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Characterization of the multiscale fracture mechanics of short fiber-reinforced composites manufactured by fused filament fabrication

Alessandra Lingua

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Fused filament fabrication (FFF) of short fiber-reinforced composites delivers complex custom parts with relatively high specific mechanical properties, targeted in fields spanning from the aerospace to the biomedical ones. However, the extrusion process and the embedment of chopped fibers within a polymer matrix introduce multiscale features, such as weakly bonded filament interfaces, interfilament and intrafilament porosities, and fiber-matrix interfaces, that could lead to premature failure under loading. Moreover, the selective deposition of a molten thermoplastic filament and the fiber alignment along a preferential direction deliver anisotropic parts with heterogeneous mechanical properties. The local features (e.g., porosity, interfaces), the deposition strategy, and the printing path drive the damage nucleation and propagation in composites manufactured by FFF under loading and determine their anisotropic elastic and fracture properties. Therefore, it is essential to develop characterization approaches to identify the local damage mechanisms under loading and study the multiscale fracture behavior of composites made by FFF to manufacture reliable structural components.

A multiscale approach to study the architecture-based fracture mechanics of polymers and composites manufactured by FFF is proposed. I combined standard ASTM tests with contactless, imaging-based techniques and post-mortem fractography (e.g., optical microscopy, scanning electron microscopy) to relate the local damage propagation mechanisms to the observed elastic and fracture behaviors.

First, I developed a contactless characterization technique to study the mesoscale interlayer delamination of polymers and composites manufactured by FFF. The approach based on microstereoscopic digital image correlation (DIC) delivered full-field measurements at the crack tip over a region of interest on the specimen surface of ~ 5 x 4 mm2. The displacements and strain fields heterogeneities highlighted the local failure mechanisms (e.g., crazing, interface delamination) for specimens with different layer stackings (0° and 0°- 90°). I validated the approach by testing polylactic acid (PLA) specimens under mode I failure. Optical and scanning electron microscopy further emphasized the influence of the interfaces and layer stacking on the damage nucleation and propagation under loading.

Subsequently, I combined the developed microstereoscopic DIC-based approach with standard tensile and bending testing and X-ray tomography to investigate the multiscale fracture behavior of short carbon fiber-reinforced polyetheretherketone (PEEK) manufactured by FFF. The multiscale characterization highlighted the fracture toughness dependence on the layer stacking (0°, 0°- 90°, 90°), degree of anisotropy, and crack path, and the equivalent fracture energy involved in the failure of filaments and layer interfaces. Moreover, the contactless measurements emphasized the preferential crack propagation along filament and layer interfaces due to the stress concentration under loading where mesoscale porosity intensifies.

Résumé

La fabrication par filament fondu (FFF) de composites renforcés par des fibres courtes permet d'obtenir des pièces personnalisées complexes présentant des propriétés mécaniques spécifiques relativement élevées, ciblées dans des domaines allant de l'aérospatiale au biomédical. Cependant, le processus d'extrusion et l'incorporation de fibres coupées dans une matrice polymère introduisent des caractéristiques multi-échelles, telles que des interfaces entre filaments faiblement soudées, des porosités interfilamentaires et intrafilamentaires, et des interfaces fibre-matrice, qui pourraient mener à une défaillance prématurée sous l'effet d'une charge. En outre, le dépôt sélectif d'un filament thermoplastique fondu et l'alignement des fibres le long d'une direction préférentielle produisent des pièces anisotropes présentant des propriétés mécaniques hétérogènes.

Les caractéristiques locales (porosité, interfaces), la stratégie de dépôt, et la trajectoire d'impression déterminent l'endommagement et la propagation de fissure dans les composites fabriqués par FFF sous charge et déterminent leurs propriétés anisotropes d'élasticité et de rupture.

Il est donc essentiel de développer des approches de caractérisation pour identifier les mécanismes de dommages locaux sous charge et d'étudier le comportement à la rupture à plusieurs échelles des composites fabriqués par FFF afin de fabriquer des composants structurels fiables.

Nous avons proposé une approche multi-échelle pour étudier la mécanique de la rupture basée sur l'architecture des polymères et des composites fabriqués par FFF. Nous avons combiné des essais ASTM standard avec des techniques sans contact, basées sur l'imagerie et la fractographie post-mortem (e.g., microscopie optique, microscopie électronique à balayage) pour relier les mécanismes d'endommagement locaux aux comportements élastiques et à la rupture observés.

Tout d'abord, nous avons développé une technique de caractérisation sans contact pour étudier la délamination inter-couches à méso-échelle des polymères et des composites fabriqués par FFF. L'approche basée sur la corrélation d'images (DIC) microstéréoscopique fournit des mesures plein champ à la fissure dans une région d'intérêt sur la surface de l'échantillon de ~ 5 x 4 mm2. Les hétérogénéités des champs de déplacement et de déformation ont souligné les mécanismes de défaillance locaux (e.g., fissuration, délamination de l'interface) pour les échantillons avec différents empilements de couches (0° et 0°- 90°). Nous avons validé l'approche en testant des spécimens d'acide polylactique (PLA) en mode I de rupture. La microscopie optique et électronique à balayage a permis de mettre en évidence l'influence des interfaces et de l'empilement des couches sur la nucléation et la propagation de l'endommagement sous charge.

Par la suite, nous avons combiné l'approche microstereoscopique DIC développée avec des essais de traction et de flexion standard et la tomographie à rayons X pour étudier le comportement de rupture à plusieurs échelles d'un polyétherétherkétone (PEEK) renforcé par des fibres courtes de carbone et fabriqué par FFF. La caractérisation multi-échelle a mis en évidence la dépendance de la ténacité à l'empilement des couches (0°, 0°- 90°, 90°), au degré d'anisotropie et au chemin de la fissure, ainsi qu'à l'énergie de rupture équivalente impliquée dans la rupture des filaments et des interfaces des couches. En outre, les mesures sans contact ont mis en évidence la propagation préférentielle des fissures le long des interfaces des couches et filaments, en raison de la concentration des contraintes sous charge là où la porosité méso-échelle s'intensifie

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Martin Lévesque and Daniel Therriault
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53375/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 27 Sep 2023 14:24
Last Modified: 07 Apr 2024 17:50
Cite in APA 7: Lingua, A. (2023). Characterization of the multiscale fracture mechanics of short fiber-reinforced composites manufactured by fused filament fabrication [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53375/

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