Study of the mechanical behaviour of a 3D-printed thermoplastic polyurethane: a focus on the fracture mechanics application for interlayer strength evaluation

This thesis aims to characterize the mechanical response of a 3D-printed product made from a thermoplastic elastomer (TPU), intended for use in the production of airless tyre components through 3D printing. The main goal of the work was to evaluate the interlayer adhesion strength through a fracture mechanics approach. Nevertheless, a characterization of the tensile behaviour of 3D-printed product was preliminarily carried out. Performing tensile tests on 3D-printed dumbbell specimens containing beads aligned in the loading directions it was possible to observe a difference in the behaviour of the 3D-printed materials with respect to the filament in TPU. A testing campaign was thus conducted on the 3D-printed dumbbell specimens. The 3D printed material resulted in a viscoelastic-plastic behaviour. Further, once preliminarily stretched, the elastic response of the pre-stretched 3D printed material resulted to be dependent on the level of the preliminarily applied strain. Although limited to uniaxial tensile tests, this experimental campaign highlighted the need for proper and accurate characterization of the 3D-printed material's mechanical behaviour to define the constitutive law of 3D-printed materials, which is essential for any finite element analysis of a 3D-printed airless tyre component. Subsequently, fracture tests were carried out to assess the adhesion strength between subsequent printed layers. Specimens with beads aligned in the direction perpendicular to the loading one were printed. The energy-based fracture mechanics parameter J-integral was used to quantify the fracture toughness. The fracture characterization was supported by microscopy analyses, which allowed for the examination of the material’s actual load-bearing surfaces, identifying potential defects, voids, or structural discontinuities arising from the additive manufacturing process. This study highlights the mechanical behaviour of 3D-printed TPU for airless tyre components, emphasizing its viscoelastic-plastic nature and dependence on pre-stretching. Tensile and fracture tests revealed the importance of interlayer adhesion, quantified through the J-integral approach. Microscopy analyses identified defects affecting structural integrity. These findings underscore the need for accurate material characterization to optimize performance and support finite element modelling. Future research should further explore loading conditions and manufacturing parameters.

Questa tesi mira a caratterizzare la risposta meccanica di un prodotto stampato in 3D con un elastomero termoplastico (TPU), destinato a essere utilizzato nella produzione di componenti per pneumatici airless attraverso la stampa 3D. L'obiettivo principale del lavoro era quello di valutare la forza di adesione tra strati attraverso un approccio di meccanica della frattura. Tuttavia, in via preliminare è stata effettuata una caratterizzazione del comportamento a trazione del prodotto stampato in 3D. Eseguendo prove di trazione su campioni dumbbell stampati in 3D nei quali i cordoni sono deposti nelle direzioni di carico, è stato possibile osservare una differenza nel comportamento dei materiali stampati in 3D rispetto al filamento in TPU. È stata quindi condotta una campagna di test sui campioni dumbbell stampati in 3D. Il materiale stampato in 3D ha mostrato un comportamento viscoelastico-plastico, inoltre, una volta allungato preliminarmente, la risposta elastica del materiale stampato in 3D è risultata dipendente dal livello di deformazione applicato preliminarmente. Sebbene limitata a prove di trazione monoassiale, questa campagna sperimentale ha evidenziato la necessità di una caratterizzazione corretta e accurata del comportamento meccanico del materiale stampato in 3D per definire la legge costitutiva dei materiali stampati in 3D, essenziale per qualsiasi analisi agli elementi finiti di un componente di pneumatico airless stampato in 3D. Successivamente, sono state eseguite prove di frattura per valutare la forza di adesione tra i successivi strati stampati. Sono stati stampati campioni con gli strati allineati in direzione perpendicolare a quella di carico. Il parametro della meccanica della frattura basato sull'energia (J-integral) è stato utilizzato per quantificare la tenacità alla frattura. La caratterizzazione della frattura è stata supportata da analisi al microscopio, che hanno permesso di esaminare le superfici resistenti del materiale, identificando potenziali difetti, vuoti o discontinuità strutturali derivanti dal processo di produzione per stampaggio 3D. Questo studio evidenzia il comportamento meccanico del TPU stampato in 3D per i componenti di pneumatici airless, sottolineando la sua natura viscoelastico-plastica e la dipendenza dal prestiramento. Le prove di trazione e di frattura hanno rivelato l'importanza dell'adesione tra gli strati, quantificata attraverso l'approccio del J-integral. Le analisi al microscopio hanno identificato i difetti che influiscono sull'integrità strutturale. Questi risultati sottolineano la necessità di un'accurata caratterizzazione dei materiali per ottimizzare le prestazioni e supportare la modellazione a elementi finiti. La ricerca futura dovrebbe esplorare ulteriormente le condizioni di carico e i parametri di produzione.