Multi-scale experimental characterisation and modelling of the thermo-electro-mechanical behaviour of 3D printed conductive thermoplastics
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Publication date
2024-05
Defense date
2024-05-16
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Abstract
The conceptualisation of structural components in the current industry is experiencing an unprecedented change of paradigm. New materials are emerging to provide other functionalities while preserving certain structural functions. An exciting example is the field of conductive polymer composites (CPCs), that is providing applications where electrical current flows through mechanical components. The conductive properties of these materials derive from the interaction at the microscale of the conductive particles embedded in the polymeric matrix. The formation of paths by the conductive fillers allows the flow of a sufficiently high current, making these materials ideal candidates for conductive components. Nonetheless, the current flow is accompanied by an intrinsic heating due to the increase in kinetic energy derived from the electron movement, known as Joule heating. This thermo-electrical interplay introduces another important consideration, i.e., the thermo-mechanical response, specially with polymeric matrices that highly depend on temperature. Likewise, the mechanical response impacts the electrical properties via deformation-induced modulation of conductive paths. Hence, the mechanical, thermal and electrical responses are highly interlinked, requiring a multi-physical analysis for a correct implementation of CPCs in conductive components. Besides these complexities, additive manufacturing technologies have been employed to fabricate conductive components with intricate geometries. In this manner, the geometry limitations associated to traditional manufacturing techniques can be overcome. Yet, mesostructural defects originated during printing affect the material response at the functional level. In the case of pieces manufactured via Fused Filament Fabrication (FFF), the mesostructural porosity caused by the imperfect bonding between adjacent filaments leads to an orthotropic response at the macroscale. Given the nature of these materials, a comprehensive characterisation cannot be tackled only from a macroscopic or functional point of view. In this regard, the problem should be addressed following different approaches, attending to the different scales (i.e., micro, meso and macroscale) as well as to the different physical interplays (i.e., thermal, electrical and mechanical responses). This thesis aims to evaluate and determine the thermo-electro-mechanical interplays that appear in thermoplastic-based CPCs at the micro scale, analysing their modulation during FFF printing and the performance impact at the functional level. To reduce the lack of knowledge regarding the thermoelectro-mechanical behaviour of FFF CPCs, new numerical and experimental approaches have been developed. These methods account in both cases for the different scales and physics involved in the problem. From the experimental point of view, an extensive and comprehensive campaign has been performed isolating the interplays by pairs of physics at two scales. This multi-scale and multi-physical experimental campaign evidenced how the nature of the thermoplastic matrix, from both mechanical and thermal perspectives, alters the conductive response. This behaviour is also affected by the addition of conductive filler to the matrix, that modifies the thermal and mechanical behaviour of the composite, even in the absence of electrical current. From a numerical perspective, Finite Element Method (FEM) based frameworks have been conceptualised at the three scales of the problem. The microscopic framework was based on homogenisation approaches, accounting for the relations between conductive particles, olymeric matrix and microvoids present in 3D printing conductive filaments. At the mesoscale, the
geometrical and material features derived from the printing process are studied. Finally, upscaling to a functional level, an orthotropic thermo-electro-mechanical model has been conceptualised accounting for the variation in properties due to printing orientation. Gathering all this development and comprehension involving the thermo-electro-mechanical response of 3D printing conductive thermoplastics, this thesis can contribute to both academic and industrial fields. The experimental methodologies presented allow for manufacturers to evaluate their products in a multi-functional fashion. Likewise, the proposed numerical frameworks can help to optimise the product design at different stages. First, the design of conductive filaments modifying the phase constituent ratios or properties is possible, controlling is such a manner the feedstock material. Then, the macroscopic
response of a print can be obtained in terms of the desired printing parameters that affect on the mesostructure. Finally, the component geometry can be optimised accounting for the macroscopic boundary conditions of specific problems.
El diseño de componentes estructurales en la industria actual está sufriendo un cambio de paradigma sin precedentes. Nuevos materiales están surgiendo para proporcionar distintas funcionalidades, manteniendo a su vez una función estructural. Los compuestos conductivos poliméricos (CPCs) representan un ejemplo perfecto, expandiendo su uso a aplicaciones en las que una corriente eléctrica fluye a través de componentes mecánicos. Las propiedades conductivas de estos materiales derivan de la interacción, a escala microscópica, entre las partículas conductivas embebidas en la matriz polimérica. La formación de caminos conductivos permite el paso de una corriente eléctrica elevada que convierte a estos materiales en candidatos ideales para su empleo en componentes conductivos. Sin embargo, el flujo de corriente viene acompañado con un calentamiento intrínseco, causado por el incremento de energía cinética debido a un aumento del movimiento de los electrones, un fenómeno conocido como efecto Joule. Esta interrelación termoeléctrica añade otro factor a tener en cuenta, la respuesta termomecánica, que es especialmente importante para matrices poliméricas con alta dependencia con la temperatura. Del mismo modo, la respuesta mecánica afecta a las propiedades eléctricas mediante la alteración de caminos conductivos inducida por deformaciones del material. Por tanto, las respuestas mecánica, térmica y eléctrica están altamente relacionadas, requiriendo análisis multifísicos para una correcta implementación de los CPCs en componentes conductivos. Además de estas complejidades, se han utilizado tecnologías de fabricación aditiva para la elaboración de componentes conductivos con geometrías complejas. De esta forma, se pueden superar las limitaciones geométricas asociadas a los métodos tradicionales de fabricación. Sin embargo, durante el proceso de impresión, se forman defectos mesoestructurales que afectan a la respuesta del material a un nivel funcional. En el caso de piezas impresas mediante Fabricación de Filamento Fundido (FFF), la porosidad mesoestructural, provocada por una unión imperfecta entre filamentos adyacentes, implica una respuesta macroscópica ortótropa. Debido a la naturaleza de estos materiales, no es posible realizar una caracterización completa mediante un enfoque puramente macroscópico. Por este motivo, el problema debe abordarse atendiendo tanto a las diferentes escalas (microscópica, mesoscópica y macroscópica) como a las diferentes interrelaciones físicas (respuesta térmica, eléctrica y mecánica). Esta tesis evalúa y determina las interrelacciones termoelectromecánicas que aparecen en la microsescala de CPCs basados en termoplásticos, analizando los efectos derivados del proceso de impresión sobre su respuesta a nivel funcional. La tesis desarrolla nuevos enfoques numéricos y experimentales. Estos métodos consideran, en ambos casos, las diferentes escalas y físicas presentes en el problema. Desde una perspectiva experimental, se realizó una campaña extensa del comportamiento en las dos escalas, aislando por pares las interrelaciones entre las físicas del problema. Esta campaña experimental mostró como la naturaleza de la matriz termoplástica, tanto desde una perspectiva mecánica como térmica, altera la respuesta conductiva. El comportamiento también se ve alterado por la incorporación del material conductivo a la matriz, mostrando cambios en la respuesta térmica y mecánica, incluso en ausencia de corriente eléctrica. Desde una perspectiva numérica, se conceptualizaron marcos basados en el Método de Elementos Finitos (FEM) en las tres escalas del problema. El enfoque microscópico se basó en técnicas de homogeneización, teniendo en cuenta las partículas conductivas, la matriz polimérica y los microvacíos presentes en filamentos conductivos de impresión 3D. En la mesoescala, los rasgos geométricos y materiales derivados del proceso de impresión fueron estudiados. Finalmente, escalando hasta un nivel funcional, se conceptualizó un modelo termoelectromecánico ortótropo que considera la variación de propiedades según la dirección de impresión. El conjunto de los avances obtenidos en cuanto a la respuesta termoelectromecánica de termoplásticos conductivos de impresión 3D, puede contribuir tanto en el campo académico como industrial. Las metodologías experimentales presentadas permitirán a los fabricantes evaluar sus productos de una forma multifuncional. Del mismo modo, los marcos numéricos propuestos permitirán la optimización del diseño de productos en diferentes etapas. Primero, es posible el diseño de filamentos conductivos modificando las proporciones de las fases que constituyen el compuesto, controlando de esta manera el material base de impresión. Posteriormente, la respuesta macroscópica puede ser conocida en función de los parámetros de impresión que afectan a la mesoescala. Por último, la geometría del componente puede ser optimizada teniendo en consideración las condiciones de contorno macroscópicas.
El diseño de componentes estructurales en la industria actual está sufriendo un cambio de paradigma sin precedentes. Nuevos materiales están surgiendo para proporcionar distintas funcionalidades, manteniendo a su vez una función estructural. Los compuestos conductivos poliméricos (CPCs) representan un ejemplo perfecto, expandiendo su uso a aplicaciones en las que una corriente eléctrica fluye a través de componentes mecánicos. Las propiedades conductivas de estos materiales derivan de la interacción, a escala microscópica, entre las partículas conductivas embebidas en la matriz polimérica. La formación de caminos conductivos permite el paso de una corriente eléctrica elevada que convierte a estos materiales en candidatos ideales para su empleo en componentes conductivos. Sin embargo, el flujo de corriente viene acompañado con un calentamiento intrínseco, causado por el incremento de energía cinética debido a un aumento del movimiento de los electrones, un fenómeno conocido como efecto Joule. Esta interrelación termoeléctrica añade otro factor a tener en cuenta, la respuesta termomecánica, que es especialmente importante para matrices poliméricas con alta dependencia con la temperatura. Del mismo modo, la respuesta mecánica afecta a las propiedades eléctricas mediante la alteración de caminos conductivos inducida por deformaciones del material. Por tanto, las respuestas mecánica, térmica y eléctrica están altamente relacionadas, requiriendo análisis multifísicos para una correcta implementación de los CPCs en componentes conductivos. Además de estas complejidades, se han utilizado tecnologías de fabricación aditiva para la elaboración de componentes conductivos con geometrías complejas. De esta forma, se pueden superar las limitaciones geométricas asociadas a los métodos tradicionales de fabricación. Sin embargo, durante el proceso de impresión, se forman defectos mesoestructurales que afectan a la respuesta del material a un nivel funcional. En el caso de piezas impresas mediante Fabricación de Filamento Fundido (FFF), la porosidad mesoestructural, provocada por una unión imperfecta entre filamentos adyacentes, implica una respuesta macroscópica ortótropa. Debido a la naturaleza de estos materiales, no es posible realizar una caracterización completa mediante un enfoque puramente macroscópico. Por este motivo, el problema debe abordarse atendiendo tanto a las diferentes escalas (microscópica, mesoscópica y macroscópica) como a las diferentes interrelaciones físicas (respuesta térmica, eléctrica y mecánica). Esta tesis evalúa y determina las interrelacciones termoelectromecánicas que aparecen en la microsescala de CPCs basados en termoplásticos, analizando los efectos derivados del proceso de impresión sobre su respuesta a nivel funcional. La tesis desarrolla nuevos enfoques numéricos y experimentales. Estos métodos consideran, en ambos casos, las diferentes escalas y físicas presentes en el problema. Desde una perspectiva experimental, se realizó una campaña extensa del comportamiento en las dos escalas, aislando por pares las interrelaciones entre las físicas del problema. Esta campaña experimental mostró como la naturaleza de la matriz termoplástica, tanto desde una perspectiva mecánica como térmica, altera la respuesta conductiva. El comportamiento también se ve alterado por la incorporación del material conductivo a la matriz, mostrando cambios en la respuesta térmica y mecánica, incluso en ausencia de corriente eléctrica. Desde una perspectiva numérica, se conceptualizaron marcos basados en el Método de Elementos Finitos (FEM) en las tres escalas del problema. El enfoque microscópico se basó en técnicas de homogeneización, teniendo en cuenta las partículas conductivas, la matriz polimérica y los microvacíos presentes en filamentos conductivos de impresión 3D. En la mesoescala, los rasgos geométricos y materiales derivados del proceso de impresión fueron estudiados. Finalmente, escalando hasta un nivel funcional, se conceptualizó un modelo termoelectromecánico ortótropo que considera la variación de propiedades según la dirección de impresión. El conjunto de los avances obtenidos en cuanto a la respuesta termoelectromecánica de termoplásticos conductivos de impresión 3D, puede contribuir tanto en el campo académico como industrial. Las metodologías experimentales presentadas permitirán a los fabricantes evaluar sus productos de una forma multifuncional. Del mismo modo, los marcos numéricos propuestos permitirán la optimización del diseño de productos en diferentes etapas. Primero, es posible el diseño de filamentos conductivos modificando las proporciones de las fases que constituyen el compuesto, controlando de esta manera el material base de impresión. Posteriormente, la respuesta macroscópica puede ser conocida en función de los parámetros de impresión que afectan a la mesoescala. Por último, la geometría del componente puede ser optimizada teniendo en consideración las condiciones de contorno macroscópicas.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Smart material, 3D printing, Conductive composites, Multifunctional characterization, Computational methods, Sensors and biosensors