Development and Investigation of High-Performance Thermoplastic Composites for Fused Filament Fabrication of Sandwich Panel Structures

Fused Filament Fabrication (FFF) of high temperature and high mechanical performance polymers offers considerable potential for the aerospace industry. This is due to the flexibility of FFF in creating complex structures, as well as the mechanical, thermal and flame-retardant properties of these polymers that are resistant to high temperatures. However, there are several challenges associated with the FFF of high-temperature polymers, particularly when reinforced with short fibers. These challenges include high-temperature processing, high viscosity, filament extrusion difficulties, porosity formation, the amorphous or semi-crystalline behaviour of the matrix, and the fiber-matrix interface, all of which can impact the final mechanical properties of the printed parts. Additionally, selecting a suitable polymer matrix and developing composites that meet the strict certification requirements of the aerospace industry is challenging. The relatively new FFF technology lacks standardized processes, and the properties of FFF-printed parts are still not fully understood when compared to those produced by conventional manufacturing techniques. The work presented in this thesis proposes the development of different formulations of amorphous polyetherimide (PEI) and semi-crystalline polyphenylene sulfide (PPS) matrices, reinforced with recycled short carbon fiber (rCF) and thermal black (TB) particles. Four (4) different composite formulations were manufactured based on each matrix. Initially, the composites contained 20 wt.% rCF, which was gradually replaced with TB particles, by 5 wt.% increments. After their melt compounding, the composites were injection molded (IM) and, as well, were extruded to shape them in filaments. Then, the mechanical, thermal, and microstructural properties of FFF printed parts and those of IM parts were analysed and were compared. The mechanical properties are investigated in terms of tensile, flexural, and impact performance. The incorporation of rCF significantly enhanced the mechanical properties of both PEI and PPS composites. The incorporation of 20 wt.% rCF increased the tensile modulus of the IM PEI matrix from 3.2 GPa to 6.2 GPa, while for the IM PPS, the tensile modulus increased from 3.5 GPa to 20 GPa. The reinforcement efficiency with rCF loading for IM specimens of PEI and PPS may be attributed to differences in their structural characteristic, as they are amorphous and semicrystalline, respectively. For the same formulations, the tensile modulus of FFF printed PEI and PPS composites is found to be 4.3 GPa and 6.0 GPa, respectively. For other formulations, the mechanical differences between IM and FFF printed parts are less pronounced.

Résumé

La fabrication par dépôt de filament fondu (FFF) de polymères à haute température offre un potentiel considérable pour l'industrie aérospatiale. Cela s'explique par la flexibilité de la FFF dans la création de structures complexes, ainsi que par les propriétés mécaniques, thermiques et ignifuges de certains polymères résistants à haute température. Cependant, plusieurs défis sont associés à la FFF des polymères à haute température, en particulier lorsqu'ils sont renforcés par des fibres courtes. Ces défis incluent le traitement à haute température, la viscosité élevée, les difficultés d'extrusion des filaments, la formation de porosité, le comportement thermique tel qu’amorphe et/ou semi-cristallin de la matrice et l'interface fibre-matrice, qui peuvent tous avoir un impact sur les propriétés mécaniques finales des pièces imprimées. De plus, le choix d'une matrice polymère appropriée et le développement de matériaux composites respectant les exigences strictes de certification de l'industrie aérospatiale représentent un défi important. La technologie FFF, qui est relativement récente, manque de procédés standardisés, et les propriétés des pièces imprimées par FFF ne sont pas encore complètement comprises, en comparaison avec celles produites par des techniques de fabrication conventionnelles. Le travail présenté dans cette thèse propose le développement des différentes formulations de matrices polymères polyetherimide (PEI) amorphe et de polysulfure de phenylene (PPS) semicristallin, renforcées avec de la fibre courte de carbone recyclée (rCF) et des particules de thermal black (TB). Quatre (4) formulations composites différentes ont été fabriquées pour chaque matrice. Initialement, les composites contenaient 20 % en poids de rCF, qui ont été progressivement remplacées par des particules de TB, par incréments de 5 % en poids. Après leur extrusion, les composites ont été moulés par injection (IM) et aussi ont été extrudés sous forme des filaments. Ensuite, les propriétés mécaniques, thermiques et microstructurales des pièces imprimées par FFF et celles des pièces moulées par injection ont été analysées et comparées. Les propriétés mécaniques ont été étudiées en termes de performance en traction, en flexion et à l’impact. L'incorporation de rCF a significativement amélioré les propriétés mécaniques des composites PEI et PPS. L'incorporation de 20 % en poids de rCF a augmenté le module de traction de la matrice PEI moulée par injection de 3.2 GPa à 6.2 GPa, tandis que pour le PPS moulé par injection, le module de traction est passé de 3.5 GPa à 20 GPa. L’efficacité du renforcement avec un chargement en rCF pour les spécimens IM de PEI et de PPS peut être attribuée aux différences dans leurs caractéristiques structurelles, PEI étant amorphe et PPS semi-cristallin. Pour les mêmes formulations, le module de traction des composites PEI et PPS imprimés par FFF a été respectivement de 4.3 GPa et 6.0 GPa. Pour d'autres formulations, les différences mécaniques entre les pièces moulées par injection et celles imprimées par FFF étaient moins prononcées.