This doctoral thesis explores the comparative mechanical performance of complex components fabricated using traditional molding techniques and additive manufacturing (3D printing).
The objective is to evaluate the strengths, limitations, and practical applications of each manufacturing method through rigorous mechanical testingspecifically compression, flexion, and tensile (pull-out) tests. By subjecting identically designed specimens to standardized laboratory procedures, the study aims to provide a data-driven foundation for selecting appropriate production techniques based on structural performance.
Compression tests further indicated the higher performance of traditional molded units, with peak stress ranging between 6.31 MPa to 8.07 MPa, compared to the 3D Printed Units, which achieved a lower range of 3.28 MPa to 5.93 MPa. This superior compressive strength in traditional molded units can be attributed to the uniform and dense structure of materials formed during the molding process. When analyzing strain behavior, the 3D Printed Units exhibit higher strain values at failure, compared to the Traditional Molded Units. This indicates that while 3D Printed Units are capable of undergoing more deformation before collapse, this flexibility comes at the cost of reduced structural integrity.
Flexion tests exhibit entirely different behaviors under flexion stress. For molded samples, the peak stress ranged between 1.14 MPa and 1.87 MPa, indicating good strength and uniformity of these materials. On the other hand, 3D-printed samples displayed highly variable values, with the lowest peak stress recorded at 2.86 MPa and the highest at 3.67 MPa. This wide variation highlights the influence of the manufacturing technique and the quality of the interlayer bonding in 3D printing, which can contribute to either the superiority or the limitations of these samples.
Tensile (pull-out) tests revealed that traditionally molded samples achieved peak forces ranging from 7.79 kN to 10.08 kN, with peak strain values between 3.76 mm and 7.59 mm. In contrast, 3D-printed samples displayed broader mechanical variability, with peak forces between 0.67 kN and 25.63 kN and peak strain between 2.09 mm and 9.59 mm.
Complementing the mechanical tests, an ultrasonic pulse velocity (UPV) testing was conducted, as a nondestructive method, to assess the internal elastic properties of the specimens. The propagation velocity of the ultrasonic waves in mortars obtained in the traditional way varies between 3.89 km/s and 4.10 km/s. This suggests that these mortars have a relatively high propagation velocity, which may be associated with a higher density and stiffness. On the contrary, the propagation velocities are lower in 3D printed mortars (between 1.92 km/s and 2.32 km/s), which also corroborates the hypothesis of the previous paragraph, a lower stiffness or density of the material compared to the mortar obtained in the traditional way. These differences highlight the influence of internal microstructural variations.
The results underscore the mechanical advantages of traditional molding in terms of compressive and tensile strength, while 3D printing proves advantageous in delivering greater flexural stiffness and broader tensile behavior adaptability. This variability in 3D-printed performance can be leveraged for applications requiring customized mechanical properties, though at the cost of consistency. The ultrasound testing results complement these findings by providing an additional dimension of insight into internal stiffness and material integrity.
The research not only bridges knowledge gaps in mechanical behavior of molded vs. 3D-printed components, but also supports the advancement of more efficient, sustainable production strategies tailored to evolving engineering demands.
RESUMEN
Esta tesis doctoral compara el rendimiento mecánico de componentes mortero de cemento fabricados mediante técnicas tradicionales con otros producido mediante fabricación aditiva (impresión 3D).
El objetivo es evaluar las fortalezas, limitaciones y aplicaciones prácticas de cada método de fabricación a través de ensayos mecánicas de compresión, tracción y flexión. Al someter a probetas diseñadas de manera idéntica a ensayos de laboratorio estandarizados, el estudio tiene como fin proporcionar unos fundamentos que permitan seleccionar la técnica de producción más adecuada según el rendimiento estructural.
Los resultados de los ensayos de compresión indicaron un rendimiento superior del mortero fabricado de manera tradicional (con tensiones máximas entre 6,31 MPa y 8,07 MPa), en comparación el mortero impreso en 3D (que alcanzó unos valores de 3,28 MPa a 5,93 MPa). Esta mayor resistencia a la compresión en las probetas obtenidas de manera tradicional se atribuye a la estructura uniforme y mayor densidad de las muestras. Al analizar el comportamiento durante la deformación, las probetas impresas en 3D presentan valores de deformación más altos en el momento de la rotura, en comparación con las unidades fabricadas de forma tradicional. Esto indica que, si bien las unidades impresas en 3D pueden sufrir una mayor deformación antes del colapso, esta flexibilidad conlleva una menor integridad estructural.
Los resultados de los ensayos de flexión muestran que las probetas fabricadas de manera tradicional y las impresas en 3D presentan comportamientos completamente diferentes. En las muestras moldeadas, la tensión máxima osciló entre 1,14 MPa y 1,87 MPa, lo que indica una buena resistencia y uniformidad de las mismas. Por otro lado, las muestras impresas en 3D dieron valores muy variables, registrándose una tensión máxima de 2,86 MPa y una mínima de 3,67 MPa. Esta mayor variación pone de manifiesto como la influencia de la técnica de fabricación y la calidad de la unión entre capas en la impresión 3D contribuye a obtener unos valores superiores.
Los ensayos de tracción (pull-out) revelaron que las probetas fabricadas de manera tradicional lograron fuerzas máximas que van de 7,79 kN a 10,08 kN, con valores máximos de deformación entre 3,76 mm y 7,59 mm. En contraste, las muestras impresas en 3D mostraron una mayor variabilidad mecánica, con fuerzas máximas entre 0,67 kN y 25,63 kN y deformaciones máximas entre 2,09 mm y 9,59 mm.
Complementando los ensayos mecánicos, se realizó una prueba de velocidad de pulso ultrasónico (UPV), como un método no destructivo, para evaluar la homogeneidad de las muestras. La velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas en las muestras obtenidos de forma tradicional varía entre 3,89 km/s y 4,10 km/s. Esto sugiere que estos morteros tienen una velocidad de propagación relativamente alta, lo que podría estar asociado con una mayor densidad y rigidez. Por el contrario, las velocidades de propagación son menores en los morteros impresos en 3D (entre 1,92 km/s y 2,32 km/s), lo que corrobora la hipótesis anterior. Estas diferencias ponen de manifiesto la influencia de las variaciones microestructurales internas.
Los resultados anteriores evidencian las ventajas mecánicas del mortero fabricado de manera tradicional en términos de resistencia a la compresión y tracción, mientras que la impresión 3D demuestra ser ventajosa al ofrecer una mayor rigidez a la flexión. Esta variabilidad en el rendimiento de la impresión 3D puede aprovecharse para aplicaciones que requieran propiedades más flexibles, aunque a costa de minorar la resistencia.
La investigación no solo cubre vacíos de conocimiento en el comportamiento mecánico de los morteros de cemento fabricados de forma tradicional frente a los impresos en 3D, sino que también respalda el avance de estrategias de producción más eficientes y sostenibles, adaptadas a las demandas evolutivas de la edificación.
This doctoral thesis explores the comparative mechanical performance of complex components fabricated using traditional molding techniques and additive manufacturing (3D printing).
The objective is to evaluate the strengths, limitations, and practical applications of each manufacturing method through rigorous mechanical testingspecifically compression, flexion, and tensile (pull-out) tests. By subjecting identically designed specimens to standardized laboratory procedures, the study aims to provide a data-driven foundation for selecting appropriate production techniques based on structural performance.
Compression tests further indicated the higher performance of traditional molded units, with peak stress ranging between 6.31 MPa to 8.07 MPa, compared to the 3D Printed Units, which achieved a lower range of 3.28 MPa to 5.93 MPa. This superior compressive strength in traditional molded units can be attributed to the uniform and dense structure of materials formed during the molding process. When analyzing strain behavior, the 3D Printed Units exhibit higher strain values at failure, compared to the Traditional Molded Units. This indicates that while 3D Printed Units are capable of undergoing more deformation before collapse, this flexibility comes at the cost of reduced structural integrity.
Flexion tests exhibit entirely different behaviors under flexion stress. For molded samples, the peak stress ranged between 1.14 MPa and 1.87 MPa, indicating good strength and uniformity of these materials. On the other hand, 3D-printed samples displayed highly variable values, with the lowest peak stress recorded at 2.86 MPa and the highest at 3.67 MPa. This wide variation highlights the influence of the manufacturing technique and the quality of the interlayer bonding in 3D printing, which can contribute to either the superiority or the limitations of these samples.
Tensile (pull-out) tests revealed that traditionally molded samples achieved peak forces ranging from 7.79 kN to 10.08 kN, with peak strain values between 3.76 mm and 7.59 mm. In contrast, 3D-printed samples displayed broader mechanical variability, with peak forces between 0.67 kN and 25.63 kN and peak strain between 2.09 mm and 9.59 mm.
Complementing the mechanical tests, an ultrasonic pulse velocity (UPV) testing was conducted, as a nondestructive method, to assess the internal elastic properties of the specimens. The propagation velocity of the ultrasonic waves in mortars obtained in the traditional way varies between 3.89 km/s and 4.10 km/s. This suggests that these mortars have a relatively high propagation velocity, which may be associated with a higher density and stiffness. On the contrary, the propagation velocities are lower in 3D printed mortars (between 1.92 km/s and 2.32 km/s), which also corroborates the hypothesis of the previous paragraph, a lower stiffness or density of the material compared to the mortar obtained in the traditional way. These differences highlight the influence of internal microstructural variations.
The results underscore the mechanical advantages of traditional molding in terms of compressive and tensile strength, while 3D printing proves advantageous in delivering greater flexural stiffness and broader tensile behavior adaptability. This variability in 3D-printed performance can be leveraged for applications requiring customized mechanical properties, though at the cost of consistency. The ultrasound testing results complement these findings by providing an additional dimension of insight into internal stiffness and material integrity.
The research not only bridges knowledge gaps in mechanical behavior of molded vs. 3D-printed components, but also supports the advancement of more efficient, sustainable production strategies tailored to evolving engineering demands.
RESUMEN
Esta tesis doctoral compara el rendimiento mecánico de componentes mortero de cemento fabricados mediante técnicas tradicionales con otros producido mediante fabricación aditiva (impresión 3D).
El objetivo es evaluar las fortalezas, limitaciones y aplicaciones prácticas de cada método de fabricación a través de ensayos mecánicas de compresión, tracción y flexión. Al someter a probetas diseñadas de manera idéntica a ensayos de laboratorio estandarizados, el estudio tiene como fin proporcionar unos fundamentos que permitan seleccionar la técnica de producción más adecuada según el rendimiento estructural.
Los resultados de los ensayos de compresión indicaron un rendimiento superior del mortero fabricado de manera tradicional (con tensiones máximas entre 6,31 MPa y 8,07 MPa), en comparación el mortero impreso en 3D (que alcanzó unos valores de 3,28 MPa a 5,93 MPa). Esta mayor resistencia a la compresión en las probetas obtenidas de manera tradicional se atribuye a la estructura uniforme y mayor densidad de las muestras. Al analizar el comportamiento durante la deformación, las probetas impresas en 3D presentan valores de deformación más altos en el momento de la rotura, en comparación con las unidades fabricadas de forma tradicional. Esto indica que, si bien las unidades impresas en 3D pueden sufrir una mayor deformación antes del colapso, esta flexibilidad conlleva una menor integridad estructural.
Los resultados de los ensayos de flexión muestran que las probetas fabricadas de manera tradicional y las impresas en 3D presentan comportamientos completamente diferentes. En las muestras moldeadas, la tensión máxima osciló entre 1,14 MPa y 1,87 MPa, lo que indica una buena resistencia y uniformidad de las mismas. Por otro lado, las muestras impresas en 3D dieron valores muy variables, registrándose una tensión máxima de 2,86 MPa y una mínima de 3,67 MPa. Esta mayor variación pone de manifiesto como la influencia de la técnica de fabricación y la calidad de la unión entre capas en la impresión 3D contribuye a obtener unos valores superiores.
Los ensayos de tracción (pull-out) revelaron que las probetas fabricadas de manera tradicional lograron fuerzas máximas que van de 7,79 kN a 10,08 kN, con valores máximos de deformación entre 3,76 mm y 7,59 mm. En contraste, las muestras impresas en 3D mostraron una mayor variabilidad mecánica, con fuerzas máximas entre 0,67 kN y 25,63 kN y deformaciones máximas entre 2,09 mm y 9,59 mm.
Complementando los ensayos mecánicos, se realizó una prueba de velocidad de pulso ultrasónico (UPV), como un método no destructivo, para evaluar la homogeneidad de las muestras. La velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas en las muestras obtenidos de forma tradicional varía entre 3,89 km/s y 4,10 km/s. Esto sugiere que estos morteros tienen una velocidad de propagación relativamente alta, lo que podría estar asociado con una mayor densidad y rigidez. Por el contrario, las velocidades de propagación son menores en los morteros impresos en 3D (entre 1,92 km/s y 2,32 km/s), lo que corrobora la hipótesis anterior. Estas diferencias ponen de manifiesto la influencia de las variaciones microestructurales internas.
Los resultados anteriores evidencian las ventajas mecánicas del mortero fabricado de manera tradicional en términos de resistencia a la compresión y tracción, mientras que la impresión 3D demuestra ser ventajosa al ofrecer una mayor rigidez a la flexión. Esta variabilidad en el rendimiento de la impresión 3D puede aprovecharse para aplicaciones que requieran propiedades más flexibles, aunque a costa de minorar la resistencia.
La investigación no solo cubre vacíos de conocimiento en el comportamiento mecánico de los morteros de cemento fabricados de forma tradicional frente a los impresos en 3D, sino que también respalda el avance de estrategias de producción más eficientes y sostenibles, adaptadas a las demandas evolutivas de la edificación. Read More
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