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Phase-field Modeling of Fracture in Additively Manufactured Thermoplastic parts

Olivier Lampron

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

By relying on material addition rather than subtraction, additive manufacturing (AM) allows for a rapid design-to-production process of parts with complex geometry. In a global context where industries are trying to achieve carbon neutrality, the combination of high-performance materials such as fiber-reinforced composites with AM could allow the production of efficient multifunctional structural components. Fused filament fabrication (FFF) is currently the most popular AM process to produce thermoplastic parts. Relying on the extrusion and deposition of a molten filament in successive layers, FFF is often adopted for its simplicity, versatility, and wide range of compatible materials. However, and inherent to their layered nature, FFF parts exhibit a complex mechanical behavior. For FFF parts to be used safely by industries, numerical tools able to predict their failure must be developed. In this thesis, a phase-field fracture model (PFM) is proposed to predict the fracture behavior of thermoplastic FFF parts. The main contributions are three-fold. First, since PFMs suffer from a high computational cost, two new solvers consisting respectively of a modified Newton method and a modified quasi-monolithic scheme were developed. Benchmarking showed that the modified Newton solver was up to 12 times more computationally efficient than the commonly adopted staggered algorithm. Second, the non-isotropic tensile and fracture behavior of unidirectional FFF parts were characterized. Tensile tests on dogbone specimens and fracture tests on single-edge notched bending (SENB) specimens printed at numerous build angles allowed to characterize the stiffness, strength, and toughness of the printed material as a function of the material orientation. Additionally, microscopic digital image correlation and scanning electron microscopy (SEM) fractography were performed to characterize the underlying failure mechanisms. Third, a phase-field fracture model combining anisotropic stiffness degradation and cohesive softening was formulated specifically for FFF parts. The model predictions were compared against fracture tests on FFF SENB and modified CT specimens. The comparison showed that the proposed PFM can accurately capture the failure behavior of FFF parts. Since it relies on the hypothesis of quasi-brittle and quasi-static fracture, the accuracy of the proposed model is limited when applied to problems featuring large plastic deformation or fast propagating cracks. Additionally, experimental validation was performed only for unidirectional FFF polylactic acid (PLA) parts featuring a 100% infill density. Nevertheless, the proposed PFM could help engineers to predict the failure location and load of FFF parts, allowing for their faster and safer development.

Résumé

En reposant sur l'ajout de matière plutôt que sur le retrait, la fabrication additive (FA) permet le développement et la mise en production rapide de pièces géométriquement complexes. Dans un contexte mondial où de nombreuses industries cherchent à atteindre la carboneutralité, la combinaison de matériaux haute-performance avec la FA offre l'opportunité de produire des pièces multifonctionnelles et structurelles légères. La fabrication par filament fondu (FFF), qui consiste à extruder et déposer un filament fondu en couches successives, est actuellement le procédé de FA le plus populaire pour la production de pièces thermoplastiques. Toutefois, les pièces obtenues par FFF présentent un comportement mécanique complexe, intrinsèque à leur structure multicouche. Afin de permettre aux industries une utilisation sécuritaire de pièces produites par FFF, des modèles numériques capables de prédire la défaillance de ces pièces doivent être développés. Dans cette thèse, un modèle champ de phase (CP) est proposé afin de prédire la défaillance de pièces thermoplastiques produites par FFF. Pour atteindre cet objectif, deux nouveaux solveurs, utilisant respectivement une méthode de Newton modifiée et une méthode quasi monolithique modifiée, furent d'abord proposés afin d'accélérer le calcul de modèles CP. La comparaison sur plusieurs cas tests montre que la méthode de Newton modifiée est jusqu'à 12 fois plus rapide que la méthode alternée typiquement adoptée dans la littérature. Ensuite, le comportement non isotrope en tension et en rupture des pièces produites par FFF fut investigué expérimentalement. Des tests de tractions et de ruptures furent effectués sur des éprouvettes imprimées avec différents angles de déposition afin de mesurer leur rigidité, leur résistance ultime et leur ténacité en fonction de l'orientation du matériel. Finalement, un modèle CP utilisant une dégradation anisotrope et cohésive fut développé spécifiquement pour les pièces produites par FFF. Les prédictions du modèle furent comparées avec des résultats expérimentaux de fracture sur des éprouvettes de flexion trois-points et des éprouvettes de type CT modifié. La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que le modèle CP proposé prédit de manière précise leur rupture. La précision du modèle proposé est réduite dans des cas comportant une large déformation plastique ou une propagation rapide puisque ce dernier repose sur des hypothèses de rupture quasi fragile et quasi statique. De plus, la validation expérimentale fut limitée à des pièces en acide polylactique (PLA) avec des couches unidirectionnelles et denses à 100%. Néanmoins, le modèle proposé pourrait être utilisé afin d'estimer l'endroit et la charge de défaillance de pièces produites par FFF, permettant leur développement de manière rapide et sécuritaire.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Martin Lévesque and Daniel Therriault
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/54135/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 13 Nov 2023 11:14
Last Modified: 07 Apr 2024 17:53
Cite in APA 7: Lampron, O. (2023). Phase-field Modeling of Fracture in Additively Manufactured Thermoplastic parts [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/54135/

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