A new methodology to fabricate metal-polymer parts through additive manufacturing

Sofia Flores da Silva

Key information

Authors:

Sofia Flores da Silva (Sofia Flores da Silva)

Supervisors:

Carlos Manuel Alves da Silva (Carlos Manuel Alves da Silva); João Pedro da Fonseca Matos Pragana (João Pedro da Fonseca Matos Pragana)

Published in

June 20, 2024

Abstract

Esta tese propõe uma nova metodologia para o fabrico de componentes metal-polímero num processo de fabrico aditivo com o objetivo de desenvolver uma abordagem inovadora para a criação de componentes bi-materiais. A novidade da investigação é a exploração da técnica de ligação adesiva para integrar continuamente um inserto de alumínio com uma peça de modelagem por deposição fundida feita de PLA, tudo durante o processo de impressão. O objetivo é criar uma nova classe de componentes caracterizada pela combinação de construção leve e resistência excecional, juntamente com o potencial para personalização completa, e uso de um biomaterial que pode ser completamente reciclado. O propósito é avaliar a viabilidade deste processo, produzindo e testando novos componentes, e a partir daí criar uma peça-referência para mostrar a possibilidade do uso deste produto futuramente. Para testar a abordagem proposta, vários testes foram realizados, variando sistematicamente parâmetros como temperaturas do alumínio e cama da impressora, bem como a rugosidade da superfície do alumínio, para assegurar otimização da ligação a partir do alumínio. Os resultados revelaram melhorias notáveis em propriedades mecânicas críticas, incluindo carga máxima e propriedades de flexão, especialmente quando comparadas às suas contrapartes totalmente de PLA. O fabrico e testagem bem-sucedidos da peça-conceito validaram os resultados obtidos e destacaram as potenciais aplicações práticas deste processo. Estabelecendo um ponto de referência através de produção e testagem rigorosos, esta investigação abre caminho para avanços em fabrico aditivo com bi-materiais, oferecendo um caminho promissor para a realização de componentes leves, personalizáveis e sustentáveis para aplicações industriais. This thesis proposes a new methodology for the manufacturing of metal-polymer parts via additive manufacturing (AM), aiming to develop a novel approach for creating bi-material parts. The novelty of the investigation is the exploration of adhesive bonding technique to seamlessly integrate an aluminium insert with a fused deposition modeling (FDM) part composed of PLA, all while the printing process is underway. The primary aim is to engineer a new class of parts characterized by a blend of lightweight construction and exceptional strength, alongside the potential for complete personalization, and use of a bio-material that can be completely recycled. The goal is to assess the feasibility of this process, by producing and testing new parts, and from there create a benchmark part to show the possibility of using this product henceforward. To test the proposed approach, a series of experiments were conducted, systematically varying parameters such as aluminium and build-plate temperatures, as well as the surface roughness of the insert, to ensure coupling optimization from the aluminium. The results revealed notable enhancements in critical mechanical properties, including maximum load and flexural properties, especially when compared to fully PLA counterparts. The successful fabrication and testing of the concept part validated the results obtained and highlighted the potential practical applications of this process. By establishing a benchmark through rigorous experimentation and testing, this research sets the stage for future advancements in the field of bi-material AM, offering a promising avenue towards the realization of lightweight, customizable, and sustainable components for diverse industrial applications.