Κατασκευή και επιμετάλλωση τριδιάστατα εκτυπωμένων σύνθετων πολυμερικών δoμών

Κοντόπουλος, Ιάσων; Kontopoulos, Iason

dc.contributor.author	Κοντόπουλος, Ιάσων	el
dc.contributor.author	Kontopoulos, Iason	en
dc.date.accessioned	2022-12-12T11:39:15Z
dc.date.available	2022-12-12T11:39:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56429
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24127
dc.rights	Default License
dc.subject	Προσθετική κατασκευή	el
dc.subject	Νανοσωλήνες άνθρακα	el
dc.subject	Ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση	el
dc.subject	Μη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση	el
dc.subject	Σύνθετα	el
dc.title	Κατασκευή και επιμετάλλωση τριδιάστατα εκτυπωμένων σύνθετων πολυμερικών δoμών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Fabrication and Electroplating of 3D-printed Polymeric Complex Structures	en
heal.classification	Χημική Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-08
heal.abstract	Σε αυτήν τη διπλωματική εργασία, ερευνάται η επιμετάλλωση τριδιάστατα εκτυπωμένων πολυμερικών δομών, με δύο διαφορετικές μεθόδους, με στόχο την παραγωγή ελαφρών και αγώγιμων σύνθετων δομών με υβριδική παραγωγική προσέγγιση. Αρχικά, μελετήθηκε η ηλεκτρολυτική εναπόθεση χαλκού για την επιμετάλλωση πολυμερικών δοκιμίων, τριδιάστατα εκτυπωμένων με ανεπτυγμένο νανοσύνθετο νήμα, με τη χρήση εκτύπωσης με εκβολή τηγμένου πολυμερικού νήματος (fused filament fabrication – FFF). Το δεύτερο μέρος της εργασίας επικεντρώνεται στην επιμετάλλωση μη-αγώγιμων πολυμερικών δοκιμίων με πολύπλοκη γεωμετρία, εκτυπωμένων με φωτοπολυμερή μέσω της τεχνολογίας εκτύπωσης με στερεολιθογραφία (stereolithography - SLA) και ψηφιακή επεξεργασία φωτός (digital light processing – DLP). Στο πλαίσιο αυτό διερευνάται καινοτόμος μέθοδος προκατεργασίας δοκιμίων πριν τη μη ηλεκτρολυτική εναπόθεση Ni-P, και μελετώνται οι επιδράσεις διαφορετικών συνθηκών και παραμέτρων στην μορφολογία, τη σύσταση και τη δομή της μεταλλικής εναπόθεσης. Για τις δοκιμές ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, παράχθηκε αγώγιμο νανοσύνθετο νήμα, με μήτρα PA12, ενισχυμένη με νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (MWCNTs) 5, 10 και 15 wt%. Αξιοποιώντας την εκτύπωση με εκβολή τηγμένου πολυμερικού νήματος, εκτυπώθηκαν δοκίμια και μετρήθηκε η αγωγιμότητά τους πριν την επιμετάλλωση. Προκειμένου να διερευνηθούν οι βέλτιστες συνθήκες για την εναπόθεση χαλκού, δηλαδή το κατάλληλο δυναμικό ρεύματος εναπόθεσης (ή ένταση ρεύματος εναπόθεσης), πραγματοποιήθηκε κυκλική βολταμμετρία σάρωσης. Όλα τα δοκίμια υπεβλήθησαν σε επιμετάλλωση με χαλκό, ωστόσο η ομοιομορφία της επίστρωσης βελτιώθηκε όσο αυξανόταν η αγωγιμότητα του νήματος, με βέλτιστα αποτελέσματα για PA12 ενισχυμένο με 15% wt MWCNTs. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι απαιτείται βελτίωση της αγωγιμότητας του νήματος και η περαιτέρω διερεύνηση της προετοιμασίας της επιφάνειας των πολυμερικών δοκιμίων. Για την επιμετάλλωση μη αγώγιμων πολυμερικών υποστρωμάτων, αξιοποιήθηκαν οι τεχνολογίες εκτύπωσης με στερεολιθογραφία και με ψηφιακή επεξεργασία φωτός, δοκιμάστηκαν διάφορες εμπορικά διαθέσιμες ρητίνες για την παραγωγή απλών ορθογώνιων παραλληλεπίπεδων. Έγινε μια προκαταρκτική επιλογή υλικού μήτρας και παρασκευάστηκαν σύνθετες 3D γεωμετρίες. Παράλληλα, αναπτύχθηκε η απλή, φιλική προς το περιβάλλον και χαμηλού κόστους, μη ηλεκτρολυτική μέθοδος επιμετάλλωσης με νικέλιο. Η καινοτόμος αυτή μέθοδος δεν απαιτεί τη χρήση ευγενών μετάλλων για το στάδιο της ενεργοποίησης, αλλά βασίζεται στη χιτοζάνη για την ακινητοποίηση του νικελίου με σκοπό τη δημιουργία ενός πρώτου αγώγιμου μεταλλικού στρώματος. Πιο συγκεκριμένα, ακολουθείται διαδικασία έξι (6) βημάτων, κατά τα οποία η πολυμερική μήτρα, μετά την εκτύπωση, υποβάλλεται σε καθαρισμό, χημική απόξεση (etching) και κατόπιν εναποτίθεται σε αυτή ένα φιλμ χιτοζάνης (CTS), το οποίο ακινητοποιεί τα ιόντα Ni2+. Ακολουθεί αναγωγή του νικελίου, η οποία επιτρέπει την εναπόθεση Ni (0) στο υπόστρωμα ρητίνης-χιτοζάνης, και η επιμετάλλωση από διάλυμα θειικού νικελίου και υποφωσφορώδους νατρίου. Κατά τη μέθοδο αυτή, ερευνήθηκαν η επίδραση των διαφορετικών μεθόδων προκατεργασίας των δειγμάτων στα στάδια της χημικής απόξεσης, της εξουδετέρωσης και της ενεργοποίησης, καθώς και οι διαφορετικές παράμετροι του λουτρού επιμετάλλωσης, δηλαδή το pH και ο χρόνος επιμετάλλωσης. Η μορφολογία των σύνθετων υλικών μελετήθηκε με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM), η ποιοτική στοιχειακή ανάλυση πραγματοποιήθηκε με Φασματοσκοπία Ακτίνων Χ Διασποράς Ενέργειας (EDXS) και η κρυσταλλογραφική δομή των επιστρώσεων αξιολογήθηκε με τη μέθοδο Φασματοσκοπίας Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD). Εντέλει, επιτεύχθηκε η ομοιόμορφη εναπόθεση του μεταλλικού επιστρώματος σε σύνθετες τριδιάστατες πολυμερικές δομές και προτάθηκε ένας νέος, πιο φιλικός προς το περιβάλλον και οικονομικότερος τρόπος χωρίς 11 τη χρήση Cr, Pd και Sn. Το εναποτιθέμενο φιλμ αποτελείται από Ni και P σε χαμηλή περιεκτικότητα (< 5%). Οι βέλτιστες συνθήκες προκατεργασίας περιλαμβάνουν βήματα καθαρισμού με τη χρήση υπερήχων και χημική απόξεση, η οποία δεν έπρεπε να ξεπερνά τα 10 min. Η βέλτιστη επιμετάλλωση παρατηρήθηκε σε τιμές pH του λουτρού επιμετάλλωσης μεταξύ 9.0 και 9.5. Αποδείχθηκε ότι το μη ηλεκτρολυτικό επίστρωμα που προέκυψε μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αγώγιμο υπόστρωμα για την επιπλέον ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Συμπερασματικά, πραγματοποιήθηκε ο συνδυασμός διεργασιών τριδιάστατης εκτύπωσης (FFF, DLP και SLA) με δύο διαφορετικές μεθόδους εναπόθεσης μετάλλων (ηλεκτρολυτική και μη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση) από τον οποίο προκύπτει η υβριδική προσθετική κατασκευή (Hybrid Additive Manufacturing). Ωστόσο, υπάρχουν ακόμη αρκετές προκλήσεις οι οποίες πρέπει να ξεπεραστούν, όπως είναι η περαιτέρω βελτίωση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των σύνθετων πολυμερικών υλικών και η καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών των μη ηλεκτρολυτικών επιμεταλλώσεων. Λέξεις Κλειδιά: προσθετική κατασκευή (AM), 3D εκτύπωση, εκβολή τηγμένου πολυμερικού νήματος (FFF), στερεολιθογραφία (SLA), ψηφιακή επεξεργασία φωτός (DLP), νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση, μη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση, σύνθετα	el
heal.advisorName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Κακάλη, Γλυκερία	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών.Εργαστήριο Προηγμένων, Συνθέτων, Νανο-υλικών και Νανοτεχνολογίας (R-NanoLab)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	101 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false