Study and characterization of mechanical properties of wood-PLA composite (Timberfill) material parts built through fused filament fabrication

Abstract

This research is based upon the additive manufacturing (AM) technology which aims to study the mechanical properties of innovative commercial wood-PLA composite material (Timberfill) and characterize its behavior. Specifically fatigue, tensile, and flexural tests are performed and the results are evaluated to conclude this issue. To manufacture the experimental samples one of the most common techniques named fused filament fabrication (FFF) is applied, consequently the influence of manufacturing parameters on the mechanical properties have been considered. For this reason some of the most influential printing parameters in different levels are selected and have been combined together to manufacture the samples in a wide range of building conditions. To avoid manufacturing a large number of specimens, a design of experiments (DoE) through Taguchi orthogonal arrays is designed and the influence of the factors have been analyzed performing an analysis of variance (ANOVA). As a conclusion the optimal combination of the parameters and levels have been obtained for each one of the applied mechanical tests and higher values of responses have been derived from these set of parameters. Since the above mentioned material is composite of wood fibers with PLA, all of the obtained results are compared to the pure PLA to find the effectiveness of this composition. 
 In the other side tensile and flexural tests have been applied on solid Timberfill specimens manufactured through injection molding to investigate the differences between this technology and additive manufacturing. These investigations resulted that mechanical resistances of the printed samples were lower than injected ones which the solidity percentage could be main reason of this effect. 
 Additionally the flexural strength of the material have been simulated and compare to the experimental results. The achieved deformation behavior curves validate the experimental test and that would be one of the main conclusions of this research. Esta investigación se basa en la tecnología de fabricación aditiva (AM) y tiene como objetivo estudiar las propiedades mecánicas y caracterizar el comportamiento de un material comercial innovador, compuesto de PLA con fibras de madera (Timberfill). Específicamente, se realizan pruebas de fatiga, tracción y flexión y se evalúan los resultados para concluir sobre los mismos. Para fabricar las muestras experimentales se aplica una de las técnicas más comunes llamadas fabricación de filamentos fundidos (FFF), y se ha considerado la influencia de los parámetros de fabricación en las propiedades mecánicas de las mismas. Por esta razón, se han seleccionado algunos de los parámetros de impresión más influyentes en diferentes niveles y se han combinado para fabricar las muestras en una amplia gama de condiciones de construcción. Para evitar la fabricación de una gran cantidad de muestras, se ha utilizado un diseño de experimentos (DoE) a través de matrices ortogonales de Taguchi y se ha analizado la influencia de los factores realizando un análisis de varianza (ANOVA). Como conclusión, se ha obtenido la combinación óptima de los parámetros y niveles para cada una de las pruebas mecánicas realizadas y se han detectado los valores más altos de respuestas de éstos. Dado que el material mencionado anteriormente es un compuesto de PLA con fibras de madera, todos los resultados obtenidos se comparan con el PLA puro para encontrar la efectividad de esta composición. Por otro lado, se han realizado también pruebas de tracción y flexión a muestras sólidas de Timberfill fabricadas mediante moldeo por inyección para investigar las diferencias entre esta tecnología y la fabricación aditiva. Los resultados muestran que la resistencia mecánica de las muestras impresas es más bajas que las inyectadas, por lo que el porcentaje de solidez podría ser la razón principal de este efecto. Además, la resistencia a la flexión del material se ha simulado y comparado con los resultados experimentales. Las curvas de comportamiento de deformación logradas validan la prueba experimental lo cual es una de las principales conclusiones de esta investigación. Aquesta investigació es basa en la tecnologia de fabricació additiva (AM) i té com a objectiu estudiar les propietats mecàniques i caracteritzar el comportament d'un material comercial innovador, format de PLA amb fibres de fusta (Timberfill). Específicament, es realitzen proves de fatiga, tracció i flexió i s'avaluen els resultats per concloure sobre els mateixos. Per fabricar les mostres experimentals s'aplica una de les tècniques més comunes anomenada fabricació de filaments fosos (FFF), i s'ha considerat la influència dels paràmetres de fabricació en les propietats mecàniques de les mateixes. Per aquesta raó, s'han seleccionat alguns dels paràmetres d'impressió més influents en diferents nivells i s'han combinat per fabricar les mostres en una àmplia gamma de condicions de construcció. Per evitar la fabricació d'una gran quantitat de mostres, s'ha utilitzat un disseny d'experiments (DoE) a través de matrius ortogonals de Taguchi i s'ha analitzat la influència dels factors realitzant una anàlisi de variància (ANOVA). Com a conclusió, s'ha obtingut la combinació òptima dels paràmetres i nivells per a cadascuna de les proves mecàniques realitzades i s'han detectat els valors més alts de respostes d'aquests. Atès que el material esmentat anteriorment és un compost de PLA amb fibres de fusta, tots els resultats obtinguts es comparen amb el PLA pur per trobar l'efectivitat d'aquesta composició.
 D'altra banda, s'han realitzat també proves de tracció i flexió a mostres sòlides de Timberfill fabricades mitjançant el procediment d’injecció per investigar les diferències entre aquesta tecnologia i la fabricació additiva. Els resultats mostren que la resistència mecànica de les mostres impreses és més baixes que les injectades, de manera que el percentatge de solidesa podria ser la raó principal d'aquest efecte.
 A més, la resistència a la flexió del material s'ha simulat i comparat amb els resultats experimentals. Les corbes de comportament de deformació assolides validen la prova experimental la qual cosa és una de les principals conclusions d'aquesta investigació.