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

The aim of this research project is designing, realizing and testing a head for printing twisted continuous carbon fiber reinforced prepreg filament with PA12 as matrix material, to open new manufacturing possibilities in the composite materials field. The head has been developed starting from an existing prototype, result of previous thesis works on the subject. After a first phase in which the previous head has been fully characterized through a fraction factorial design experiment, the results obtained have been used in the following development stages to optimize and improve the existing design. Different sub-systems have been re-designed and others have been realized from scratch to create a fully automated and reliable 3D printing process for composite filaments. The realized printing head is mounted on a 6-axis robotic arm in order to enlarge the printing volume and to increase the complexity of the trajectories realizable with respect to a standard cartesian 3D printer. The choice of developing an FDM extruder, incorporating concepts of composite manufacturing processes, such as Automated Fibre Placement and Automated Tape Layering, allows to combine the positive aspects of the different techniques. The use of composite filaments, in fact, allows to realize high performance parts with high chemical stability at low production costs. Moreover it is possible to limit the production waste and to increase the part geometry complexity realizable with respect to standard composite manufacturing processes. It is also worth to remark that this printing process do not require the use of any mould, commonly used in the other composite manufacturing techniques. Future developments will be focused on the integration of a second collaborative robot into the process which will be used as mobile printing platform, in order to increase the complexity of the printable objects, and thus the potentiality of the whole process.

L’obiettivo di questo progetto di ricerca è quello di elaborare, realizzare e testare un sistema per la stampa di un filamento intrecciato in PA12 rinforzato con fibre di carbonio continue, in modo da aprire nuove frontiere nella produzione dei materiali compositi. La testa è stata sviluppata a partire da un prototipo preesistente, risultato di precedenti ricerche di tesi sull’argomento. Dopo una prima fase in cui il precedente sistema e stato completamente caratterizzato attraverso una sperimentazione con design fattoriale frazionato, i risultati ottenuti sono stati utilizzati nelle fasi di sviluppo successive per ottimizzare e migliorare il progetto esistente. Diversi sottosistemi sono stati riproggettati e altri sono stati realizzati da zero per poter creare un sistema affidabile e completamente automatico per stampare in 3D filamenti in materiale composito. La testa realizzata è stata montata su un braccio robotico a sei assi, in modo da incrementare il volume di stampa, nonchè la complessità delle traiettoria realizzabili rispetto ad una stampante 3D cartesiana standard. La scelta di sviluppare un estrusore di una FDM incorporando concetti di alcuni processi produttivi per i material compositi, come l’Automated Fibre Placement e l’Automated Tape Layering, permette di combinare gli aspettivi positivi delle differenti tecniche. L’utilizzo di filamenti in materiale composito, infatti, consente di realizzare parti dalle elevate performances, con ottima stabilità chimica ad un costo di produzione relativamente basso. È, inoltre, possibile limitare gli scarti di produzione e aumentare la complessità realizzabile rispetto a metodi standard di produzione dei compositi. È opportuno sottolineare che questo processo di stampa 3D non richiede l’uso di alcuno stampo, comunemente impiegato nelle altre tecniche per la produzioni di compositi. Gli sviluppi futuri si concentreranno sull’integrazione nel processo di un secondo braccio robotico che possa collaborare con il primo. Questo sarà utilizzato come piattaforma di stampa mobile con l’obiettivo di incrementare la complessità degli oggetti realizzabili, aumentando così le potenzialità dell’intero processo.