Extrusion Based Additive Manufacturing of Large-Scale Lattice Structures

Abstract

[ES] La fabricación aditiva de Material Extrusion, también conocida como impresión 3D, utiliza polímeros termoplásticos para crear estructuras complejas capa por capa. Los procesos basados ​​en extrusión permiten la orientación del refuerzo de fibra. Mediante una elección adecuada del contenido de polímero y fibra, las estructuras impresas en 3D se pueden adaptar a las propiedades específicas del material. Esto los hace adecuados para una variedad de aplicaciones, como estructuras de celosía compuestas por una red de nodos y vigas o puntales. Estas estructuras son livianas y logran una alta resistencia utilizando un mínimo de material en un gran volumen. El rendimiento mecánico del refuerzo de fibra de carbono se puede aprovechar de manera óptima en estructuras similares a vigas y puntales si están orientadas a lo largo del puntal. Esta tesis de licenciatura se centrará en el desarrollo de procesos para imprimir estructuras de celosía a gran escala con una extrusora de un solo tornillo guiada por un robot de seis ejes. El trabajo incluirá el desarrollo de la máquina mediante el análisis de los requisitos de enfriamiento para permitir la extrusión de material de forma libre, la selección de material basada en una breve investigación de mercado, el desarrollo y la generación de celdas de celosía y, finalmente, la demostración del trabajo de tesis mediante la impresión de una estructura de celosía a gran escala. El trabajo principal se centrará en el desarrollo y generación de celdas de celosía para garantizar la fabricación sin colisiones por un lado y la adaptabilidad y el rendimiento mecánico por el otro.

[EN] Additive manufacturing by Material Extrusion, also known as 3D printing, uses thermoplastic polymers to create complex structures layer by layer. Extrusion-based processes allow fiber reinforcement orientation. By an ap- propriate choice of polymer and fiber content, 3D printed structures can be tailored to specific material properties. This makes them suitable for a variety of applications such as lattice structures composed of a a network of nodes and beams or struts. These structures are lightweight while achieving high strength using minimal material in a large volume. The mechanical performance of carbon fiber reinforcement can be optimally exploited in beam and strut like structures if they are oriented along the strut. This bachelor thesis will focus on the process development to print large scale lattice structures with a single screw extruder guided by a six-axis robot. The work will include machine development by analyzing the cooling requirements to enable free-form material extrusion, material selection based on a short market research, lattice cell development and generation and finally the demonstration of the thesis work by printing a large-scale lattice structure. The main work will be on the lattice cell development and generation to ensure collision free manu- facturability on the one hand and adaptability and mechanical performance on the other.