Post-tension as a mechanical solution to improve FFF Z-strength: A quantitative research on how post-tension affects static strength and fatigue life for PETG specimens in three-point bending tests

Abstract

Komponenter laget med smeltet filamentfremstilling (fused filament fabrication, FFF) har dårligere mekaniske egenskaper i retningen den er produsert, ofte kalt Z-styrke. Dette skyldes hovedsakelig svakere materialegenskaper i bindingssonene mellom printede lag. For å redusere dette problemet er det gjort omfattende forskning ved på optimalisering av printparametere. Lite forskning er gjort for å forbedre Z-styrken ved bruk av mekaniske løsninger som etterspenning. I denne oppgaven fokuseres det på å undersøke og dokumentere effekten etterspenning har på å forbedre Z-styrken i bjelker produsert med FFF. Statisk og utmattelses trepunkts bøyetester har blitt utført på bjelkene, printet i PETG i stående retning, testet med og uten etterspenning. Tester ble utført med etterspenning plassert i nøytralaksen (sentrum) og i bunnen av bjelkene. Utmattelsestester ble utført ved normaliserte laster basert på test resultatene fra de statiske testene. Statiske testresultater viser en økning i maksimal last på 5,6 % for senter etterspente bjelker og 34,8% for bunn etterspente bjelker. Resultater av utmattelsestester viser en gjennomsnittlig økning i utmattelseslevetid for senter etterspent bjelke med en faktor på 5,8 til 14,4. Etterspente bjelker med forsterkning i bunn som er lastet med den høyeste normaliserte belastningen (76,3%) hadde en ytterligere økning med en faktor på 2,5 sammenlignet med etterspente senterbjelker. Bunn etterspente bjelker som ble syklisk lastet med 66,8% av maksimal statisk last eller lavere oppnådde 1 million sykluser før de ble stoppet.

Parts made by fused filament fabrication (FFF) are weaker in the build direction, referred to as Z-strength. This is mainly due to the weaker fusion zones between printed layers. To reduce this problem has extensive research been done by optimizing printing parameters. Little research has been done on improving Z-strength by introducing mechanical solutions such as post-tension. This research aims to investigate and document the effect post-tension has on improving Z-strength in specimen made by FFF. Static and fatigue three-point bending tests were performed on specimens, printed with PETG in the upright direction, tested with and without post-tension. Tests were performed with post-tension placed in the neutral axis (center) and in the bottom of the specimens. Fatigue tests were performed at normalized loads based on experimental results from static tests. Static test results shows increased maximum load of 5.6\% for center post-tension and 34.8\% for bottom post-tension specimen. Fatigue tests results shows an average increase in fatigue life for center post-tension by a factor of 5.8 to 14.4. Bottom post-tension specimen loaded at the highest normalized load (76.3\%) were further increased by a factor of 2.5 compared with center post-tension specimen. At loads below 66.8\% of maximum static load did bottom post-tension specimen achieve runout results and were stopped after 1 million cycles. The results from this research documents that post-tension can be used as a mechanical solution to improve the Z-strength in parts made by FFF.