Continuous fiber manufacturing : morphological and mechanical characterization of 3D printed glass fibre composites

The aim of this thesis work is the characterization of a 3D printed continuous fibre composite obtained via Continuous Fiber Manufacturing (CFM), an advanced additive manufacturing process. The material, constituted by a glass fibres reinforced photopolymerizable resin, is characterized from both a morphologhical and mechanical point of view, with a particular attention on the role of defects in the decrease of final performances. The digital imaging approcach is used to measure the void content on basis of different printing configurations. A subjectivity analysis has been preliminarly necessary in order to evaluate void content variations as function of parameters usually set arbitrary. Once improved quality of micrographs and defined analysis parameters in the most objective way, the amount of defects has been quantified. The material is then tested in tensile and bending conditions and the experimental data are compared to the predicted values obtained according to the theory of composites. In this way the effect of voids on the mechanical properties of the material has been analyzed. Different photoinitiator systems are then evaluated in order to find suitable alternatives for the advanced process used in the research. Finally, a case study is presented with the aim of highlight the potential of the CFM technology in building complex shape parts. The riser of an olympic bow has been designed with a smart infill focused on the reduction of weight and the maintaince of stiffness.

Scopo della tesi è la caratterizzazione di un materiale composito a fibra continua stampato in 3D secondo il processo di manifattura additiva avanzata Continuous Fiber Manufacturing (CFM). Il materiale, costituito da una resina fotopolimerizzabile rinforzata con fibra di vetro, è caratterizzata dal punto di vista morfologico e meccanico, con una particolare attenzione al ruolo dei difetti sulle prestazioni finali. Il metodo di analisi digitale per immagini è stato usato per misurare il contenuto di vuoti secondo diverse configurazioni di stampa. Un’analisi di soggettività è stata condotta preventivamente al fine di valutare la variazione del contenuto di vuoti in funzione di parametri normlamente definiti in modo arbitrario. Una volta migliorata la qualità delle immagini al microscopio e definiti i parametri di analisi in maniera oggettiva, il contenuto di difetti è stato calcolato. Il materiale è stato quindi testato in prove di tensione e flessione e i dati sperimentali sono stati comparati con i valori predetti dalla teoria dei materiali compositi. In questo modo si è potuto analizzare l’effetto dei vuoti sulle proprietà meccaniche del materiale. Diversi fotoiniziatori sono stati poi testati al fine di ottenere alternative funzionali al processo avanzato di stampa usato nel corso della ricerca. Infine, un caso studio è presentato con lo scopo di evidenziare il potenziale della tecnologia nella produzione di manufatti dalle forme complesse. Un riser per archi olimpici è stato realizzato con particolare infill progettato per ridurre il peso dell’oggetto mantenendone la rigidezza.