Please use this identifier to cite or link to this item: https://doi.org/10.15480/882.2961
Fulltext available Open Access
Title: A new additive manufacturing technique for layered metal-composite hybrid structures
Language: English
Authors: Miler Moreira Falck, Rielson 
Issue Date: 2020
Examination Date: 11-Sep-2020
Abstract (german): Der Einsatz von Multimaterialien in ein- und derselben Struktur ist eine große Herausforderung, und die Auswahl der richtigen Materialien, des passenden Designs und entsprechender Fertigung ist für die Entwicklung von jeglicher Konstruktionsstruktur ohnehin unerlässlich. Neue Verbindungstechnologien und additive Fertigungstechniken ergänzen die erfolgreiche Integration von Materialien, Design und Herstellungstechniken. Konventionelle Verbindungsmethoden wie Kleben und mechanisches Befestigen unterliegen bei der Anwendung technologischen Einschränkungen, wenn sie genutzt werden, um ungleiche Werkstoffe wie Metalle und Verbundwerkstoffe zu verbinden. In den vergangenen Jahren sind neue Verbindungstechniken untersucht worden, um Hybridverbindungen zu entwickeln, die die Einschränkungen herkömmlicher Verbindungsmethoden überwinden. Das Interesse an den jüngsten Fortschritten auf dem Gebiet der additiven Fertigung (AF) ist gestiegen. Diese Methoden bieten die Flexibilität komplexe geometrische Bauteile zu produzieren wie beispielsweise Sandwichstrukturen mit AF-Wabenkernen. Die Prinzipien des Verbindens und der polymeren AF zu kombinieren ist das Hauptziel der vorliegenden Doktorarbeit, in der AddJoining vorgestellt wird, eine neue Verbindungsmethode, die vom Autor miterfunden wurde (Patentanmeldung der HZG, DE 102016121267A1, 2018), um zur Weiterentwicklung der Fertigungsmöglichkeiten zum Verbinden von Teilen aus mehreren Materialien beizutragen. Der Prozess wurde durch Prinzipien der additiven Fertigung und Fügetechnologie inspiriert. Diese neue Technik verwendet Polymer-3D-Druck, z.B. Fused Filament Fabrication (FFF), auch bekannt als Fused Deposition Modeling (FDM), um einem Metallsubstrat Schichten aus Polymer oder Verbundstoff hinzuzufügen. Durch die AddJoining-Methode können geometrisch flexible Strukturen wie Wabenkerne erzeugt werden. Diese Doktorarbeit hat zum Ziel, die frühe Phase der AddJoining-Technik zu beleuchten und die Grundlagen zu entwickeln und zu verstehen. So werden die Haftmechanismen, Veränderungen der Mikrostruktur sowie die mechanischen Eigenschaften der Verbindungen Aluminium 2024-T3 mit einer Kombination aus unverstärktem Polyamid 6 (PA6) und kohlefaserverstärktem Polyamid 6 (CF-PA6) untersucht. Um die Prozessbedingten Veränderungen in der gewählten Materialkombination (Aluminium 20-T3 und Verbundwerkstoff [PA6/CF-PA6]4S) zu verstehen sowie den gesamten Prozess zu untersuchen und optimieren wurde die statistische Versuchsplanung und -analyse (DoE) angewendet. Des Weiteren wurden drei Kombinationen von Prozessparametern ausgewählt; die optimierten Prozessparameter mit einer Beschichtungstemperatur (CT) bei 229 C und einer Heizbetttemperatur (HBT) bei 77 C wurden gehalten. Darüber hinaus wurde die optimierte HBT festgelegt und der minimale und maximale CT-Wert ausgewählt, um die Auswertung der Ergebnisse bei 20 C bzw. 150 C zu erleichtern. Der enge Kontakt von Polymer zu Polymer wurde lediglich durch die Temperatur herbeigeführt, was zu einer starken Adhäsion führte und die Polymerbindungsbildung beeinflusste. Aus mikrostruktureller Sicht konnte nach Anwendung einer Mikrohärteprüfung gezeigt werden, dass die verstärkungsfördernde Präzipitation von Partikeln, die nach dem Auflösen durch die Entwicklung hoher Verarbeitungstemperaturen gebildet werden, vor allem nahe der Grenzfläche des Aluminiums 2024-T3 auftrat. Innerhalb des Verbundwerkstoffes [PA6/CF-PA6]4S veranlasste dieser Prozess eine globale Veränderung des Polymers, der Effekt der HBT führte zu einer geringfügigen Veränderung der thermischen Eigenschaften des Verbundteils. Um dabei die lokalen Veränderungen des Polymers besser verstehen zu können wurde ein schrittweiser Ansatz verfolgt, um die Phasenanalyse der Polymer- und Nanohärtung zu kombinieren. Das Resultat bot ein umfassenderes Verständnis der lokalen Variationen der Materialeigenschaften durch die Phasenänderungen in jeder Schicht, während es außerdem das Vorhandensein von zwei Polymorphen von α-PA6 und γ-PA6 anzeigt. Demzufolge kann der thermische Einfluss von AddJoining die Kristallinität lokalen beeinträchtigen und die Härte des Polymers verringern. Aufgrund des mechanischen Verhaltens der Hybridverbindung könnte der Einfluss der Temperatur des Heizbetts auf die sekundäre Biegung ein Hinweis auf eine geringe Steifheit des Verbundteils sein, die durch eine Variation seiner Kristallstruktur verursacht wird. Die weist darauf hin, dass die Änderungen der PA6-Phasen zu einer Veränderung der Duktilität und Festigkeit des Hybridgelenks geführt haben könnten. Die mechanische Leistung von AddJoining-Hybridverbindungen wurde anhand eines breiten Spektrums an mechanischen Untersuchungen bewertet. Bei quasistatischer Belastung wurde ein intralaminarer Grenzflächenversagensmodus beobachtet. Verglichen mit Klebeverbindungen war ein signifikanter Anstieg der endgültigen Zugscherfestigkeit zu verzeichnen. Außerdem zeigten die S-N-Kurven, die aus Ermüdungstests bezogen wurden hervorragende Ergebnisse, und die hergestellten Hybridverbindungen erreichen ihre Ermüdungsgrenzen (d. H. 106 Zyklen) mit einem Belastungsgrad von 30% des ULSF. Durch Überwachen der Verschlechterung der Steifheit wurde festgestellt, dass die Schädigungsentwicklung aufgrund der hohen Steifheitsstabilität hauptsächlich durch Faserbruch während der Ermüdungslebensdauer dominiert wurde. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass diese Doktorarbeit ihre Ziele, nämlich die Grundlagen des AddJoining- Prozesses und das mechanische Verhalten zu beschreiben, erreicht hat. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit das Potenzial der AddJoining-Technik bei der Herstellung zukünftiger komplexer Multimaterialteile für strukturelle Anwendungen mit maßgeschneiderten Designaspekten zur Verbesserung der Schadenstoleranz und der Tragfähigkeit.
Abstract (english): Substitution of conventional metals by lightweight materials is inevitable. However, employment of multi-materials in a structure presents a challenge and choosing the right materials, design, and manufacturing technique is essential in the development of any engineering structural application. New joining and additive manufacturing techniques complement the successful integration of materials, design, and production. Conventional joining methods, such as adhesive bonding and mechanical fastening, face technological limitations when used to join dissimilar materials, such as metals and composites. The relatively long curing time of an adhesive is also a significant drawback for adhesive bonding. In recent years, new joining techniques have been investigated to develop hybrid joints that overcome the limitations of traditional joining methods. There is an increased interest in recent advances in the field of additive manufacturing (AM). These offer the flexibility to produce complex geometric parts, such as sandwich structures with AM honeycomb cores. Combining the principles of joining and polymeric AM is the main aim of the present doctoral thesis, which introduces AddJoining, a new technique that was co-invented by the author (patent application by HZG, DE 102016121267A1, 2018) to contribute to the manufacturing options for joining multi-material parts. The process was inspired by additive manufacturing and joining technology principles, and this new technique uses polymer 3D printing, e.g., fused filament fabrication, FFF (also known as fused deposition modeling, FDM), to add layers of polymer or composite to a metal substrate. The AddJoining process has a potential to produce structures with geometric flexibility, such as honeycomb cores. As an early phase of this technology this PhD work was devised to understand and develop the fundamentals of the AddJoining process by joining transportation grade lightweight aluminum 2024-T3 with a combination of unreinforced polyamide 6 (PA6) and carbon-fiber reinforced polyamide 6 (CF-PA6). To understand the process-induced changes in the selected material combination (aluminum 2024-T3 and the composite [PA6/CF-PA6]4S), three combinations of process parameters were selected. The optimized process parameters with coating temperature (CT) at 229 °C and heating bed temperature (HBT) at 77 °C were kept constant. Moreover, the optimized HBT was fixed and the minimum and maximum values of CT selected at 20 °C and 150 °C, respectively. Intimate contact of polymer-to-polymer was promoted purely by temperature, which led to strong adhesion and influenced polymer bond formation. From a microstructural aspect, it was shown that strengthening occurred close to the interface of the aluminum 2024-T3 by reprecipitation of particles once solubilized, due to exposure to high processing temperatures. Within the composite [PA6/CF-PA6]4S the process induced a global modification of the polymer, the effect of HBT slightly changed the thermal properties of the composite part. However, to better understand the local changes on the polymer, a stepwise approach was carried out to combine the phase-identification of the polymer and nanohardness investigations. The results offered a more comprehensive understanding of the local variations in material properties by means of the phase-changes in each layer while it indicates the presence of two polymorphs of α-PA6 and γ-PA6. Thus, it is associated with the presence of a thermal history of AddJoining, which can affect the crystallinity locally and decrease the hardness. From the hybrid joint mechanical performance, the influence of heating bed temperature on secondary bending could be an indication of low stiffness in the composite part caused by a variation in its crystal structure. This indicates that changes to PA6 phases could have led to a variation in hybrid joint’s ductility and strength. The mechanical performance of AddJoining hybrid joints was assessed by a wide range of mechanical tests. An interfacial intralaminar failure mode was observed with quasi-static loading. Compared to adhesively bonded joints there was a significant increase in ultimate lap shear force (ULSF). In addition, the S-N curves obtained from fatigue testing indicated outstanding results and the hybrid joints produced reached their fatigue limits (106 cycles) with loading levels corresponding to 30 % of ULSF. By monitoring stiffness degradation, it was seen that damage evolution was dominated mostly by fiber rupture throughout fatigue life due to the high stiffness stability of hybrid joints. To summarize, this PhD work has been successful in fulfilling its objectives, namely describe the AddJoining process fundamentals and mechanical behavior. Moreover, this work shows the potential for the AddJoining technique in the manufacturing of future complex multi-material parts for structural applications with tailored design aspects to improve damage tolerance and load-bearing carrying.
URI: http://hdl.handle.net/11420/7476
DOI: 10.15480/882.2961
Institute: Kunststoffe und Verbundwerkstoffe M-11 
Type: Dissertation
Advisor: Amancio, Sergio 
Referee: Kriegesmann, Benedikt  
Funded by: This research was funded by Conselho Nacional de Pesquisa – CNPq, Brazil (grant number: 200674/2015-3)
License: In Copyright In Copyright
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