Experimental analysis and predictive modeling of the tensile and flexural strength of FDM-printed PLA for clinical devices

Stel je een wereld voor waarin de instrumenten die artsen gebruiken om te genezen niet in fabrieken in massa worden geproduceerd, maar één voor één worden vervaardigd, perfect afgestemd op de unieke vorm van het lichaam van een patiënt. Dit is de belofte van additieve productie, vaak 3D-printen genoemd. In tegenstelling tot traditionele methoden die materiaal uit een massief blok weghalen, bouwt deze technologie objecten laag voor laag op, zoals het stapelen van dunne plakjes deeg totdat er een brood vorm krijgt. Een van de meest populaire materialen voor dit proces is een plastic afkomstig van maïszetmeel of suikerriet, bekend als polylactic acid, of PLA. Het wordt verkozen omdat het veilig is voor het menselijk lichaam, van nature afbreekt in de loop van de tijd en relatief gemakkelijk te printen is. Echter, voor deze geprinte objecten om als medische hulpmiddelen te kunnen worden gebruikt, zoals chirurgische gidsen of op maat gemaakte implantaten, moeten ze sterk genoeg zijn om de krachten van het menselijk lichaam te weerstaan zonder te breken of te buigen. De uitdaging ligt in het feit dat de manier waarop een 3D-printer dit plastic neerlegt, kleine zwakheden in het materiaal creëert, waardoor het anders reageert afhankelijk van de richting waarin je eraan trekt of duwt.

Een team onderzoekers van de Universiteit van Tunis El Manar en de Universiteit van Monastir zette zich sch de ogen op om dit puzzelstukje op te lossen door het 3D-printproces te behandelen als een precies recept. Ze wilden precies begrijpen hoe drie specifieke instellingen — hoe dik elke laag plastic is, hoe snel de printer beweegt en hoeveel extra plastic er door de spuitmond wordt geperst — de sterkte van het uiteindelijke object veranderen. Hoewel wetenschappers al lang weten dat laagdikte en snelheid ertoe doen, is de hoeveelheid plastic die eruit wordt geperst, de extrusieratio genoemd, een mysterie gebleven. De onderzoekers vermoedden dat het uitpersen van iets meer plastic dan de standaardinstelling van de printer kleine openingen tussen de lagen zou kunnen opvullen, wat een dichter en sterker onderdeel creëert. Om dit te testen, vertrouwden ze niet op gokwerk. In plaats daarvan printten ze honderden kleine teststukjes, elk met een andere combinatie van deze drie instellingen, en onderwierpen deze vervolgens aan rigoureuze fysieke tests. Ze trokken de stukken uit elkaar om hun treksterkte te meten, wat de kracht is die nodig is om ze te breken, en bogen ze om hun buigsterkte te meten, oftewel hoe goed ze weerstand bieden tegen breken onder druk.

De resultaten onthulden een duidelijke en verrassende waarheid over hoe deze geprinte onderdelen bij elkaar blijven. De onderzoekers ontdekten dat de hoeveelheid plastic die door de spuitmond werd geperst, de belangrijkste factor was bij het bepalen van de sterkte. Wanneer zij de extrusieratio verhoogden naar 110 procent, wat betekent dat ze tien procent meer materiaal naar buiten persten dan de standaardinstelling, verdwenen de interne openingen en kleine gaatjes binnen het plastic bijna volledig. Deze eenvoudige aanpassing transformeerde het materiaal en maakte het aanzienlijk taaier. Ze ontdekten dat de geprinte onderdelen van nature anisotroop waren, wat betekent dat ze in sommige richtingen sterker zijn dan in andere. Wanneer ze werden getest door te buigen, konden de stukken een kracht van tussen de 34 en 51 megapascal weerstaan, maar wanneer ze recht uit elkaar werden getrokken, hielden ze slechts 12 tot 24 megapascal stand. Dit verschil komt doordat de lagen aan de buitenkant aan elkaar zijn gefuseerd, maar gemakkelijker uit elkaar kunnen gaan wanneer er recht aan getrokken wordt.

Om de perfecte balans te vinden voor het creëren van de sterkst mogelijke medische hulpmiddelen, gebruikten het team een wiskundige benadering om al hun gegevens te analyseren en de ideale instellingen te voorspellen. Zij bepaalden dat de beste combinatie voor het maximaliseren van zowel sterkte als stijfheid het gebruik van een laagdikte van 0,20 millimeter, een printsnelheid van 40 millimeter per seconde en die cruciale extrusieratio van 110 procent was. Wanneer zij deze specifieke instellingen op nieuwe monsters testten, kwamen de resultaten in de praktijk met opmerkelijke nauwkeurigheid overeen met hun voorspellingen, met fouten zo klein als 1,89 procent en niet meer dan 6,32 procent. Dit niveau van precisie bevestigt dat ingenieurs, door zorgvuldig te controleren hoeveel materiaal wordt afgezet, de zwakke plekken kunnen elimineren die 3D-geprinte onderdelen gewoonlijk teisteren. De studie concludeert dat deze geoptimaliseerde methode een betrouwbaar blauwdruk biedt voor het creëren van hoogwaardige PLA-componenten, wat een weg vrijmaakt voor de productie van op maat gemaakte medische instrumenten, implantaten en andere apparaten die zowel lichtgewicht als ongelooflijk duurzaam moeten zijn.