This thesis investigates the large-deformation mechanical behaviour and constitutive modelling of a commercial vat-photopolymerized resin—Anycubic Tough Resin Ultra—under varying strain rates and temperatures. A series of uniaxial tension and compression, stress relaxation, and cyclic loading experiments were conducted across multiple thermal conditions, revealing significant viscoelasticity, hydrostatic pressure dependence and Mullins effect. Fracture surface analysis indicated that the material predominantly operates in the glassy state, exhibiting nonlinear viscoelasticity with limited plasticity. Building upon foundational models such as the Bergström–Boyce and Three-Network frameworks, four constitutive models were evaluated, including the Ansys Bergström–Boyce, Ansys Three Network model, Abaqus PRF, and the PolyUMod Three Network Viscoplastic (TNV) model. Among these, the PolyUMod TNV model with Mullins effect exhibited the best overall accuracy in capturing hysteresis loops, residual strain, and strain hardening. Temperature-dependent parameters were extracted at discrete points and interpolated using PolyUMod multi-temperature framework. The calibrated model was implemented in LS-DYNA and validated through numerical simulations of cyclic and monotonic loading both in tension, compression and Three points bending. The simulation results showed good agreement with experimental data, confirming the model’s robustness across a range of conditions. This work provides a calibrated, physically-consistent, and numerically efficient material model for tough photocurable resins, facilitating their use in structural simulation and engineering design applications involving additive manufacturing

Questa tesi indaga il comportamento meccanico a grande deformazione e la modellazione costitutiva di una resina commerciale fotopolimerizzata in vasca — Anycubic Tough Resin Ultra — sottoposta a diverse velocità di deformazione e temperature. È stata condotta una serie di prove sperimentali, tra cui trazione e compressione uniaxiale, rilassamento degli sforzi e cicli di carico, in differenti condizioni termiche, che hanno rivelato una marcata viscoelasticità, una dipendenza dalla pressione idrostatica e un evidente effetto Mullins. A partire da modelli fondamentali come Bergström–Boyce e il Three-Network framework, sono stati valutati quattro modelli costitutivi: Ansys Bergström–Boyce, Ansys Three Network, Abaqus PRF e PolyUMod Three Network Viscoplastic (TNV). Tra questi, il modello PolyUMod TNV con effetto Mullins ha mostrato la migliore accuratezza complessiva nel riprodurre i cicli di isteresi, la deformazione residua e l’indurimento da deformazione. I parametri dipendenti dalla temperatura sono stati ricavati in punti discreti e interpolati utilizzando l'infrastruttura multi-temperatura di PolyUMod. Il modello calibrato è stato implementato in LS-DYNA e validato tramite simulazioni numeriche di carichi monotoni e ciclici in trazione, compressione e flessione a tre punti. I risultati numerici hanno mostrato un buon accordo con i dati sperimentali, confermando la robustezza del modello in un ampio range di condizioni. Questo lavoro fornisce un modello costitutivo calibrato, fisicamente coerente ed efficiente dal punto di vista numerico per resine fotopolimeriche ad alte prestazioni, facilitandone l’utilizzo nella simulazione strutturale e nella progettazione ingegneristica nel contesto della manifattura additiva.

Constitutive modeling of 3D printed tough resin

Zhou, Yongcun
2024/2025

Abstract

This thesis investigates the large-deformation mechanical behaviour and constitutive modelling of a commercial vat-photopolymerized resin—Anycubic Tough Resin Ultra—under varying strain rates and temperatures. A series of uniaxial tension and compression, stress relaxation, and cyclic loading experiments were conducted across multiple thermal conditions, revealing significant viscoelasticity, hydrostatic pressure dependence and Mullins effect. Fracture surface analysis indicated that the material predominantly operates in the glassy state, exhibiting nonlinear viscoelasticity with limited plasticity. Building upon foundational models such as the Bergström–Boyce and Three-Network frameworks, four constitutive models were evaluated, including the Ansys Bergström–Boyce, Ansys Three Network model, Abaqus PRF, and the PolyUMod Three Network Viscoplastic (TNV) model. Among these, the PolyUMod TNV model with Mullins effect exhibited the best overall accuracy in capturing hysteresis loops, residual strain, and strain hardening. Temperature-dependent parameters were extracted at discrete points and interpolated using PolyUMod multi-temperature framework. The calibrated model was implemented in LS-DYNA and validated through numerical simulations of cyclic and monotonic loading both in tension, compression and Three points bending. The simulation results showed good agreement with experimental data, confirming the model’s robustness across a range of conditions. This work provides a calibrated, physically-consistent, and numerically efficient material model for tough photocurable resins, facilitating their use in structural simulation and engineering design applications involving additive manufacturing
OMEDE, BIANCA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2025
2024/2025
Questa tesi indaga il comportamento meccanico a grande deformazione e la modellazione costitutiva di una resina commerciale fotopolimerizzata in vasca — Anycubic Tough Resin Ultra — sottoposta a diverse velocità di deformazione e temperature. È stata condotta una serie di prove sperimentali, tra cui trazione e compressione uniaxiale, rilassamento degli sforzi e cicli di carico, in differenti condizioni termiche, che hanno rivelato una marcata viscoelasticità, una dipendenza dalla pressione idrostatica e un evidente effetto Mullins. A partire da modelli fondamentali come Bergström–Boyce e il Three-Network framework, sono stati valutati quattro modelli costitutivi: Ansys Bergström–Boyce, Ansys Three Network, Abaqus PRF e PolyUMod Three Network Viscoplastic (TNV). Tra questi, il modello PolyUMod TNV con effetto Mullins ha mostrato la migliore accuratezza complessiva nel riprodurre i cicli di isteresi, la deformazione residua e l’indurimento da deformazione. I parametri dipendenti dalla temperatura sono stati ricavati in punti discreti e interpolati utilizzando l'infrastruttura multi-temperatura di PolyUMod. Il modello calibrato è stato implementato in LS-DYNA e validato tramite simulazioni numeriche di carichi monotoni e ciclici in trazione, compressione e flessione a tre punti. I risultati numerici hanno mostrato un buon accordo con i dati sperimentali, confermando la robustezza del modello in un ampio range di condizioni. Questo lavoro fornisce un modello costitutivo calibrato, fisicamente coerente ed efficiente dal punto di vista numerico per resine fotopolimeriche ad alte prestazioni, facilitandone l’utilizzo nella simulazione strutturale e nella progettazione ingegneristica nel contesto della manifattura additiva.
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