Design and testing of a head for 3D printing twisted CRCF commingled yarns with a 6-axis robotic arm

The aim of this thesis work is to design and testing a head for printing composites and create a new frontier in the manufacturing field of these materials. The head has been developed on a cartesian 3D printer and then it has been mounted on a 6-axis robot that allows to increase the printing volume and the complexity of the trajectories. Twisted countinuous reinforced carbon fiber commingled yarn has been chosen as printing material. The filament used is composed by continuous carbon fibers prepreg with thermoplatic resin; two kinds of polyamide resins have been selected: PA6 and PA12. After a first phase in which a pre-consolidation stage on the filament has been performed and printing parameters has been identified, it was investigated how the force employed for layer compaction affects the mechanical properties. Specimens have been printed by varying the compaction load and then tensile tested, evaluating the ultimate tensile strength and the Young modulus. The choice of thermoplastic material as matrix element is due to a large number of advantages: the low cost, the high chemical stability, the possibility to eliminate expensive post-process stages. The main advantages of using composites and additive manufacturing are: the possibility to minimize production wastes, the reduction of production costs despite the object geometrical complexity, the control of the mechanical properties and the creation of high resistant components. A future target will be eliminate the use of expensive molds used in other process by using, in a fully automated and simultaneous way, two 6-axis robot, one of which as printer tool and the other as mobile printing platform.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di progettare e testare un sistema per la stampa di compositi e creare una nuova frontiera nell'ambito manifatturiero di questi materiali. Il sistema di estrusione è stato sviluppato su una stampante 3D cartesiana e successivamente è stato montato su un robot a sei assi che permette di ottenere un volume di stampa più esteso e traiettorie più complesse. Come materiale di stampa è stato selezionato un filamento intrecciato rinforzato con fibre di carbonio continue. Il filamento è composto da fibre di carbonio continue preimpregnate con con resina termoplastica; sono stati utilizzati filamenti con due tipologie di resine poliammidiche: PA6 e PA12. Dopo una prima fase in cui è stato preconsolidato il filamento e sono stati identificati i parametri di stampa, è stato investigato come la forza utilizzata per la compattazione degli strati durante la stampa influenza le caratteristiche meccaniche. Sono stati stampati campioni variando il carico di compattazione e successivamente sono stati testati con una prova di trazione, determinando il carico a rottura e il modulo di Young. La scelta di materiale termoplastico come elemento per la matrice del composito è legata ad un gran numero di vantaggi: il basso costo, l'elevatà stabilità chimica, la possibilità di eliminare costose fasi di post-processo. I vantaggi principali derivanti dall'utilizzo di materiali compositi e tecniche di produzione additive sono: la possibilità di minimizzare gli scarti, la riduzione dei costi di produzione nonostante la complessità geometrica dell'oggetto da realizzare, il controllo delle proprietà meccaniche e la realizzazione di componenti dalle elevate proprietà strutturali. Un obiettivo futuro sarà l'eliminazione di costosi stampi, attualmente utilizzati in altri processi, utilizzando simultaneamente ed in modo completamente automatizzato, due robot a sei assi, uno come estrusore l'altro come supporto mobile di stampa.