Improvement of thermal conditions in extrusion additive manufacturing of ULTEM

The Additive Manufacturing technology has grown significantly in the past few years thanks to the improved quality of manufactured parts, decrease in the investment costs, high flexibility and possibility to produce complex shapes. Among them Extrusion Additive manufacturing is one of the most flexible, efficient, reliable and safe thanks to the absence of lasers. The Additive Manufacturing technology uses thermal energy to bond the different layers and roads of materials, in EAM this energy is used to rise the temperature of the material over its glass transition temperature. The thermal energy is responsible for diffusion and bonding of the extruded roads of material, but if not properly controlled might generate thermal problems in the process, depending on material and geometry. Due to the importance of heat in EAM, this thesis will be focused on the thermal part of the process, considering some fixed kinematics and technological variables to simplify the problem. Pellet Extrusion Additive Manufacturing is gaining interest in the field due to the possibility of using all the polymers available on the market and not only the ones available in form of filaments for FDM. This technology also lowers the cost of production due to the cheaper feedstock with respect to filaments, which are produced starting from pellets. ULTEM is the commercial name given by Sabic to PEI, polyetherimide polymer. PEI is a high strength amorphous thermoplastic used in automotive and aerospace fields, with good high-temperature resistance due to an exceptionally high glass transition temperature of 215 °C. Thanks to its outstanding mechanical and thermal properties it is also employed as material for Rapid Tools in injection molding. PEI components are usually produced with injection molding but in the last years some researches and articles have been published in the field of Filament Additive Manufacturing with this material. Commercial machines able to Additive manufacture PEI in filament form exist but they are all high-cost machines, with heated and enclosed build volume and embedded filament dryer. To my knowledge and researches, no scientific publications are present instead on the Extrusion Additive Manufacturing of PEI components directly from pellets, which would reduce the cost and time for production significantly. For this reasons this work will focus on the innovative and interesting field of ULTEM Extrusion Additive Manufacturing directly from pellets, which has not been studied so far. This thesis is divided in two main parts. In the first one the purpose is to improve an EAM machine to be able to print with a higher quality, strength and higher reliability of the process. The improvements are also aimed at enabling this machine to print high temperature polymers. The machine, called EFeSTO (Extrusion of Feedstock for Sintered Tiny Objects), has an injection molding head fixed in space and a parallel kinematic bed which moves in X, Y and Z. The injection molding head is fed with feedstock in pellet form, this gives great freedom in terms of material which can be printed: thermoplastics, including PLA, ABS and Nylon, but also metals and ceramics with a binder which need to be debinded and sintered after printing. In the second section an experimental campaign, with the definition of a DOE, will be carried out to study the effects of thermal variables on the desired characteristics and to find an optimum process window, by printing different specimens with ULTEM 1000 pellets. This work was able to meet the expected outputs under many aspects. Firstly the improvements carried out are able to enhance quality and strength of the printed objects, increase the reliability of the process and enable high-temperature printing. The printing phase of ULTEM in pellet form gave the desired results: the machine was able to produce the designed components without issues, a process window for the material has been defined and the quality and mechanical properties of the produced parts were satisfactory.

Il settore dell'Additive Manufacturing è cresciuto in modo significativo negli ultimi anni grazie alla migliore qualità delle parti prodotte, alla diminuzione dell’investimento necessario, all'elevata flessibilità e alla possibilità di produrre forme complesse. Tra le varie tecnologie la produzione additiva tramite estrusione è una delle più flessibili, efficienti, affidabili e sicure grazie all'assenza di laser. Le tecnologie di produzione additiva utilizzano l'energia termica per legare i diversi strati e filamenti di materiale, in EAM questa energia viene utilizzata per aumentare la temperatura del materiale oltre la sua temperatura di transizione vetrosa. L'energia termica è responsabile della diffusione e dell’unione dei filamenti di materiale estruso, ma se non adeguatamente controllata potrebbe generare problemi termici nel processo, a seconda del materiale e della geometria. Data l'importanza del calore in EAM, questa tesi sarà focalizzata sulla parte termica del processo, considerando alcune variabili cinematiche e tecnologiche fisse per semplificare il problema. La produzione additiva con pellet sta guadagnando interesse nel settore grazie alla possibilità di utilizzare tutti i polimeri disponibili sul mercato e non solo quelli disponibili sotto forma di filamenti per FDM. Questa tecnologia abbassa anche il costo di produzione grazie al materiale più economico rispetto ai filamenti, che vengono prodotti a partire dai pellet. ULTEM è il nome commerciale dato da Sabic al PEI, polieterimmide. Il PEI è un polimero termoplastico amorfo ad alta resistenza utilizzato nel settore automobilistico e aerospaziale, con una buona resistenza alle alte temperature grazie ad una temperatura di transizione vetrosa eccezionalmente elevata di 215 °C. Grazie alle sue eccezionali proprietà meccaniche e termiche viene impiegato anche come materiale per stampi rapidi nello stampaggio ad iniezione. I componenti in PEI sono solitamente prodotti con stampaggio ad iniezione ma negli ultimi anni sono state pubblicate alcune ricerche e articoli nel campo della produzione additiva a filamento con questo materiale. Esistono macchine commerciali in grado di stampare il PEI sotto forma di filamento, ma sono tutte macchine ad alto costo, con area di stampa riscaldata e chiusa e con essiccatore di filamento incorporato. Dalle mie ricerche, non sono invece presenti pubblicazioni scientifiche sulla produzione additiva tramite estrusione di componenti in PEI direttamente dai pellet, che ridurrebbe significativamente i costi e i tempi di produzione. Per questo motivo il mio lavoro si concentrerà sull'innovativo e interessante campo della produzione additiva tramite estrusione di ULTEM direttamente dai pellet, che finora non è stato studiato. Questa tesi è divisa in due parti principali. Nella prima lo scopo è quello di migliorare una macchina EAM per poter stampare con una maggiore qualità, resistenza dei componenti e maggiore affidabilità del processo. I miglioramenti mirano anche a consentire a questa macchina di stampare polimeri ad alta temperatura. La macchina, denominata EFeSTO (Extrusion of Feedstock for Sintered Tiny Objects), ha una testa di stampaggio ad iniezione fissa nello spazio e un piano a cinematica parallela che si muove in X, Y e Z. La testa di stampaggio ad iniezione è alimentata con materiale sotto forma di pellet, questo offre grande libertà in termini del materiale che può essere stampato: termoplastici, inclusi PLA, ABS e Nylon, ma anche metalli e ceramiche con un legante che devono essere puliti e sinterizzati dopo la stampa. Nella seconda sezione verrà condotta una campagna sperimentale, con la definizione di un piano sperimentale, per studiare gli effetti delle variabili termiche sulle caratteristiche desiderate e per trovare una finestra di processo ottimale, stampando diversi campioni con pellet di ULTEM 1000. Questo lavoro è stato in grado di soddisfare i risultati attesi sotto molti aspetti. In primo luogo i miglioramenti apportati sono in grado di migliorare la qualità e la resistenza degli oggetti stampati, aumentare l'affidabilità del processo e consentire la stampa ad alta temperatura. La fase di stampa di pellet di ULTEM ha dato i risultati desiderati: la macchina è stata in grado di produrre i componenti progettati senza problemi, è stata definita una finestra di processo per il materiale e la qualità e le proprietà meccaniche delle parti prodotte sono state soddisfacenti.