Assessment of the Mechanical Performance of Components Processed Through Additive Manufacturing

Abstract

Additive manufacturing (AM) allows the production of complex components with complete freedom of design. The expansion of some AM technologies, especially fused filament fabrication (FFF), not only among specialist users, but also for home users, opens up new perspectives for application in small systems for domestic applications. The example considered in this work was the manufacture of domestic mini wind turbines that allow obtaining energy in emergency situations or, in a non-polluting way, continuously supply energy for low consumption systems. With the studied approach, each one of us can give a small contribution to the production of renewable energies.The AM approach, specifically FFF technology, facilitates in situ fabrication for quick replacement of blades that are fractured, or deformed due to extreme wind conditions, continuous cycling or collisions with debris. Consequently, it reduces transport and service costs.Currently, there are several polymeric materials in the form of filaments available on the market. In this work, two commercial filaments were studied: polypropylene (PP) and a composite with a PP matrix reinforced with carbon fibers. The choice of PP considered that it is the most produced and used polymer in the world and can be recycled to be used as a filament for AM. Furthermore, it is an extremely hydrophobic thermoplastic and, consequently, does not undergo dimensional variations or chemical changes when exposed to adverse environmental conditions. However, knowing that thermoplastic polymeric materials sometimes do not have the set of properties, namely mechanical, necessary for structural applications, it was decided to study and compare the performance of the same polymer when reinforced with carbon fiber.The objective of this work is to analyze the feasibility of using the selected materials and technology for the desired application. For this purpose, the materials were characterized before and after processing by FFF concerning their chemical, thermal and mechanical properties. The results were analyzed considering the subsequent manufacture of mini wind turbine blades, since the present work is an exploratory study of the use of AM in this area of renewable energy.

O fabrico aditivo (FA) permite a produção de componentes complexos com total liberdade de design. A expansão de algumas tecnologias, especialmente o fabrico por filamento fundido (FFF), não só entre os utilizadores especialistas, mas também para os utilizadores amadores, abre novas perspetivas de aplicação em pequenos sistemas de uso doméstico. O exemplo pensado no presente trabalho foi o fabrico de mini eólicas que permitam a obtenção de energia em situações de emergência ou, para de uma forma não poluidora, fornecerem continuamente energia a sistemas de baixo consumo. Deste modo, todos os utilizadores de equipamentos FFF podem dar a sua pequena contribuição para a produção de energia renovável.Esta abordagem por FA, especificamente pela tecnologia FFF, facilita o fabrico in situ para a substituição rápida de pás fraturadas, ou deformadas devido a condições de vento extremas, ciclos contínuos ou colisões com detritos. Consequentemente, reduz custos de transporte e serviços.Atualmente, existem vários materiais poliméricos sob a forma de filamentos disponíveis no mercado. Neste trabalho, dois filamentos comerciais foram estudados: o polipropileno (PP) e um compósito com matriz de PP reforçada com fibras de carbono. A escolha do PP teve em consideração ser o polímero mais produzido e utilizado no mundo sendo passível de ser reciclado para ser utilizado como filamento para FA. Acresce o facto de ser um termoplástico extremamente hidrófobo e, consequentemente, não sofrer variações dimensionais nem alterações químicas quando exposto a condições ambientais adversas. No entanto, sabendo que os materiais poliméricos termoplásticos por vezes não apresentam o conjunto de propriedades, nomeadamente mecânicas, necessárias para utilizações designadas estruturais, foi decidido estudar e comparar o desempenho do mesmo polímero quando reforçado com fibra de carbono.O objetivo deste trabalho é analisar a viabilidade da utilização dos materiais estudados e da tecnologia selecionada para a aplicação desejada. Para tal os materiais foram caracterizados antes e após processamento por FFF nas suas propriedades químicas, térmicas e mecânicas. Os resultados foram analisados tendo em vista uma posterior fabricação de pás de mini turbinas eólicas, uma vez que o presente trabalho é o estudo exploratório do uso de FA nesta área de energia renováveis.