Mechanical behaviour of structured joints in 3D printed composite components: experimental, analytical and numerical study

Abstract

Joining mechanisms become specially relevant in structures where multiple parts are involved, for instance in the automotive or the aerospace sectors. Hence, the efficiency of these connections, which generally correspond to the weakest component of the system in many problems, can determine the performance, the resistance and the integrity of the whole structure. The development of high strength-to-weight ratio materials such as the Fibre-Reinforced Polymers (FRPs) leaded to the extensive use of the adhesive joints at the expense of mechanical fasteners like rivets or bolts due to the some advantages such as a superior fatigue life, lightweight or multi-material assemblies, among others. Additionally, novel strategies regarding the fiber-reinforced composite manufacturing have emerged with the advent of 3D printing techniques, which allows complex geometries to be produced. This freedom of design can be skilfully exploited to create more efficient joints and to increase the overall structure performance. This thesis encompasses a careful investigation of the potential routes to enhance the fracture resistance in adhesively bonded joints in 3D printed fiber-reinforced composite parts by means of patterned or structured interfaces. That is, improvements of the mechanical properties are achieved by geometrically modifying the bondline during the crack propagation. Three different perspectives were envisaged herein: • Experimental: structured interfaces were manufactured in hybrid specimens, which include nylon and glass-fiber composite (GFC) laminates, employing Additive Layer Manufacturing (ALM). Specimens equipped with structured interfaces exhibiting different aspect ratios, i.e. the ratio between the amplitude and the wavelength of the geometrical pattern, were used in Double Cantilever Beam (DCB) tests in order to obtain empirical evidences of the fracture resistance improvement with respect to the baseline flat or straight configuration. • Analytical: a simplified semi-analytical method was developed in order to understand the fracture toughness enhancement with the aspect ratio of the pattern, as was obtained in the experimental campaign. Numerical: Finite Element (FE) models were developed to simulate the crack onset and propagation in the Double Cantilever Beam specimens with structured interfaces through the employment of cohesive elements along the interface region. These simulations allowed the fracture conditions to be understood more accurately. Moreover, a novel variable based on J-Integral was proposed to calculate the energy release rate regardless the interface geometry for the purpose of comparing properly the different patterns. Finally, the Linear Elastic Brittle Interface Model (LEBIM), a constitutive model to represent abrupt failure for delamination and debonding processes, was adapted to the finite displacement and rotation formulation by means of a user-defined routine in the FE code ABAQUS®. This brittle model was employed in various FE tests experiencing mixed-mode fracture conditions such as Mixed Mode Bending (MMB), End Notch Flexure (ENF), Horizontal Drum Peel (HDP) or hierarchical-structured interface Double Cantilever Beam tests.

Los sistemas de unión cobran especial relevancia en estructuras que involucran múltiples partes, por ejemplo en los sectores aeroespacial y automovilístico. Por tanto, la eficiencia de estas conexiones, que son la parte más débil de la estructura en muchos casos, pueden determinar el rendimiento, la resistencia y la integridad de toda la estructura. El desarrollo de materiales con un alto ratio resitencia-peso como los Polímeros Reforzados con Fibra (FRP, por sus siglas en inglés) ha conducido al uso extensivo de las uniones adhesivas a expensas de las uniones mecánicas, tales como remaches o pernos, debido a algunas ventajas como una mayor vida a fatiga, uniones más ligeras y multi-materiales, entre otras. Además, con la llegada de las técnicas de impresión 3D han surgido nuevas estrategias en relación con la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras, lo que permite producir geometrías complejas. Esta libertad de diseño puede ser explotada para crear uniones más eficientes y aumentar el rendimiento de toda la estructura. Esta tesis constituye una investigación exhaustiva para mejorar la resistencia a la fractura en uniones adhesivas de piezas de material compuesto reforzadas con fibra fabricadas mediante impresión 3D a través de interfases estructuradas o con patrones. Esto es, las mejoras en las propiedades mecánicas se consiguen modificando geométricamente la línea de unión durante la propagación de la grieta. En este estudio se han contemplado tres perspectivas diferentes: • Experimental: se fabricaron interfases estructuradas en especímenes híbridos, que incluyen nylon y material compuesto de fibra de vidrio (GFC, por sus siglas en inglés), mediante Fabricación Aditiva (ALM, por sus siglas en inglés). Los especímenes que incluyen interfases estructuradas con diferentes ratios de aspecto, esto es, la relación entre la amplitud y la longitud de onda del patrón geométrico, han sido utilizados en ensayos de Doble Viga en Voladizo (DCB, por su siglas en inglés) para obtener evidencias empíricas de la variación de la resistencia a la fractura respecto de la configuración básica plana. • Analítica: se ha desarrollado un método simplificado para dar respuesta a la mejora de la resistencia a la fractura con la relación de aspecto de los patrones, como se ha demostrado en la campaña experimental. • Numérica: se han desarrollado modelos de Elementos Finitos (FE, por su siglas en inglés) para simular el inicio y la propagación de grieta en especímenes DCB con interfases estructuradas mediante la utilización de elementos cohesivos en la región de la interfase. Estas simulaciones permitieron un conocimiento más detallado de las condiciones de fractura. Además, se ha propuesto una nueva variable basada en la Integral J, apropiada para calcular la tasa de liberación de energía independientemente de la geometría de la interfase, para comparar adecuadamente diferentes patrones. Finalmente, el Modelo de Interfase Elástica Lineal Frágil (LEBIM, por sus siglas en inglés), un modelo constitutivo para representar fallos abruptos en delaminaciones y procesos de despegue, ha sido adaptado a la formulación de grandes desplazamientos y rotaciones mediante una subrutina de usuario en el código de elementos finitos ABAQUS®. Este modelo frágil ha sido empleado en varios modelos en los que se experimentan condiciones de fractura en modo mixto como los ensayos Mixed Mode Bending (MMB), End Notch Flexure (ENF), Horizontal Drum Peel (HDP) o DCB con interfases estructuradas jerarquizadas.