Predictive modelling of the elastic behaviour of 3D printed short fibre reinforced polymers

Among Additive Manufacturing (AM) technologies, Fused Filament Fabrication (FFF) is one of the most flexible and least expensive ones, making it a widespread technique for rapid prototyping and low volume production of parts. New composite materials, as fibre reinforced polymers, allow FFF manufactured parts to reach significantly better mechanical properties if compared to unreinforced ones. An obstacle to the outbreak of this technology in industry is represented by the difficulty in predicting the elastic properties of FFF parts. The aim of this work is to provide an overview of the most promising existing models which have been used in literature to this purpose and to assess their accuracy. Points of strength and weakness of each model are highlighted. In addition to this, an analytical model, based on the material’s elastic properties, is developed to predict the stiffness of FFF specimens. The model exploits the analogy between the material in the meso-structure of the part and a system of springs that deform both axially and by shear. For an accurate evaluation of the tensile moduli of the base material, unidirectional FFF specimens printed with 0° and 90° raster orientation were tested. Other quantities were computed with the aid of Digital Image Correlation. The shear modulus of the base material was computed by testing samples with a more complex arrangement, namely 0°/90° and ±45°. This procedure was carried out on specimens made of two different materials. Once all the necessary data were available, they were used as inputs to the models for the prediction of the elastic modulus of the 0°/90° and ±45° specimens. Results of the calculations were then compared to the experimental data. The work summarises the potentialities and precision of the tested models; among them, the newly proposed one proved to have good accuracy and to overcome several limitations of the already available ones.

Tra le tecnologie di Additive Manufacturing (AM), la Fused Filament Fabrication (FFF) è una delle più flessibili e meno costose, aspetti che la rendono una tecnica comunemente usata per la prototipazione rapida e la produzione di componenti in piccole quantità. Nuovi materiali compositi, come i polimeri rinforzati con fibre, permettono ai componenti realizzati con la FFF di raggiungere proprietà meccaniche significativamente migliori se paragonate ai materiali non rinforzati. Un ostacolo all’impiego esteso di questa tecnologia nell’industria è rappresentato dalla difficoltà nel predire le proprietà elastiche delle parti create con la FFF. Lo scopo di questo lavoro è fornire una rassegna dei più promettenti modelli esistenti che hanno questo fine e verificarne l’accuratezza. Vengono indicati i punti di forza e di debolezza dei vari metodi presentati. Viene inoltre proposto un nuovo modello analitico basato sulle proprietà elastiche del materiale per predire la rigidezza dei prodotti realizzati con la FFF. Il modello sfrutta l’analogia tra il materiale nella mesostruttura del prodotto e un sistema di molle che si deformano assialmente e a taglio. Per calcolare in modo accurato i moduli elastici del materiale sono stati testati dei provini unidirezionali stampati a 0° e 90°. Altre quantità sono state estratte con la Digital Image Correlation (DIC). Degli altri provini con strategia di deposizione più complessa, cioè 0°/90° e ±45°, sono stati usati per il calcolo del modulo di elasticità tangenziale dei filamenti. Questa procedura è stata svolta per provini composti da due materiali diversi. Dopo aver calcolato tutti i dati necessari, sono stati usati come input per i modelli per predire i moduli elastici dei provini a 0°/90° e ±45°. I risultati dei modelli sono stati confrontati con i dati sperimentali. Questa tesi analizza le potenzialità e la precisione dei modelli testati; tra questi, il nuovo modello che viene proposto ha dimostrato di avere una buona accuratezza e di superare alcune limitazioni degli altri.