Mechanisms governing mechanical performance in material extrusion additive manufacturing

Shokrollahi, Maryam (2026). Mechanisms governing mechanical performance in material extrusion additive manufacturing. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Polymer-based material extrusion additive manufacturing (MEAM) represents the most widely used class of AM technologies, offering versatile and affordable materials, a broad range of printer options, ease of processing, and scalability. Despite these advantages, its adoption in high-performance applications remains limited, largely due to challenges in predicting and controlling the properties of final parts. These challenges persist despite extensive research efforts, in part because of the large number of tunable process parameters and an incomplete understanding of the mechanisms through which they influence part performance. This thesis investigates several less-explored mechanisms that are affected by process parameters and play a critical role in determining part properties. The contributions include an in-depth analysis of the extrusion process and its effects on the morphological, microstructural, and mechanical properties of extrudates, which serve as the fundamental building blocks of printed parts. Additional mechanisms related to interlayer bonding are also examined. In particular, interface notches formed naturally at the junctions of extrudates are identified as a primary source of anisotropy in both small- and large-scale prints. A methodology is developed to decouple the effects of interface bonding quality from the impact of these notches, and the resulting strain fields are quantified experimentally for notches of varying characteristics.

Furthermore, the study explores interlayer contact from a perspective distinct from prior approaches in the literature. Contact development is often considered as an increase in bond width, with bonded regions assumed to be in full contact. However, microvoids are observed at the interface, and their prevalence varies significantly with processing conditions. In-situ contact pressure measurements, combined with thermal, rheological, and surface roughness characterization, are performed to experimentally test existing intimate contact models from similar processes and assess their validity for MEAM.

Finally, the interplay between interface notch effects and bonding quality is demonstrated, showing that the relative influence of each mechanism on the final mechanical properties depends strongly on the presence and magnitude of the other mechanisms. These findings provide a more comprehensive understanding of the process–structure–property relationships in polymer MEAM and offer guidance for more reliable prediction and control of part performance.

Titre traduit

Mécanismes gouvernant les performances mécaniques en fabrication additive par extrusion de matière

Résumé traduit

La fabrication additive polymère par extrusion de matière (MEAM) représente la classe de technologies de fabrication additive la plus largement utilisée, offrant des matériaux polyvalents et abordables, un large éventail d’imprimantes, une facilité de mise en œuvre et une bonne évolutivité. Malgré ces avantages, son adoption dans des applications à hautes performances reste limitée, principalement en raison des difficultés à prédire et à contrôler les propriétés des pièces finales. Ces défis persistent malgré d’importants efforts de recherche, en partie à cause du grand nombre de paramètres de procédé ajustables et d’une compréhension encore incomplète des mécanismes par lesquels ces paramètres influencent les performances des pièces.

Cette thèse explore plusieurs mécanismes encore peu étudiés, qui sont influencés par les paramètres de procédé et jouent un rôle déterminant dans les propriétés des pièces. Les contributions incluent une analyse approfondie du procédé d’extrusion et de ses effets sur les propriétés morphologiques, microstructurales et mécaniques des extrudats, qui constituent les éléments fondamentaux des pièces imprimées. Des mécanismes supplémentaires liés à l’adhésion intercouche sont également examinés. En particulier, les encoches d’interface formées naturellement aux jonctions entre extrudats sont identifiées comme une source majeure d’anisotropie, tant pour les impressions à petite qu’à grande échelle. Une méthodologie est développée afin de dissocier les effets de la qualité de l’adhésion intercouche de ceux induits par ces encoches, et les champs de déformation résultants sont quantifiés expérimentalement pour différentes caractéristiques d’encoches.

Par ailleurs, l’étude aborde le contact interfacial selon une approche distincte de celles généralement adoptées dans la littérature. Le développement du contact est souvent considéré comme une augmentation de la largeur de liaison, les zones liées étant supposées être en contact complet. Cependant, des microvides sont observés à l’interface, et leur prévalence varie fortement en fonction des conditions de procédé. Des mesures in situ de la pression de contact, combinées à des caractérisations thermiques, rhéologiques et de rugosité de surface, sont réalisées afin de tester expérimentalement les modèles existants de contact intime issus de procédés analogues et d’évaluer leur validité dans le contexte du MEAM.

Enfin, l’interaction entre les effets des encoches d’interface et la qualité de l’adhésion intercouche est démontrée, montrant que l’influence relative de chaque mécanisme sur les propriétés mécaniques finales dépend fortement de la présence et de l’ampleur des autres mécanismes. Ces résultats permettent une compréhension plus complète des relations procédé–structure–propriété en MEAM polymère et offrent des indications pour une prédiction et un contrôle plus fiables des performances des pièces imprimées.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 177-201).
Mots-clés libres:	fabrication additive par extrusion de matière, paramètres de procédé, propriétés mécaniques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Tabiai, Ilyass
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Dubé, Martine
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	15 avr. 2026 15:36
Dernière modification:	15 avr. 2026 15:36
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3873

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