Additive Manufacturing of Complex Geometries using Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites

La fabrication additive (FA) est une famille de technologies de plus en plus utilisée afin de créer des géométries optimisées et plus légères, généralement impossibles à fabriquer par des méthodes conventionnelles. Cependant, les techniques existantes de FA présentent des limites. La FA métallique, malgré les hautes résistances et rigidités obtenues, est pénalisée par la haute densité des métaux. Les composites thermoplastiques renforcés de fibres courtes, bien que légers, assez rigides et recyclables, offrent une résistance mécanique limitée. Afin de remédier à ces lacunes, le développement de la FA de polymères renforcés de fibres continues (FA-PRFC) est une option prometteuse. Cette approche vise à combiner les avantages associés à la FA de formes complexes avec la haute résistance et la haute rigidité spécifiques de cette gamme de matériaux. Ce mémoire présente donc le développement d’une infrastructure de FA de composites renforcés de fibres continues. Le système intègre un outil de co-extrusion à un système de FA robotique déjà développé au laboratoire de mécanique multi-échelle (LM2), afin de réaliser une imprégnation in-situ des fibres. Cette approche vise à permettre l’utilisation de matières premières génériques et à réduire la dépendance aux matériaux préimprégnés propriétaires utilisés par la plupart des systèmes disponibles commercialement. L’efficacité de cette infrastructure a été validée avec deux combinaisons de matériaux : (1) de l’acide polylactique renforcé de fibres de verre continues (PLA-CGF) et (2) du PLA renforcé de fibres de carbone courtes et continues (PLA-SCCF). Une analyse de la microstructure par microtomographie de pièces unidirectionnelles en PLASCCF a révélé une fraction volumique de fibres continues de 44 vol.% (i.e., environ 58 wt.%) ainsi que des taux de vides et de porosités de 0,4 vol.% et 7,9 vol.%, respectivement. Des tests mécaniques ont démontré une résistance à la traction de 854 MPa et une rigidité de 29,5 GPa dans la direction des fibres. Ces valeurs représentent une augmentation de 16X en résistance et de 6X en rigidité par rapport à un composite de PLA renforcé uniquement de fibres courtes (PLA-SCF). La résistance spécifique obtenue dans la direction des fibres est également 8X supérieure à celle des pièces issues de la FA métallique. Pour démontrer la capacité de l’infrastructure de co-extrusion à fabriquer des géométries 3D complexes, un vase à paroi mince et un panneau sandwich multi-matériaux ont été imprimés. Leur fidélité géométrique a été mesurée et des écarts inférieurs à 1% des dimensions des pièces ont été obtenus pour les deux géométries. Les défauts observés, principalement dus à l’extrusion de matière non supportée sur une distance de 31 mm, se sont concentrés dans la peau supérieure du panneau sandwich. Bien que 13X plus élevés que dans la peau inférieure, ils représentent tout de même une réduction de ∼42% par rapport aux valeurs rapportées dans la littérature pour des structures similaires fabriquées par FA. Bien que des limites subsistent, notamment pour les structures non supportées sur de longues distances, la méthode développée démontre une capacité à fabriquer des pièces 3D complexes avec des propriétés spécifiques parmi les plus hautes rapportées pour la FA-PRFC jusqu’à présent. Ces résultats prometteurs pour un procédé d’imprégnation in-situ pourraient être appliqués à l’automatisation de la fabrication de pièces composites complexes, réduisant le besoin d’assemblage et offrant une plus grande liberté de conception dans les secteurs exigeants et nécessitant une réduction de la masse, comme l’aérospatiale ou l’automobile.

Abstract

The use of additive manufacturing (AM) has been increasingly researched as a means to reduce material waste and enable the fabrication of optimized geometries, producing lightweight structures not achievable using conventional means of fabrication. Metallic AM provide excellent design freedom and high mechanical properties, but the high density of metals results in lower specific properties when compared to other material categories such as composites. Short fiber-reinforced thermoplastic composites, specifically, are recyclable and offer good specific stiffness. They are also compatible with fused filament fabrication, a widely used AM process able to manufacture complex geometries. They, however, provide limited strength due to the discontinuous nature of their reinforcements. Continuous fiber-reinforced thermoplastic composites AM (CFRP-AM) therefore, becomes an interesting solution, combining the capacity to produce complex architectures with high specific strengths and stiffness. While recent efforts have mainly been focused on improving the mechanical properties of geometries manufactured using these methods, the parts manufactured are usually small and 2D shapes that do not leverage the geometric complexity, justifying the use of AM. Few have demonstrated the capacity to produce complex 3D shapes, and the geometrical fidelity has not yet been quantified. Furthermore, current methods either rely on proprietary pre-impregnated material feedstock, limiting material choices and increasing the production costs, or use in-situ impregnation methods that still have to demonstrate their capacity to provide mechanical properties comparable to pre-impregnated alternatives. In this thesis, we develop a CFRP-AM infrastructure able to print continuous fiber-reinforced thermoplastics using generic material feedstocks. For this purpose, a co-extrusion in-situ impregnation printhead is integrated into the 6-axis robotic AM infrastructure present at the laboratory for multi-scale mechanics (LM2) and a CFRP-AM workflow is designed to automate the program generation. The infrastructure is then tested using 2 material combinations: (1) Continuous glass fiber-reinforced polylactic acid (PLA-CGF) and (2) Short and continuous carbon fiber-reinforced polylactic acid (PLA-SCCF). The micro and meso-structures of PLA-SCCF unidirectional flat beams are then observed using micro-computerized tomography scans (µCT). The continuous fiber volume fraction is 44 vol.% (∼58 wt.%) while voids and porosities represent 0.4 vol.% and 7.9 vol.%, respectively. The ultimate tensile strength and stiffness along the principal direction are measured to be 854 MPa and 29.5 GPa. These values represent a 16X and 6X increase over short fiber-reinforced PLA (PLA-SCF) manufactured via FFF, respectively. While the specific stiffness is comparable to results reported for metallic AM, the specific strength in the fiber orientation is 8X higher. To demonstrate the capacity to manufacture complex 3D geometries using the developed coextrusion infrastructure, a curved thin-walled vase and a multi-material sandwich panel are made using the proposed method. Their geometrical fidelity is measured, and their deviations from the reference model are both <1% of the part dimensions. Defects are mainly located in the top skin of the sandwich panels, with a void volume fraction 13X higher than in the bottom skin. These defects are associated with the bridging of up to 31 mm present in this region (i.e., mid-air extrusion of an unsupported structure) and are a ∼42% decrease over reported values for AM sandwich panels. While presenting certain limitations regarding bridging sections over long distances, the method developed shows a capacity to manufacture complex 3D geometries using generic continuous fiber-reinforced composite feedstocks. While transverse properties still need to be assessed, tensile results are promising for an in-situ impregnation AM methods and the specific properties achieved are among the highest reported for CFRP-AM thermoplastic composites until now. Similar manufacturing infrastructures could be used to automate the fabrication of composite parts with high geometric complexities, enabling more design freedom and reducing need for assembly. It could find applications in highly demanding sectors where light-weighting is a concern, such as the automotive and aero-spatial industries.