Novel approaches for the chemical, mechanical, and thermal post-processing of polymer components obtained by fused filament fabrication

Abstract

La creixent demanda de productes de baix cost i fets a mida impulsada per les necessitats del sector industrial contemporani ha promogut el desenvolupament i el perfeccionament de diverses tècniques de processat de materials. En aquest panorama de fabricació en constant canvi, la fabricació per filament fos (FFF), un dels mètodes de fabricació additiva (AM) més estesos per la seva simplicitat tecnològica, posseeix el potencial per a proporcionar respostes a moltes de les necessitats que revela el mercat actual. No obstant, la naturalesa de la construcció capa a capa dels objectes fabricats que permet una flexibilitat geomètrica tan elevada és, tanmateix, una barrera important per a l’ús dels components finals en certes àrees crítiques de la realitat industrial. Aquestes limitacions, com la necessitat d’eliminar les estructures que suporten en la seva construcció a voladissos i forats interns, l’anisotropia mecànica dels components i l’acabat superficial pobre en comparació amb les tècniques de fabricació convencionals, formen part dels grans reptes que ha d’abordar la comunitat AM. A més, la diversitat de materials i equips d’impressió desenvolupats en els últims anys per a ampliar les capacitats de la FFF exigeix l’adaptació dels mètodes de postprocessament existents i la creació d’altres de nous capaços d’aportar solucions efectives a aquestes necessitats.

Per conseqüent, aquesta tesi doctoral considera el postprocessat químic, mecànic i tèrmic de components fabricats amb el termoplàstic de grau enginyeril Ultem™ 9085 per mitjà de FFF amb l’objectiu d’aconseguir millores en la seva usabilitat i rendiment mecànic. La investigació que sustenta aquest estudi està basada en un rigorós disseny d’experiments, que inclou una matriu ortogonal de Taguchi i una metodologia de superfície de resposta, acompanyats de les campanyes experimentals suficients per a validar les propostes abordades.

De tots els anàlisis que conformen el conjunt d’aquesta tesi, de la que han derivat cinc publicacions científiques en revistes indexades, és possible extreure un bon nombre d’aportacions que s’estimen de gran importància per al progrés de la investigació en AM. D’entre ells, destaquen la validació d’un tractament químic capaç de dissoldre el material de suport de l’Ultem™ 9085 amb un impacte mínim en les prestacions mecàniques del material model, un postprocessat mecànic basat en el brunyit amb bola que ha demostrat produir una reducció significativa de la rugositat de la superfície i una duplicació de la vida a fatiga per flexió de les peces tractades, i una recuita tèrmica combinada amb pressió isostàtica capaç de densificar els components tractats al mateix temps que en millora el seu acabat superficial i redueix les diferències en les propietats mecàniques de peces fabricades utilitzant diferents orientacions d’impressió.

Cadascun dels enfocs abordats, així com els procediments que s’han utilitzat per a la seva validació, apareixen meticulosament documentats en aquesta memòria, juntament amb totes les recomanacions pràctiques necessàries per a aplicar les metodologies proposades a altres materials.

La creciente demanda de productos de bajo coste y hechos a medida impulsada por las necesidades del sector industrial contemporáneo ha promovido el desarrollo y el perfeccionamiento de múltiples técnicas de procesamiento de materiales. En este panorama de fabricación en constante cambio, la fabricación por filamento fundido (FFF), uno de los métodos de fabricación aditiva (AM) más extendidos por su simplicidad tecnológica, posee el potencial de proporcionar respuestas a muchas de las necesidades que revela el mercado actual. Sin embargo, la naturaleza de la construcción capa a capa de los objetos fabricados que permite una flexibilidad geométrica tan elevada es, al mismo tiempo, una barrera importante para el uso de los componentes finales en ciertas áreas críticas de la realidad industrial. Tales limitaciones, como la necesidad de eliminar las estructuras que soportan en su construcción a salientes y agujeros interiores, la anisotropía mecánica de los componentes y el acabado superficial pobre en comparación con las técnicas de fabricación convencionales, forman parte de los grandes desafíos que debe abordar la comunidad AM. Además, la diversidad de materiales y equipos de impresión desarrollados en los últimos años para ampliar las capacidades de la FFF exige la adaptación de los métodos de postprocesamiento existentes y la creación de otros novedosos, capaces todos de aportar soluciones efectivas a estas necesidades.

En consecuencia, esta tesis doctoral aborda el postprocesado químico, mecánico y térmico de componentes fabricados con el termoplástico de grado de ingenieril Ultem™ 9085 mediante FFF con el propósito de conseguir mejoras en su usabilidad y rendimiento mecánico. La investigación que sustenta este estudio está basada en un riguroso diseño de experimentos, que incluye una matriz ortogonal de Taguchi y una metodología de superficie de respuesta, acompañados de las campañas experimentales suficientes para validar las propuestas abordadas.

De todos los análisis que conforman el conjunto de esta tesis, de la que han derivado cinco publicaciones científicas en revistas indexadas, es posible extraer un buen número de aportaciones que se estiman de gran importancia para el progreso de la investigación en AM. Entre ellos, destacan la validación de un tratamiento químico capaz de disolver eficazmente el material de soporte del Ultem™ 9085 con un impacto mínimo en las prestaciones mecánicas del material modelo, un postprocesado mecánico basado en el bruñido con bola que ha demostrado producir una reducción significativa de la rugosidad de la superficie y una duplicación de la vida a fatiga por flexión de las piezas tratadas, y un recocido térmico combinado con presión isostática capaz de densificar los componentes tratados al tiempo que mejora su acabado superficial y reduce las diferencias en las propiedades mecánicas de piezas fabricadas utilizando diferentes orientaciones de impresión.

Cada uno de los enfoques abordados, así como los procedimientos que se han utilizado para su validación, aparecen minuciosamente documentados en esta memoria, junto con todas las recomendaciones prácticas necesarias para aplicar las metodologías propuestas a otros materiales.

The increasing demand for low-cost, custom-made products driven by the needs of the contemporary industrial sector has propelled the development and refinement of multiple material processing techniques. In this ever-changing manufacturing landscape, fused filament fabrication (FFF), one of the most popular additive manufacturing (AM) methods due to its technological simplicity, possesses the potential to provide the required answers to many of today’s marketplace requirements. However, the layered nature of the fabricated objects that enables such high shape flexibility is also a major barrier to implementation in critical application areas. This is attributed to the need to eliminate the supporting structures in overhanging parts and inner holes, the components’ mechanical anisotropy, and the inferior surface finish compared to conventional manufacturing techniques. In addition, the diversity of materials and printing equipment developed in recent years to expand FFF’s capabilities demands the adaptation of existing and novel post-processing methods to address the mentioned issues.

Accordingly, this doctoral thesis addresses the chemical, mechanical, and thermal post-processing of components made of the engineering-grade thermoplastic Ultem™ 9085 by FFF to improve their usability and mechanical performance. The research is based on rigorous designs of experiments, which include a Taguchi orthogonal array and a response surface methodology, as well as additional tests to validate the proposed strategies.

From the analyses that make the whole of this thesis, out of which five scientific articles published in peer-reviewed journals have been derived, it is possible to extract a substantial number of scientific contributions of great importance for the progress of research in the field of AM. Among them, a solvent-based chemical treatment that effectively dissolves Ultem™ 9085’s support material with minimal impact on the model material’s mechanical performance; the use of ball burnishing as a finishing technique that has proven to produce a significant reduction in surface roughness, and a minimum two-fold increase in the flexural fatigue life of the treated parts; and a thermal annealing treatment combined with isostatic pressing capable of inducing densification and reducing the surface roughness while homogenizing the mechanical properties of parts fabricated using different printing orientations.

The considered approaches and the procedures used for their validation are thoroughly documented in this doctoral thesis, together with practical recommendations to apply the proposed methodologies in other materials.