Advances in the standardization of mechanical tests on additive manufacturing monolayer specimens

Resumen

Resumen: La fabricación aditiva tiene cada vez una importancia industrial más alta, pero todavía no se ha convertido en un proceso de fabricación industrial que esté completamente establecido para la fabricación de componentes sumitidos a cargas mecánicas. El futuro de este grupo de tecnologías depende de su estandarización. La tesis está enfocado en probetas que consisten solamente de una capa de material, llamadas monocapa. Son elementos básicos de cada proceso de fabricación aditiva. En la tesis, se propone una metodología para el diseno, la fabricación y la evaluación qualitativa de monocapas fabricadas con Fused Layer Modeling. El trabajo es una demostración de que monocapas hechas con Fused Layer Modeling se pueden fabricar y ensayar mecánicamente de manera sistemática. Se presenta una primera consideración teórica y un diseno sistemático de monocapas para ensayos mecánicos que están adaptados a diferentes tipos de cargas mecánicas. Las probetas se fabrican usando varias estrategías de trayectorias. Usando Finite Element Analysis y ensayos mecánicos se demostra que las probetas tipo hueso que se recomiendan en algunos de los estándares relevantes no se deben de usar para el proceso de fabricación aditiva estudiado en esta tesis. Se proponen diferentes tipos de geometrías alternativas para ensayos de tracción y compresión. La nueva metodología se aplica a ensayos con diferentes materiales primas y tipos de geometría para encontrar condiciones de ensayo y parámetros de diseno y fabricación casi optimales. Los defectos macro- y micro-geométricos que frequentemente occurren en las probetas se analizan y categorizan para mejorar la calidad de las probetas. Este trabajo también estudia el efecto de algunos parámetros de fabricación con respeto a las propriedades mecánicas. Se presentan nuevas perspectivas sobre el modo de ruptura y la propagación de grietas de PLA fabricado con Fused Layer Modeling en ensayos de tracción. Adicionalmente, se investiga la relación entre las propriedades mecánicas de monocapas y multicapas fabricadas con tecnologías de fabricación aditiva. El doctorando busca avanzar el conocimiento sobre fabricación aditiva facilitando la predicción de las propriedades mecánicas de una componente multicapa a base de las propriedades de probetas más simples, como las monocapas. Las conclusiónes de esta tesis pueden llegar a avanzar la estandarización de fabricación aditiva y a facilitar su optimización y su facilidad de uso en las diferentes industrias. Para eso, se establecen geometrías de probetas aptas y una metodología de ensayos mecánicos adaptada para la fabricación aditiva.   Summary: Although its importance has increased significantly, Additive Manufacturing is not yet a fully accepted industrial manufacturing process for load-carrying parts. The future success of the process group depends on its standardization. The thesis focuses on specimens that are composed of only one layer, so-called monolayers. They are basic elements of all Additive Manufacturing processes. This thesis proposes a methodology for the design, manufacturing, and quality evaluation of monolayer specimens manufactured by Fused Layer Modeling. This work is a first extensive demonstration that Fused Layer Modeling monolayers can be systematically manufactured and tested mechanically. A first theoretical consideration and systematic design of monolayers for mechanical testing is presented which is adapted to different load types. The specimens are manufactured using several trajectory strategies. It is demonstrated using Finite Element Analysis and mechanical tests that the conventional dumbbell-shaped geometry recommended for tensile testing in some applicable standards is unsuitable for the purposes of this thesis. Alternative monolayer geometry types are proposed for tensile and compression tests. The newly developed methodology is applied to different raw materials and geometry types in order to find near-optimum manufacturing, design and testing parameters. The occurring macro- and micro-geometrical defects are evaluated and categorized in order to optimize the part quality. This work also studies the effect of some manufacturing parameters on mechanical properties. Some novel insights into the fracture mode and crack propagation of polylactic acid manufactured with Fused Layer Manufacturing in tensile tests are provided. Additionally, the relationship between mechanical properties of monolayers and multilayer parts created with Additive Manufacturing technologies are investigated. The PhD student seeks to further the understanding of Additive Manufacturing by allowing the prediction of multilayer mechanical properties from the mechanical properties of simple samples such as monolayers. The findings of the thesis can lead to the advancement of standardization in Additive Manufacturing, allowing its optimization and increased use in different industries by establishing viable geometries and test procedures for mechanical testing.