Filament-based Material Extrusion Additive Manufacturing of composites and ceramics

This doctoral thesis explores filament-based Material Extrusion Additive Manufacturing (MEX) processes to improve mechanical and thermal properties in industrial, aerospace, and aviation components. The research uses experimental methodologies and literature analysis to explore various materials, including polymers, techno-polymers, composites, and ceramics. The study reveals a correlation between infill percentage and layer count in polymer samples using MEX for thermal properties, and more research is needed to understand anisotropy's effect on thermal properties and surface layers. In order to determine the impact of heat treatments on the mechanical properties, the study compares oven annealing and direct annealing methods for the mechanical characterization of PEEK material and finds that temperature is the primary determining factor. The ideal temperature is 300 degrees Celsius, with a 16% gain with oven annealing and 6% with direct annealing. The study evaluates the tensile and flexural performance of Onyx specimens using various filling patterns and printing orientations. The gyroid-type infill yields the highest tensile strength, regardless of print orientation. Using ceramics as a composite feedstock, the study demonstrates the use of MEX to fabricate dense zirconia components with high mechanical properties and low thermal conductivity. The study demonstrates a strong correlation between printing parameters and material testing, which significantly improves the mechanical properties of parts produced through Material Extrusion Additive manufacturing. ITA: Questa tesi di dottorato esplora i processi di fabbricazione additiva basati su filamenti (MEX) per migliorare le proprietà meccaniche e termiche in componenti industriali, aerospaziali e dell'aviazione. La ricerca utilizza metodologie sperimentali e analisi della letteratura per esplorare vari materiali, tra cui polimeri, tecno-polimeri, compositi e ceramiche. Lo studio rivela una correlazione tra la percentuale di riempimento e il numero di strati nei campioni di polimeri utilizzando MEX per le proprietà termiche, e ulteriori ricerche sono necessarie per comprendere l'effetto dell'anisotropia sulle proprietà termiche e sugli strati superficiali. Al fine di determinare l'impatto dei trattamenti termici sulle proprietà meccaniche, lo studio confronta i metodi di annealing in forno e di annealing diretto per la caratterizzazione meccanica del materiale PEEK e scopre che la temperatura è il fattore determinante principale. La temperatura ideale è di 300 gradi Celsius, con un aumento del 16% con l'annealing in forno e del 6% con l'annealing diretto. Lo studio valuta le prestazioni in trazione e flessione dei campioni di Onyx utilizzando vari schemi di riempimento e orientamenti di stampa. Il riempimento di tipo gyroid produce la resistenza alla trazione più elevata, indipendentemente dall'orientamento di stampa. Utilizzando ceramiche come materia prima composita, lo studio dimostra l'uso di MEX per fabbricare componenti dense di zirconia con alte proprietà meccaniche e bassa conducibilità termica. Lo studio evidenzia una forte correlazione tra i parametri di stampa e i test dei materiali, migliorando significativamente le proprietà meccaniche delle parti prodotte attraverso la fabbricazione additiva di estrusione di materiali.