Characterization of Specimens 3D Printed by Fused Filament Fabrication Using Advanced Thermoplastic Composites Developed for Aerospace Applications

La fabrication additive, et en particulier la fabrication par filament fondu (FFF), est considérée comme une méthode courante de fabrication de pièces pour différentes applications. La variété de matériaux qu'offre la FFF rend cette technique très utile dans plusieurs domaines de l'industrie, comme par exemple le transport terrestre et aérien. Les polymères thermoplastiques performants à hautes températures de fusion, comme le polyétheréthercétone (PEEK) et le polyétherimide (PEI) offrent d'excellentes propriétés mécaniques et thermiques qui peuvent être améliorées davantage par l'ajout de renforts tels que des fibres de carbone pour créer des composites performants à hautes températures de fusion. Des matériaux commerciaux pour les applications à haute performance sont actuellement disponibles sur le marché, mais leur prix est considérablement élevé et les matériaux disponibles sont encore limités. Ce projet a utilisé une machine d'impression FFF en format ouvert avec une chambre thermique (AON-M2) pour imprimer des composites performants de hautes températures de fusion développés à base de PEI (nom commercial: ULTEM). Le PEI présente de meilleures propriétés mécaniques que les matériaux d'impression standard comme le polylactic acid (PLA) ou l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), mais les coûts des matériaux sont réduits de moitié par rapport au PEEK. Les matériaux développés par le Laboratoire de Mécanique Multi-échelles (LM2) et le Conseil National de Recherches du Canada (CNRC) ont été imprimés avec différents pourcentages de fibres de carbone et de noir de carbone thermique. Un renforcement maximal de 40 % en poids de fibres de carbone a été imprimé. Les propriétés mécaniques des échantillons imprimés avec des polymères thermoplastiques performants, de hautes températures de fusion commerciaux et avec les matériaux développés ont été évaluées en utilisant la norme d'essai de traction ASTM D638. Les valeurs maximales du module de rigidité et de la résistance ultime à la traction obtenues pour les échantillons imprimés en 3D avec les filaments développés renforcés étaient respectivement de 3,3 GPa et 47 MPa. En outre, les échantillons ont été analysés par microscopie électronique à balayage (MEB) et par microtomographie aux rayons X (micro-CT). Les images obtenues par MEB et micro-CT ont permis de comprendre la relation entre les propriétés mécaniques et les porosités à l'intérieur des échantillons, qui dans le cas des matériaux développés étaient de ∼16 %.

Abstract

Additive Manufacturing (AM) and in particular Fused Filament Fabrication (FFF) is considered as a common method to manufacture parts for different applications. The variety of materials that FFF offers makes this technology very useful in different industrial fields, such as ground transportation and aerospace. High-Temperature Plastics (HTPs) like polyetheretherketone (PEEK) and polyetherimide (PEI) offer great mechanical and thermal properties that can be further improved with the addition of reinforcements such as carbon fibres (CF) to create High-Temperature Reinforced Plastics (HTRPs). Commercial materials for high-performance applications are currently available on the market, but the variety of these materials is limited and their price is considerably high. This project used an open-source FFF printing machine with heated chamber (AON-M2) to print newly developed HTRPs based on PEI (commercial name: ULTEM). PEI presents better mechanical properties than standard printing materials like polylactic acid (PLA) or the acrylonitrile butadiene styrene (ABS) but materials cost is reduced by half compared to PEEK. Developed materials by the Laboratory for Multiscale Mechanics (LM2) and the National Research Council (NRC) of Canada with different percentages of CF and Thermal Black (TB) reinforcements were printed. Composites containing up to 40 wt.% CF were printed. The mechanical properties of the samples 3D printed with commercial HTPs and HTRPs and with the developed advanced composites were evaluated using the tensile test standard ASTM D638 (Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics). The maximum Young’s modulus and Ultimate Tensile Strength (UTS) obtained for the samples 3D printed with the reinforced developed filaments was 3.3 GPa and 47 MPa, respectively. In addition, the samples were analyzed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and micro Computed Tomography (micro-CT). The images obtained with SEM and micro-CT allowed to understand the relationship between the mechanical properties and the porosities inside the samples, which in the case of the developed materials were ∼16 %.