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Non-Planar Multinozzle Additive Manufacturing of Thermoset Composites

Jean-Francois Chauvette

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Over the last decade, the aerospace industry has progressively adopted additive manufacturing (AM) technologies to manufacture more complex functional parts while reducing the material waste that was previously produced by traditional subtractive manufacturing techniques. In academia, the design of advanced printing frameworks and materials development have helped to advance the AM of polymers and composites and have demonstrated their potential for the fabrication of lightweight multifunctional parts. In the aerospace industry, thermosetting polymeric abradable seal coatings are mainly used in the upstream region of aircraft engines to reduce their specific fuel consumption by generating low tip clearance between rotating parts and the casing. Yet, current application methods such as pneumatic gun or molding process, do not allow full control of the coating geometry. Direct ink writing (DIW) is an AM technique that allows for the material extrusion of viscoelastic inks, hydrogels, and some thermosetting composites. It has been shown that DIW enables the AM of small-scale abradable samples (i.e., few cm wide) in the form of a three-dimensional (3D) periodic microscale stacking of filaments called microscaffolds. These abradable microscaffolds have exhibited sound absorption capabilities that could be used to reduce noise produced by aircraft. However, the slow printing speed and long printing time often associated with these complex high-resolution structures paired with challenges of thermosetting composites DIW (e.g., polymerization, viscosity, gelation time) make it difficult to scale up microscaffolds to the meter scale for the AM of an actual large abradable coating destined for curved aircraft casings. Therefore, the main objective of this research is to develop a non-planar AM method for rapid 3D printing of an abradable thermosetting material, allowing the production of a lightweight abradable coating in the shape of a large microscaffold network, inspired by sound absorption patterns. The developed method involves a multinozzle printhead mounted on a 6-axis robotic arm to allow simultaneous material extrusion of 26 filaments on the non-planar surface of an aircraft casing. A pressure prediction model as well as a non-planar toolpath generator for multinozzle printheads were programmed to predict the AM process, generate 6-axis robot trajectories for multinozzle printhead on non-planar substrates, and control the geometry of the abradable coating to obtain large curved microscaffold networks with multilevel porosity. Microscaffold networks measuring up to ~ 9 × 104 mm2 were fabricated at printing speeds of up to 250 mm/s, which is ~ 3 times faster than similar published work. A thick microscaffold of 50-layers was studied and showed an average layer stacking alignment error of 57 µm. Non-planar multinozzle AM enabled the fabrication of curved microscaffold networks on a surface with radius as small as ~ 240 mm, with a toolpath error of 15 µm. The culmination of this work led to the creation of an aircraft component demonstrator using a non-planar multiprocess AM approach that features an actual curved functional abradable microscaffold network coating, with dimensions of ~ 520 mm × 78 mm × 5.6 mm and a radius of 962 mm, which was never realized before. The development of a large-scale non-planar multinozzle AM method and the various 3D-printed case studies shown in this research increase the potential for large-scale design of multifunctional parts for a wide variety of applications ranging from AM of concrete architectural structures, tissue engineering, microfluidic channels, and advancement of multiprocess AM.

Résumé

Au cours de la dernière décennie, l'industrie aérospatiale a progressivement adopté des technologies de fabrication additive (FA) pour fabriquer des pièces fonctionnelles plus complexes tout en réduisant les déchets de matériaux qui étaient auparavant produits par les techniques traditionnelles de fabrication soustractive. Dans le monde de la recherche académique, la conception de systèmes d'impression avancés et le développement de matériaux ont contribué à faire progresser la FA des polymères et des composites et ont démontré leur potentiel pour la fabrication de pièces multifonctionnelles légères. Dans l'industrie aérospatiale, les revêtements d'étanchéité abradables en polymère thermodurcissable sont principalement utilisés dans la région en amont des moteurs d'avion pour réduire leur consommation spécifique de carburant en générant un faible jeu entre les pièces rotatives et le carter. Cependant, les méthodes d'application actuelles, telles que le pistolet pneumatique ou le procédé de moulage, ne permettent pas un contrôle total de la géométrie du revêtement. L'écriture directe d'encre (DIW) est une technique de FA qui permet l'extrusion de matériaux tels que des encres viscoélastiques, des hydrogels et certains composites thermodurcissables. Il a été démontré que la DIW permet la FA d'échantillons abradables à petite échelle (i.e., de quelques centimètres de large) sous la forme d'un empilement périodique tridimensionnel (3D) de filaments à micro-échelle appelé micro-échafaudages. Ces micro-échafaudages abradables ont montré des capacités d'absorption acoustique qui pourraient être utilisées pour réduire le bruit produit par les avions. Cependant, la vitesse d'impression lente et le long temps d'impression souvent associés à ces structures complexes à haute résolution, combinés aux défis de la DIW des composites thermodurcissables (e.g., la polymérisation, la viscosité, le temps de gélification), rendent difficile la mise à l'échelle des micro-échafaudages à l'échelle du mètre pour la FA d'un revêtement abradable réel de grande taille destiné aux carters courbés des avions. Par conséquent, l'objectif principal de cette recherche est de développer une méthode de FA non planaire pour l'impression 3D rapide d'un matériau thermodurcissable abradable, permettant la production d'un revêtement abradable léger sous la forme d'un grand réseau de micro-échafaudages, inspiré de motifs d'absorption acoustique. La méthode développée implique une tête d'impression multibuses montée sur un bras robotique à 6 axes pour permettre l'extrusion simultanée de 26 filaments sur la surface non planaire d'un carter d'avion. Un modèle de prédiction de la pression ainsi qu'un générateur de trajectoires d'outils non planaires pour les têtes d'impression multibuses ont été programmés pour prédire le processus de FA, générer des trajectoires de robot à 6 axes pour la tête d'impression multibuses sur des substrats non planaires, et contrôler la géométrie du revêtement abradable afin d'obtenir de grands réseaux de micro-échafaudages courbes avec une porosité à plusieurs niveaux. Des réseaux de micro-échafaudages mesurant jusqu'à ~ 9 × 104 mm2 ont été fabriqués à des vitesses d'impression allant jusqu'à 250 mm/s, ce qui est ~ 3 fois plus rapide que des travaux similaires publiés. Un micro-échafaudage épais de 50 couches a été étudié et a montré une erreur moyenne d'alignement de l'empilement des couches de 57 µm. La FA multibuses non planaire a permis la fabrication de réseaux de micro-échafaudages courbes sur une surface de rayon aussi petit que ~ 240 mm, avec une erreur de parcours de 15 µm. L'aboutissement de ces travaux a conduit à la création d'un démonstrateur de composant d'avion utilisant une approche de FA multiprocessus non planaire, qui présente un revêtement de réseau courbé de micro-échafaudages fonctionnels abradables, avec des dimensions de ~ 520 mm × 78 mm × 5,6 mm et un rayon de 962 mm, ce qui n'avait jamais été réalisé auparavant. Le développement d'une méthode de FA multibuses non planaire à grande échelle et les différentes études de cas imprimées en 3D présentées dans cette recherche augmentent le potentiel de conception à grande échelle de pièces multifonctionnelles pour une grande variété d'applications allant de la FA de structures architecturales en béton, l'ingénierie tissulaire, les canaux microfluidiques, et l'avancement de la FA multiprocessus.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Daniel Therriault
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53426/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 11 Dec 2023 08:34
Last Modified: 07 Apr 2024 15:52
Cite in APA 7: Chauvette, J.-F. (2023). Non-Planar Multinozzle Additive Manufacturing of Thermoset Composites [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53426/

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