Static characterization of the hygro-mechanical compressive behavior of 3D printed short carbon fibers reinforced polyamide

In the last years, Additive Manufacturing (AM) became widely diffused. Initially used mainly for prototyping, thanks to the last technological improvements is becoming largely employed to produce end parts. Particularly interesting as an alternative to the traditional manufacturing methods is the so-called Fused Filament Fabrication (FFF) technology. Mostly used to produce polymeric parts, an important contribution to the spreading of this technology is the addition of reinforcing fibers to a thermoplastic matrix. To allow the effective diffusion and to ensure a safe design of the components, a deep knowledge of the mechanical properties and the failure behavior of 3D printed parts is required. This thesis work studied the compressive behavior of a 3D printed polyamide reinforced with short carbon fibers. Through experimental tests, the “in-plane” and the “out-of-plane” properties of the material were evaluated. Since there are not specific standards for the compressive characterization of 3D printed materials, this work initially focused on the explorative investigation about the specimens suitable for the properties evaluation. The specimens must be carefully dimensioned to avoid the onset of instability phenomena, thus preventing reliable results to be obtained. In the dimensioning phase, it is also necessary to consider the anisotropic behavior induced by the printing process and by the fibers. The designed specimens were printed and tested in compression in an experimental campaign. Being the material strongly hygroscopic, this work studied also the effect of the absorbed water on the final mechanical performances. Finally, an analysis of the morphology of the tested specimens was performed to investigate the relationship between the microstructure resulting from the printing process and the failure behavior of the material.

Negli ultimi anni la tecnologia di Additive Manufacturing (AM) sta diventando una tecnologia sempre più diffusa. Inizialmente utilizzata principalmente per la prototipazione, grazie ai recenti sviluppi sta espandendo il suo campo di utilizzo anche alla produzione di prodotti finiti. Di particolare interesse è l’utilizzo della tecnologia additiva Fused Filament Fabrication (FFF), utilizzata in sostituzione dei processi di produzione tradizionali. Un contributo fondamentale nella diffusione di tale tecnologia è il recente sviluppo di tecnologie AM che consentono di produrre componenti polimerici rinforzati mediante aggiunta di fibre. Per permettere l’effettiva diffusione di tale tecnologia e al fine di garantire una corretta progettazione dei componenti, è necessaria una conoscenza delle proprietà meccaniche ottenibili e del comportamento a frattura delle parti stampate. Il presente lavoro di tesi è finalizzato a caratterizzare le proprietà meccaniche in compressione di una poliammide rinforzata con fibre corte di carbonio stampata 3D. In particolare, si vogliono caratterizzare le proprietà “in-plane” e “out-of-plane” del materiale. In assenza di uno standard specifico per la caratterizzazione del materiale stampato 3D a compressione, il seguente studio si focalizza sulla progettazione preliminare dei provini. Essi devono essere dimensionati al fine di permettere una corretta valutazione delle proprietà meccaniche, evitando fenomeni di instabilità che possano compromettere i risultati, e tenendo conto del comportamento anisotropo introdotto dalle fibre e dal processo di stampa. I provini progettati sono poi stati testati in una campagna sperimentale. Essendo il materiale fortemente igroscopico, nel seguente lavoro si è studiato anche l’effetto dell’umidità assorbita dal materiale sulle proprietà meccaniche finali, testando provini in diverse condizioni di umidità assorbita. Per concludere, è stata fatta un’ analisi della morfologia dei provini compressi, al fine di investigare la relazione tra la morfologia indotta dal processo di stampa e il comportamento a frattura.