Surface metallization of additively manufactured carbon fiber reinforced polycarbonate using cold spray technology

This Master of Science thesis investigates the surface metallization of additively manufactured carbon fiber-reinforced thermoplastic Polycarbonate using the cold spray technique. Cold spray is an emerging solid-state coating process that deposits metallic powders onto various substrates via high-velocity impact, minimizing oxidation and thermal degradation making it especially suitable for temperature-sensitive materials like polymers and polymer matrix composites (PMCs). The metallization of PMCs, including carbon fiber-reinforced polymers (CFRPs), is of growing interest for improving their mechanical, electrical, and thermal conductivity, as well as resistance to erosion, radiation, and lightning. However, achieving strong adhesion between the metal coating and the polymer substrate remains challenging, as bonding is mainly based on mechanical interlocking rather than chemical interaction. In this study, pure aluminum powder was deposited onto carbon fiber-reinforced polycarbonate (CFR-PC) substrates using a high-pressure cold spray system. A total of 44 different parameter sets were tested. Key process parameters including gas pressure, temperature, powder feed rate, stand-off distance, and traverse velocity were systematically varied to optimize adhesion. One major issue encountered was substrate erosion under high temperature and pressure conditions. Conversely, low temperature and pressure led to poor particle penetration and weak coating adhesion. Delamination occurred either after spraying or during sample preparation due to high residual stress and insufficient mechanical interlocking. Deposition was achieved purely through mechanical interlocking, with negligible chemical bonding. Nevertheless, a few specific process windows resulted in coatings that could withstand mechanical forces during cutting and grinding. Coating characterization included adhesion tests, microhardness measurements, and electrical conductivity evaluation. Results demonstrate that, under optimized conditions, cold spray enables effective metallization of CFRP substrates, supporting future development of functionalized polymer composites for aerospace, defense, and other high-performance applications.

La presente tesi di Laurea Magistrale analizza la metallizzazione superficiale di polimeri termoplastici rinforzati con fibre di carbonio, realizzati mediante manifattura additiva, attraverso la tecnologia di deposizione a freddo (Cold Spray). Il Cold Spray è un processo emergente di rivestimento in stato solido che consente la deposizione di polveri metalliche su diversi substrati tramite impatto ad alta velocità, riducendo l’ossidazione e prevenendo la degradazione termica. Ciò lo rende particolarmente adatto a materiali sensibili alla temperatura, come i polimeri e i compositi a matrice polimerica (PMC). La metallizzazione dei PMC, inclusi i polimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP), è di crescente interesse per il miglioramento delle proprietà meccaniche, elettriche e termiche, oltre che per l’aumento della resistenza all’erosione, alle radiazioni e ai fulmini. Tuttavia, ottenere un’adesione efficace tra rivestimento metallico e substrato polimerico rimane complesso, poiché il legame si basa principalmente sull’ancoraggio meccanico, più che su interazioni chimiche. In questo studio, è stata effettuata la deposizione di polvere di alluminio puro su substrati in policarbonato rinforzato con fibre di carbonio, utilizzando un sistema Cold Spray ad alta pressione. Sono stati analizzati 44 set di parametri, variando sistematicamente pressione e temperatura del gas, portata della polvere, distanza di lavoro e velocità di avanzamento per ottimizzare l’adesione. Un problema rilevante è stato l’erosione del substrato ad alte pressioni e temperature, mentre valori troppo bassi hanno portato a una scarsa penetrazione delle particelle e a un rivestimento debole. Il distacco del rivestimento si è verificato dopo la deposizione o durante la preparazione metallografica a causa di tensioni residue e ancoraggio meccanico insufficiente. Il meccanismo di adesione è avvenuto esclusivamente per effetto meccanico. Tuttavia, alcune condizioni operative hanno portato a rivestimenti capaci di resistere a taglio e lucidatura. La caratterizzazione ha incluso prove di adesione, microdurezza e conducibilità elettrica. I risultati confermano che, in condizioni ottimizzate, il Cold Spray può metallizzare efficacemente substrati CFRP, promuovendo lo sviluppo di compositi funzionalizzati per applicazioni avanzate.