Fatigue resistance of composites by 3D printing for aeronautical application

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaO fabrico aditivo tem várias vantagens comparativamente aos processos de fabrico convencionais. No entanto, em particular para a tecnologia fabrico por filamento fundido (FFF), existem ainda desvantagens que impedem a sua utilização em aplicações estruturais, nomeadamente as fracas propriedades mecânicas. O uso de compósitos é uma estratégia utilizada para mitigar essas desvantagens, para além das suas interessantes propriedades, como boa resistência mecânica e baixo peso.Existem já alguns estudos sobre compósitos fabricados por FFF, mas esses ainda não são suficientes para estabelecer um conhecimento aprofundado sobre os materiais produzidos por esta técnica. Exemplo disto é a resposta à fadiga, fenómeno de grande importância devido ao elevado número de falhas que provoca. Desses estudos, apenas parte é sobre fibras curtas, não existindo nenhum sobre compósitos híbridos envolvendo grafeno.Assim, este estudo avaliou o comportamento à fadiga de dois tipos de provetes distintos produzidos por FFF, um com lay-up quasi-isotropic e outro com lay-up concêntrico, de um compósito com matriz HIPS reforçado com fibras de carbono curtas e grafeno. Realizaram-se ensaios de tração e de fadiga com uma razão de tensões de 0,05, avaliando-se a influência da frequência no número de ciclos até à rotura e no aumento de temperatura. Analisaram-se os ciclos de histerese, a energia associada aos mesmos e a perda de rigidez em fadiga de curta duração para avaliação da propagação de dano. Finalmente, utilizou-se um modelo energético para previsão da vida à fadiga e recorreu-se a imagens SEM para avaliar os modos de dano.Verificou-se com este estudo o efeito da orientação dos filamentos e da porosidade interna nas propriedades mecânicas dos componentes, sendo a resistência mecânica maximizada quando os filamentos depositados têm todos a direção da carga. O compósito estudado é influenciado pela frequência, devido à natureza viscoelástica da matriz. Nota-se um aumento da temperatura com o aumento da frequência, e a diminuição da vida para frequências abaixo dos 5 Hz. O comportamento à fadiga do material é bilinear, sendo este governado principalmente pela fluência para cargas elevadas e propagação de fendas de fadiga para cargas baixas. Foi possível obter uma curva semelhante à S-N com o modelo energético, mas este não permitiu sobrepor as curvas para ensaios a diferentes frequências, como pretendido.Additive manufacturing has many advantages over conventional manufacturing methods. However, in particular for the fused filament fabrication technology (FFF), there are still disadvantages that hinder its usage for structural applications, like its weak mechanical properties. The usage of composites is a common strategy to mitigate those disadvantages, in addition to its interesting proprieties like good mechanical resistance and light weight. Some studies about composites manufactured by FFF already exist, but they still aren´t enough to establish a profound knowledge about the materials produced by this technic. An example of this is the response to fatigue, a very important phenomenon due to the high number of failures it is responsible for. From these studies, only a part is about short fibers, and none are about hybrid composites involving graphene.Therefore, the fatigue behavior of two types of samples produced by FFF, one with quasi-isotropic lay-up and another with concentric lay-up, using a HIPS matrix composite reinforced with short carbon fibers and graphene, was evaluated. Tensile and fatigue tests with a stress ratio of 0,05 were performed, assessing the influence of frequency on the number of cycles to failure and the increase in temperature. The hysteresis cycles, their energy and the loss of stiffness in low cycle fatigue were analyzed to evaluate the damage propagation. Finally, an energy model was used for fatigue life prediction and SEM imaging was used to evaluate the damage modes.With this study the effect of filament orientation and the internal porosity on the mechanical properties of the components was verified, being the mechanical resistance maximized when all filaments have the same direction as the load. The studied composite is influenced by frequency, due to the viscoelastic nature of the matrix. A rise in temperature with the increase of frequency is noticeable, as well as a decrease in fatigue life for frequencies bellow 5 Hz. The fatigue behavior of the material is bi-linear, being this mostly governed by creep in high loads, and fatigue crack propagation for low loads. A similar S-N curve was possible to obtain with the energetic model, but this did not allow an overlap for tests at different frequencies, as intended