Specimen design for static characterisation of 3D printed unidirectional continuous fibre reinforced polymers using Fused Filament Fabrication

Additive Manufacturing (AM) is gaining increasing interest in various industrial sectors, particularly for what concern fibre-reinforced composites that significantly enhance the mechanical properties of 3D printed objects. However, for these composites to be widely adopted, it is essential to characterise their mechanical properties. The primary challenge in testing 3D printed composites is the increased number of defects introduced during the printing process compared to conventional prepreg composites that could initiate crack propagation in undesired locations of the specimens. In this thesis work, quasi-static tests are performed on Fused Filament Fabrication (FFF) printed composite specimens made of unidirectional carbon fibre. This study examines various designs for the tensile test specimen, including three different geometries for the end-tabs fabricated with two possible materials, along with three proposed adhesives. The use of Finite Element analyses reveals the presence of a complex multiaxial state of stress that include longitudinal, transverse, and shear stresses in the tabbed section of the specimens, that varies significantly with each end-tab design. The objective of this thesis is to identify the best overall design that minimises the geometric discontinuity induced by the end-tabs and yields the highest failure stress and strain. The experimental results reveal that specimens with rectangular GF-reinforced end-tabs, that use structural adhesive, fracture in the gauge section and yield the highest failure stress and strain, and hence are the best at avoiding premature failure and at estimating the true properties of the material.

L'Additive Manufacturing (AM) sta assumendo un sempre maggiore interesse in vari settori industriali manufatturieri, specialmente per quanto riguarda il campo dei materiali compositi rinforzati che garantiscono un significativo aumento delle proprietà meccaniche rispetto alla stampa tradizionale di polimeri. Tuttavia, è essenziale caratterizzarne le proprietà meccaniche, affinché questi compositi possano essere maggiormente utilizzati. La sfida principale nel testare i compositi stampati in 3D è la presenza di un maggior numero di difetti introdotti durante il processo di stampa rispetto ai compositi preimpregnati convenzionali, che potrebbero innescare la propagazione di cricche in punti indesiderati dei provini. Nel corso di questa tesi, vengono eseguite prove quasi-statiche su campioni di composito in fibra di carbonio unidirezionale stampati con la tecnica di Fused Filament Fabrication (FFF). Lo studio esamina varie proposte per i provini di trazione, tra cui tre diverse geometrie per gli inserti e due materiali per gli stessi, oltre a tre adesivi disponibili. L'uso dell'analisi agli elementi finiti rivela la presenza di un complesso stato di sollecitazione multi-assiale, che comprende sollecitazioni longitudinali, trasversali e di taglio nella zona di clampaggio dei provini, che varia in modo significativo con ciascun inserto. L'obiettivo di questa tesi è identificare il miglior design che minimizzi le discontinuità geometriche indotte dai tab e che garantisca la massima resistenza e deformazione a rottura. I risultati sperimentali rivelano che i provini con gli inserti rettangolari rinforzati con fibra di vetro, incollati con l'adesivo strutturale, si fratturano nella sezione centrale e garantiscono le sollecitazioni e le deformazioni di rottura più elevate, e quindi sono i migliori per evitare un cedimento prematuro e per stimare correttamente le proprietà meccaniche del materiale.