszające palność: Chociaż zwiększają one bezpieczeństwo, często wymagają wysokiego procentu obciążenia, co wpływa na drukowność i potencjalnie zwiększa wagę (np. trójwodorotlenek glinu o stężeniu 10–13%).
• Barwniki: Nadają pożądane kolory filamentów i drukowanych części bez znaczącego wpływu na właściwości mechaniczne.

Pomimo postępów, nadal istnieją wyzwania związane ze stosowaniem dodatków z PLA do druku FDM. Wyzwania te obejmują problemy z kompatybilnością między dodatkami, materiałem wypełniającym i samym PLA. Chociaż dodatki te mogą poprawić wydajność mechaniczną, mogą również prowadzić do niższej przyczepności między warstwami w porównaniu z czystym PLA. Dzieje się tak, ponieważ podczas drukowania z dodatkami może wystąpić szybsze krzepnięcie i większe puste przestrzenie w drukowanej części. Pomimo wyzwań, takich jak nierównomierne drukowanie, zapychanie dyszy i rozkład wypełniacza-matrycy, kompozyty PLA wzmocnione włóknami naturalnymi są obiecujące w rozwiązywaniu problemów, dzięki czemu materiały drukowane w 3D nadają się do szerszego zakresu zastosowań. Na przykład dodanie włókien na bazie celulozy do 30% wagi. może znacznie zwiększyć sztywność i udarność PLA bez wpływu na gęstość i ślad środowiskowy materiału. Naukowcy i producenci przesuwają granice wydajności PLA, badając i stosując szerszą gamę wypełniaczy i wzmocnień poza włóknami naturalnymi. Obejmuje to włączenie różnych włókien syntetycznych i materiałów w postaci cząstek stałych, takich jak cząstki metaliczne, ceramika, polimery lub cząstki pochodzące z biomasy (np. trociny). Cząstki metaliczne mogą zwiększać przewodność cieplną, odporność na zużycie i przewodność elektryczną kompozytów PLA. Niektóre wypełniacze żelaza lub kobaltu mogą nadawać PLA nowe właściwości, takie jak właściwości magnetyczne, które mogą być przydatne w zastosowaniach opartych na czujnikach. Jednak osiągnięcie jednorodnej dyspersji i złagodzenie potencjalnego wzrostu masy i kruchości w zależności od użytego metalu to ciągle istniejące wyzwania. Podobnie ceramika może poprawiać odporność na zużycie, trudnopalność i sztywność, ale zapewnienie dobrej dyspersji i uniknięcie negatywnego wpływu na drukowność i właściwości mechaniczne wymaga badań. Zarówno dodatki polimerowe, jak i cząstki biomasy mogą znacznie poprawić właściwości PLA, dzięki czemu jest on bardziej odpowiedni do zastosowań funkcjonalnych. Dodatki polimerowe mogą poprawić wytrzymałość i mogą wzmocnić przyczepność między PLA a włóknami wzmacniającymi. Cząstki biomasy, takie jak drewno lub mikronizowane materiały roślinne, mogą znacznie zwiększyć wytrzymałość, dzięki czemu kompozyty PLA nadają się do wymagających zastosowań. Wypełniacze nanomateriałowe oferują jeszcze bardziej ekscytujące możliwości ze względu na ich wysoki stosunek powierzchni do objętości. Materiały te mają potencjał do znacznej poprawy właściwości, takich jak wytrzymałość, ognioodporność i właściwości barierowe w kompozytach PLA. Jednak bezpieczne obchodzenie się z tymi materiałami i właściwa integracja z matrycą PLA wymagają odpowiednich kompetencji oraz urządzeń do mieszania i wytłaczania.

Środki wzmacniające dla PLA stosowanego do druku 3D.

Włókna.

W dziedzinie druku 3D FDM, producenci filamentów PLA przyjęli zastosowanie wzmocnień z włókien w celu podniesienia właściwości mechanicznych materiału, a w niektórych przypadkach jego śladu środowiskowego. Wzmocnienia te dzielą się na dwie główne kategorie: włókna syntetyczne i naturalne.

Włókna syntetyczne, w tym włókno węglowe, włókno szklane i kevlar, są popularnym wyborem do wzmacniania PLA ze względu na ich wyjątkową wytrzymałość i sztywność. Przekłada się to na znaczne zwiększenie właściwości mechanicznych powstałych kompozytów. Zazwyczaj wykazują poprawę wytrzymałości na rozciąganie, modułu i odporności na uderzenia. Na przykład wzmocnienie włóknem węglowym może prowadzić do znacznego wzrostu wytrzymałości na rozciąganie o 150%, podczas gdy włókno szklane może zwiększyć moduł Youga o 40-90%. Dodatkowo włókna syntetyczne zwiększają stabilność termiczną i temperaturę ugięcia PLA pod wpływem ciepła. Warto zauważyć, że włókno węglowe może znacznie poprawić przewodność cieplną, dzięki czemu kompozyt lepiej nadaje się do zastosowań w wysokich temperaturach. Jednak włączenie włókien syntetycznych stanowi wyzwanie w procesie wytłaczania włókien. Specjalistyczny sprzęt i techniki stają się niezbędne, aby zapewnić równomierną dyspersję włókien i zapobiec zatykaniu się dyszy podczas drukowania FDM.

Włókna naturalne, takie jak kenaf, konopie, len i, zyskują na popularności jako zrównoważone alternatywy dla włókien syntetycznych. Ich biodegradowalność, odnawialność i często niższe koszty dobrze wpisują się w ekologiczny charakter PLA. Włókna naturalne zwiększają wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości kompozytów PLA.
Korzyści płynące z włókien naturalnych dla zrównoważonego rozwoju są niezaprzeczalne. Są odnawialne, biodegradowalne i mają mniejszy wpływ na środowisko w porównaniu z ich syntetycznymi odpowiednikami. Dodatkowo włókna naturalne są tańsze, dzięki czemu kompozyty są bardziej przystępne cenowo. Oferują również przewagę wagową, co może mieć kluczowe znaczenie w zastosowaniach, w których redukcja masy części jest priorytetem. Jednak włókna naturalne wiążą się z własnym zestawem wyzwań. Ich higroskopijny charakter powoduje, że mają tendencję do wchłaniania wilgoci, co może wpływać na właściwości mechaniczne i stabilność wymiarową kompozytów. Może to być istotną wadą w zastosowaniach, w których odporność na wilgoć ma kluczowe znaczenie. Ponadto właściwości włókien naturalnych mogą się różnić w zależności od takich czynników, jak źródło pochodzenia, warunki uprawy i metody przetwarzania. Ta zmienność może przekładać się na niską powtarzalność wydajności końcowych kompozytów. Podobnie jak włókna syntetyczne, włączenie włókien naturalnych do filamentów PLA może stanowić wyzwanie podczas procesów wytłaczania i drukowania FDM, wymagając szczególnej uwagi, aby zapewnić równomierną dyspersję i zapobiec zatykaniu głowic.

Włókno węglowe.

PLA wzmocniony włóknem węglowym jest jednym z najpopularniejszych kompozytów. Istnieją dwa główne rodzaje zbrojenia z włókna węglowego: cięte i ciągłe. Włókna cięte, najczęstsza opcja, to krótkie odcinki włókien rozproszone w PLA, oferujące łatwiejsze drukowanie, ale o niższym potencjale wzmocnienia. Włókna ciągłe, osadzone w powłoce polimerowej, zapewniają najwyższy poziom wytrzymałości i sztywności, ale wymagają specjalistycznych drukarek ze względu na potencjalne zatykanie i wyższe temperatury przetwarzania. Włókna cięte są idealne dla przystępnej ceny i umiarkowanych ulepszeń, podczas gdy włókna ciągłe oferują najlepszą wydajność, ale wymagają bardziej zaawansowanej konfiguracji drukowania. Typowe wypełnienia włóknami węglowymi wahają się od 5% do 20% wagowo. Dla 15% wypełnienia włóknem węglowym, PLA zwiększy wytrzymałość na rozciąganie o około 100% w porównaniu z czystym PLA. Badania wskazują na zmniejszoną wytrzymałość na rozciąganie, ale zwiększony moduł Younga i wydłużenie przy zerwaniem.

Włókno szklane.

Dodatek włókien szklanych do drukowanych w 3D kompozytów PLA znacznie poprawia ich właściwości mechaniczne i termiczne. Optymalna zawartość włókien i innowacyjne metody drukowania mogą jeszcze bardziej poprawić te właściwości, dzięki czemu kompozyty PLA wzmocnione włóknami szkła nadają się do szerokiego zakresu zastosowań inżynieryjnych. Należy jednak wziąć pod uwagę takie kwestie, jak wrażliwość na wilgoć i przyczepność warstw, aby w pełni wykorzystać korzyści płynące ze zbrojenia włóknem szklanym.

• Zwiększenie wytrzymałości mechanicznej: Dodatek włókien szklanych znacznie poprawia wytrzymałość na rozciąganie i zginanie kompozytów PLA. Na przykład kompozyty z 30% włóknami szklanymi wykazują lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu z czystym PLA. Ciągłe zbrojenie włóknem szklanym w kompozytach PLA może osiągać wysoką wytrzymałość i moduł zginania. Właściwości mechaniczne kompozytów PLA są optymalizowane przy określonej zawartości włókna szklanego.
• Stabilność termiczna: Dodatek GF zwiększa stabilność termiczną kompozytów PLA. Kompozyty z 30% włóknami szklanymi wykazują doskonałą stabilność termiczną, dzięki czemu nadają się do zastosowań, w których odporność termiczna jest kluczowa. Temperatura ugięcia cieplnego i współczynnik rozszerzalności liniowej ulegają znacznej poprawie dzięki dodatkowi krótkich włókien szklanych. Kompozyty kwasu polimlekowego wzmocnione włóknem szklanym z izotermiczną obróbką cieplną znacznie poprawiają właściwości mechaniczne i stabilność termiczną, umożliwiając ich zastosowanie w zastosowaniach takich jak motoryzacja, lotnictwo i elektronika.
• Przyczepność warstw i drukowność: Włączenie włókien szklanych może poprawić drukowność i stabilność wymiarową kompozytów PLA, chociaż może również prowadzić do szybszego krzepnięcia i większych pustek, co może wpływać na przyczepność warstw.
• Właściwości higromechaniczne: Kompozyty PLA wzmocnione włóknem szklanym wykazują zachowanie anizotropowe, z lepszą wydajnością w kierunku wzdłużnym w porównaniu z kierunkiem poprzecznym. Wchłanianie wilgoci może prowadzić do obniżenia właściwości mechanicznych, szczególnie w kierunku poprzecznym.
• Stabilność chemiczna i strukturalna: Podczas gdy wzmocnienie włóknem szklanym w PLA (obciążenie 10-30%) znacznie poprawia jego wytrzymałość i sztywność w wymagających zastosowaniach druku 3D, badania wykazały interesujący wpływ na odporność na warunki atmosferyczne. W porównaniu z czystym PLA, PLA wzmocniony włóknem szklanym wykazał lepsze właściwości mechaniczne nawet po wystawieniu na działanie promieni słonecznych i wilgoci w warunkach atmosferycznych. Dzieje się tak, ponieważ sam PLA ulega degradacji w wyniku wietrzenia, stając się słabszy i rozwijając pęknięcia. Włókna szklane są jednak znacznie bardziej stabilne i pomagają kompozytowi zachować integralność strukturalną. Nawet po intensywnym wietrzeniu kompozyt zachowuje pewne zalety mechaniczne w porównaniu z czystym PLA, dzięki wzmacniającemu działaniu stosunkowo stabilnych włókien szklanych.
• Szybkość wytłaczania i temperatura: Niższe szybkości wytłaczania i wyższe temperatury drukowania poprawiają właściwości mechaniczne poprzez zwiększenie przyczepności warstw i zmniejszenie pustych przestrzeni. Temperatura druku ma istotny wpływ na właściwości mechaniczne kompozytów Włoka szklane - PLA. Zwiększenie temperatury druku ze 190^oC do 230^oC spowoduje poprawę wytrzymałości na rozciąganie i modułu sprężystości kompozytu. Jednak zbyt wysokie temperatury druku mogą prowadzić do wypaczania i rozwarstwiania kompozytu.
• Podczas gdy włókna szklane zwiększają wytrzymałość na rozciąganie i zginanie w PLA, mogą sprawić, że drukowane części będą bardziej kruche, zmniejszając ich zdolność do wytrzymywania nagłych uderzeń. Ponadto ścierny charakter włókien szklanych może powodować szorstkość wykończenia powierzchni i przyspieszać zużycie dyszy drukarki.

Włókna roślinne.

Włókna lignocelulozowe pochodzą z biomasy roślinnej i składają się głównie z celulozy, hemicelulozy i ligniny w różnych proporcjach. Te naturalne włókna są odnawialne, biodegradowalne i mają niewielki wpływ na środowisko. Najczęściej używane włókna lignocelulozowe w połączeniu z PLA do druku 3D FDM obejmują na przykład włókna miazgi drzewnej, bawełnę, sizal, jutę, len, wytłoki z trzciny cukrowej i konopie. Typowe obciążenia włóknami stosowane w drukowanych w 3D kompozytach na bazie PLA zwykle wahają się od 1 do 10% wagi. Włókna takie jak konopie, sizal, juta, len, bawełna czy kenaf wykazują szereg właściwości mechanicznych i termicznych, dzięki czemu nadają się do różnorodnych zastosowań. Konopie (Cannabis sativa) charakteryzują się wysoką wytrzymałością na rozciąganie i dobrą wytrzymałością na zginanie, a także niską absorpcją wilgoci i przewodnością cieplną. Podobnie sizal (Agave sisalana) wykazuje wysoką wytrzymałość na rozciąganie i porównywalne właściwości termiczne, w tym niską gęstość (1,3–1,5 g/cm³) i wysoką odporność termiczną (220–250^oC). Len (Linum usitatissimum) ma korzystne właściwości wytrzymałości na rozciąganie i wyjątkowo niską absorpcję wilgoci (0,5–1,5%). Kenaf (Hibiscus cannabinus) wykazuje również imponującą wytrzymałość na rozciąganie i właściwości termiczne, niską przewodność i wysoką odporność do 250^oC. Natomiast juta (Corchorus capsularis) i bawełna (Gossypium spp.) wykazują umiarkowaną lub niską wytrzymałość mechaniczną, a także charakteryzują się wysoką absorpcją wilgoci i niższą stabilnością termiczną. Włókna lignocelulozowe są naturalnym, odnawialnym i łatwo dostępnym zasobem, który oferuje kilka zalet jako materiał wzmacniający PLA w druku 3D FDM, takich jak zrównoważony rozwój, będąc biodegradowalną i przyjazną dla środowiska alternatywą dla włókien syntetycznych, takich jak włókno szklane lub węglowe, przyczyniając się do bardziej zrównoważonego procesu produkcyjnego. Przyczyniają się również do ogólnej redukcji masy kompozytu, mając niższą gęstość w porównaniu z wieloma innymi materiałami wzmacniającymi, co prowadzi do powstania lżejszych kompozytów (od 1,1 do 1,2 g/cm³, w zależności od rodzaju i zawartości włókna, czysty PLA ma średnią gęstość 1,24 g/cm³.

Niejednorodny rozkład włókien i matryc w kompozytach PLA wzmocnionych włóknami naturalnymi do druku 3D pozostaje głównym wyzwaniem, wraz z nierównomiernym drukowaniem i zapychaniem głowicy drukarki. Włókna roślinne mają zazwyczaj niższą energię powierzchniową niż włókna syntetyczne, które można modyfikować poprzez obróbkę w celu poprawy wiązania z PLA. Obróbka powierzchni może być stosowana do włókien lignocelulozowych w celu poprawy ich kompatybilności z matrycą PLA i zwiększenia wydajności kompozytu.

PLA wzmocniony cząstkami.

Oto kilka typowych przykładów wzmocnień cząstkami dla kwasu polimlekowego (PLA) stosowanych w druku 3D FDM, wraz z ich właściwościami i typowymi wypełnieniami:

• Węglan wapnia (CaCO₃): Jest to szeroko stosowany wypełniacz mineralny do PLA. Jest niedrogi, dostępny i może poprawić sztywność, stabilność wymiarową i drukowalność PLA. Na przykład dodanie 20-30% wagowych cząstek CaCO₃ może zwiększyć moduł i temperaturę ugięcia pod wpływem ciepła PLA, jednocześnie poprawiając przyczepność warstwy.
• Sadza: Cząsteczki sadzy mogą być wykorzystywane do poprawy przewodności elektrycznej i właściwości mechanicznych PLA. Są one zwykle dodawane przy masie załadunku 1-10%. Na przykład dodanie 5% sadzy do PLA zwiększa przewodność elektryczną o kilka rzędów wielkości, a wytrzymałość na rozciąganie o ok. 20%.
• Talk (krzemian magnezu): Talk jest miękkim, blaszkowatym minerałem, który może działać jako środek wzmacniający i zarodkujący w PLA. Poprawia sztywność, udarność i odporność termiczną PLA. Na przykład dodanie 10-20% wagowych cząstek talku może poprawić stabilność wymiarową i wykończenie powierzchni drukowanych części.
• Nanoglinka: Nanoglinki, takie jak montmorylonit, są powszechnie stosowane w celu poprawy bariery i właściwości mechanicznych PLA. Działają jak wzmocnienia w skali nano, zwiększając sztywność, wytrzymałość i odporność na ciepło. Na przykład dodanie 3% nanoglinki do PLA zwiększa jej wytrzymałość na rozciąganie o ok. 25%, a moduł sprężystości przy zginaniu o ok. 35%.
• Dwutlenek krzemu (SiO₂): Cząsteczki dwutlenku krzemu, znane również jako krzemionka, mogą być stosowane w celu poprawy wytrzymałości i odporności na uderzenia PLA. Dodanie 3% krzemionki do PLA zwiększy jego udarność o ok. 50%, a wydłużenie przy zerwaniu o ok 100%.
• Proszki metali: Cząsteczki metalu, takie jak miedź lub mosiądz, można dodać do PLA, aby stworzyć metaliczne wydruki o ulepszonych właściwościach mechanicznych. Cząstki te zwiększają wagę, gęstość i sztywność drukowanych części. Na przykład dodanie 5–15% wagowo proszku mosiężnego o wielkości cząstek 35-50 mikronów może stworzyć PLA z dodatkiem mosiądzu o metalicznym połysku.

PLA z węglanem wapnia.

Węglan wapnia CaCO₃ jest naturalnie występującym minerałem, który występuje w różnych formach krystalicznych, w tym w postaci aragonitu, kalcytu. Te polimorfy mają różne właściwości kryształów, rozmiary cząstek i powierzchnie, co może wpływać na końcowe właściwości włókien PLA. Zastosowanie cząstek CaCO₃ we włóknach PLA może poprawić ich właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość na zginanie, działając jako materiał wzmacniający. Dodatkowo CaCO₃ może zwiększać stabilność termiczną i odporność na degradację filamentów PLA. Ten rodzaj kompozytu jest również badany jako potencjalny biomateriał wykazując potencjał do dalszych ocen w zastosowaniach inżynierii tkanki kostnej. Jeśli chodzi o cechy strukturalne i morfologiczne węglanu wapnia, na właściwości kompozytów drukowanych w 3D wpływa kilka parametrów:

• Morfologia: Morfologia cząstek CaCO₃, takich jak sferoidalne lub pręcikowate, może wpływać na właściwości mechaniczne włókien PLA. Na przykład stwierdzono, że cząstki podobne do pręcików mają wyraźniejszy wpływ na poprawę właściwości mechanicznych w porównaniu z cząstkami sferycznymi. Cząstki o większej powierzchni właściwej mają tendencję do większej aglomeracji w matrycy PLA, co prowadzi do spadku właściwości mechanicznych. Nie określono wartości krytycznej dla powierzchni właściwej węglanu wapnia w korelacji z PLA, ale jako wartość orientacyjną wynosi ona około 7 m²/g dla matryc poliolefinowych, powyżej której wzrost aglomeracji powoduje znaczny spadek wytrzymałości i odporności na uderzenia.
• Amorficzny węglan wapnia pochodzący ze źródeł, takich jak wapień, kreda lub pochodzenia zwierzęcego, został zastosowany jako materiał wypełniający kompozyty kwasu polimlekowego (PLA). Wypełniacze te są szczególnie korzystne ze względu na ich potencjał do poprawy właściwości mechanicznych materiałów na bazie PLA. Warto zauważyć, że wielkość cząstek odgrywa znaczącą rolę w wydajności uzyskanego kompozytu. Wypełniacze o wielkości cząstek ok.30 μm wykazują zwykle wyższą wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z tymi o większym rozmiarze cząstek 63 μm. Sugeruje to, że mniejsze cząstki skuteczniej przyczyniają się do wzmocnienia matrycy PLA, prawdopodobnie ze względu na ich większą powierzchnię czynną, co ułatwia lepszą interakcję z matrycą polimerową. Oprócz wytrzymałości na rozciąganie, na moduł sprężystości przy rozciąganiu kompozytów PLA istotny wpływ ma zawartość wypełniacza. W przypadku amorficznych wypełniaczy na bazie węglanu wapnia moduł sprężystości przy rozciąganiu wzrasta wraz ze wzrostem zawartości wypełniacza, co wskazuje na zwiększoną sztywność i integralność strukturalną.
• Zarówno PLA, jak i CaCO₃ są materiałami biodegradowalnymi, dzięki czemu doskonale nadają się do zastosowań biomedycznych. Biorąc pod uwagę, że CaCO₃ jest naturalnym składnikiem kości, system mikrokapsułek ma potencjał do magazynowania i kontrolowanego dostarczania czynników wzrostu kości lub innych środków farmaceutycznych mających na celu leczenie chorób związanych z kośćmi. Dodatkowo system może zapewnić lepsze wsparcie mechaniczne podczas dostarczania substancji. Zaawansowane strategie dostarczania, takie jak celowane dostarczanie leków, mogą być realizowane poprzez włączenie nanocząstek magnetycznych do powłoki PLA. Modyfikacja ta umożliwiłaby nawigację magnetyczną, umożliwiając precyzyjne dostarczanie mikrokapsułek zawierających lek do określonych miejsc docelowych. Przewiduje się, że mikrocząstki CaCO₃ pokryte PLA, zamykające bioaktywne cząsteczki, znajdą zastosowania w biomedycynie, szczególnie jako systemy przechowywania i dostarczania leków. Co więcej, hybrydowe mikrokapsułki mogą być wykorzystane do enkapsulacji szerokiej gamy substancji rozpuszczalnych w wodzie, w tym białek, insuliny, cytostatyków i polisacharydów. Ta wszechstronność podkreśla potencjał tych mikrokapsułek jako wielofunkcyjnej platformy do różnych zastosowań terapeutycznych i farmaceutycznych.

PLA z tlenkiem cynku.

Nanokompozyty kwasu polimlekowego i tlenku cynku (PLA-ZnO) stały się wszechstronnymi i wielofunkcyjnymi materiałami, nadającymi się do szerokiego zakresu zastosowań ze względu na ich wyjątkowe właściwości antybakteryjne, fotokatalityczne i absorpcyjne w ultrafiolecie. Ich właściwości przeciwbakteryjne dają znaczną przewagę nad czystymi polimerami, zmniejszając ryzyko infekcji. Pomimo tych obiecujących cech, obecne wykorzystanie nanokompozytów PLA-ZnO, wytwarzanych głównie konwencjonalnymi metodami wytwarzania, pozostaje ograniczone do prostych geometrii, takich jak folie i włókna. Do tej pory niewiele badań dotyczyło wytwarzania przyrostowego (AM) nanokompozytów PLA-ZnO, głównie ze względu na wyzwania związane z przetwarzaniem materiałów i wytwarzaniem filamentów o właściwościach, które można niezawodnie zachować po druku 3D. Wraz z postępem prac mających na celu przezwyciężenie tych wyzwań, integracja nanokompozytów PLA-ZnO z AM może znacznie rozszerzyć ich spektrum zastosowań. Wytwarzanie przestrzenne oferuje wyraźną przewagę w wytwarzaniu złożonych geometrii i niestandardowych komponentów, co może otworzyć nowe zastosowania dla tych nanokompozytów. To skrzyżowanie druku 3D z zaawansowanymi materiałami antybakteryjnymi cieszy się rosnącym zainteresowaniem w dziedzinie biomedycyny, mając na celu stworzenie spersonalizowanych antybakteryjnych urządzeń medycznych dostosowanych do indywidualnych anatomii pacjenta. Co więcej, innowacja ta jest zgodna z priorytetami branży AM po pandemii, mającą na celu dostarczanie bezpieczniejszych i bardziej higienicznych materiałów w celu zwiększenia bezpieczeństwa środowiskowego. Niemniej jednak kluczowym problemem jest to, czy właściwości funkcjonalne nanokompozytów PLA-ZnO, w szczególności ich skuteczność przeciwbakteryjna, mogą zostać zachowane na wystarczającym poziomie po poddaniu ich procesowi AM. Przejście z produkcji konwencjonalnej na wytwarzanie przyrostowe wprowadza dodatkowe etapy przetwarzania, takie jak wytłaczanie i osadzanie w wysokiej temperaturze, które mogą zmienić wewnętrzne właściwości materiałów nanokompozytowych.

PLA z tlenkiem magnezu.

MgO jest powszechnie dostępnym tlenkiem na bazie metalu, stosowanym do wzmacniania PLA. Jest to nietoksyczny metal ziem alkalicznych, odtwarzalny na dużą skalę, przyjazny dla środowiska, niedrogi i dostępny. Obecnie MgO jest wymieniony jako materiał ogólnie uznany za bezpieczny (GRAS) przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków. W medycynie MgO jest stosowany w celach antybakteryjnych, regeneracji tkanki kostnej, a także w leczeniu raka. Ponadto właściwości chemiczne i duża powierzchnia nanocząsteczkowego MgO rozszerzyły jego zastosowanie w wielu nowoczesnych dziedzinach. Krótko mówiąc, MgO jest izolatorem wykazującym przerwę pasmową E g = 7,8 eV i wysoką stałą dielektryczną.

PLA z węglikiem krzemu i grafitem.

Węglik krzemu (SiC) i grafit są wybierane jako wypełniacze kwasu polimlekowego (PLA), przede wszystkim ze względu na ich właściwości mechaniczne i termiczne. W przypadku kompozytów o dużym wypełnieniu obserwuje się znaczne skrócenie czasu odzyskiwania kształtu. Na przykład kompozyt składający się z 50% wagi węgla i 10% wagi SiC w matrycy PLA wykazuje skrócenie czasu regeneracji w porównaniu z czystym PLA. Ocena wydajności odzyskiwania kształtu opiera się na trzech kluczowych parametrach: współczynniku odzysku i czasie powrotu kształtu. Zmieniając skład materiału, a co za tym idzie jego przewodność cieplną, można skutecznie kontrolować szybkość reakcji pamięci kształtu. Korelacja między składem materiału a szybkością odzyskiwania kształtu, określona za pomocą analizy przewodności cieplnej, stanowi ramy do projektowania struktur zdolnych do aktywacji reakcji pamięci kształtu w dostosowanych szybkościach. Zaawansowane możliwości druku 3D, w szczególności wykorzystanie wielu filamentów i głowic drukujących, umożliwiają wytwarzanie struktur o wysoce niejednorodnym składzie materiałowym. Podejście to stanowi znaczące odejście od konwencjonalnych metod, takich jak zmiany temperatury lub grubości struktury, które tradycyjnie były używane do modulowania czasu aktywacji odpowiedzi pamięci kształtu w ramach struktur. Ogólnie rzecz biorąc, włączenie różnych wypełniaczy, takich jak w szczególności dwutlenek tytanu (PLA-TiO₂) i miedź (PLA-Cu), wydaje się poprawiać właściwości mechaniczne materiału PLA w porównaniu z podstawowym PLA bez żadnych wypełniaczy.

PLA wzmocniony nanomateriałami na bazie węgla.

Najbardziej efektywnymi nanomateriałami poprawiającymi właściwości mechaniczne PLA w druku 3D FFF / FDM są:

• Nanorurki węglowe: Kilka badań wykazało, że włączenie nanorurek węglowych do PLA może znacznie poprawić jego wytrzymałość na rozciąganie, moduł i wytrzymałość, jednocześnie zmniejszając wydłużenie przy zerwaniu. Na właściwości mechaniczne wpływa adhezja międzyfazowa i dyspersja nanorurek węglowych.
• Nanopłytki grafenu: Dodanie nanopłytek grafenu do PLA może poprawić jego właściwości mechaniczne, w zależności od takich czynników, jak kierunek rastrowy i rozmiar nanopłytek. Większe wypełnienie i optymalizacja orientacji rastra mogą poprawić możliwości mechaniczne PLA wzmocnionego grafenem.
• Krótkie włókna węglowe: Stwierdzono, że włączenie krótkich włókien węglowych do PLA zwiększa jego moduł wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie w różnych kierunkach drukowania. Ciągłe włókna węglowe mogą również zwiększać wytrzymałość PLA na rozciąganie i zginanie, chociaż mogą zmniejszać odkształcenia powodujące uszkodzenie.
• Nanowłókna węglowe (CNF): Nanocząsteczkowe wzmocnienia węglowe, takie jak nanowłókna węglowe (CNF) w czystych matrycach termoplastycznych, okazały się cenne w produkcji kompozytów matryc polimerowych o ulepszonych parametrach mechanicznych i funkcjonalności. Nanowłókna węglowe mają wysoce specyficzną powierzchnię, elastyczność i dużą wytrzymałość ze względu na swoją nanocząsteczkową średnicę. Jeśli chodzi o CNF, charakteryzują się one średnicami w zakresie od 50 do 200 nm, różniąc się od konwencjonalnych włókien węglowych, które mają średnice rzędu mikrometrów. Dlatego są wykorzystywane jako wypełniacze w celu poprawy właściwości mechanicznych i elektrycznych, a także przewodności cieplnej polimerów. Krytycznymi parametrami poprawy właściwości mechanicznych i elektrycznych są ułamek wagowy wypełniacza, długość wypełniacza i jego orientacja.
• Fulereny: Fuleren jest unikalną nano-allotropową formą węgla. Podobnie jak nanocząstki węglowe (grafen, nanorurki węglowe, nanodiamenty). Fuleren i pochodne nanonapełniacze wpływają na strukturalne, elektryczne, termiczne, mechaniczne i fizyczne właściwości matryc polimerowych. Jednak głównym problemem w formowaniu nanokompozytu polimer - fuleren jest dyspersja i mieszalność z matrycami polimerowymi. Badania wykazały, że włączenie nanonapełniaczy na bazie węgla o różnej wymiarowości, takich jak fulereny, oferuje synergistyczne zwiększenie właściwości elektrycznych i mechanicznych po wystawieniu na działanie bodźców zewnętrznych. Z tego powodu nanozwiązki polimerowo-fulerenowe znalazły zastosowanie w urządzeniach i systemach ogniw słonecznych, superkondensatorach, urządzeniach elektronicznych i biomedycznych.
• Kombinacje nanowypełniaczy węglowych: Stosowanie wielu nanowypełniaczy węglowych, może doprowadzić do wytworzenia nanokompozytów PLA o lepszych właściwościach mechanicznych w porównaniu z pojedynczymi wypełniaczami. Maksymalna zawartość wypełniacza jest zazwyczaj ograniczona, aby uniknąć drastycznego zmniejszenia naprężeń elastycznych kompozytów i umożliwić odpowiednie wytłaczanie filamentów podczas drukowania FFF/FDM. Optymalizacja parametrów druku, takich jak temperatura i wypełnienie, może również wpływać na właściwości mechaniczne nanokompozytów PLA.
• Dodanie nanorurek węglowych do kompozytów kwasu polimlekowego (PLA) podczas drukowania FDM może znacznie poprawić właściwości mechaniczne, termiczne i elektryczne otrzymanych materiałów. Nanorurki węglowe działają jako środki wzmacniające, zwiększając wytrzymałość mechaniczną i sztywność matrycy PLA, zapewniając dodatkową nośność i odporność na odkształcenia. Ten aspekt może poprawić dokładność wymiarową części PLA drukowanych w 3D poprzez zmniejszenie wypaczeń i skurczu, które mogą wystąpić podczas procesu drukowania. Silne wiązanie międzyfazowe między nanorurkami a matrycą PLA poprawia właściwości mechaniczne kompozytu, zmniejszając prawdopodobieństwo odklejenia i poprawiając przenoszenie naprężeń między nanorurkami a matrycą. Te nanowypełniacze mogą tworzyć strukturę sieciową w osnowie PLA, co poprawia właściwości mechaniczne kompozytu poprzez zapewnienie dodatkowego wzmocnienia mechanicznego i poprawę odporności na odkształcenia. Funkcjonalizowane nanorurki węglowe mogą znacznie poprawić właściwości mechaniczne kompozytów polimerowych. Funkcjonalizacja nanorurek węglowych poprzez łagodną obróbkę kwasem wzmacnia ich efekt zarodkowania podczas krystalizacji kwasu polimlekowego (PLA) i sprzyja lepszej dyspersji w matrycy PLA. Nanokompozyt wykazuje wyższy stopień krystaliczności.

Rys.1. Odmiany alotropowe węgla: diament, grafen, grafit, lonsdaleit, fuleren C60, fuleren C70, fuleren C540, węgiel amorficzny (sadza), nanorurka, cylocarbon.

PLA z nanokompozytami ceramicznymi.

Ceramika jest definiowana jako stałe związki, które powstają w wyniku zastosowania ciepła, a czasami ciśnienia, obejmujące co najmniej dwa pierwiastki, pod warunkiem, że jeden z nich jest niemetalem lub półmetalem. Pozostałe substancje mogą być metalem lub innym półmetalem.
Właściwości, które wykazują te wszechstronne materiały, obejmują wysoką wytrzymałość mechaniczną i twardość, dobrą stabilność termiczną i chemiczną oraz dobre właściwości termiczne, optyczne, elektryczne i magnetyczne. Ogólnie rzecz biorąc, elementy ceramiczne są formowane w pożądanych kształtach, zaczynając od mieszanki proszku z lub bez spoiw i innych dodatków, przy użyciu konwencjonalnych technologii, w tym formowania wtryskowego, prasowania matrycowego, odlewania taśmowego, odlewania żelowego itp. Ponadto spiekanie zielonych części w podwyższonych temperaturach jest niezbędne do osiągnięcia zagęszczenia. Ceramika jest klasą biomateriałów szeroko stosowanych w urządzeniach biomedycznych. Ze względu na ich zdolność do wytwarzania różnych kształtów, wraz z ich wysoką wytrzymałością na ściskanie, zmienną porowatością i właściwościami bioaktywnymi w organizmie, ceramika jest stosowana jako materiały implantacyjne. Wysokie podobieństwo składu chemicznego niektórych materiałów ceramicznych, takich jak fosforan wapnia, do minerałów kości ludzkich sprawia, że nadają się one do stosowania jako implanty ortopedyczne (szkielet człowieka, kości i stawy) i materiały stomatologiczne. Materiały te wykazują doskonałą bioaktywność, wysoką biozgodność.

PLA  i bioszkło.

Bioaktywne szkła wyłoniły się jako potencjalne biomateriały wykazujące interesujące zastosowania jako materiały do cementowania kości w protetycznych implantach medycznych i systemach dostarczania leków. Bioszkło stanowi podgrupę materiałów ceramicznych opartych na SiO₂ , Na₂O , CaO i P₂O₅ ) , które są porównywalne do rodzimych składników mineralnych kości i dobre właściwości mechaniczne. Bioszkło zostało uznane za jedną z najważniejszych bioceramik do regeneracji kości, wykazując wysoką biozgodność i pozytywne efekty biologiczne po implantacji.
Szkła nanobioaktywne są stosowane w połączeniu z polimerami biodegradowalnymi w celu zwiększenia ich właściwości mechanicznych. Szkła nanobioaktywne wykazują odpowiednie właściwości, w tym biokompatybilność, kontrolowaną biodegradowalność, zdolność do uwalniania komórek, zdolność do łączenia się zarówno z tkankami twardymi, jak i miękkimi oraz uwalnianie jonów podczas procesu degradacji. Ta grupa materiałów ma potencjał do wykorzystania w naprawie tkanek i gojeniu ran. Kości mają zdumiewającą zdolność do regeneracji drobnych uszkodzeń struktury. Kiedy złamania lub uszkodzenia są rozległe, kości potrzebują wsparcia. Mimo postępów medycyny regeneracyjnej, nadal stosuje się metalowe wstawki do składania złamanych kości. Dowiodły one swojej skuteczności w łączeniu rozleglejszych złamań i pobudzaniu odbudowy kości, niemniej po wyleczeniu konieczna jest powtórna operacja, aby usunąć metalowe wzmocnienia. Najlepiej byłoby, gdyby materiały i implanty nie wymagały powtórnej operacji. To oznacza, że biodegradowalny układ kompozytowy polimer- bioszkło mógłby skutecznie zastąpić elementy metalowe.

PLA wzmocniony hydroksypropylometylocelulozą (HPMC).

Biokompatybilne kompozyty hydroksypropylometylocelulozy i kwasu polimlekowego (PLA) zostały z powodzeniem wytworzone jako filamenty i części drukowane w 3D. Włączenie HPMC w stężeniu do ok. 10% nie wpłynęło na strukturę chemiczną PLA podczas procesów mieszania stopionego i wytłaczania włókien. Jednak włączenie HPMC znacząco wpłynęło na właściwości termiczne kompozytów, prowadząc do wzrostu temperatury zeszklenia i obniżenia temperatury krystalizacji na zimno. Podczas gdy wytrzymałość na rozciąganie włókien kompozytowych była porównywalna z wytrzymałością czystego PLA, wytrzymałość na rozciąganie i udarność próbek wydrukowanych w 3D zmniejszała się wraz ze wzrostem zawartości HPMC. Zmniejszenie to przypisano zwiększonej porowatości wywołanej obecnością HPMC. Dodatkowo włączenie HPMC spowodowało zwiększoną hydrofilowość. Ta cecha może być szczególnie korzystna w zastosowaniach w dziedzinie biomedycyny, gdzie zwilżalność powierzchni odgrywa kluczową rolę. Wytwarzanie materiałów na zamówienie, składających się z biokompatybilnych i biodegradowalnych polimerów niezależnie lub w połączeniu ze składnikami mineralnymi, zaowocowało uzyskaniem substancji drukowalnych o stabilności chemicznej i właściwościach mechanicznych sprzyjających regeneracji kości. Dostosowanie tempa degradacji wykazuje silną korelację ze składem materiału. To, w połączeniu z wprowadzeniem regulowanej porowatości i architektury rusztowania, może potencjalnie ułatwić kontrolę i równowagę resorpcji biomateriału zgodnie z wymaganiami.

PLA modyfikowane skrobią termoplastyczną i epoksydowanym olejem sojowym.

Rozwój tych kompozytów napędzany jest zapotrzebowaniem rynku na opłacalne alternatywy dla kwasu polimlekowego (PLA). Opracowano kompozycje na bazie PLA, modyfikowane skrobią termoplastyczną i epoksydowanym olejem sojowym, w celu zwiększenia plastyczności PLA i obniżenia kosztów produktów bez uszczerbku dla ich biodegradowalności. Skuteczność kompozycji potwierdzono poprzez badanie ich właściwości reologicznych, mechanicznych i termicznych, wodoodporności i kompostowalności. Wzrost wartości szybkości płynięcia (MFR) skutkował poprawą możliwość dostosowania do procesów wtrysku i rozdmuchiwania, rozszerzając w ten sposób gamę produktów aplikacyjnych o krótkiej żywotności z perspektywy technologicznej. W celu oceny przydatności otrzymanych mieszanek PLA - skrobia termoplastyczna) do różnych zastosowań w przemyśle opakowaniowym, poddano wnikliwej analizie ich właściwości mechaniczne. Włączenie epoksydowanego oleju sojowego zaowocowało uzyskaniem materiałów o zwiększonej miękkości, lepszej udarności oraz zwiększonych właściwościach rozciągania i ciągliwości, w tym wydłużeniu przy zerwaniu, w porównaniu z natywnym PLA. Ponadto zaobserwowano, że obecność epoksydowanego oleju sojowego w mieszankach opóźnia dyfuzję wody do matrycy, poprawiając w ten sposób potencjalną stabilność wymiarową produktów poddanych krótkotrwałej ekspozycji na wodę. PLA modyfikowany skrobią termoplastyczną i epoksydowanym olejem sojowym stanowi opłacalną alternatywę przy zachowaniu porównywalnych właściwości i kompostowalności do czystego PLA, podkreślając jego potencjał jako zrównoważonego materiału do zastosowań opakowaniowych.

Podsumowanie.

W zmieniającym się krajobrazie produkcji addytywnej poszukiwanie materiałów o wysokiej wydajności trwa, a badania nad wzmocnionymi kompozytami PLA ujawniły obiecujące innowacje i praktyczne zastosowania. Integracja włókien naturalnych z PLA zwiększa wytrzymałość i sztywność, oferując przyjazną dla środowiska alternatywę przy jednoczesnym zachowaniu integralności mechanicznej. Poprzez włączenie cząstek metalicznych została przesunięta granica możliwości PLA, poprawiając właściwości termiczne i elektryczne oraz zwiększając użyteczność w częściach funkcjonalnych. Kompozyty PLA wzmocnione włóknami celulozowymi wykazują dobrą drukowność i parametry mechaniczne, a synergia między PLA i celulozą otwiera drzwi do zrównoważonych materiałów dla różnych gałęzi przemysłu. Włókna węglowe zapewniają znaczną poprawę wytrzymałości na rozciąganie, czasami przekraczając 100% wzrostu przy wypełnieniu ok. 15%. Materiały te wymagają ostrożnego obchodzenia się, aby zapobiec zatykaniu i zapewnić równomierną dyspersję. Włókna szklane zwiększają wytrzymałość na zginanie i stabilność termiczną, ale zwiększają tendencję do łamliwości kompozytów, co zmniejsza odporność na uderzenia. Włókna naturalne, takie jak kenaf i konopie, poprawiają trwałość i redukcję wagi, ale są ograniczone przez absorpcję wilgoci i stabilność mechaniczną, co może wpływać na przyczepność warstw. Wśród wzmocnień cząstkami, węglan wapnia poprawia sztywność, stabilność wymiarową i drukowność, chociaż duże cząstki mogą powodować aglomerację i zmniejszać wydajność mechaniczną. Nanorurki węglowe wykazują potencjał w poprawie właściwości mechanicznych, termicznych i elektrycznych, chociaż ich skuteczność zależy od odpowiedniej dyspersji i wiązania z PLA, a obróbka powierzchni wzmacnia ich działanie. Jednak wyzwania, takie jak zatykanie dłowicy, problemy z dyspersją i absorpcja wilgoci, pozostają powszechne zarówno w przypadku włókien syntetycznych, jak i naturalnych w druku FDM, co wymaga dostosowania rozmiaru dyszy, temperatury i innych parametrów, aby ułatwić płynniejszy przepływ. Ciągłe kompozyty z włóknami węglowymi wyróżniają się zastosowaniami o wysokiej wytrzymałości, ale wymagają specjalistycznego sprzętu i obróbki, podczas gdy włókna naturalne są zgodne z celami ekologicznymi, ale osiągają gorsze wyniki w porównaniu z włóknami syntetycznymi, takimi jak węgiel i szkło, które oferują lepsze właściwości. Wśród systemów opartych na cząstkach, węglan wapnia jest szczególnie obiecujący pod względem poprawy właściwości mechanicznych i drukowalności bez poważnych wyzwań związanych z przetwarzaniem. Odpowiednie parametry druku, w tym wyższe temperatury (230-250^oC) dla cząstek, niższe temperatury (poniżej 220^oC) dla włókien naturalnych, zwiększona gęstość wypełnienia (50-70%), wolniejsze prędkości druku (10-20 mm/s) i niższe wysokości warstw (0,1-0,2 mm), mają kluczowe znaczenie dla maksymalizacji wydajności, szczególnie w przypadku kompozytów wzmacnianych włóknami. Podczas gdy każdy system wypełnienia oferuje unikalne korzyści i wyzwania, ciągłe włókna węglowe i kompozyty na bazie węglanu wapnia wydają się oferować najbardziej obiecujące wyniki w zależności od zastosowania. Optymalizacja parametrów drukowania, takich jak rozmiar dyszy, temperatura, wysokość warstwy i gęstość wypełnienia, ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia najlepszych wyników. Wzmocnione kompozyty PLA wpisują się w globalne wysiłki na rzecz zmniejszenia zależności od polimerów na bazie paliw kopalnych, a podróż w kierunku zoptymalizowanych kompozytów PLA obejmuje współpracę między dyscyplinami, w tym materiałoznawstwem, inżynierią i projektowaniem.