Micro-scale modelling of large scale CFRP 3D printing

La manifattura additiva di grandi dimensioni (LAAM - Large Area Additive Manufacturing) di polimeri rinforzati con fibre corte (SFRP) rappresenta una tecnologia emergente per la produzione di componenti strutturali su larga scala. Tuttavia, la sua adozione a livello industriale è ostacolata dall’anisotropia intrinseca del materiale e dalla mancanza di metodologie standardizzate che colleghino i parametri di processo all’integrità strutturale finale. La ricerca attuale rimane spesso frammentata in domini isolati, concentrandosi esclusivamente sulla fluidodinamica o sull’analisi strutturale con ipotesi microstrutturali semplificate. Questa tesi colma queste lacune stabilendo un flusso di lavoro unificato per la caratterizzazione virtuale dei compositi stampati, collegando direttamente la storia termomeccanica di produzione alle prestazioni meccaniche su microscala. Lo studio adotta una strategia in due fasi. Inizialmente, impiega un approccio di fluidodinamica computazionale (CFD) tridimensionale su una matrice polimerica pura per isolare e simulare i complessi fenomeni reologici che si verificano durante l’estrusione e la deposizione. Successivamente, i gradienti di velocità estratti dal CFD vengono utilizzati per calcolare l’evoluzione dell’orientazione delle fibre di carbonio lungo le linee di flusso, impiegando il modello avanzato pARD-RSC (principal Anisotropic Rotary Diffusion con Reduced Strain Closure). I dati spaziali del tensore di orientazione fungono poi da input per un’analisi di omogeneizzazione micromecanica. Attraverso un framework automatizzato, il profilo delle fibre viene mappato in un Volume Elementare Rappresentativo (RVE) all’interno di un ambiente basato sul Metodo degli Elementi Finiti (FEM), consentendo una stima accurata della rigidezza e delle proprietà elastiche del cordone. I risultati dimostrano che il modello 3D proposto cattura caratteristiche di flusso complesse, come il die swell che viene spesso trascurato dalle tradizionali approssimazioni 2D. Inoltre, lo studio parametrico sui regimi di deposizione a livello di microscala (regimi di Push e Pull) ha dimostrato come sia il fattore dominante nel determinare l’anisotropia finale. Se da un lato la validazione preliminare conferma l’accuratezza di una parte del modello CFD e del campo termico dell’ugello, dall’altro si osservano ancora deviazioni geometriche nella forma finale dei cordoni rispetto ai test sperimentali. Questa tesi rappresenta pertanto il primo step di un framework modellistico multi-scala in via di sviluppo.

Large Area Additive Manufacturing (LAAM) of Short Fiber Reinforced Polymers (SFRP) represents an emerging technology for the production of large-scale structural components. However, its industrial adoption is hindered by the intrinsic anisotropy of the material and the lack of standardized methodologies linking process parameters to final structural integrity. Current research often remains fragmented into isolated domains, focusing solely on fluid dynamics or structural analysis with simplified microstructural assumptions. This thesis bridges these gaps by establishing a unified workflow for the virtual characterization of printed composites, directly linking the thermomechanical manufacturing history to micro-scale mechanical performances. The study adopts a two-step strategy. Initially, it employs a three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) approach on a neat polymer matrix to isolate and simulate the complex rheological phenomena occuring during extrusion and deposition. Subsequently, the velocity gradients extracted from the CFD are used to solve the evolution of carbon fiber orientation along the flow streamlines, employing the advanced principal Anisotropic Rotary Diffusion model with Reduced Strain Closure (pARD-RSC). The spatial data of the orientation tensor then serves as input for a micromechanical homogenization analysis. Through an automated framework, the fiber profile is mapped into a Representative Volume Element (RVE) within a Finite Element Method (FEM) environment, allowing for the accurate estimation of the bead’s stiffness and elastic properties. The results demonstrate that the proposed 3D model captures complex flow features, such as die swell and chaotic reorientation on the build plate, which are often neglected by traditional 2D approximations. Furthermore, the parametric study on deposition regimes micro-scale (Push vs. Pull regimes) resulted as the dominant factor determining the final anisotropy. While preliminary validation confirms the accuracy of a portion of the CFD model and the nozzle temperature field, geometric deviations in the final bead shapes are still observed compared to experimental tests. This thesis represents the first step of an evolving multi-scale modeling framework.