Progressive Failure Analysis of FFF Additively Manufactured Parts

Abstract

Las piezas fabricadas por adición mediante la fabricación de filamentos fundidos (FFF) tienen una estructura laminada con filamentos impresos en diferentes direcciones. Su comportamiento mecánico se puede modelar con la teoría clásica de laminación (CLT). Como resultado del método de procesamiento, las piezas son anisótropas con mayor resistencia en la dirección de sus filamentos. En este trabajo se simuló la respuesta de piezas con filamentos multidireccionales bajo cargas uniaxiales y biaxiales. Los resultados evidencian que la mayoría de las piezas experimentan un fallo repentino. Dado que la resistencia en la primera y segunda dirección principal es de la misma magnitud, una vez que las capas más débiles se rompen, toda la estructura falla. El fallo progresivo sólo se observará cuando las capas restantes puedan sostener la carga por sí mismas. En el caso de las cargas biaxiales, la alineación de los filamentos con la dirección principal de la carga externa no logra las partes más fuertes, como en el caso de los materiales compuestos. Esta diferencia se debe a la rigidez de las piezas impresas, ya que al ser una propiedad isotrópica no cambia la rigidez al variar la orientación de los filamentos. Es mejor alinearlos con el componente más alto de la carga externa. Además, una interacción de refuerzo entre las tensiones puede hacer que las partes soporten cargas más altas. Adicionalmente, una superficie de fallo se caracterizó con un criterio basado en un tensor de resistencia considerando la interacción entre tensiones.

Additive manufactured parts via Fused Filament Fabrication (FFF) have a layered structure with filaments printed in different directions. The classical lamination theory (CLT) can be used to model their mechanical performance. As a result of the processing method, the parts are anisotropic with higher strength in the direction of their filaments. The response of multidirectional laminates under uniaxial and biaxial loads was simulated in this work. The results evidence that parts are likely to experience sudden failure. Since the strength in the first and second principal directions are of the same magnitude, once the weaker layers break, the whole structure fails. Progressive failure will only be observed when the remaining layers can hold the load by their own. For biaxial loads, aligning the filaments with the principal direction of the external load does not achieve the strongest parts, as it was the case for composites. This difference is due to the stiffness in printed parts, as it is isotropic there is no stiffening effect from varying the orientation. It is better to align the filaments with the highest component of the load. Moreover, a strengthening interaction between the stresses can make the parts hold higher loads. In addition, a failure surface was characterized with a strength tensor-based criterion with stress interaction.