Additive manufacturing of high temperature resistant thermoplastic composites and sandwich panels for broadband sound absorption

New generation aircraft engines need to be lighter and quieter to meet the international regulations on the reduction of both carbon dioxide and noise emissions. As a promising approach, aerospace industry has begun to investigate the utilization of Additive Manufacturing (AM) of polymers and composites for the manufacturing of lightweight structures featuring complex shapes. The AM of High Temperature Resistant Thermoplastic (HTRT) has been of particular interest due to their relative high service temperatures (>100°C) and their relatively high mechanical performance. Manufacturing flexibility offered by AM enables the fabrication of innovative acoustic liners and also a more efficient design for acoustic concepts. This project aims to cover materials processing, manufacturing and acoustic topics. First, HTRT composites with improved mechanical properties, combined with good thermal properties, were developed. Polyether Ether Ketone (PEEK) and Polyetherimide (PEI) were used as polymer matrices and are processed with chopped Carbon Fibers (CFs) with two different mixing strategies. The mixed composites were fed into a Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printer to obtain 3D printed filaments having a desired diameter and also tensile test specimens. The developed composite materials were then characterized for their thermal, morphological and mechanical behavior. The materials showed excellent behavior at high temperatures. Scanning electron microscopy (SEM) and micro-computed tomography (µ-CT) scans revealed a homogeneous distribution of the fibers and a good wetting (i.e., adhesion) between CFs and polymer matrices. The presence of voids, probably air bubbles generated during the mixing process, was also detected. The Young’s modulus of the developed HTRT composites was evaluated with the aid of tensile test on 3D printed filaments and tensile test specimens. Regarding the filaments, PEEK reinforced with 40wt.% of CFs showed the best mechanical properties with a normalized Young’s modulus of 6.9. For the 3D printed tensile test specimens, however, PEEK reinforced with 30wt.% of CFs showed the highest Young’s modulus (i.e. 5.25). For acoustic side of the project, various sandwich panels (i.e., composed of a core and facesheets) made of polylactic acid or neat and CFs reinforced polyamide for broadband sound absorption were designed and manufactured with FDM. The sound absorption behavior of acoustic cells (i.e., the core of the sandwich panels) featuring three and five Helmholtz Resonators (HRs) was evaluated. It was possible to obtain an absorption coefficient always higher than 90% over a frequency range of ~550 Hz. Flexural mechanical performance of the sandwich panels featuring the developed acoustic cells were characterized with the aid of a 3-point bending test. Results showed that a higher contact surface between core and facesheets of the panels improved the mechanical properties of the structure and avoided delamination. Thus, the addition of fillets to the core of the panels at the interface of the core and the facesheets showed an improvement in the maximum sustained load up to 3 times. In brief, this thesis proposes an approach to process, additively manufacture and characterize HTRT composites. Moreover, FDM of sandwich panels featuring broadband sound absorption and load-bearing mechanical properties was demonstrated.

I motori di aeromobili di nuova generazione hanno bisogno di essere più leggeri e silenziosi a causa di regolamentazioni internazionali riguardanti l’emissione di anidride carbonica e l’inquinamento acustico. Di conseguenza, l’industria aerospaziale ha cominciato a studiare la tecnologia di fabbricatione additiva (FA) di modellazione a deposizione fusa (FDM, dall’inglese fusion deposition modeling) di materiali polimerici e compositi, essendo un approcio alquanto promettente. Infatti, uno dei piu grandi vantaggi di tale tecnologia e la possibilità di fabbricare parti leggere e aventi geometrie complesse. Dal punto di vista dei materiali, la FA di polimeri e compositi termoplasticici resistenti ad elevate temperature (HTRT, dall’inglese high temperature resistant thermoplastic) risulta particolarmente interessante date le temperature di servizio relativamente elevate (>100°C) e le ottime proprietà meccaniche di questa categoria di polimeri. Inoltre, la flessibilità tipica delle tecnologie di FA permettono la fabbricazione di rivestimenti acustici innovativi combinata a una progettazione più efficace di geometrie con proprietà acustiche. Il progetto tratta la trasformazione e la fabricazione di materiali termoplastici, così come copre argomenti riguardanti l’acustica. Innanzitutto, materiali compositi aventi proprietà meccaniche migliorate, combinate a buone proprietà termiche, sono stati sviluppati. Il polietere etere chetone (PEEK) e la polietereimmide (PEI) sono stati usati come matrici polimeriche e trasformati assieme a delle fibre di carbonio discontinue (CF, dall’inglese carbon fibers) utilizzando due differenti strategie di miscelazione. I compositi così ottenuti sono stati trasformati tramite una macchina FDM per ottenere dei sottili filamenti, aventi uno specifico diametro, e dei provini per la prova di trazione. Caratterizazioni termiche, morfologiche e meccaniche sono state effettuate. I materiali compositi sviluppati hanno mostrato un eccellente comportamento ad alte temperature . La microscopia elettronica a scansione e la micro-tomografia computerizzata hanno messo in evidenza una distribuzione omogenea delle CF e una buona adesione tra le fibre e la matrice polimerica. Della porosità, costituita da bolle d’aria probabilmente formatesi durante il processo di miscelazione, è stata ugualmente idenficata. Il modulo di Young dei suddetti compositi HTRT è stato valutato grazie a delle prove di trazione effettuate su dei filameneti o dei provini prodotti tramite FDM. Per quanto riguarda i filamenti, il PEEK rinforzato con 40% in peso di CF è caratterizzato dal modulo di Young più elevato, essendo 6.9 volte più alto di quello del PEEK non rinforzato. Invece, tra i provini per il test di trazione prodotti tramite FDM, il PEEK rinforzato con il 30% in peso di CF ha mostrato le migliori proprietà meccaniche, con un modulo di Young 5.25 volte più elevato rispetto a quello del PEEK non rinforzato. Per quanto concerne la parte del progetto riguardante l’acustica, differenti pannelli sandwich (cioè composti da un core e due facce), fatti di acido polilattico o poliammide rinforzata e non con CF, per l’attenuazione di rumore a banda larga sono stati concepiti e fabbricati tramite FDM. Il comportemento acustico delle celle, situate all’interno del core, aventi tre e cinque risonatori di Helmholtz è stato determinato. È stato possibile ottenere un coefficiente d’assorbimento sempre maggiore del 90% su una gamma di frequenze pari a 550 Hz. Le proprietà meccaniche in flessione dei pannelli sandwich aventi le suddette celle acustiche sono state determinate tramite una prova di flessione a tre punti. I risultati hanno mostrato che una superficie di contatto più elevata tra il core e le facce comporta un incremento delle proprietà meccaniche della struttura ed evita la comparsa di danni da delaminazione. Quindi, l’aggiunta di raccordi al core dei pannelli sandwich ha permesso di aumentare il carico massimo sopportato dal pannello di tre volte. In breve, la tesi propone un approccio per trasformare, fabbricare additivamente e caratterizzare compositi HTRT. Inoltre,la fabbricazione tramite FDM di pannelli sandwich per l’attenuazione di rumore a banda larga e capaci di supportare carichi meccanici è stata dimostrata.