Preliminary characterization of an additive manufacturing process for twisted CRCF commingled yarns

The aim of this thesis research project is to perform a preliminary characterization of an innovative additive manufacturing process for twisted continuous reinforced carbon fiber commingled yarns. An innovative printing head developed at Politecnico of Milano was installed on the end-effector of a 6-axis robotic arm, which allows to increase the workspace dimension and, consequently, to enhance the size of the objects that can be produced. The key concept behind this innovative process is to provide an alternative and flexible solution to those processes which involve the use of expensive molds for the production of carbon fiber reinforced plastics objects. For the preliminary characterization of the process, the analysis of the mechanical properties has been selected. \noindent To evaluate the flexural mechanical properties of the printed material, three-point-bending test has been identified as the most suitable mechanical test for composites. A proper design of the experiments has been developed. The design factors selected are consolidation temperature, wire tension, feed rate, extrusion temperature, consolidation force and distance of the rollers support of the compacting system from the nozzle. The response variable selected is the flexural strength. Since the three-point bending test is a destructive test, it was important to find a way to forecast the mechanical properties of a component with a Non-Destructive test. To evaluate the void volume fraction and porosity, voxel based volume analysis has been selected. X-Ray computed tomography is used to scan the samples and to reconstruct their digital volume. Multi slices of the 3D volume are exported and then processed with Matlab software and Avizo software from ThermoFisher. For this purpose, two different algorithms have been developed: one for the estimation of the porosity and one for the estimation of the void volume fraction. In both cases, image segmentation based on global thresholding has been applied. For the validation of the algorithm related to the estimation of the porosity developed on Matlab , an experimental procedure based on void fraction estimation through matrix carbonization has been identified. A correlation analysis is performed to analyze the correlation between the flexural strength evaluated with the three-point bending test and the void volume fraction evaluated with the voxel volume analysis. Future developments will be related to the improvement of the 3D printing process, to the optimization of the process, to the introduction of a second collaborative robot and to the improvement of the algorithms for void volume fraction and porosity estimation.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello effettuare la caratterizzazione preliminare di un processo innovativo per la stampa di fibra continua di carbonio pre-impregnata con matrice di nylon. Un sistema di estrusione innovativo, sviluppato durante un precedente lavoro di tesi presso il Politecnico di Milano, è stato installato sul polso di un robot antropomorfo a 6 assi, il quale permette di aumentare la dimensione dello spazio di lavoro e, quindi, di aumentare la dimensione degli oggetti che possono essere realizzati con questo processo di stampa. Il concetto chiave su cui si basa questo processo innovativo è quello di riuscire a fornire una soluzione alternativa a quei processi che prevedono l'utilizzo di stampi molto costosi per la produzione di componenti in fibra di carbonio rinforzata. L'approccio adottato per effettuare la caratterizzazione preliminare del processo è basato sull'analisi di proprietà meccaniche dei componenti stampati. In particolare, la resistenza a flessione è stata scelta come proprietà meccanica di riferimento da analizzare. Il test a flessione su 3 punti è il test meccanico ritenuto più idoneo per la stima della resistenza flessionale. L'influenza di parametri di processo quali velocità di estrusione, temperatura di consolidamento, temperatura di estrusione, forza di tensionamento, forza di compattazione e distanza tra ugello e i cuscinetti sulla resistenza a flessione dei provini è stata analizzata. Dal momento che il test a flessione su 3 punti è un test distruttivo, era importante trovare un modo per prevedere il comportamento a flessione con un test non distruttivo. E' stato scelto di effettuare un'analisi dei voxel per poter misurare il volume di vuoti e la porosità dei provini. La tomografia computerizzata a raggi X è stata usata per effettuare la scansione dei provini e per ricostruire il loro volume in formato digitale. Gli strati del volume sono quindi esportati e processati in MatLab e su Avizo. A questo scopo, sono stati sviluppati due differenti algoritmi: uno per la stima di porosit\'a ed uno per la stima della frazione del volume di vuoti. In entrambi i casi, la segmentazione delle immagini si è basata su un metodo di thresholding globale. Per la validazione dell'algoritmo sviluppato per la stima della porosità è stato identificato un metodo sperimentale basato sulla stima della porosità tramite la carbonizzazione della matrice. E' stata quindi effettuata l'analisi della correlazione tra la resistenza flessionale e la frazione di volume di vuoti. Gli sviluppi futuri saranno dedicati al miglioramento e all'ottimizzazine del processo di stampa, all'introduzione di un secondo robot cooperativo e al miglioramento degli algoritmi per la stima della frazione di volume di vuoti e della porosità.