PLA-bioplastist toote projekteerimine, arendus ning valmistamine 3D printeriga

Töö eesmärgiks oli kasutades eelnevalt omandatud joonestamis- ja projekteerimisoskusi raalprojekteerimises konstrueerida ja valmistada 3D-printeri abil keskkonnasäästlikust polümeerist tarbeese. Keskkonnasäästlikuks polümeeriks valiti pikkade alifaatsete süsivesinikahelatega estrite rühma kuuluvat materjali, mille nimetus on polüaktiid (PLA). Tarbeplastid nagu polüetüleen (PE), polüpropüleen (PP), polüvinüülkloriid (PVC) ja polüstüreen (PS) on tänapäeval laiemalt levinud kui bioplastide rühma kuuluvad plastid enda maksumuse ja hea töödeldavuse tõttu, aga nende pikk lagunemisperiood, madalad mehaanilised näitajad peale ümbertöötlemist ning vähesed utiliseerimisvõimalused on peamisteks põhjusteks mille tõttu on lähitulevikus vajalik nende osatähtsust oluliselt vähendada ning investeerida bioplastidesse, mille hulka kuulub ka PLA. Mehaanilised katsed näitasid, et PLA kui materjal on rabe, aga tema mehaanilised omadused on piisavad, et valmistada sellest argipäevaselt kasutatavaid tarbeesemeid, mis ei tööta löökkoormustele. Jäiga ja vastupidava konstruktsiooni valmistamisel on tähtsamal kohal valmistatava eseme materjaliga täiteprotsent ning prinditud materjali kiudude asetus jõu ja momendi rakendamissuuna suhtes. Detaili valmistamisel on soovituslik kasutada kallimaid printereid, millel on täpsem programm- juhtimise süsteem. Lisaks parematele printeritele aitavad parema materjali struktuuri tagada madalamad printimiskiirused ja ekstruuderi väiksema läbimõõduga printimispea. Valmistatava tarbeese, milleks oli valitud joogitopsi- ja telefonihoidja, eesmärgiks oli tagada selle modulaarsust, mille abil oleks võimalik kasutatava seadme lahti võtta ning viga saanud detaili uue vastu välja vahetada. Valmistatud ja arendatud tooteprototüüp koosneb kolmest detailist mida liidetakse omavahel kokku sangade abil ilma liimi kasutamata. Ühe detaili purunemisel on võimalik vigastatud detaili koostust eemaldada ning uue detailiga välja vahetada, mis tagab pikema tarbeeseme eluea ning oluliselt tõstab selle parandamisvõimalusi. Valmistoode ei vaja täiendavaid pakendeid ja on peale puhastust kohe kasutamiseks valmis. Toodete saatmisel on aga võimalik kasutada biolagunevaid pakendeid nagu kartong.

With this thesis the author focuses on designing and manufacturing an object of utility made from biodegradable polymer using knowledge in computer-aided design and 3D printing technology. The material chosen to be used for production was polylactic acid, also known as polylactide (PLA). Commodity plastics used in today’s manufacturing like polyethylene (PET), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC) and polystyrene (PS) have a bigger market share than biodegradable plastics due to the lesser cost of manufacturing and good processing properties, but their longer period of degradation, low mechanical properties of recycled mass, and scarce options of recycling are the main reasons why the industry should lower their market share and invest in more environment- friendly biodegradable polymers like PLA. Mechanical tests showed that PLA is a brittle material, but its mechanical properties satisfy the requirements to manufacture the commodity items used in everyday life which are not affected by impact loads. In order to manufacture a rigid and durable product, the infill and fiber orientation in relation to the momentum and force should be taken into account. In product manufacturing, the structure and quality of the final product is closely related to computerized numerical control algorithms of a particular 3D printer. In addition to that, a slower feed rate of material and a smaller nozzle of the extruding unit aid to achieve better results of 3D printing. The main goal of the design was to make the final product modular, which would improve its repairability and service life – the product consists of three parts joined together by glue-free clamp- based joints, allowing to swap damaged parts out. It is free of packaging and ready to be used after the final refinement. Shipping and handling the product to an end-user is possible by using cardboard- based packaging which is biodegradable and environmentaly friendly.