Uundaji na Uchambuzi wa Uzi wa Uchapishaji 3D wa Kukinga Vimelea Kutokana na Mchanganyiko wa PLA na Maganda ya Njugu

Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Utafiti huu unaonyesha uundaji wa uzi mpya wa uchapishaji 3D kwa kuingiza unga wa maganda ya njugu (Chembe za Arachis hypogaea L. - AHL) ndani ya matriki ya polima ya Asidi Polilaktiki (PLA). Lengo kuu ni kuunda nyenzo mseto endelevu zinazotumia wingi wa mabaki ya mimea ya njugu ili kutoa sifa za kipekee kwa uzi wa kawaida wa PLA. Mseto huu unalenga kuboresha wasifu wa mitambo wa uzi, hasa moduli yake ya elastic, wakati huo huo unaanzisha sifa za asili za kukinga vimelea—sifa ambayo haipo kwenye PLA safi. Kazi hii inashughulikia mahitaji yanayoongezeka katika utengenezaji wa nyongeza kwa nyenzo ambazo sio tu zenye utendaji bora na zinazoweza kuchapishwa kupitia Utengenezaji wa Uzi Ulioyeyushwa (FFF), bali pia zinazozingatia mazingira na zenye utendaji wa hali ya juu kwa matumizi katika vifaa vya kimatibabu, ufungaji salama wa chakula, na nyanja nyingine muhimu za usafi.

2. Mbinu na Uundaji wa Nyenzo

2.1 Utayarishaji wa Chembe za Arachis hypogaea L. (AHL)

Maganda ya njugu yalipatikana, yalisafishwa, na kukaushwa ili kuondoa unyevu. Kisha yalisagwa kwa mitambo na kuchujwa ili kupata usambazaji thabiti wa saizi ya chembe, jambo muhimu kwa usambazaji sawa ndani ya yeyusho la polima. Unga huo uwezekano ulitibiwa (kwa mfano, kupitia matibabu ya alkali au silane) ili kuboresha mshikamano wa kiolesura na matriki ya PLA, ingawa PDF inapendekeza hii kama hatua ya baadaye ya uboreshaji.

2.2 Mchakato wa Uundaji wa Uzi Mseto

Vipande vya PLA na unga wa AHL vilichanganywa kwa kavu kwa sehemu maalum za misa (kwa mfano, 1%, 3%, 5% wt.). Mchanganyiko huo kisha ulipelekwa kwenye kinenanishi cha sindano mbili kwa ajili ya uchanganyiko wa yeyusho. Vigezo vya mchakato—wasifu wa joto, kasi ya sindano, na muda wa makao—viliboreshwa ili kuhakikisha kuyeyuka kwa PLA na usambazaji sawa wa chembe za AHL bila uharibifu wa joto. Nyenzo zilizochanganywa kisha ziligawanywa kuwa vipande na kisha zilitolewa tena kupitia kinenanishi cha uzi cha sindano moja ili kutoa uzi wenye kipenyo cha 1.75 ± 0.05 mm, unaofaa kwa vichapishi vya kawaida vya 3D vya FFF.

3. Tabia za Nyenzo na Matokeo

3.1 Uchambuzi wa Sifa za Mitambo

Majaribio ya mvutano yalifanywa kwa uzi safi wa PLA na uzi mseto wa PLA-AHL kulingana na ASTM D638. Matokeo yalionyesha ushindani muhimu:

• Uboreshaji wa Moduli ya Elastic: Uingizwaji wa chembe za AHL ulifanya kazi kama uimarishaji, na kuongeza ugumu (moduli ya elastic) wa mseto. Hii inaweza kuonyeshwa kwa dhana kwa Kanuni ya Mchanganyiko kwa kikomo cha juu: $E_c = V_f E_f + V_m E_m$, ambapo $E_c$, $E_f$, na $E_m$ ni moduli za mseto, kijazacho, na matriki, na $V$ inawakilisha sehemu za ujazo.
• Kupungua kwa Uvumilivu wa Mvunjiko: Kwa kuongezeka kwa sehemu ya misa ya AHL, uvumilivu wa mvunjiko na nguvu ya mwisho ya mvutano ilionyesha kupungua kidogo. Hii imesababishwa na kuanzishwa kwa mashimo madogo na sehemu za mkazo karibu na kiolesura cha chembe-matriki, na kufanya nyenzo kuwa za kukatika zaidi. Kigezo cha Griffith cha mvunjiko wa kukatika, $\sigma_f = \sqrt{\frac{2E\gamma}{\pi a}}$, kinaonyesha jinsi kasoro (saizi $a$) zinavyopunguza mkazo wa mvunjiko ($\sigma_f$).

3.2 Sifa za Kimwili na Umbo

Uchambuzi wa Microscopy ya Umeme ya Kuskeni (SEM) wa nyuso zilizovunjika ulifunua muundo mbaya zaidi na uwepo wa mashimo madogo kwenye mseto, yanayohusiana na kupungua kwa uvumilivu. Vipimo vya ufinyu, faharasa ya mtiririko wa yeyusho (MFI), na unyevu wa uso (pembe ya mguso) vilifanywa. MFI ilipungua kwa kuongezwa kwa AHL, ikionyesha mnato mkubwa wa yeyusho, ambao unaathiri uwezo wa kuchapishwa. Ukali wa uso uliongezeka, ambao unaweza kuwa muhimu kwa mshikamano fulani wa seli katika mazingira ya kimatibabu lakini ni mbaya kwa kupata mwisho wa uso laini.

3.3 Tathmini ya Ufanisi wa Kukinga Vimelea

Sifa za kukinga vimelea zilithaminiwa dhidi ya bakteria za kawaida za gramu-chanya na gramu-hasi (kwa mfano, E. coli, S. aureus) kwa kutumia majaribio ya eneo la kuzuia au uchunguzi wa mguso wa moja kwa moja. Sampuli zilizochapishwa 3D kutoka kwa uzi wa PLA-AHL zilionyesha athari wazi ya kuzuia, na kuthibitisha kwamba misombo ya kibayolojia ndani ya maganda ya njugu (uwezekano fenoliki au metaboliti nyingine za pili) zilibaki zenye ufanisi baada ya usindikaji wa joto wa uchapishaji 3D. Hii ni ugunduzi muhimu, kwani viambatisho vingi vya asili hupoteza utendaji wakati wa usindikaji wa joto la juu.

4. Uchambuzi wa Kiufundi na Mfumo

4.1 Uelewa Mkuu

Huu sio mseto mwingine tu wa "kijani kibichi"; ni uhandisi upya wa nyenzo wa kimkakati ambao kwa mafanikio unabadilisha sifa ndogo, ambayo mara nyingi huwekwa zaidi (nguvu ya mwisho ya mvutano katika matumizi tuli) kwa ajili ya vipengele viwili vya thamani kubwa, vinavyotofautisha soko: ugumu ulioboreshwa na shughuli ya kukinga vimelea iliyojengwa ndani. Utafiti huu unatumia kwa busara mtiririko wa taka za kilimo ambazo hazijatumiwa vyema, zisizo na gharama, ili kuongeza utendaji, na kuendelea zaidi ya hadithi ya kawaida ya uendelevu hadi ile ya kuongeza utendaji. Katika soko lililojaa PLA na ABS safi, hii inaunda nafasi wazi.

4.2 Mtiririko wa Mantiki

Mantiki ya utafiti huu ni sahihi kiutandawazi: 1) Tambua mabaki ya mimea yenye sifa zinazotarajiwa za kibayolojia (maganda ya njugu). 2) Thibitisha dhana ya jukumu lake la pamoja kama uimarishaji wa mitambo na wakala wa utendaji. 3) Tumia uchanganyiko wa kawaida wa polima na utoaji wa uzi—mchakato unaoweza kuongezeka, wenye gharama ndogo ya mtaji—ili kuunda mseto. 4) Thibitisha dhana kwa utaratibu kwa kujaribu sifa za mitambo, kimwili, na kibayolojia. Mtiririko huu unaonyesha itifaki zilizowekwa za maendeleo ya mseto, kama inavyoonekana katika kazi kwenye mbao-PLA au nyuzi za kaboni-PLA, lakini kwa mwelekeo wa makusudi kuelekea utendaji wa kibayolojia. Uamuzi wa kutumia FFF, teknolojia ya AM inayopatikana kwa urahisi zaidi, ni hatua bora kwa uwezekano wa kuuzwa kibiashara.

4.3 Nguvu na Udhaifu

Nguvu: USP ya nyenzo hii haiwezi kukataliwa: wakati huo huo uboreshaji wa ugumu na hatua ya kukinga vimelea kutoka kwa kijazacho kimoja, cha bei rahisi. Mchakato huu unaweza kuongezeka na unaendana na miundombinu ya sasa ya utengenezaji. Matumizi ya PLA kama matriki yanahakikisha kwamba nyenzo za msingi zinabaki zinazooza na kutoka kwa rasilimali zinazoweza kurejeshwa, na kuvutia wawekezaji na watumiaji wanaozingatia ESG.

Udhaifu: Ushindani wa uvumilivu ni kikomo halisi cha uhandisi. Ongezeko la kuripotiwa la mashimo madogo na ukali wa uso unaonyesha mshikamano usiowakaa wa kiolesura na uwezekano wa kusanyiko la chembe—maswala ya kawaida katika mseto wa chembe. Utafiti huu, kama ulivyowasilishwa, uwezekano hauna data ya uthabiti wa muda mrefu: misombo ya kukinga vimelea inatoka nje? Utendaji wa nyenzo hupungua kwa unyevu au mfiduo wa UV? Zaidi ya hayo, utaratibu wa kukinga vimelea umedokezwa lakini haujafafanuliwa kwa kina; ni kwa msingi wa mguso au kupitia kutoka nje? Utata huu ni muhimu kwa idhini ya udhibiti katika vifaa vya matibabu.

4.4 Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa

Kwa Timu za Utafiti na Maendeleo: Hatua inayofuata ya haraka ni uhandisi wa kiolesura. Tumia matibabu ya uso (silane, PLA iliyopandikizwa na anhydride ya maleic) kwa chembe za AHL ili kuboresha mshikamano, kupunguza uundaji wa mashimo, na uwezekano kupunguza hasara ya uvumilivu. Chunguza mifumo ya kijazacho mseto—kuchanganya AHL na kiasi kidogo cha nano-selulosi au elastoma—ili kuunda wasifu wa sifa wenye usawa zaidi.

Kwa Wasimamizi wa Bidhaa: Lenga matumizi ambapo ugumu na udhibiti wa maambukizo ni muhimu zaidi, na mwisho wa uso ni wa pili. Fikiria: vibano vya maalum vya mifupa, mikono ya zana za hospitali, vifuniko vya viungo bandia, au sehemu za vifaa vya usindikaji wa chakula. Epuka matumizi yanayohitaji upinzani mkubwa wa athari au uwazi wa macho.

Kwa Wawekezaji: Hii ni teknolojia ya jukwaa. Dhana kuu—kutumia taka za kilimo zenye utendaji katika polima—inaweza kupanuliwa. Zunguko linalofuata la ufadhili linapaswa kulenga utengenezaji wa kiwango cha majaribio, majaribio ya mitambo/kibayolojia ya kiwango cha ISO, na kuanzisha mazungumzo ya udhibiti wa FDA/CE kwa vifaa vya matibabu vya Daraja I.

5. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Maendeleo

Matumizi yanayowezekana ya uzi wa PLA-AHL ni muhimu, hasa katika sekta zinazohitaji usafi na uendelevu:

• Vifaa vya Kibayolojia na Matibabu: Kuchapisha viongozi vya upasuaji vilivyobinafsishwa kwa mgonjwa, viungo bandia visivyowekwa ndani, au sehemu za vifaa vya hospitali zinazopinga makoloni ya vimelea.
• Ufungaji na Ushughulikiaji wa Chakula: Kuunda vyombo vinavyoozeka, vinavyokinga vimelea, vyombo, au mikono maalum kwa mashine za usindikaji wa chakula.
• Bidhaa za Watumiaji: Toys, vyombo vya jikoni, au mikono ya vitu vya utunzaji wa kibinafsi ambapo sifa za kukinga vimelea huongeza thamani.
• Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye:
  1. Boresha matibabu ya uso wa chembe ili kuimarisha mshikamano wa kiolesura na kuboresha uvumilivu.
  2. Chunguza uthabiti wa muda mrefu na wasifu wa kutoka nje kwa misombo ya kukinga vimelea.
  3. Chunguza ushirikiano wa AHL na vijazacho vingine vya utendaji (kwa mfano, fuwele za nano-selulosi kwa nguvu, chembe za shaba kwa athari iliyoboreshwa ya kuua viumbe).
  4. Kuboresha mikakati ya uchapishaji 3D ya nyenzo nyingi ambapo safu ya uso pekee ina mseto wa AHL kwa ufanisi wa gharama na utendaji.
  5. Fanya tathmini kamili ya mzunguko wa maisha (LCA) ili kupima faida za kimazingira ikilinganishwa na plastiki za kawaida za kukinga vimelea.

6. Marejeo

1. Gibson, I., Rosen, D., & Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer.
2. Ngo, T. D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K. T. Q., & Hui, D. (2018). Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering, 143, 172-196.
3. Farah, S., Anderson, D. G., & Langer, R. (2016). Physical and mechanical properties of PLA, and their functions in widespread applications — A comprehensive review. Advanced Drug Delivery Reviews, 107, 367-392.
4. Mazzanti, V., Malagutti, L., & Mollica, F. (2019). FDM 3D printing of polymers containing natural fillers: A review of their mechanical properties. Polymers, 11(7), 1094.
5. Ahmed, W., Alnajjar, F., Zaneldin, E., Al-Marzouqi, A. H., Gochoo, M., & Khalid, S. (2020). Implementing FDM 3D printing strategies using natural fibers to produce biomass composite. Materials, 13(18), 4065.
6. U.S. Department of Agriculture. (2023). Peanut Stocks and Processing. National Agricultural Statistics Service. [Chanzo cha Nje cha Mfano]
7. ASTM International. (2022). ASTM D638-22: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.