Analysis of the fracture properties of additively manufactured carbon fiber reinforced thermoplastic composites

Abstract

ENG- The primary objective of this thesis was to experimentally determine the elastic in-plane mechanical properties and interlaminar fracture toughness in modes I and II of Markforged® continuous Carbon Fiber reinforced PolyAmide (CF/PA) composites. Prismatic samples with paper end tabs yielded the best results for in-plane properties. For mode I fracture toughness, thin and thick specimens were tested, with thin specimens showing stable crack propagation and lower toughness values compared to mode II. This aligns with traditional FRP composites but contradicts previous literature. The second part of the thesis involved analyzing mode I interlaminar fracture toughness in multidirectional specimens using numerical simulations to prevent matrix tensile failure and crack jumping. Finite Element (FE) simulations guided the design based on interfacial angles, confirmed by experimental tests. Results showed that interface layer orientations affected toughness initiation and propagation, though variability made trends difficult to establish. The third part analyzed mixed-mode I/II interlaminar fracture toughness using the Mixed Mode Bending (MMB) test for 25%, 50%, and 75% ratios. While the 50% ratio values fell between mode I and II, the 25% and 75% ratios did not follow the expected trend. Fractographic analysis indicated no fabrication or testing errors, yet no logical explanation for these results could be established

CAT- L'objectiu principal d'aquesta tesi era determinar experimentalment les propietats mecàniques elàstiques en el pla i la tenacitat a la fractura interlaminar en els modes I i II de compostos de PoliAmida reforçats amb Fibra de Carboni contínua (CF/PA) Markforged®. Les mostres prismàtiques amb pestanyes de paper van obtenir els millors resultats per a les propietats en el pla. Per a la tenacitat a la fractura en mode I, es van provar mostres primes i gruixudes, i les mostres primes van mostrar una propagació estable de l'esquerda i valors de tenacitat més baixos en comparació amb el mode II. Això s'alinea amb els compostos FRP tradicionals però contradiu la literatura anterior. La segona part de la tesi va implicar l'anàlisi de la tenacitat a la fractura interlaminar en mode I en mostres multidireccionals mitjançant simulacions numèriques per evitar la fallada per tracció de la matriu i el salt de l'esquerda. Les simulacions d'elements finits (FE) van guiar el disseny basat en els angles interfacials, confirmats per proves experimentals. Els resultats van mostrar que les orientacions de les capes interfacials afectaven la iniciació i propagació de la tenacitat, tot i que la variabilitat feia difícil establir tendències clares. La tercera part va analitzar la tenacitat a la fractura interlaminar en mode mixt I/II utilitzant la prova de flexió en mode mixt (MMB) per a proporcions de 25%, 50% i 75%. Mentre que els valors per a la proporció del 50% es situaven entre els valors dels modes I i II, les proporcions del 25% i 75% no seguien la tendència esperada. L'anàlisi fractogràfica va indicar que no hi havia errors de fabricació o prova, però no es va poder establir una explicació lògica per a aquests resultats