Di Napoli, Domenico (2026) Electromagnetic Methods for Rapid and Controlled Alignment of Polymeric and Synthetic Fibers. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (M.S. Thesis) M.S. Thesis - Domenico Di Napoli.pdf Restricted to Repository staff only until 7 July 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

الاسم الكامل: دومينيكو دي نابولي عنوان الرسالة: أساليب كهرومغناطيسية للمحاذاة السريعة والمضبوطة للألياف البوليمرية والصناعية التخصص: هندسة الطيران والفضاء تاريخ الحصول على الدرجة: مايو 2026 تُعدّ محاذاة الألياف داخل المواد المركّبة عاملاً أساسياً في تحديد خصائصها الميكانيكية والحرارية والوظيفية. فهي تمكّن الألياف من اتباع مسارات الإجهاد الرئيسية لتحسين انتقال الأحمال، وتعزز القوة والصلابة النوعية، وتوفر مرونة أكبر في التصميم، كما تدعم تقنيات التصنيع المتقدّم مثل وضع الألياف الآلي، وقد أثبتت فعاليتها في تطبيقات صناعية واقعية تشمل قطاعات الطيران والسيارات وطاقة الرياح. ورغم تعدّد طرق التحكم في اتجاه الألياف وفوائدها، إلا أنها تعاني من عدة قيود، مثل ارتفاع التكلفة التشغيلية وتعقيد الأنظمة، وضعف القدرة على التوسّع أو تحقيق دقة عالية في طرق المحاذاة القائمة على المجالات أو التدفق، إضافةً إلى احتمالية تشوّه الألياف أو اضطراب المصفوفة أثناء التصنيع، وصعوبة الحفاظ على محاذاة متجانسة وخالية من العيوب في الهياكل الكبيرة أو المعقّدة. لذلك، فإن تحقيق مستوى مرتفع من الدقة والفعالية والاعتمادية في توجيه الألياف يمثّل تحدياً رئيسياً في تصنيع المواد المركّبة المتقدمة. تتناول هذه الدراسة هذا التحدّي من خلال تطوير مواد ذكية مستجيبة للمجالات المغناطيسية، تعمل كألياف قابلة للتحكم وموجّهة داخل المواد المركّبة. وقد صُممت هذه المواد للاستجابة للمجالات الكهرومغناطيسية الخارجية، مما يسمح بمحاذاة الألياف وتوجيهها دون تلامس، سواءً لعمليات التفصيل البنيوي للمواد المركّبة أو كمواد طباعة رباعية الأبعاد قابلة للتكيّف مع مجموعة واسعة من التطبيقات. في هذا البحث، جرى دراسة فئتين من الألياف المستمرة: (1) ألياف مركّبة أساسها البوليمرات الحرارية، (2) ألياف صناعية تشمل الزجاج، وكيفلار، وألياف الكربون. في الفئة الأولى، تم دمج جسيمات الماغنيتايت ضمن حبيبات البوليمر الحراري لإنتاج خيوط صالحة للطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يتيح استخدامها في طباعة 4D عبر تقنية النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM). أما في الفئة الثانية، فقد جرى تعديل الألياف الصناعية من خلال طلاء سطوحها بمزيج من راتنجات الثرموست مع الماغنيتايت، ما يسمح بالتحكم الكهرومغناطيسي في اتجاه الألياف أثناء عمليات التصنيع المتقدّم. أظهرت الاختبارات التجريبية أن هذه الألياف يمكن توجيهها بفاعلية باستخدام الحقول الكهرومغناطيسية، مما يؤكّد إمكانية استخدامها كعناصر نشطة في صناعة المواد المركّبة. وتوفر هذه التقنية المبتكرة وسيلة سريعة ومتعددة الاستخدامات لمحاذاة الألياف دون الحاجة إلى تلامس ميكانيكي أو معدات ضخمة، كما تتوافق مع تقنيات التصنيع بالإضافة. كذلك، تم تطوير نموذج تحليلي جرى التحقق منه تجريبياً لدراسة تأثير العوامل الأساسية التي تتحكم في قابلية توجيه الألياف. وتؤسّس النتائج المتحصّل عليها لخطوة مهمة نحو تطوير مواد مركّبة ذكية قادرة على دمج ألياف قابلة للتحكم الكهرومغناطيسي لتحسين قابلية التخصيص البنيوي، وإدخال استجابة مادية مباشرة للمحفزات الكهرومغناطيسية الخارجية. وتساهم هذه الدراسة بشكل كبير في تطوير المواد الذكية وتمهّد الطريق للهياكل التكيفية من الجيل القادم ضمن تقنيات التصنيع المتقدّم. الكلمات المفتاحية: الكهرومغناطيسية؛ توجيه الألياف؛ جسيمات Fe₃O₄ النانوية؛ الماغنيتايت؛ الألياف المستمرة؛ الطباعة رباعية الأبعاد

English Abstract

Full Name: Domenico Di Napoli Thesis Title: Electromagnetic Methods for Rapid and Controlled Alignment of Polymeric and Synthetic Fibers Major Field: Aerospace Engineering Date of Degree: May 2026 Orientation of fibers in composite structures is a critical parameter to determine their mechanical, thermal and functional properties. It enables fibers to follow principal stress paths for improved load transfer, enhances specific strength and stiffness, offers greater design flexibility, supports advanced manufacturing via automated fiber placement technologies and has proven benefits in real world applications such as aerospace, automotive and wind energy components. Although various fiber control methods offer significant benefits, they also present limitations, including high operational costs and system complexity, restricted scalability or accuracy in field- and flow-based alignment, possible fiber deformation or matrix disruption during processing, and difficulties in maintaining consistent orientation and defect-free quality across large or intricate composite structures. For this reason, achieving a precise level of control, efficiency and reliable steering mechanism represents a major challenge in advance composite manufacturing. This work addresses that challenge through the development of magnetically responsive smart materials designed to act as controllable and actively steerable fibers within composite systems. These materials are formulated to respond to external electromagnetic fields, enabling non-contact alignment and positioning for the tailoring process of the composites or to act as a 4D printing material capable of adapting to a wide variety of applications. In this study, two categories of continuous fibers are examined: (1) thermoplastic-based composite fibers and (2) synthetic fibers, including glass, Kevlar, and carbon fibers. For the first case, thermoplastic pellets are infused with magnetite particles to produce filaments suitable for 3D printing, enabling their application in 4D printing through Fused Deposition Modeling (FDM). In the second case, synthetic fibers are modified by coating them with thermoset–magnetite composites, allowing for electromagnetic control of fiber orientation in advanced manufacturing processes. Experimental observations demonstrated that these fibers could be effectively steered by electromagnetic actuations, validating their potential as active elements for the composite manufacturing industry. This novel technique enables fiber alignment to be executed without any mechanical contact or larger equipment, offering a rapid and versatile method that is compatible with the additive manufacturing technologies. Experimentally validated analytical model was developed to investigate the effects of key parameters governing fiber steerability. The results have established the foundation for the development of smart structural composites that integrate active electromagnetically controllable fibers to enhance tailorability and introduce a material responsiveness to an external electromagnetic stimulus. This research contributes significantly to the advancement of smart materials and paves the way for next-generation adaptive structures in emerging manufacturing technologies. Keywords: Electromagnetism; Fiber Steering; Fe₃O₄ nanoparticles; Magnetite; Continuous fibers; 4D Printing.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Aerospace
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Thesis Advisor:	Suhail Vattathurvalappil,
Thesis Committee Members:	Naef Qasem, Aamer Nazir,
Depositing User:	DOMENICO DI NAPOLI
Date Deposited:	08 Jul 2026 06:10
Last Modified:	08 Jul 2026 06:10
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144643