Additive manufacturing for composite tooling. UV-assisted 3D printing of thermoset materials reinforced with pristine and recycled glass fibers

Composite materials play a major role in modern industry. During the last decades, their use has greatly increased, and the market predictions do no foresee any imminent changes in this trend. The currently biggest hurdles to overcome for an even wider adoption of these extremely promising materials are the very high costs and slow production times of the necessary tooling. Additive manufacturing technologies are considered a viable solution, since they offer a cheaper and faster alternative to traditional technologies for the production of the necessary moulds, jigs, mandrels and fixtures. However, the currently existing techniques, based on thermoplastic polymers, present certain drawbacks related to the materials’ high coefficients of thermal expansion and intrinsic sensitivity to the high temperatures typical of the most demanding autoclave cycles. This work addresses this issue by proposing an alternative technology based on thermoset photopolymers manufactured on a Liquid Deposition Modelling (LDM) system. Given the importance of sustainability and circular economy, the performance of these polymers are enhanced by the addition of various types of not only pristine, but also recycled glass fibers obtained within the framework of the European FiberEUse project. Novel composite materials suitable for these applications are identified, their mechanical and thermal properties are thoroughly characterized and their applicability to the aforementioned tooling issues is demonstrated.

I materiali compositi svolgono un ruolo di principale importanza nell’industria moderna. Durante gli ultimi decenni, il loro impego è cresciuto grandemente, e le stime di mercato non prevedono un imminente cambio di tendenza. Gli ostacoli più grandi per un’adozione ancora maggiore di questi materiali estremamente promettenti sono i costi molto elevati e i tempi di produzione lenti per gli attrezzi necessari. Le tecnologie di manifattura additiva sono considerate una possibile soluzione, dato che offrono un’alternativa più rapida ed economica per la produzione degli stampi, mandrini e accessori necessari rispetto alle tecnologie tradizionali. Le tecniche esistenti, però, basate su polimeri termoplastici, presentano delle problematiche legate agli alti coefficienti di espansione termica e all’intrinseca sensibilità alle alte temperature, tipiche dei cicli in autoclave più severi, di questi materiali. Questo lavoro affronta questo problema, proponendo una tecnologia alternativa basata su fotopolimeri termoindurenti prodotti con un sistema LDM (Liquid Deposition Modelling). Data l’importanza della sostenibilità e dell’economia circolare, le prestazioni di questi polimeri sono migliorate tramite l’aggiunta di vari tipi di fibre non solo vergini ma anche riciclate, ottenute nell’ambito del progetto europeo FiberEUse. Nuovi materiali compositi adatti per queste applicazioni sono identificati, le loro proprietà meccaniche e termiche sono valutate approfonditamente e la loro applicabilità al problema degli stampi precedentemente menzionato è dimostrata.