Optimization of friction stir welding processes in hybrid additive manufacturing with polymers

Abstract

The purpose of this research was to strategically combine advanced additive manufacturing (AM) technologies with conventional and non-conventional machining methods, with the ultimate goal of developing hybrid production processes. More specifically, the object of the study was the implementation of Friction Stir Welding (FSW) technology in thermoplastic samples produced through three-dimensional (3D) printing (fused deposition modeling [FDM] / fused filament fabrication [FFF]), as well as the investigation of the possibility of heterogeneous welding between printed and solid polymer surfaces. This research course was systematically structured in five distinct parts. The first part focuses on the integrated management and preparation of materials and the manufacture of primary samples. A wide range of industrial and engineering polymers was used, which included Polylactic Acid (PLA), Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Polymethyl Methacrylate (PMMA), Polyamide 6 (PA6), Polycarbonate (PC) and Acrylonitrile Styrene Acrylate (ASA). The process started by processing the raw material in its original form (powder or pellets), which, after undergoing the necessary drying processes, was fed into laboratory extruders to produce a standard filament of fixed diameter. The filament was then used for 3D printing of test pieces, applying both fixed and variable printing parameters, to evaluate the effect of printing anisotropy on the final behavior of the compound. The second part discusses the design and construction of the necessary equipment for the project. Using CAD/CAM software and CNC machine tools, specialized fixtures were designed and machined to firmly support and stabilize the polymer samples during welding, preventing unwanted displacements. CNC machine tools were also used to cut parts from commercial polymer sheets, producing either plates to be welded with printed test pieces or complex geometries for curvilinear welding trajectories. In the third part, the main phase of the FSW welding experiments was conducted on CNC machine tools. Full factorial experimental designs (FFD) and Taguchi L9 designs (TD) were applied to optimize processing parameters (travel speed, rotation speed, tool shoulder and pin geometries). During welding, real-time thermal monitoring and force measurements were recorded. Part four consisted of mechanical testing (tensile strength, yield point, Vickers hardness) and structural/physicochemical characterizations (Raman spectroscopy, μ-CT scanning, DSC, TGA). Part five focused on experimental data processing and mathematical modeling to accurately predict joint performance and establish the digital twin of the hybrid process.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν ο στρατηγικός συνδυασμός προηγμένων τεχνολογιών Προσθετικής Κατασκευής (Additive Manufacturing - AM) με συμβατικές και μη συμβατικές μεθόδους κατεργασίας, με τελικό στόχο την ανάπτυξη υβριδικών παραγωγικών διεργασιών. Ειδικότερα, αντικείμενο της μελέτης αποτέλεσε η ενσωμάτωση της τεχνολογίας Συγκόλλησης με Τριβή και Ανάδευση (Friction Stir Welding - FSW) σε θερμοπλαστικά δοκίμια κατασκευασμένα μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης (Fused Filament Fabrication - FFF), καθώς και η διερεύνηση της δυνατότητας ετερογενούς συγκόλλησης μεταξύ εκτυπωμένων και συμπαγών πολυμερικών επιφανειών. Η ερευνητική πορεία διαρθρώθηκε συστηματικά σε πέντε διακριτές ενότητες. Η πρώτη ενότητα επικεντρώθηκε στην ολοκληρωμένη διαχείριση υλικών και την παρασκευή πρωτογενών δοκιμίων. Χρησιμοποιήθηκε ευρύ φάσμα βιομηχανικών και μηχανολογικών θερμοπλαστικών (PLA, ABS, PMMA, PA6, PC και ASA). Η πρώτη ύλη (σκόνη ή κόκκοι), μετά από κατάλληλη ξήρανση, οδηγήθηκε σε εργαστηριακούς εξωθητές για την παραγωγή νήματος σταθερής διαμέτρου, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την τρισδιάστατη εκτύπωση δοκιμίων υπό σταθερές και μεταβαλλόμενες παραμέτρους. Η δεύτερη ενότητα περιέλαβε τον σχεδιασμό και την κατασκευή του απαιτούμενου εξοπλισμού μέσω λογισμικών CAD/CAM και εργαλειομηχανών CNC, δημιουργώντας εξειδικευμένες διατάξεις στήριξης και συγκράτησης, καθώς και κατεργασία πλακών εμπορίου για ευθύγραμμες και καμπυλόγραμμες τροχιές συγκόλλησης. Στην τρίτη ενότητα πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα συγκόλλησης FSW σε εργαλειομηχανές CNC. Εφαρμόστηκαν πλήρεις παραγοντικοί σχεδιασμοί (FFD) και πίνακες Taguchi L9 για τη βελτιστοποίηση κρίσιμων παραμέτρων (ταχύτητα πρόωσης, ταχύτητα περιστροφής, γεωμετρία εργαλείων ώμου και ακίδας). Κατά τη συγκόλληση καταγράφονταν σε πραγματικό χρόνο η θερμοκρασία μέσω θερμοκάμερας και οι αναπτυσσόμενες δυνάμεις μέσω δυναμοκυψέλης. Η τέταρτη ενότητα περιέλαβε την πειραματική αξιολόγηση των συγκολλήσεων ως προς τη μηχανική αντοχή, την τάση διαρροής, την αντοχή σε εφελκυσμό, τη σκληρότητα (Vickers), καθώς και φυσικοχημικές και δομικές αναλύσεις (φασματοσκοπία Raman, μ-CT scanning, DSC και TGA). Η πέμπτη ενότητα αφορούσε την επεξεργασία των δεδομένων και τη μαθηματική μοντελοποίηση για τον καθορισμό των μηχανικών και θερμικών χαρακτηριστικών με υψηλή ακρίβεια, θέτοντας τις βάσεις για τη δημιουργία ψηφιακού διδύμου (digital twin) της υβριδικής διεργασίας.