Analysis and modeling of deformations induced by the extrusion of fiber-reinforced polymers

Abstract

Additive manufacturing via fused filament fabrication (FFF) enables the creation of geometrically complex components. Yet, its use in structural and semi‑structural applications remains limited by anisotropic mechanical response, defect sensitivity, and fabrication‑induced residual stresses that cause warpage and geometric inaccuracy. This dissertation investigates polylactic acid (PLA)- based materials manufactured by FFF, including neat and partially recycled PLA, continuously reinforced PLA, and short-fiber-reinforced composites, to develop an integrated experimental-computational methodology for evaluating mechanical efficiency and predicting process-induced distortion. The research object comprises the mechanical, thermal, viscoelastic, microstructural, and thermo‑mechanical characteristics of these materials. The dissertation develops a unified approach linking reinforcement strategy, material structure, thermal history, mechanical performance, and warpage behavior. The adopted methodology combines quasi‑static tensile and flexural testing, thermomechanical characterization, scanning electron microscopy, and finite-element simulations. Continuous aramid reinforcement developed in this study for FFF increases the load-bearing capacity of the tension specimens by 67%. Still, reinforcement efficiency was limited by toolpath continuity, interfacial defects, and the absence of in‑process fiber tensioning. Short‑fiber-reinforced composites exhibit distinct fiber‑type‑dependent behavior: carbon‑filled PLA increases stiffness, while wood‑filled PLA enhances crystallinity, stiffness retention near the glass‑transition temperature, toughness, and dimensional fidelity. Wood‑fiber reinforcement reduces edge warpage by 43% and carbon fiber by 14.3% under identical conditions. A staged thermo‑mechanical simulation framework is developed to model printing, cooling, and detachment, transferring residual stress and distortion fields into subsequent mechanical simulations. The ABAQUS model for neat PLA predicts warpage with an average error of 8.2–10.6%, whereas a Digimat workflow captures the deformation in short‑fiber-reinforced PLA with an error of 14.3–17.9%. The latter predictions were obtained for the first time. The dissertation consists of an introduction, three main chapters, general conclusions, and references. The First Chapter provides a literature review of FFF of reinforced polymers, including material combination and modeling strategies. The Second Chapter specifies the chosen materials, test program, and thermo mechanical modeling concept. The Third Chapter evaluates experimental and numerical results, integrating mechanical, thermal, microstructural, and simulation based findings. The General Conclusions summarize the dissertation work, which is supported by four publications, including three articles in Web of Science indexed journals with impact factors, and four conference presentations.

Polimerų 3D spausdinimas sudaro galimybę pritaikyti gamybą sudėtingos geometrijos objektams. Vis dėlto jų konstrukcinį pritaikymą riboja spausdintos medžiagos anizotropinės mechaninės savybės, gamybos metu susidarantys mikrostruktūros defektai ir liekamieji įtempiai, sukeliantys matmenų netikslumus bei formos iškraipymus. Šioje disertacijoje tiriamos 3D spausdintos polilaktido (PLA) medžiagos: grynasis ir dalinai perdirbtas PLA, ištisine aramido gija ir trumpais plaušais armuoti kompozitai. Tyrimo tikslas – sukurti kombinuotą eksperimentinę ir skaitmeninę metodiką, leidžiančią įvertinti armavimo efektyvumą ir numatyti gamybos metu atsirandančias liekamąsias deformacijas. Tyrimo objektas apima spausdintų PLA kompozitų termomechanines ir viskoelastines savybes bei terminio virsmo parametrai. Tyrimų metodika apima tempimo ir lenkimo bandymus, termomechaninių savybių tyrimus, skenuojančiąją elektroninę mikroskopiją ir baigtinių elementų modeliavimą. Sukurta ištisine aramido armuoto polilaktido gija pritaikyta 3D spausdinimo technologijai padidino tempiamųjų bandinių laikomąją galią 67 %, tačiau armavimo efektyvumą ribojo gijos išdėstymo netiesiškumas, sukibimo defektai ir įtempimo trūkumas 3D spausdinimo metu. Trumpais plaušais armuoti polimero kompozitai pasižymėjo skirtingu plaušų poveikiu: anglies plaušai didino kompozito standumą, o medienos plaušai – kristalizavimo laipsnį, standumą ties stiklinimo temperatūra, tąsumą ir matmenų pastovumą. Lyginant su grynuoju PLA, medienos plaušai sumažino bandinio kraštų išlinkį 43 %, o anglies plaušai – 14 %. Sukurtas kombinuotas baigtinių elementų modelis, kuriame termomechaninio uždavinio sprendimas pažingsniui atkuria 3D spausdinimo, aušinimo ir pačio objekto atskyrimo nuo gamybos platformos etapus. Gauti liekamųjų įtempių ir deformacijų pasiskirstymo laukai eksportuojami į mechaninį modelį. ABAQUS modeliavimo aplinkoje grynojo PLA išlinkis apskaičiuotas su 8,2–10,6 % vidutine paklaida, o Digimat aplinkoje sudarytas modelis nustato trumpais plaušais armuotų kompozitų deformacijas su 14,3–17,9 % paklaida. Toks modeliavimas trumpais plaušais armuotiems kompozitams atliktas pirmą kartą. Disertaciją sudaro įvadas, trys pagrindiniai skyriai, bendrosios išvados ir literatūros sąrašas. Pirmajame skyriuje pateikta 3D spausdinimo armuoto polimero kompozitų literatūros apžvalga, aptariant medžiagų sandarą, armavimo ir modeliavimo būdus. Antrajame skyriuje aprašytos pasirinktos medžiagos, bandymo programa ir skaitinio modeliavimo principai. Trečiajame skyriuje pateikti bandymų ir modeliavimo rezultatai. Bendrosiose išvadose pateikti svarbiausi darbo rezultatai. Disertacijos tyrimo pagrindu paskelbtos keturios mokslinės publikacijos, iš kurių trys straipsniai – Web of Science žurnaluose su citavimo rodikliais, ir keturi pranešimai pristatyti mokslinėse konferencijose.