יישום של שיטת IEW-CRITIC-CoCoSo מבוססת ערכי-מקטע טי-כדורי מטושטש לאופטימיזציית פרמטרי תהליך של קומפוזיטים פוליפרופילן ממוחזק מודפסים בתלת-ממד

מפחמי מגפה לחלקים שימושיים

מיליארדי מסכות חד-פעמיות וטקסטילים מבוססי פוליפרופילן אחרים הצטברו כפסולת מאז מגפת COVID-19. המחקר הזה חוקר כיצד ניתן להפוך את הפסולת הזו לחלקים מודפסים בתלת-ממד חזקים ואמינים, וכיצד לכוונן מדפסת כך שהפלסטיק הממוחזר יתחרה בחומר טרי. באמצעות סוג חדש של מתמטיקה חכמה לקבלת החלטות, המחברים מראים כיצד למתוח את הביצועים המכאניים הטובים ביותר מקומפוזיט פוליפרופילן ממוחזר מחוזק בסיבי זכוכית, ובכך לסייע בסגירת המעגל של פלסטיק תוך שמירה על מעשיות ההדפסה בתלת-ממד לשימוש הנדסי.

למה פלסטיק ממוחזר צריך הדפסה חכמה

פוליפרופילן ממוחזר המופק מבדי meltblown פסולים, כמו שכבות במסכות, מושך כיוון שהוא זול, קל ונפוץ כבר ברמת חומרי הגלם. אך בשימוש במדפסות תלת-ממד סטנדרטיות מסוג FDM הוא סובל מאחיזה חלשה בין השכבות וצורות לא יציבות. הוספת סיבים קצרים של זכוכית משפרת את החוזק והקשיחות, ויוצרת קומפוזיט הנקרא GF/RPP. עם זאת, האיכות הסופית עדיין תלויה באופן משמעותי בכיול המדפסת: טמפרטורת המיצוי, עובי השכבה, צפיפות המילוי וכיווני השורות המודפסות משפיעים באופן שונה על חוזק, קשיחות ומתיחה. מציאת קבוצת פרמטרים אחת שמאזנת את שלושת התכונות בו‑זמנית אינה מובנת מאליה.

תכנון החומר והניסויים

החוקרים התחילו בהפיכת פוליפרופילן meltblown מפסולת לפליטות ולאחר מכן לחוט הדפסה העמוס ב‑30% משקל של סיבי זכוכית. הם אישרו כי קומפוזיט זה נמס ומזורם היטב מתחת לטמפרטורת הפירוק שלו, מה שהופך אותו מתאים להדפסה מבוססת בליעה (extrusion). באמצעות מדפסת FDM מסחרית הדפיסו דגמי בדיקה סטנדרטיים בתצורת dog-bone בתשעה שילובים שונים של טמפרטורה (220, 240, 260 °C), עובי שכבה (0.1, 0.2, 0.3 מ"מ) וצפיפות מילוי (60, 80, 100%), וחזרו על אותו סט בשלושה זוויות רסטר (0°, 45°, 90°). כל מדגם נמתח במתיחה למדידת חוזק השבירה, קשיחות (מודול המתיחה) והתארכות בשבירה, כדי לקלוט עד כמה החלקים חזקים, נוקשים וגמישים.

מתמטיקה חדשה לאיזון מטרות מתנגשות

מכיוון שלפעמים הגדרות שמגבירות חוזק עלולות להפחית מתיחה, הצוות השתמש במסגרת קבלת החלטות מרובת-תכונות (MADM) לשקול ולשלב את כל התוצאות. הם פעלו בהקשר "מטושטש", שבו כל מדידה מטופלת לא כערך חד ורודף אלא כתחום עם דרגות אמון, היסוס וחוסר-אמון — מה שמשקף טוב יותר ניסויים רבי רעש. מפעיל הטי-כדורי המטושטש בערכי-מקטע מאפשר להם למזג נתונים מזוויות רסטר ותכונות מכניות שונות תוך הפחתת השפעת חריגים. כדי להחליט כמה חשובה כל תכונה, הם שילבו שיפוט מומחים עם מדד אובייקטיבי של כמה כל תכונה משתנה ומתנגדת לאחרות. לבסוף השתמשו בפרוצדורת דירוג בשם CoCoSo כדי לתעדף ולמנות את תשעת מערכי הפרמטרים, במטרה להשיג את הביצועים המכאניים הכוללים הטובים ביותר במקום רק את המספר הבודד הגבוה ביותר.

איך נראים הגדרות ההדפסה האופטימליות

הניתוח המשולב הצביע באופן ברור על מתכון מנצח אחד: טמפרטורת הדפסה של 240 °C, עובי שכבה של 0.3 מ"מ וצפיפות מילוי של 60%. קומבינציה זו, שנקראת סכימה M6, סיפקה כ־10.7% ביצועים מכאניים כוללים טובים יותר מאשר ההגדרות האחרות שנבדקו. ב־240 °C החומר נמס מספיק כדי לאפשר איחוי טוב של השכבות מבלי להישרף; שכבות עבות יותר מגדילות את שטח המגע בין השכבות ומפחיתות חללים פנימיים; וצפיפות מילוי מתונה מספקת תמיכה טובה מבלי להציג מתח פנימי מופרז. מיקרוסקופיה של דגימות ששברו את עצמן חילקה תימוכין למספרים: חלקים שהודפסו אופטימלית הראו שכבות צפופות ומאוחדות היטב וסיבי זכוכית מעוגנים היטב בפלסטיק, בעוד שהגדרות גרועות יותר הראו פערים, סיבים שיצאו מהחומר וחללים גדולים שמחלישים את החלק.

מה המשמעות לזה עבור הדפסה בתלת-ממד ירוקה יותר

במילים פשוטות, המחקר מראה שלהגדרות הנכונות, חומר ממסכות ממוחזר מחוזק בסיבי זכוכית יכול להפוך למקור חומר אמין להדפסת חלקים מבניים. במקום לאמץ אופטימיזציה של תכונה בודדת בכל פעם, מסגרת ההחלטות המטושטשת של המחברים עוזרת ליצרנים לכוונן מדפסות לתערובת מאוזנת של חוזק, קשיחות וגמישות תחת אי-וודאות. מעבר לקומפוזיט המסוים הזה, אותו ארגז כלים מתמטי יכול להנחות בחירת פרמטרים לפלסטיקים ממוחזרים אחרים ולחומרים מתקדמים, מה שמקל על תכנון מוצרים מודפסים בתלת-ממד ירוקים ובעלי ביצועים גבוהים.

ציטוט: Zhao, S., Du, Y., Hao, Y. et al. Application of an IEW-CRITIC-CoCoSo method based on interval-valued T-spherical fuzzy for optimizing process parameters of 3D printed recycled polypropylene composites. Sci Rep 16, 6971 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37726-1

מילות מפתח: הדפסה בתלת-ממד, פוליפרופילן ממוחזר, קומפוזיטים עם סיבי זכוכית, אופטימיזציית תהליך, קבלת החלטות מטושטשת