Development and characterization of carbon based thermoplastic and thermosetting composites for additive manufacturing

The Aim of this project is to assess the possibility to produce and characterize thermoplastic and thermosetting carbon-based composites for automotive industry. A Fuses Deposition Modeling (FDM) modified 3d printer was used as basis for the study capable of extruding materials up to 400°C equipped with an anti-wear extruder capable of produce nanoparticles and fibre based composites. Another modified 3D printer equipped with Liquid Deposition Modeling (LDM) extruder was used to produce parts with thermosetting material, based on the same frame model of the FDM one. The LDM devices were equipped in order to produce scaled part and specimens. The materials produced were all tested by tensile test in order to their mechanical performances, also Thermo-gravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Photo-DSC. The thermoplastic materials investigated were: Nylon Carbon, PLA Graphene and other thermoplastics; the LDM materials were polymerizing at 365nm and 405nm depending on the curative chosen, the possibility of using a dual cure resin was also investigated and resulted in the most promising technique. The development of a new thermosetting composite was carried out, and the materials were produced with different amount of carbon fibre mixed up to 30%wt. The possible applications of the LDM resin and the most performing FDM produced composite were investigated. A scaled part was produced as a prototype for the most performing material.

Nel panorama sempre più vasto nel campo della manifattura additiva, la possiblità di utilizzare materiali ad alte prestazioni stampati in 3D è stata analizzata in questo progetto di tesi. Nel campo dei polimeri termoplastici materiali come il PLA ed il Nylon caricati con fibre corte di carbonio e nanomateriali come il grafene sono stati studiati e caratterizzati dal punto di vista meccanico e fisico per definirne una destinazione d’uso in campo automobilistico. Il sistema più diffuso per la stampa dei materiali termoplastici è la stampa FDM (Fused Deposition Modeling), in questo progetto una stampante 3D, 3Drag System di FormFutura, è stata disassemblata e rimontata con parti più prestazionali per ottenere una precisione ed una qualità di stampa superiori al modello base. Nel campo dei polimeri termoindurenti e foto indurenti diverse combinazioni con fibra di carbonio sono state preparate, stampate con metodo LDM (Liquid Deposition Modelling) e caratterizzate dal punto di vista fisico e meccanico. In questo caso la tecnologia di stampa utilizzata derivante da un progetto precedente è stata modificata e adattata alle necessità di questo progetto. Lo sviluppo di un nuovo tipo di composito foto indurente con radiazione UV è stata parte fondamentale dello studio, si è ricercata la composizione con maggiore quantità di fibra di carbonio per arrivare alle migliori prestazioni meccaniche ottenibili da questo materiale. I materiali ottenuti sono stati caratterizzati con diverse tecnologie tra cui DSC, DSC-UV, SEM, TGA e test di trazione, per ottenere il maggior numero di informazioni. Il materiale più performante nel campo dei termoplastici si è rivelato il Nylon caricato con 21% di fibre di carbonio raggiungendo un’UTS di 77,05 MPa ed un modulo pari a 7,14 GPa. Per quanto riguarda il campo dei compositi termoindurenti il miglior risultato è stato ottenuto con l’aggiunta del 30% in peso di fibra di carbonio e 7% in peso di silice ad un sartomero SR349 composto al 10% da un diluente attivato BDDMA, raggiungendo un’UTS di 43,26 MPa ed un modulo di 7,59 GPa. In questo modo la possibilità di stampare materiali compositi ad alte prestazioni in 3D è stata dimostrata. Questo aprendo le porte a svariate possibilità di personalizzazione dei pezzi stampati riducendo il costo del singolo manufatto nella produzione non in serie.