Analysis of the tensile behaviour of a 3D printed short carbon fibre reinforced polyamide

In the last decade, Additive Manufacturing (AM) has become more and more important especially for rapid prototyping in different fields, like the mechanical, aeronautical or electronic ones. Recently, a technology to produce fiber reinforced components with AM has been introduced. AM fiber reinforced composites represent the new frontier in the rapid prototyping field, ensuring a remarkable improvement in the mechanical properties of the 3D printed object. The aim of this work is to identify the mechanical properties of a 3D printed composite material, made by polyamide matrix and short carbon fibers as reinforcement material. To do this, tensile tests were performed on different specimens. Experimental campaigns were performed in order to measure mechanical properties such as the elastic modulus, the stress at rupture and the strain at rupture. The analysed specimens were printed with different printing directions so to obtain different resistant configurations of the material. Starting from the longitudinal direction of the specimen, the filaments had an orientation at 0° and 90° in alternate layers or +45° and -45° in alternate layers. For each raster configuration, the tested specimens were of two types, narrow and wide. It was found that the walls of the specimens, aligned with the load direction, can be very relevant for the mechanical properties. Then, an analysis of the rupture surface of the tested specimens was carried out using the Scanning Electron Microscopy (SEM), to analyse the fracture behaviour of the short fiber composite. It was discovered that, for both the specimens with different raster orientation, the nucleation of the crack happens in the filaments parallel to the load direction. In particular, in the specimens with raster orientation at 0° and 90°, the crack nucleated in the middle of the specimen itself; for the specimen with raster orientation at +45° and -45°, the crack nucleated on one side of the specimen. The specimens were also analysed using micro Compute-Tomography (μCT) in order to measure the area of some cross sections of the specimens and so to relate the mechanical quantities found before to real values of resistant area. It was found that the real resistant area is around the 66% of the total cross section area. It was also searched for a method to estimate the mechanical properties of an Onyx component starting from the data found from the tensile tests and from the μCT analysis. The mechanical properties of the core of the specimens were calculated using the Classical Laminate Theory (CLT) and a simple Linear System of Equations (LSE). It was then created a parallel springs model and a preliminary Finite Element Model (FEM) of the specimens and the mechanical properties found previously were given to them, to understand if the elastic behaviour of the material can be modelled with this approach and to understand which is the best method to estimate the elastic properties of the 3D printed material. In the end, the obtained experimental results were compared with the nominal properties of the material written in the datasheet.

Nelle ultime decadi, la tecnologia Additive Manufacturing (AM) è diventata sempre più importante, specialmente per prototipazione rapida in differenti campi, come il meccanico, l’aeronautico e l’elettronico. Recentemente, sono state introdotte nuove tecnologie di AM che consentono di produrre componenti rinforzati mediante aggiunta di fibre. I compositi creati via Additive Manufacturing rappresentano una nuova frontiera nel campo della prototipazione rapida, assicurando un notevole miglioramento delle proprietà meccaniche dell’oggetto stampato in 3D. Lo scopo di questo lavoro è di ricavare le proprietà meccaniche di un materiale composito stampato in 3D, composto da una matrice di poliamide e fibre di carbonio corte come materiale di rinforzo. Per fare ciò, test di trazione sono stati effettuati su diversi provini. Sono state effettuate campagne sperimentali per identificare proprietà meccaniche come modulo elastico, sforzo a rottura e deformazione a rottura. I provini analizzati sono stati stampati con diverse direzioni di stampa così da ottenere diverse configurazioni resistenti del materiale. Partendo dalla direzione longitudinale del provino, i filamenti erano orientati a 0° e 90° in layer alternati oppure a +45° e -45° in layer alternati. I provini testati erano di due tipi per ogni orientamento dei filamenti, stretti e larghi. È stato trovato che i muri del provino, allineati con la direzione del carico, possono avere una notevole influenza sule proprietà meccaniche. Successivamente è stata eseguita l’analisi delle superfici di rottura dei provini testati usando la Scanning Electron Microscopy (SEM), così da analizzare il comportamento della rottura del materiale composito. È stato trovato che, per entrambi i provini con diverso orientamento dei filamenti, la nucleazione della cricca è avvenuta nei filamenti paralleli al carico. Nello specifico, per i provini con orientamento dei filamenti a 0° e 90°, la cricca è nucleata nella parte centrale del provino stesso; per i provini con orientamento dei filamenti a +45° e -45°, la cricca è nucleata su un lato del provino stesso. I provini sono anche stati analizzati tramite micro Tomografia Computerizzata (μCT) così da misurare l’area di alcune sezioni dei provini stessi per poi relazionare le proprietà meccaniche trovate in precedenza con valori di area resistente reali. È emerso che l’area resistente reale è circa il 66% dell’area della sezione trasversale del provino. Partendo dai dati ricavati dai test di trazione e dalle analisi μCT, sono state calcolate le proprietà meccaniche del core dei provini usando la teoria dei laminati (CLT) e un semplice sistema lineare di equazioni (LSE). È stato poi creato un modello a molle parallele e un modello a elementi finiti (FEM) semplificato dei provini, a cui sono state assegnate le proprietà meccaniche trovate in precedenza, così da capire se il comportamento del materiale in campo elastico può essere modellizzato con questo approccio e per trovare quale metodo sia migliore per la stima delle proprietà elastiche del materiale stampato in 3D. Infine, sono stati confrontati i risultati sperimentali con i dati nominali del materiale provenienti dal datasheet.