Fatigue characterization of additively manufactured short carbon fibre reinforced polyamide

3D printed composites are rapidly gaining a growing interest in several industrial sectors. However, for their widespread adoption, it is necessary to characterise their fatigue response. In this work static tensile and tensile-tensile fatigue tests were performed on FDM printed composite specimens with two raster orientations. The material used was Onyx, a micro-carbon fibre reinforced polyamide. The two main objectives of this work were the assessment of different experimental testing techniques, their performance and their impact, and the characterization of the fatigue response and behaviour of this material. It was observed that strain measurement from the machine crosshead displacement was more reliable and less invasive than using either digital image correlation or extensometers. SEM fractography was able to identify initiation and propagation regions of fatigue failure. Modulus, temperature, and hysteresis area trends during fatigue tests were nonmonotonic, which is unusual for composites obtained through conventional manufacturing and FDM printed materials, but commonly seen in neat injection-moulded polymers. Strong sensitivity of mechanical and fatigue properties to temperature, humidity and raster orientation was observed.

I materiali compositi stampati in 3D stanno ottenendo un interesse crescente in diversi settori industriali. Tuttavia, perchè essi vengano adottati diffusamente, è necessario caratterizzare il loro comportamento sotto carichi a fatica. Nel corso di questo lavoro sono state eseguite sia prove statiche che prove di fatica su provini in materiale composito stampato mediante tecnologia FDM. Il materiale usato era una poliammide rinforzata con micro-fibre di carbonio, conosciuto come Onyx. I due obiettivi principali di questo lavoro sono stati la valutazione di diverse tecniche di prova sperimentale, delle loro prestazioni e del loro impatto; e la caratterizzazione della risposta a fatica e del comportamento meccanico di questo materiale. È stato osservato che la misurazione della deformazione dallo spostamento della traversa della macchina era più affidabile e meno invasivo rispetto all’utilizzo della DIC o di estensometri. Attraverso la frattografia SEM si è potuto identificare le regioni di innesco e di propagazione della frattura. La misurazione dell’andamento di modulo, temperatura superficiale e area di isteresi durante i test di fatica ha rivelato un andamento non monotono, comportamento insolito per materiali compositi prodotti tradizionalmente e per i materiali stampati FDM, ma già più volte osservato nei polimeri non rinforzati stampati ad iniezione. Si è inoltre riscontrata una forte sensibilità delle proprietà meccaniche e di fatica al temperatura, all’umidità e alla direzione di stampa.