Višerazinsko modeliranje ponašanja aditivno proizvedenih kompozitnih materijala : doktorska disertacija

Aditivna proizvodnja je proces izrade predmeta uzastopnim nanošenjem čestica u tankim slojevima na temelju trodimenzionalnih modela izrađenih pomoću računalnih CAD programa. Premda se postupci aditivne proizvodnje najviše koriste kod izrade prototipa u istraživanju i razvoju novih proizvoda, usvajanjem ojačanih materijala u procesu taložnog srašćivanja omogućeno je proširenje njihove primjene kod geometrijski kompleksnih te kompozita visokih performansi u inženjerskoj praksi. Međutim, pokazalo se da proces taložnog srašćivanja također uzrokuje nepravilnosti poput praznina te nekonzistentnosti distribucije ojačanja, što dovodi do oslabljenja kontaktnih zona, iz čega proizlazi smanjena nosivost aditivno proizvedenih komponenata u usporedbi s njihovim konvencionalnim ekvivalentima. Stoga je u cilju interpretacije ponašanja takvih materijala, u ovoj disertaciji provedena sustavna analiza trenutnih tehnoloških dostignuća u procesima aditivne proizvodnje i mehanike kompozita, na temelju čega je usvojen višerazinski pristup modeliranja ponašanja materijala. Proces višerazinskog modeliranja je obuhvatio mikroskopsku analizu materijala na temelju čijih su rezultata modelirani reprezentativni volumni elementi te numerički homogenizirani i uspoređeni s rezultatima standardiziranih eksperimentalnih ispitivanja uslijed uzdužnog i poprečnog vlačnog, te smičnog opterećenja. Dobiveni su rezultati korišteni u modeliranju oštećivanja materijala, pri čemu su parametri materijalnog modela kalibrirani i validirani na temelju eksperimentalnih rezultata ispitivanja višesmjerno ojačanih laminata. Ispitivanje mikrostrukture je provedeno na tri primjera aditivno proizvedenih kompozita ojačanih kontinuiranim ugljičnim, staklenim te aramidnim vlaknima. Uzorci su proizvedeni metodom taložnog srašćivanja koristeći 3D tisak Markforged-X7, dok je mikrostruktura materijala snimana u više poprečnih presjeka koristeći SEM uređaj. Snimke su analizirane pomoću algoritama strojnog učenja, a rezultati su statistički obrađeni i uspoređeni s dostupnim podacima iz literature te korišteni u svrhu modeliranja reprezentativni volumnih elemenata. Postupak mikromehaničke homogenizacije je automatiziran primjenom Abaqus CAD softveru koristeći programski jezik Python, pri čemu su materijalni modeli matrice i ojačanja usvojeni iz literature, dok su svojstva kohezivnih kontakata između uključaka kalibrirana sukladno odzivu ispitivanih materijala. Potvrdivši usklađenost rezultata eksperimentalnih ispitivanja te numeričkih rezultata homogenizacije na primjerima uzdužnog i poprečnog vlačnog te ravninskog smičnog opterećenja, istraživanje je prošireno na ispitivanje višesmjerno ojačanih aditivno proizvedenih laminata ojačanih ugljičnim vlaknima s kružnim koncentratorom naprezanja, dok su usvajanjem specifičnih redoslijeda slaganja slojeva uzrokovana višeosna stanja ravninskog naprezanja tijekom jednoosnih vlačnih opterećenja. Digitalni ekvivalenti višesmjerno ojačanih ispitnih uzoraka su također modelirani koristeći Abaqus CAD softver, dok su za njihov konstitutivni odziv usvojeni principi mehanike kontinuuma i Puck-ova teorija oštećivanja materijala te implementirani pomoću UMAT subrutine. U svrhu interpretacije utjecaja smičnih opterećenja na oštećenje višesmjerno ojačanih aditivno proizvedenih kompozitnih laminata provedena je modifikacija i kalibracija Puck-ovog modela prema eksperimentalnim rezultatima koristeći algoritme više-parametarskog centralnog kompozitnog dizajna eksperimenata. Numerički rezultati su eksperimentalno validirani te uspoređeni s rezultatima sličnih modela oštećivanja dostupnim u Abaqus CAE softveru te originalnim Puck-ovim modelom preuzetim iz literature. Analiza je pokazala značajan utjecaj smičnih naprezanja na oštećivanje višesmjerno ojačanih aditivno proizvedenih kompozitnih materijala te pozitivan utjecaj usvojenih modifikacija kod analiziranih slučajeva. Provedeno istraživanje pruža značajan znanstveni doprinos u područjima aditivne proizvodnje i znanosti o materijalima predlažući višerazinski protokol identifikacije svojstava heterogenih i anizotropnih kompozitnih materijala proizvedenih aditivnom tehnologijom na temelju mikroskopskih snimaka te modifikaciju i kalibraciju konstitutivnih modela u svrhu preciznijeg izračuna njihovog oštećenja i sigurnije uporabe aditivne tehnologije u inženjerskoj praksi.Additive manufacturing is a process of joining material in successive layers in order to make objects from three-dimensional model data. Due to its versatility, the technology has initially been used only for rapid prototyping in research and development. However, recent improvements by introducing various types of reinforcing constituents in the fused deposition process expanded its application to geometrically complex, lightweight, and durable composites in engineering practice. However, the main drawbacks of this approach are weakened intralaminar and interlaminar contact zones due to successive material deposition followed by reinforcement distribution irregularities and voids. Consequently, these deficiencies lead to the overall reduction of loadbearing capabilities in additively manufactured composites in comparison to their traditionally manufactured counterparts. Therefore, to model this behaviour, a systematic analysis of the state-of-the-art in additive manufacturing and composite material mechanics was conducted in this thesis, based on which a multiscale modelling approach was proposed. It starts with microstructural analysis based on homogenized representative volume elements designed according to microscopic inspections, followed by unidirectional and shear lamina properties identification through standardized destructive testing, while concluding with damage model calibration and validation on multidirectionally reinforced laminates. The microstructural investigation has been conducted on three distinctive cases of additively manufactured composites reinforced with continuous carbon, glass, and aramid fibers, respectively. The specimens have been produced using a Markforged-X7 3D printer utilizing a fused filament fabrication approach, while the microstructures have been inspected using SEM in cross-sections longitudinal and perpendicular to the fiber direction. The SEM images have been examined using machine-learning algorithms while the acquired results have been statistically analysed and compared with the relevant literature. The acquired data has been adopted to generate a representative volume element in Abaqus CAE environment for each of the test cases. The homogenization has been conducted using python scripting by adopting each of the constituent’s constitutive models from the literature, while the cohesive interactions between the constituents have been calibrated according to the experimentally acquired data, acquiring good agreement between the experimental and numerical homogenization results for longitudinal, transversal, and in-plane shear behaviour. Consequently, further analysis of multidirectinally reinforced laminates on the macroscale has been proposed. Therefore, three distinctive cases of additively manufactured carbon fiber reinforced laminates have been designed as standardized open-hole specimens, with the selection of lamina stacking sequences that enforce in-plane multiaxial stress state during uniaxial tensile loads. Subsequently, digital twins have been designed within the Abaqus CAE environment while the laminate constitutive behaviour has been described with a continuum damage model utilizing Puck failure theory implemented in the Abaqus CAE framework through the UMAT Fortran subroutine. The model has been modified for a better description of shear-influenced damage in AM composites and calibrated on a specific test case using response-surface algorithms of multiparametric central composite design of experiments. The results have been validated experimentally and compared with other damage models, confirming the significant influence of shear stress on the failure of AM composites which has been accounted for by the proposed modifications. The performed research provides a significant scientific contribution to the field of additive manufacturing and material science, proposing a multiscale protocol for the identification of material properties in heterogenic and anisotropic composites produced by additive manufacturing, and the modification of failure criteria for a more accurate damage prediction and safer application of additive manufacturing technologies in engineering practice