Comparative study of the tensile properties of fibre reinforced additively manufactured and injection moulded components
| datacite.contributor.Supervisor | Δημακόπουλος, Ιωάννης | |
| datacite.contributor.Supervisor | Rainer Dahlmann | |
| dc.contributor.author | Παπαχαράλαμπος, Σωτήριος | |
| dc.contributor.other | Papacharalampos, Sotirios | |
| dc.date.accessioned | 2024-07-23T11:32:37Z | |
| dc.date.available | 2024-07-23T11:32:37Z | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | The objective of any industry is to provide a product to the consumer in the most efficient manner, beginning with the initial concept and concluding with the final consumer good. The rise of Additive Manufacturing and its integration into the industrial environment presents a compelling avenue for investigation in a segment traditionally dominated by Injection Moulding. Each method possesses dis-tinct advantages, with the most important being the manufacturing flexibility offered by Additive Manufacturing, which is ideal for prototyping, and the low cost of Injection Moulding for large-scale manufacturing. Limitations of each method can be addressed by the opposite method, respectively. This statement indicates that Additive Manufacturing is not suited to replace Injection Moulding but raises the question of how the individual advantages of the processes can be combined to reduce the cost and time spent in the development stages of a product. The use of Additive Manufacturing is currently focused on on-demand production and custom de-signs, as well as prototyping in order to check dimensional properties of a product. The objective of this work is to introduce a new dimension to the current trend by providing high-demanding segments such as automotive and civil engineering with an additional control point before production, which is currently supported only by simulation. The rationale behind this research is to investigate the relationship between Injection Moulding and Additive Manufacturing. To this end, the mechanical properties of parts produced by each method will be examined. The material selected is a fibre-reinforced polyamide polymer, which is a type of material commonly used in demanding applications that require high mechanical properties. The re-sults provided by the mechanical investigation of the specimens provide an insight of the influence of each method to the behaviour of the material and the ability to establish a transfer function that can provision the behaviour of an Injection Moulding product, by testing the prototype produced with Addi-tive Manufacturing. In order to directly and accurately compare the processes of Additive Manufacturing (AM) and In-jection Moulding (IM), both production methods must be able to process the same raw material and manufacture a wide range of geometries. This is necessary in order for the resulting products to be applicable in an industrial environment. The objective is achieved through the use of extrusion-based Additive Manufacturing, which employs an extruder that can process polymeric material in the form of pellets, which is typically employed in Injection Moulding. The extruder is connected to a six-axis in-dustrial kinematic system, which provides precise positioning over a large area. Using both Additive Manufacturing and Injection Moulding, 1BA tensile-test specimens are pro-duced and tested. The specimens are taken from different angles relative to the direction of deposi-tion or direction of flow to identify the effect of anisotropy that characterizes fibre reinforced polymers and the two production methods. The data collected from tensile testing include the ultimate tensile strength, tensile modulus, and elongation of the specimen, providing an important insight into the influence of the production method and the reinforcement of the material to the behaviour of the specimens. Later, the tested specimens are investigated at the area of fracture using field emission scanning electron microscopy (FESEM). The results conducted by the tensile testing and microscopy investigation provide a number of con-clusions about the correlation of the two methods and the behaviour of them when a fibre reinforced polymer is employed. The tensile testing results indicate the existence of anisotropic behaviour in both methods which can be linked to the fibre alignment of the composite and the structural characteristics of the specimens in microscopy testing. In more detail, both Additive Manufacturing and Injection Moulding provide high alignment with the direction of deposition and direction of flow. Although both processes provide comparable me-chanical properties when loaded in this direction, the anisotropic behaviour of Additive Manufacturing specimens results in lower tensile strength in directions deviating from the direction of deposition. Analyses of microscopy images of Additive Manufacturing specimens in directions other than the dep-osition direction have revealed that the fracture occurs between layers, indicating a weakness in in-terlayer adhesion. Furthermore, microscopic analysis has revealed the presence of strand separation and air voids in specimens manufactured using the Additive Manufacturing process. These defects have been demonstrated to have an impact on the mechanical properties of the specimens. The total of tensile testing results indicates the influence of each component of the composite. In the direction parallel to the alignment of the fibres, the composite exhibits high stiffness, which is typi-cal of reinforcing materials such as glass fibre, which is used in this case. In the direction orthogonal to the alignment of the fibres, the composite displays a more ductile behaviour, indicating that the me-chanical load is primarily absorbed by the polymeric matrix. As an overview, Additive Manufacturing provides great flexibility, with low initial cost, making it ideal for prototyping, while Injection Moulding offers high-quality and low costs for mass production, with a significantly expensive and time-consuming development stage. The results of this work suggest by understanding the differences of the two methods, Additive manufacturing can be used for proto-typing to further ensure the estimations provided by simulation. This way, the initial cost and time needed for the development stage of a product manufactured by Injection Moulding can be further reduced. The same procedure is suggested to be applied for a wider range of orientation in both methods, including a variety of materials and more complex geometries, as well as using other deposition tech-niques that reduce the effect of anisotropic characteristics due to the production method. | |
| dc.description.translatedabstract | Στόχος κάθε βιομηχανίας είναι να παρέχει ένα προϊόν στον καταναλωτή με τον πιο αποτελεσματι-κό τρόπο, ξεκινώντας από την αρχική ιδέα και καταλήγοντας στο τελικό καταναλωτικό αγαθό. Η άνοδος της προσθετικής κατασκευής (Additive Manufacturing) και η ενσωμάτωση της στο βιομηχανικό περιβάλλον αποτελεί μια ελκυστική οδό για έρευνα, σε έναν τομέα που παραδοσιακά κυριαρχείται από τη χύτευση με έγχυση (Injection Moulding). Κάθε μέθοδος διαθέτει διακριτά πλεονεκτήματα, με σημαντικότερα την ευελιξία κατασκευής που προσφέρει η προσθετική κατασκευή, η οποία είναι ιδα-νική για κατασκευή πρωτοτύπων, και το χαμηλό κόστος της χύτευσης με έγχυση για παραγωγές με-γάλης κλίμακας. Οι περιορισμοί κάθε μεθόδου μπορούν να καλυφθούν επαρκώς από την άλλη, δεί-χνοντας πως η προσθετική μηχανική δεν είναι κατάλληλη να αντικαταστήσει τη χύτευση με έκχυση, αλλά θέτει το ερώτημα πως μπορούν να συνδυαστούν τα επιμέρους πλεονεκτήματα των διαδικασιών για να μειωθεί το κόστος και ο χρόνος που δαπανάται στα στάδια ανάπτυξης ενός προϊόντος. Η χρήση της προσθετικής κατασκευής επικεντρώνεται επί του παρόντος στην παραγωγή κατά πα-ραγγελία και σε προσαρμοσμένες αποκαταστάσεις, καθώς και στην κατασκευή πρωτοτύπων για τον έλεγχο των γεωμετρικών ιδιοτήτων ενός προϊόντος. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να εισαγάγει μια νέα διάσταση στην τρέχουσα τάση, παρέχοντας σε βιομηχανίες με υψηλές απαιτήσεις, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία και οι κατασκευές κτιρίων, ένα πρόσθετο σημείο ελέγχου των προϊόντων τους πριν την παραγωγή, το οποίο υποστηρίζεται επί του παρόντος μόνο από προσομοιώσεις. Το πλαίσιο αυτής της έρευνας είναι η διερεύνηση της σχέσης μεταξύ της χύτευσης και της προ-σθετικής κατασκευής. Για το σκοπό αυτό, θα εξεταστούν οι μηχανικές ιδιότητες εξαρτημάτων που παράγονται με κάθε μέθοδο. Το υλικό που επιλέχθηκε είναι ένα ινοπλισμένο πολυμερές, ένας τύπος υλικού που χρησιμοποιείται ευρέως σε απαιτητικές εφαρμογές που προϋποθέτουν υψηλές μηχανι-κές ιδιότητες. Τα αποτελέσματα που θα προκύψουν από τη μηχανική διερεύνηση των δοκιμίων πα-ρέχουν μια εικόνα της επιρροής της κάθε μεθόδου στη συμπεριφορά του υλικού και τη δυνατότητα δημιουργίας μιας συνάρτησης μεταφοράς που μπορεί να προβλέψει τη συμπεριφορά ενός προϊόντος χύτευσης με έκχυση, δοκιμάζοντας το πρωτότυπο που παράγεται με προσθετική κατασκευή. Προκειμένου να συγκριθούν άμεσα και με ακρίβεια οι διαδικασίες της προσθετικής κατασκευής και της χύτευσης με έκχυση, και οι δύο μέθοδοι παραγωγής πρέπει να είναι σε θέση να επεξεργάζο-νται την ίδια πρώτη ύλη και να κατασκευάζουν ένα ευρύ φάσμα γεωμετριών. Αυτό είναι απαραίτητο προκειμένου τα παραγόμενα προϊόντα να είναι εφαρμόσιμα σε βιομηχανικό περιβάλλον. Ο στόχος επιτυγχάνεται με τη χρήση προσθετικής μηχανικής με βάση έναν εξωθητήρα (extruder) ο οποίος έχει τη δυνατότητα να επεξεργαστεί πολυμερές υλικό με την μορφή σφαιριδίων, μια μορφή που χρησι-μοποιείται ευρέως στην χύτευση με έγχυση. Ο εξωθητήρας συνδέεται με ένα βιομηχανικό κινηματι-κό σύστημα έξι αξόνων, το οποίο παρέχει ακριβή τοποθέτηση σε μεγάλη περιοχή. Χρησιμοποιώντας τόσο την προσθετική κατασκευή, όσο και την χύτευση με έγχυση, παράγονται και ελέγχονται δοκίμια που ακολουθούν το πρότυπο 1BA. Τα δοκίμια λαμβάνονται από διαφορετικές γωνίες σε σχέση με τη διεύθυνση εναπόθεσης ή τη διεύθυνση ροής του υλικού για να προσδιοριστεί η επίδραση της ανισοτροπίας που χαρακτηρίζει τα ινοπλισμένα πολυμερή και την προσθετική κατα-σκευή. Τα δεδομένα που συλλέγονται από τις δοκιμές εφελκυσμού περιλαμβάνουν την αντοχή σε εφελ-κυσμό, το μέτρο εφελκυσμού και την επιμήκυνση του δοκιμίου, παρέχοντας μια σημαντική εικόνα για την επίδραση της μεθόδου παραγωγής και της ενίσχυσης του υλικού στη συμπεριφορά των δοκι-μίων. Αργότερα, τα δοκιμασμένα δοκίμια διερευνώνται στην περιοχή θραύσης με τη χρήση ηλεκτρο-νικής μικροσκοπίας σάρωσης εκπομπής πεδίου (FESEM). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη δοκιμή εφελκυσμού και τη μικροσκοπική διερεύνηση παρέχουν ορισμένα συμπεράσματα σχετικά με τη συσχέτιση των δύο μεθόδων και τη συμπεριφορά τους όταν χρησιμοποιείται πολυμερές ενισχυμένος με ίνες. Τα αποτελέσματα των δοκιμών εφελκυ-σμού υποδεικνύουν την ύπαρξη ανισοτροπικής συμπεριφοράς και στις δύο μεθόδους, η οποία μπο-ρεί να συνδεθεί με την ευθυγράμμιση των ινών του σύνθετου υλικού και τα δομικά χαρακτηριστικά των δοκιμίων στις δοκιμές μικροσκοπίας. Αναλυτικότερα, τόσο η προσθετική κατασκευή, όσο και η χύτευση με έγχυση παρέχουν υψηλή ευθυγράμμιση των ινών με την κατεύθυνση εναπόθεσης και την κατεύθυνση ροής. Παρόλο που και οι δύο διεργασίες παρέχουν συγκρίσιμες μηχανικές ιδιότητες όταν το φορτίο ασκείται σε αυτή τη διεύθυνση, η ανισοτροπική συμπεριφορά των δοκιμίων προσθετικής κατασκευής έχει ως αποτέλε-σμα χαμηλότερη αντοχή σε εφελκυσμό σε διευθύνσεις που αποκλίνουν από τη διεύθυνση εναπόθε-σης. Οι αναλύσεις των εικόνων μικροσκοπίας των δοκιμίων προσθετικής κατασκευής σε κατευθύνσεις διαφορετικές από τη διεύθυνση εναπόθεσης αποκάλυψαν ότι η θραύση συμβαίνει μεταξύ των στρωμάτων του υλικού, υποδεικνύοντας αδυναμία στην πρόσφυση ανάμεσα στα στρώματα. Επιπλέ-ον, η μικροσκοπική ανάλυση αποκάλυψε την παρουσία διαχωρισμού ανάμεσα στα τοιχώματα των δοκιμίων και φυσαλίδων αέρα. Αυτές οι ατέλειες φαίνεται να έχουν αντίκτυπο στις μηχανικές ιδιότη-τες των δοκιμίων. Το σύνολο των αποτελεσμάτων των δοκιμών εφελκυσμού δείχνει την επιρροή κάθε συστατικού του σύνθετου υλικού. Κατά τη διεύθυνση που είναι παράλληλη προς την ευθυγράμμιση των ινών, το σύνθετο παρουσιάζει υψηλή ακαμψία, η οποία είναι τυπική για ενισχυτικά υλικά όπως οι ίνες γυα-λιού, που χρησιμοποιούνται στην προκειμένη περίπτωση. Κατά τη διεύθυνση που είναι κάθετη προς την διεύθυνση των ινών, το σύνθετο πολυμερές παρουσιάζει πιο όλκιμη συμπεριφορά, γεγονός που υποδηλώνει ότι το μηχανικό φορτίο απορροφάται κυρίως από την πολυμερική μήτρα. Συνοπτικά, η προσθετική κατασκευή παρέχει μεγάλη ευελιξία, με χαμηλό αρχικό κόστος, καθι-στώντας την ιδανική για την κατασκευή πρωτοτύπων, ενώ η χύτευση με έγχυση προσφέρει υψηλή ποιότητα και χαμηλό κόστος παραγωγής, με ένα σημαντικά ακριβό και χρονοβόρο στάδιο ανάπτυξης. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας υποδηλώνουν ότι με την κατανόηση των διαφορών των δύο μεθόδων, η προσθετική κατασκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή πρωτοτύπων, ώστε να διασφαλιστούν περαιτέρω οι εκτιμήσεις που παρέχονται από την προσομοίωση. Με αυτό τον τρόπο, το αρχικό κόστος και ο χρόνος που απαιτείται για το στάδιο ανάπτυξης ενός προϊόντος που κατασκευάζεται με χύτευση με έγχυση μπορεί να μειωθεί περαιτέρω με ασφάλεια. Η ίδια διαδικασία προτείνεται να εφαρμοστεί για ένα ευρύτερο φάσμα προσανατολισμών και στις δύο μεθόδους, συμπεριλαμβανομένων ποικίλων υλικών και πιο σύνθετων γεωμετριών, καθώς και με χρήση άλλων τεχνικών εναπόθεσης που προσφέρουν αυξημένες αποδόσεις και μειώνουν την επί-δραση των ανισοτροπικών χαρακτηριστικών λόγω μεθόδου παραγωγής. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/27661 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.subject | Additive manufacturing | |
| dc.subject | Injection moulding | |
| dc.subject | Reinforced polymers | |
| dc.subject | Tensile properties | |
| dc.subject | Tensile strength | |
| dc.subject.alternative | Προσθετικές κατασκευές | |
| dc.title | Comparative study of the tensile properties of fibre reinforced additively manufactured and injection moulded components | |
| dc.title.alternative | Συγκριτική μελέτη των εφελκυστικών ιδιοτήτων ενισχυμένων με ίνες εξαρτημάτων που κατασκευάζονται με προσθετική μηχανική και έγχυση σε καλούπι |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
Loading...
- Name:
- 1069054_Comparative Study of the Tensile Properties of Fibre Reinforced Additively Manufactured and Injection Moulded Parts.pdf
- Size:
- 2.55 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
License bundle
1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
- Name:
- license.txt
- Size:
- 5.02 KB
- Format:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Description: