Elastic modelling of 3D printed short fiber reinforced polymer structures and comparison with digital image correlation

In this study, short carbon fiber reinforced polymer sandwich structures, composed of hexagonal infill structures of varying infill densities, manufactured by Fused Filament Fabrication, have been analysed and numerically modelled. Test specimens were subjected to tensile tests and three-point-bending tests. Digital Image Correlation technique is adopted to calculate the displacement and strain fields that help evaluate the tensile and flexural modulus of the specimens. From the experimental results, the engineering constants of an equivalent lamina that make up the skins are reverse engineered with the Classical Laminate Theory. The calculated engineering constants are compared with a micro-mechanical model for validation. The honeycomb cores are then modelled in Abaqus/CAE with different modelling techniques aimed to match the experimental results obtained from the three-point-bending tests, thereby capturing the influence of the cells’ densities. It is observed that the walls of hexagonal cells lying along the longitudinal direction of the specimens are as rigid as the skins of the sandwich structure. Results find that the infill density, thickness ratio of cell walls and infill layer width play an important role in the bending stiffness of the specimen.

In questo studio, strutture sandwich realizzate con materiale polimerico rinforzato con fibra di carbonio corta prodotte mediante Fused Filament Fabrication, costituite da strutture di riempimento a nido d’ape con densità di riempimento variabili, sono state testate sperimentalmente e modellate numericamente. Campioni di materiale base sono stati sottoposti a prove di trazione e differenti strutture sandwich sono state sottoposte a prove di flessione su tre punti per determinare il modulo di trazione e di flessione dei campioni. I risultati delle misure di spostamento ricavate con la tecnica della Correlazione Digitale di Immagini sono stati analizzati e le costanti ingegneristiche della singola lamina che compongono i laminati sono state identificate con la teoria dei laminati classici. Le costanti ingegneristiche calcolate sono state confrontate con un modello micro-meccanico. Le celle esagonali del core sono state quindi modellate in ambiente Abaqus / CAE con diverse tecniche di modellizzazione volte ad interpretare l’influenza della densità del core sui risultati ottenuti dai test di flessione su tre punti. È stato osservato che le pareti delle cellule esagonali che si trovano lungo la direzione longitudinale dei campioni sono rigide come le pelli sopra e sotto di esse. Infine, è stato scoperto che la densità di riempimento e la larghezza dello strato di riempimento svolgono un ruolo importante nella rigidezza di flessione complessiva del campione.