Master's Thesis

The influence of segment strategies on the mechanical properties of large-format parts

Final Thesis 7.57 MB Appendix 4.71 MB

Author of thesis: Ing. David Chalupa

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. David Škaroupka, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jaroslav Baron

Abstract:

In large-format additive-subtractive manufacturing of polymers, iterative alternation of printing and machining is often required to achieve dimensional accuracy and geometric complexity. However, this strategy is limited by the low strength of interfaces between sequentially manufactured segments. When a new segment is deposited onto a cooled and machined substrate, a cold joint is formed. In materials sensitive to thermal history, this can lead to segment separation already during manufacturing. The aim of this thesis was to design a segment joint that reduces the negative effect of the cold joint and to describe the influence of its geometric and process parameters on the interface strength of PP30GF.
The experimental validation was carried out on a robotic hybrid manufacturing cell that combined large-format pellet-based additive manufacturing with machining. The proposed strategy was based on creating a mechanical interlock in a thin-walled printed segment and subsequently filling it with molten material during the following additive operation. Tensile tests of model specimens were used to evaluate the influence of groove width, groove depth, controlled over-extrusion and manufacturing accuracy of the robotic workstation on the resulting joint strength.
The best group of specimens with the hybrid mechanical interlock achieved a strength of approximately 8 MPa. This corresponded to an approximately fourfold increase compared with a conventional cold joint and to the recovery of approximately 65% of the strength of continuous printing. The results further showed that, within the tested range, a larger residual substrate width relative to the groove width was decisive for higher load-bearing capacity, because critical failure occurred mainly in the machined segment. Groove depth affected the location of critical failure, while controlled over-extrusion increased the load-bearing capacity of the joint.
In addition to describing the influence of the investigated parameters using response surface methodology, the thesis identified key limitations of robotic hybrid manufacturing that significantly affected the resulting strength of the segment joint. The results provide a methodological basis for the use of segmented and iterative hybrid strategies in the production of large polymer parts.

Keywords:

large-format additive manufacturing, hybrid additive-subtractive manufacturing, cold joint, segment strategies, PP30GF

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky oponenta: Ing. Baron: V dp popisujete nutnost přesného umístění zámku do středu stopy tištěného dílu. Tyto díly však bývají tvarově nepřesné, navrhněte postup jak co nejlépe analyzovat vytištěný díl a umístit do něj drážku zámku. ZODPOVĚZENO Ing. Baron: V dp řešíte spoj ve stopě tisku, ale zmiňujete i možnost umístit nový díl na bok vytištěného dílu. Jaký byste v tomto případě volil tvar zámku a jak byste jej případně upravil, aby bylo možné dosáhnout vyšší pevnosti spoje. Myslíte, že by bylo možné dosáhnout vyšší pevnosti? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Proč nepřipadá v úvahu vytvořit drážku přímo tiskem? ZODPOVĚZENO dr. Dočekalová: Co je přeextruze? ZODPOVĚZENO dr. Dočekalová: Jsou výsledky přenositelné na jiné práce zabývající se stejnou problematikou? ZODPOVĚZENO dr. Čížek: Jaký je rozdíl mezi vyrobenými povrchy? ZODPOVĚZENO dr. Čížek: Je možné vrstvu vytvořenou studeným spojem znovu zahřát pro další extruzi? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Mohlo by se využít lomové energie? ZODPOVĚZENO prof. Hartl: Jak fungují spoje mezi jednotlivými vrstvami? ZODPOVĚZENO prof. Hartl: Nemá smyl pomoct difúzi nějakým detergentem nebo smáčedlem? ZODPOVĚZENO prof. Hartl: Jaká smáčedla by šlo použít? ZODPOVĚZENO doc. Němeček: Šlo by využít lepení vzniklých spojů? ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Němeček, PhD. (člen)
Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Čížek, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Baron (člen)

Supervisor’s report
Ing. David Škaroupka, Ph.D.

Z pohledu role vedoucího splňuje diplomová práce Davida Chalupy všechny kritéria pro udělení nejvyššího hodnocení. Bylo dosaženo originálních a nových výsledků přispívající k lidskému poznání, které jsou zároveň bezprostředně užitečné pro praxi v oblasti velkoformátové aditivní výroby (LFAM). Předložený text je zpracován srozumitelnou formou, s logickým začleněním vlastních výsledků do kontextu stávajícího poznání, které obohacuje o důležitá zjištění s výrazně pozitivním dopadem na kvalitu výstupů z technologického procesu LFAM.

V případě navazování tisku na studené spoje je díky výsledkům této práce nyní možné dosáhnout zhruba dvojnásobné mezivrstevné pevnosti dílů, než bylo doposud známé.

Student projevil při řešení práce mimořádnou píli a houževnatost, prověřil řadu možných variant odborného uchopení problému. Překážky, které během řešení vyvstaly proaktivně řešil a komunikoval jak s vedoucím, tak týmem Robotické aditivní výroby. Tento přístup byl jedním z klíčových pozitivních faktorů, zásadních pro výslednou kvalitu práce.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jaroslav Baron

Diplomová práce se zaměřuje na řešení technologického problému při velkoformátové hybridní aditivně-subtraktivní výrobě z polymerů. Práce zkoumá a optimalizuje metodu spojování jednotlivých tiskových segmentů tak, aby se minimalizoval negativní vliv takzvaného studeného spoje. Autor navrhl strategii spočívající ve vytvoření mechanického tvarového zámku uvnitř tenkostěnného tištěného segmentu. Tuto strategii otestoval na několika tvarech zámku a výsledkem bylo dosažení 65% únosnosti běžného tisku. Tento výsledek je prokazatelným úspěchem navrženého řešení.

Diplomová práce a s ní související vědecko-výzkumná činnost je na vynikající odborné úrovni. Autor prokázal schopnost systematického přístupu a technického a analytického myšlení. Získaná data a popsané strategie mohou být využity v praktických průmyslových aplikacích. Autor se zároveň detailně seznámil s technologií aditivně-subtraktivní výroby, navrhl úpravy tiskové platformy a extruderu. Tyto zkušenosti se mohou autorovi velmi hodit v případě zaměstnání v tomto dynamicky se rozvíjejícím oboru.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V dp popisujete nutnost přesného umístění zámku do středu stopy tištěného dílu. Tyto díly však bývají tvarově nepřesné, navrhněte postup jak co nejlépe analyzovat vytištěný díl a umístit do něj drážku zámku.
  2. V dp řešíte spoj ve stopě tisku, ale zmiňujete i možnost umístit nový díl na bok vytištěného dílu. Jaký byste v tomto případě volil tvar zámku a jak byste jej případně upravil, aby bylo možné dosáhnout vyšší pevnosti spoje. Myslíte, že by bylo možné dosáhnout vyšší pevnosti?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová