Feasibility design of a 3D printable car suspension arm demonstrator made of fiber reinforced thermoplastic

Additive Manufacturing (AM) technique experienced substantial growth over the past few decades for rapid prototyping various parts and components in automotive, aeronautical, and medical sectors. Specifically, Fused Filament Fabrication (FFF), due to its relatively simple working principle, low cost and ability to print polymeric materials make this technology one of the most spread on the market, particularly for mechanical structures. Recent developments of this technology allow discontinuous and-or continuous fibers reinforced thermoplastic polymers to be processed. AM fiber-reinforced composites represent a cutting- edge advancement in the field of rapid prototyping, promising significant enhancements in the mechanical properties of 3D printed objects. Moreover, exists the possibility to realize complex shapes without intermediate manufacturing steps as production of moulds as an example. Sectors as automotive could benefit from this technology to obtain lightweight complex shaped components aiming at reducing fuel consumption, especially due to the increasingly restrictive emission regulations. In this work, the feasible design for FFF of a demonstrator, made of short and long fiber reinforcement thermoplastic, which simulates the critically loaded portion of a McPherson suspension lower arm, was analysed in terms of relevant mechanical properties and failure mode connected to feasible fibres deposition strategies. The present work is a natural development of a previous investigation concerning a preliminary design concept of a 3D printable demonstrator whose stiffness matched that of a reference Polymer Metal Hybrid (PMH) solution already manufactured and tested. The 3D printable demonstrator was thought as a sandwich linear tapered beam with mild stiff cellular core structure of short fiber composite and stiff skin of long fibre composite. The scope of the demonstrator was to prove that it can satisfy the safety requirements requested to suspension arms: the separation of components, when failure occurs, is not permitted. To address this, specific paths of long fibers have been design inside the component. It was necessary to design customized paths because without them, due to catastrophic failure, typical of composite structures, the component would separate after failure. Studies for the preferred fibre deposition configurations, including a reinforcing ribs across the core to ensure residual integrity of the demonstrator, considering possible printer’s deposition strategies were conducted. The primary objective of this study was to design the part and simulate its mechanical behavior. In a first step of the work, analysis of constituents and application of analytical models were done in order to obtain the elastic constants necessary to conduct an FE elastic linear analysis of the structure. Various configurations of the demonstrator have been proposed, which differ from each other for the deposition strategy of reinforcing fibers and printing path. Continuous and interrupted fiber deposition printing strategy for the layer were considered for the study, so to not restrict the printability of the demonstrator to determined class of printers. The analysis of the results was focused on parameters of interest such as maximum stresses along the fiber direction in tensile and compression and stiffness. The obtained outcomes were compared to each other and the best solutions for the analysed case were identified, by taking into considerations possible benefits and drawbacks. In addition, the analysis of the effect of the number of filaments on the interested parameters, for the preferred solutions, has been conducted. Finally, an estimation of the demonstrator’s weight was performed and a comparison was made with the PMH reference structure.

La tecnica di fabbricazione dell'Additive Manufacturing (AM) ha registrato una crescita sostanziale negli ultimi decenni per la prototipazione rapida di varie parti e componenti nei settori automobilistico, aeronautico e medico. In particolare, la Fused Filament Fabrication (FFF), grazie al suo principio di funzionamento relativamente semplice, al costo contenuto e alla capacità di stampare materiali polimerici, rende questa tecnologia una delle più diffuse sul mercato, soprattutto per le strutture meccaniche. Gli sviluppi recenti di questa tecnologia consentono di elaborare polimeri termoplastici rinforzati con fibre discontinue e/o continue. I compositi rinforzati con fibre AM rappresentano un avanzamento all'avanguardia nel campo della prototipazione rapida, promettendo significativi miglioramenti nelle proprietà meccaniche degli oggetti stampati in 3D. Inoltre, esiste la possibilità di realizzare forme complesse senza passaggi di produzione intermedi come la produzione di stampi, ad esempio. Settori come l'automotive potrebbero trarre beneficio da questa tecnologia per ottenere componenti leggeri e dalla forma complessa, mirando a ridurre i consumi di carburante, soprattutto a causa delle sempre più restrittive normative sulle emissioni. In questo lavoro, è stata condotta l'analisi di fattibilità per la FFF di un dimostratore, realizzato con rinforzo di fibre corte e lunghe termoplastiche, che simula la parte soggetta a carichi critici di un braccio inferiore della sospensione McPherson, in termini di proprietà meccaniche rilevanti e modalità di rottura connesse a possibili strategie di deposizione delle fibre. Il presente lavoro è lo sviluppo naturale di una precedente indagine relativa a un concetto di progettazione preliminare di un dimostratore stampabile in 3D la cui rigidità corrispondeva a quella di una soluzione Polymer Metal Hybrid (PMH) di riferimento già fabbricata e testata. Il dimostratore stampabile in 3D è stato concepito come una trave lineare a gradiente con struttura cellulare leggermente rigida di composito a fibre corte e skin rigida di composito a fibre lunghe. Lo scopo del dimostratore era quello di dimostrare che poteva soddisfare i requisiti di sicurezza richiesti per i bracci della sospensione: la separazione dei componenti, in caso di rottura, non è consentita. Per affrontare questo problema sono stati progettati percorsi specifici di fibre lunghe all'interno del componente. È stato necessario progettare percorsi personalizzati perché senza di essi, a causa della rottura catastrofica, tipica delle strutture composite, il componente si sarebbe separato dopo la rottura. Sono stati condotti studi per le configurazioni di deposizione delle fibre preferite, inclusi nervature di rinforzo attraverso il nucleo per garantire l'integrità residua del dimostratore, considerando le possibili strategie di deposizione della stampante. L'obiettivo principale di questo studio era progettare la parte e simulare il suo comportamento meccanico. In una prima fase del lavoro, è stata effettuata un'analisi dei costituenti e l'applicazione di modelli analitici al fine di ottenere le costanti elastiche necessarie per condurre un'analisi lineare elastica FE della struttura. Sono state proposte varie configurazioni del dimostratore, che differiscono l'una dall'altra per la strategia di deposizione delle fibre rinforzanti e il percorso di stampa. Sono state considerate strategie di deposizione continua e interrotta delle fibre, in modo da non limitare la stampabilità del dimostratore a una determinata classe di stampanti. L'analisi dei risultati si è concentrata su parametri di interesse come le massime sollecitazioni lungo la direzione delle fibre in trazione e compressione e la rigidità. I risultati ottenuti sono stati confrontati tra loro e le migliori soluzioni per il caso analizzato sono state identificate, prendendo in considerazione possibili vantaggi e svantaggi. Inoltre, è stata condotta un'analisi dell'effetto del numero di filamenti sui parametri interessati, per le soluzioni preferite. Infine, è stata eseguita un'analisi del peso del dimostratore ed è stata fatta una comparazione con la struttura di riferimento PMH.