Tracking microstructural changes in hygrothermal-mechanically aged 3D printed carbon fibre composites via x-ray computed tomography

Abstract

The development of additive manufacturing has enabled the rapid production of complex geometries without costly tooling, making it particularly suited for prototyping and small-batch manufacturing. The ability to fabricate composite materials with tailored mechanical properties has further broadened the application of additive manufacturing across various industries. Hygrothermal ageing is one of the most common environmentally induced failure mechanisms in composite materials, and its effects on 3D printed composites may be accelerated by their characteristically elevated manufacturing-induced porosity. This thesis investigates the use of X-ray computed tomography as a standalone non-destructive evaluation method for characterizing hygrothermal ageing effects in 3D printed fibre-reinforced composites. The specimens analysed were manufactured by fused filament fabrication and consisted of micro carbon fibre-filled polyamide 6 matrix composites, half of which additionally incorporated continuous fibre reinforcements. Laboratory computed tomography and synchrotron radiation computed tomography produced datasets were analysed both quantitatively and qualitatively. No significant microstructural differences attributable to hygrothermal ageing were detected. The results suggest that characterizing subtle hygrothermal ageing effects using X-ray computed tomography alone may be challenging, particularly within the voxel size range of ≈12 μm.

Ainetta lisäävän valmistuksen kehitys on mahdollistanut monimutkaisten geometrioiden nopean valmistuksen ilman kalliita työkaluinvestointeja, jonka vuoksi se soveltuu erityisesti prototyyppien valmistukseen ja piensarjatuotantoon. Komposiittimateriaalien valmistus ainetta lisäävällä valmistuksella ja komposiittien mukana tuleva mekaanisten ominaisuuksien räätälöinti on laajentanut niiden käyttöä eri aloilla. Hygrotermaalinen vanheneminen on yksi yleisimmistä ympäristön aiheuttamista vikaantumismekanismeista komposiittimateriaaleissa, ja sen vaikutukset voivat korostua 3D-tulostetuissa osissa niiden tyypillisesti korkeamman valmistusperäisen huokoisuuden vuoksi. Tässä työssä tutkittiin röntgentietokonetomografiaa itsenäisenä ainetta rikkomattomana menetelmänä hygrotermaalisen vanhenemisen seurantaan 3D-tulostetuissa kuitukomposiiteissa. Työssä tutkittavat näytteet on valmistettu fused filament fabrication-tulostusmenetelmällä ja koostuivat mikrohiilikuituvahvisteisista polyamidi 6 komposiiteista, joissa puolessa näytteistä oli lisäksi jatkuva hiilikuituvahvistus. Laboratorio- ja synkrotronitietokonetomografialla tuotettu data analysoitiin kvantitatiivisesti sekä kvalitatiivisesti. Selkeitä hygrotermaalisesta vanhenemisesta aiheutuneita mikrorakennemuutoksia ei näytteiden välillä havaittu. Tulokset antavat ymmärtää, että vähäiset hygrotermaaliset vaikutukset ovat haastavia havaita käyttämällä pelkästään kyseistä menetelmää laboratorioröntgentietokonetomografian ≈12 μm vokselikoolla.