Continuous fiber manufacturing : tool head redesign and effects on the mechanical properties of the 3D printed glass fiber composite

In this thesis the design of a new tool head for an innovative additive manufactuirng technology and its effects on the processed material have beeen considered as case study. Continuous Fiber Manufacturing process (CFM) allows the deposition of continuous fiber composites materials through an additive manufactuing logic following smart trajectories, computed through mechanical finite elements simulations to obtain the highest strength with the minimum weigth of the manufactured parts. To enhance the strength to weigth ratio, in addition to change the material, also how it is deposited has a central role. Therefore a new head design has been developed starting from the analysis of the old-design head to highlight the most relevant problems and correlations between them. Possible improvements have been taken into account by studying some patents of tool-heads used in now long stable processes: Automated Fiber Placement (AFP) and Automated Tape Laying (ATP). Therefore some modules, used as test benches, have been designed following a rapid prototyping approach. They have been tested by mounting them on the existing tool to check if they can be considered valid solutions for the process problems. Once a set of possible design choices have been found, the new head prototype has been designed and produced by using both traditional and additive manufacturing processes for metals and plastics. As the new design requires an actuation through stepper motors, a Programmable Logic Controller (PLC) code has been written. It allows to synchronize the head motors with the motion of the antropomorthic serial robot on which the tool is mounted. As acceptable performances and reliability have been reached, the head is tested. Experimental tests have been performed to stress the process, identifying limits and problems to be solved in future developments. Moreover, some tensile specimens have been printed to measure mechanical properties of the material and to compare them with the ones obtained with the old head design and with traditional hand lamination process.

In questa tesi è stato considerato come caso studio lo sviluppo di una nuova testa utensile per un innovativo processo di manifattura additiva e l’analisi dei suoi effetti sulle proprietà finali del materiale ottenuto. Continuous Fiber Manufacturing (CFM) consente la deposizione di materiali compositi a fibra lunga basandosi su una logica di manifattura additiva seguendo delle traiettorie ottimizzate tramite simulazioni meccaniche ad elementi finiti per ottenere la massima resistenza con il minimo peso delle parti prodotte. Per incrementare il rapporto tra resistenza e peso, oltre a cambiare il materiale, anche come questo è depositato ricopre un ruolo centrale. Per cui, una nuova testa è stata progettata partendo dall’analisi dei problemi e delle loro intercorrelazioni posseduti dal design precedente. La scelta delle possibili soluzioni di progettazione è maturata dallo studio di alcuni brevetti di teste utensili usate in processi produttivi che sono oramai consolidati: Automated Fiber Placement (AFP) e Automated Tape Laying (ATP). Quindi alcuni moduli, usati come banchi prova, sono stati progettati seguendo un approccio di prototipazione rapida. Sono stati montati sulla testa utensile esistente e testati per verificarne la validità come soluzioni per i problemi di processo. Una volta trovato un insieme di scelte progettuali, il prototipo della nuova testa è stato disegnato e prodotto usando processi di lavorazione di metalli e plastiche sia tradizionali che additivi. Siccome il nuovo utensile richiede l’attuazione di motori passo passo, un codice per Programmable Logic Controller (PLC) è stato sviluppato. Esso consente la sincronizzazione dei motori presenti sulla testa di stampa con il movimento del robot seriale antropomorfo su cui l’utensile è montato. Una volta raggiunte prestazioni e affidabilità accettabili, la testa è stata testata. Alcuni test sperimentali sono stai svolti per stressare il processo, in modo tale da identificarne i limiti e i problemi da risolvere negli sviluppi futuri. Inoltre, alcuni provini a trazione sono stati stampati per misurare le proprietà meccaniche del materiale e compararle con quelle ottenute con la precedente testa utensile e con il processo tradizionale di laminazione manuale.