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

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

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

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.Postprint (published version

Tribological and corrosion performance of electrodeposited Ni-Fe/Al2O3 coating

Nickel–Iron coating was formed from a sulfate base electroplating bath under a current density of 3 A/dm 2 and turbulence of 300 rpm on a previously prepared cylindrical steel substrate. In order to obtain a sample including nickel composite coating, different amounts of alumina particle powder were added to the plating solution of the sample in question. By adding different quantities of ferrous sulfate to the electroplating bath under a current density of 2.5 A/dm 2 and turbulence of 300 rpm, an optimal sample containing 20 g/L of ferrous sulfate was obtained was free of any stress and microcracks. A hardness test was performed for the optimal sample among the nickel–iron¿ composite samples, and the sample containing 50 g/L of alumina particles was selected as the optimal sample. The Ni–Fe/Al 2O3 composite sample was tested for hardness, corrosion and wear. The obtained results showed that the highest hardness level is equivalent to 740 HV and the best corrosion resistance with the most positive corrosion potential. The lowest amount of wear mass is equal to 0.1 mg, and it showed the highest wear resistance.Peer ReviewedPostprint (published version

Experimental analysis of manufacturing parameters’ effect on the flexural properties of wood-PLA composite parts built through FFF

This paper aims to determine the flexural stiffness and strength of a composite made of a polylactic acid reinforced with wood particles, named commercially as Timberfill, manufactured through fused filament fabrication (FFF). The influence of four factors (layer height, nozzle diameter, fill density, and printing velocity) is studied through an L27Taguchi orthogonal array. The response variables used as output results for an analysis of variance are obtained from a set of four-point bending tests. Results show that the layer height is the most influential parameter on flexural strength, followed by nozzle diameter and infill density, whereas the printing velocity has no significant influence. Ultimately, an optimal parameter set that maximizes the material’s flexural strength is found by combining a 0.2-mm layer height, 0.7-mm nozzle diameter, 75% fill density, and 35-mm/s velocity. The highest flexural resistance achieved experimentally is 47.26 MPa. The statistical results are supported with microscopic photographs of fracture sections, and validated by comparing them with previous studies performed on non-reinforced PLA material, proving that the introduction of wood fibers in PLA matrix reduces the resistance of raw PLA by hindering the cohesion between filaments and generating voids inside it. Lastly, five solid Timberfill specimens manufactured by injection molding were also tested to compare their strength with the additive manufactured samples. Results prove that treating the wood-PLA through additive manufacturing results in an improvement of its resistance and elastic properties, being the Young’s module almost 25% lower than the injected material.Preprin

3D printed lab-scale raceway ponds reactors applied to photo-Fenton processes

In this work, two different printable materials, PLA (polylactic acid) and Timberfill were evaluated in terms of chemical resistance to photo-Fenton reactants and viability for conducting the assays in raceway pond reactors (RPRs). The modeling and testing of chemical reactors, in particular their prototyping can benefit from additive manufacturing. However, the preparation of RPRs by 3D printing to study photo-Fenton reactions has not been investigated. First, these raw materials were exposed to H2O2/Fe(II) solutions at pH=3±0.2 under sunlight to simulate photo-Fenton environment. TOC analysis showed that PLA did not alter the concentration of TOC of the solution in the presence of H2O2 and iron. Furthermore, printed PLA and Timberfill lab-scale raceway ponds were examined under similar conditions in addition 30±0.5 mg·L-1 of caffeine as contaminant and involving the simultaneous exposition of the artificial UVA light. Through different assays in the PLA pond, TOC was not rised during operation, and no organic matter contaminated the solution from its container. However, in the case of Timberfill, the TOC of solution increased that represented the material destruction during contact time. This work shows the promising capability of PLA to be used as photo-Fenton reactor.Postprint (published version

Manufacturing and application of 3D printed photo fenton reactors for wastewater treatment

Additive manufacturing (AM) or 3D printing offers a new paradigm for designing and developing chemical reactors, in particular, prototypes. The use of 3D printers has been increasing, their performance has been improving, and their price has been reducing. While the general trend is clear, particular applications need to be assessed for their practicality. This study develops and follows a systematic approach to the prototyping of Advanced Oxidation Processes (AOP) reactors. Specifically, this work evaluates and discusses different printable materials in terms of mechanical and chemical resistance to photo-Fenton reactants. Metallic and ceramic materials are shown to be impracticable due to their high printing cost. Polymeric and composite materials are sieved according to criteria such as biodegradability, chemical, thermal, and mechanical resistance. Finally, 3D-printed prototypes are produced and tested in terms of leakage and resistance to the photo-Fenton reacting environment. Polylactic acid (PLA) and wood–PLA composite (Timberfill®) were selected, and lab-scale raceway pond reactors (RPR) were printed accordingly. They were next exposed to H2O2/Fe(II) solutions at pH = 3 ± 0.2 and UV radiation. After 48 h reaction tests, results revealed that the Timberfill® reactor produced higher Total Organic Carbon (TOC) concentrations (9.6 mg·L-1) than that obtained for the PLA reactor (5.5 mg·L-1) and Pyrex® reactor (5.2 mg·L-1), which suggests the interference of Timberfill® with the reaction. The work also considers and discusses further chemical and mechanical criteria that also favor PLA for 3D-printing Fenton and photo-Fenton reactors. Finally, the work also provides a detailed explanation of the printing parameters used and guidelines for preparing prototypesPeer ReviewedObjectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i InfraestructuraObjectius de Desenvolupament Sostenible::12 - Producció i Consum ResponsablesPostprint (published version

Ball burnishing of friction stir welded aluminum alloy 2024-T3: experimental and numerical studies

This paper deals with the improvement of the material surface state of friction stir welding paths modified in situ by plastic deformation through ball burnishing. The metallurgical and topological states of materials joined by this welding technique are typically detrimental to the ulterior performance of the workpiece, and it is believed that ball burnishing can improve these states to enhance functioning. This study is divided into two phases. The first one is experimental and consists of welding aluminum AA2024-T3 plates while combining different tool rotations and welding speeds. Then, the welding line is deformed locally by ball burnishing. The improvement of the topology and deep hardness distribution is measured and discussed, and the evolution of mechanical properties is assessed through tensile tests. The second phase is oriented towards estimating the residual stresses by combining two pre-existing models of friction stir welding and burnishing developed by the same authors using ANSYS®. Friction stir welding experimentation and measurements show a decrease in the values of all measured mechanical properties compared to the original material. The dominant factor affecting the properties and texture of the materials is the rotational speed of the tool, with the rupture point in the tensile test located in the distinct zone with the lowest value of microhardness on the advancing side. The higher the ratio of the rotational speed to the welding speed, the lower the roughness value. Finally, ball burnishing is proven to be an effective method to enhance the surface integrity of friction stir welded joints in light of the results, achieving a reduction of 11% to 36% in average roughness and an increase of about 22% in hardness profile, along with an integrated numerical model estimation of a remarkable effect on compressive residual stresses in-depth on the retreating side of the welded samples. However, in some tests, this treatment reduced some characteristics (yield stress and failure strain).Peer ReviewedObjectius de Desenvolupament Sostenible::9 - Indústria, Innovació i InfraestructuraPostprint (published version

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

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

Effects of building condition on the tensile property of FFF Timberfill parts

This paper presents a study of mechanical properties of Fused Deposition Modeling (FDM) rapid prototyping processed material Timberfill. In this study, four important process parameters such as layer thickness, density, printing velocity, and orientation are considered. Experiments are conducted based on L27 Taguchi orthogonal array for the design of experiment (DOE) in order to reduce experimental runs. Finally, the influence of parameters on the responses such as Young modulus parameters, elastic limit, elastic elongation, maximum tension, breaking stress and elongation at break of test specimen are studied. The validity of the models is tested using analysis of variance (ANOVA). The layer height has a practically linear tendency, increasing the value of the tension maximum when the layer height is higher. A maximum value of 585 MPa/kg has been obtained and a minimum of 505 MPa/kg

Effects of building condition on the tensile property of FFF Timberfill parts

This paper presents a study of mechanical properties of Fused Deposition Modeling (FDM) rapid prototyping processed material Timberfill. In this study, four important process parameters such as layer thickness, density, printing velocity, and orientation are considered. Experiments are conducted based on L27 Taguchi orthogonal array for the design of experiment (DOE) in order to reduce experimental runs. Finally, the influence of parameters on the responses such as Young modulus parameters, elastic limit, elastic elongation, maximum tension, breaking stress and elongation at break of test specimen are studied. The validity of the models is tested using analysis of variance (ANOVA). The layer height has a practically linear tendency, increasing the value of the tension maximum when the layer height is higher. A maximum value of 585 MPa/kg has been obtained and a minimum of 505 MPa/kg.Postprint (published version