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The demand for thermoplastic based high-performance continuous fibre reinforced composite (CFRP) materials is increasing for structural applications in key industrial sectors like aerospace, automotive, sports, and prosthetics. The common feature of all these applications is the lightweight design strategy, which triggers better mechanical performance of the part at lower costs and with less carbon emission while offering increased design flexibility in comparison to traditional isotropic materials. Moreover, during the last few years, material extrusion (MEX) based additive manufacturing (AM) has emerged as a method of extreme interest for further development and innovation, owing to its potential to fabricate parts faster and with less needed infrastructure. This means less associated costs and the ability to rapidly make changes in the design flexibly or to economically produce small batches of parts, thus meeting the needs of an increasingly dynamic market. This includes a compact, predominantly automated, and computer controlled environment for both designing and manufacturing. The goal of this work was to combine two crucial areas of lightweight design and fabrication via continuous fibre reinforced MEX based AM for structural applications. Hence, the inherent advantages of the two value chain components (materials and manufacturing) can be combined to produce competitive structural components. The research goal was driven by the current limitations, such as the limited commercial availability of thermoplastic filaments, and closed AM system technology. Till now, mainly polyamide infused continuous fibre MEX AM techniques are utilised to fabricate CFRP based structural parts, but this limits the area of application. Furthermore, infusing highly viscous thermoplastic (TP) into fibre tows is difficult; hence, in this research, novel pre cured low viscosity thermoset based continuous composite filament (TS-CCF) is utilised. In composite filament co-extrusion (CFC) AM, the TS-CCF is used as the reinforcing element, whereas the thermoplastic is used as the binder to hold the CCFs together during fabrication. This allows the user to choose different types of commercially available neat, filled, or reinforced thermoplastic filaments as the binding matrix. However, this method of fabricating CFRP components is in its nascent stage, lacks extensive processing expertise, and requires technological maturity. This research work investigated and addressed the aforementioned limited availability of scientific and processing data by utilising fibre length distribution (FLD), thermo-mechanical, morphological, and non-destructive material characterisation methods. As a first step, the comparative processing behaviour of short and particulate fibrous material during compounding and filament extrusion, and its influence on the thermo-mechanical behaviour based on the weighted average fibre length distribution were investigated. As a result, increased FLD was directly proportional to thermo-mechanical properties but also increased the voids and defects within the MEX AM fabricated specimens, and similar results were also observed for CFC AM processed specimens. The voids (between 5-25 vol. %), and to a certain extent the overall fibre alignment (5 %) were dictated negatively with increasing weighted average fibre length irrespective of MEX or CFC AM processing. The FLD of short carbon fibre in the thermoplastic filament exerts a significant influence on their reinforcing capability, quality, and the thermo-mechanical properties of the fabricated composites. To reduce the voids and defect-associated failures in the fabricated parts, a hybrid processing method was incorporated with the advantage of reprocessing the thermoplastic binding matrix. The standard coupons produced via MEX and CFC AM were compression pressed, and the composite parts were subjected to computed tomography (CT) before and after to quantify the reduction in voids and defects. The post processing facilitated the reduction of process induced voids (between 50-90 %) and significantly improved the thermo-mechanical (between 40-80 %) properties of the composite parts, and had similar properties compared to injection moulded specimens. The advantages are quality assurance, consistency in material properties, and a step closer to mass production. Similarly, a novel test method is utilised to determine the pure in-plane shear properties of the post processed CFC AM fabricated parts. Applied optical strain measurement allowed the evaluation of surface strains over a monitored surface area. By relating the shear strains to shear stress at dedicated radii, the interaction-free in-plane shear modulus and in-plane shear strength can be calculated. This experimental thesis also presents the applicability of the open CFC AM system, by utilising TP-CCF instead of TS-CCF to fabricate curvilinear fibre reinforced specimens based on the computed principal stresses. The alternating layered fibre trajectories follow the maximum and minimum principal stress directions due to axial tension loading derived from two-dimensional finite element analysis (FEA). The 2D FEA data and the tensile test results obtained were comparable. CT analysis of fractured specimens revealed process-induced voids and fibre layup undulation as the cause of lugs failure. This PhD research study followed the development of novel materials and processing for CFC AM to fabricate high performance CFRP composite parts, develop knowledge on thermoplastic processing in CFC and MEX AM, assess properties, investigate the domains of applicability, and identify limitations. Furthermore, producing CFRP composites involves not only researching on and developing the technology for manufacturing but also researching the possibilities and methods of obtaining excellent properties and performance metrics of the components fabricated via CFC AM. This PhD research study followed the development of novel materials and processing for CFC AM to fabricate high-performance CFRP composite parts, develop knowledge on thermoplastic processing in CFC and MEX AM, assess properties, investigate the domains of applicability, and identify limitations. Furthermore, producing CFRP composites involves not only researching on and developing the technology for manufacturing but also researching the possibilities and methods of obtaining excellent properties and performance metrics of the components fabricated via CFC AM. Die Nachfrage nach endlosfaserverstärkten thermoplastischen Hochleistungsverbundwerkstoffen (CFRP) für strukturelle Anwendungen steigt von Jahr zu Jahr, speziell in Schlüsselindustrien wie der Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbau oder in Sportanwendungen and Prothetik. Die genannten Anwendungen verbindet die Leichtbaustrategie, die zu besseren mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringerem Gewicht, geringerem CO2 Fußabdruck und geringen Kosten führt. Zudem ermöglicht der Leichtbau eine größere Flexibilität bei der Konstruktion im Vergleich zu herkömmlichen isotropen Materialien. Auch die auf der Materialextrusion (MEX) basierende additive Fertigung (AF) hat sich in den letzten Jahren als eine potenzielle Methode herauskristallisiert, um Teile schneller und mit weniger benötigter Infrastruktur herzustellen und ist daher von großem Interesse für weitere Entwicklungen und Innovationen. Dies bedeutet geringere Kosten und mehr Flexibilität, da Änderungen im Design schneller umgesetzt oder kleine Chargen wirtschaftlich hergestellt werden können, was den Anforderungen eines zunehmend dynamischen Marktes entspricht. Dazu gehört ein kompaktes, überwiegend automatisiertes und computergesteuertes Umfeld sowohl für die Konstruktion als auch für die Fertigung. Ziel dieser Arbeit war es, die Bereiche Leichtbau und additive Fertigung mit endlosfaserverstärkten Werkstoffen für strukturelle Anwendungen zu kombinieren. Somit können die Vorteile der beiden Elemente der Wertschöpfungskette (Werkstoffe und Fertigung) kombiniert werden, um wettbewerbsfähige Strukturbauteile herzustellen. Das Forschungsziel wurde durch die derzeit bekannten Einschränkungen wie die geringe Verfügbarkeit von kommerziellen thermoplastischen Filamenten und die durchwegs geschlossenen AF-Systemtechnologien angetrieben. Derzeit werden bei der Herstellung von Verbundbauteilen mittels Materialextrusion vor allem mit Polyamid imprägnierte Endlosfaserfilamente für die Herstellung von Bauteilen verwendet. Damit sind die Anwendungsmöglichkeiten noch limitiert und können mit weiteren Materialien erweitert werden. Darüber hinaus ist es schwierig, die einzelnen Fasern im Faserbündel mit hochviskosen Thermoplasten zu benetzen. Daher wurde in dieser Arbeit ein neuartiges, vorgehärtetes sowie niedrigviskoses Duroplast-basiertes Filament (CCF) als Endlos-Kohlenstofffaserverstärkung verwendet. Die auf der Co-Extrusion der CCF-Filamente basierende AF-Technologie (CFC) versucht nun die zuvor genannten Einschränkungen, wie z.B. die geringe Verfügbarkeit von thermoplastischen Filamenten für die Materialextrusion (MEX), zu überwinden. Bei der CFC-AF wird das CCF als Verstärkungselement verwendet, während der Thermoplast als Bindemittel eingesetzt wird. Dies erlaubt dem Benutzer verschiedene Arten von kommerziellen (un-)gefüllten oder verstärkten thermoplastischen Filamenten als Bindematrix zu verwenden. Allerdings befindet sich die Erforschung der Möglichkeiten zur Herstellung von CFRP-Strukturbauteilen noch im Anfangsstadium, es mangelt an umfangreichem Verarbeitungs-Know-how und dem Reifegrad der Technologie. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden Methoden zur Bestimmung der Faserlängenverteilung (FLV) sowie zur morphologischen, thermomechanischen und zerstörungsfreien Materialcharakterisierung eingesetzt, um bis dato kaum vorhandene wissenschaftliche und verarbeitungstechnische Daten zu generieren. In einem ersten Schritt wurde dazu das Verarbeitungsverhalten von kurzen und partikelförmigen Faserstoffen während der Compoundierung und der Filamentextrusion, sowie deren Einfluss auf das thermomechanische Verhalten, auf Grundlage der gewichteten durchschnittlichen Faserlängenverteilung untersucht und verglichen. Dabei zeigte sich, dass eine breitere FLV direkt proportional zu den thermomechanischen Eigenschaften ist, aber auch die Hohlräume und Defekte in den mit MEX-AF gefertigten Proben erhöht. Ähnliche Ergebnisse wurden auch für die mit CFC-AF verarbeiteten Proben beobachtet. Die Hohlräume (zwischen 5-25 Vol. %) und zu einem gewissen Grad die Gesamtfaserausrichtung (5 %) wurden, unabhängig vom eingesetzten additiven Fertigungsverfahren (MEX- bzw. CFC-AF), mit zunehmender gewichteter durchschnittlicher Faserlänge negativ beeinflusst. Die FLV der kurzen Kohlenstofffasern im thermoplastischen Filament hat einen erheblichen Einfluss auf die Verstärkungswirkung, die Qualität und die thermomechanischen Eigenschaften der hergestellten Verbundwerkstoffe. In dieser Forschungsarbeit wurde auch die Anwendbarkeit des offenen CFC-AF-Systems vorgestellt, indem Thermoplast-basierte anstelle von Duromer-basierten Endlos-Verbundfilamenten (CCF) verwendet wurden, um gekrümmte faserverstärkte Proben (Laschen) auf der Grundlage der berechneten Hauptspannungen herzustellen. Die abwechselnd geschichteten Fasertrajektorien folgten den Richtungen der durch Zugbelastung hervorgerufenen maximalen und minimalen Hauptspannungen, die aus der zweidimensionalen Finite-Elemente-Analyse (FEA) abgeleitet wurden. Die 2D-FEA-Daten und die Ergebnisse der Zugversuche waren vergleichbar. Die CT-Analyse der gebrochenen Proben ergab, dass prozessbedingte Hohlräume und Wellenbewegungen der Faserschichten die Ursache für das Versagen der Laschen sind. Mit der vorliegenden Doktorarbeit wurden mehrere Ziele verfolgt. Einerseits sollte die Entwicklung von innovativen Materialien und Verfahren für die additive Composite Fibre Co-Extrusions-Technologie (CFC), zur Herstellung von hochleistungsfähigen, endlosfaserverstärkten Composite-Bauteilen, vorangetrieben werden. Andererseits sollte die erreichten Eigenschaften bewertet, die Anwendungsbereiche untersucht und die Grenzen von CFC- und MEX-AF aufgezeigt werden. Neben der Erforschung und Entwicklung der Technologie zur Herstellung von CFRP-Verbundwerkstoffen, wurden auch die Möglichkeiten und Methoden zur Erzielung hervorragender Eigenschaften und Leistungskennzahlen der mittels CFC-AM hergestellten Bauteile aufgezeigt. Author Chethan Savandaiah, B.E., M.Sc. Eng. Dissertation Universität Linz 2022 |
