Numerical and Experimental Analysis of the Mode I Interlaminar Fracture Toughness in Multidirectional 3D-Printed Thermoplastic Composites Reinforced with Continuous Carbon Fiber

Jonnathan D. Santos; José M. Guerrero; Norbert Blanco; Jorge I. Fajardo; César A. Paltán

doi:10.3390/polym15102403

Numerical and Experimental Analysis of the Mode I Interlaminar Fracture Toughness in Multidirectional 3D-Printed Thermoplastic Composites Reinforced with Continuous Carbon Fiber

Jonnathan D. Santos, José M. Guerrero, Norbert Blanco, Jorge I. Fajardo, César A. Paltán

Research output: Contribution to journal › Article › peer-review

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Abstract

It is well known that the use of continuous reinforcing fibers can largely improve the typical low in-plane mechanical properties of 3D-printed parts. However, there is very limited research on the characterization of the interlaminar fracture toughness of 3D-printed composites. In this study, we investigated the feasibility of determining the mode I interlaminar fracture toughness of 3D-printed cFRP composites with multidirectional interfaces. First, elastic calculations and different FE simulations of Double Cantilever Beam (DCB) specimens (using cohesive elements for the delamination, in addition to an intralaminar ply failure criterion) were carried out to choose the best interface orientations and laminate configurations. The objective was to ensure a smooth and stable propagation of the interlaminar crack, while preventing asymmetrical delamination growth and plane migration, also known as crack jumping. Then, the best three specimen configurations were manufactured and tested experimentally to validate the simulation methodology. The experimental results confirmed that, with the appropriate stacking sequence for the specimen arms, it is possible to characterize the interlaminar fracture toughness in multidirectional 3D-printed composites under mode I. The experimental results also show that both initiation and propagation values of the mode I fracture toughness depend on the interface angles, although a clear tendency could not be established.

Translated title of the contribution	Análisis numérico y experimental de la tenacidad a la fractura interlaminar modo i en composites termoplásticos multidireccionales impresos en 3D reforzados con fibra de carbono continua
Original language	English
Article number	2403
Pages (from-to)	1-27
Number of pages	27
Journal	Polymers
Volume	15
Issue number	10
DOIs	https://doi.org/10.3390/polym15102403 https://doi.org/10.3390/polym15102403
State	Published - 22 May 2023

Bibliographical note

Funding Information:
This research was funded by the Spanish Ministry of Science, Innovation, and Universities (MCIU), the Spanish Research Agency (AEI), and the European Regional Development Fund (FEDER, UE), grant number RTI2018-094435-B-C32. José M. Guerrero would also like to acknowledge the funding of the postdoc grant Margarita Salas with reference REQ2021_A_15, financed by the Spanish ‘Ministerio de Universidades’ and the European Union—Next GenerationEU. Jonnathan D. Santos acknowledges the support from the research group GIMAT at Universidad Politécnica Salesiana, and technical support from the research group AMADE at Universitat de Girona. All individuals consented to be acknowledged.

Publisher Copyright:
© 2023 by the authors.

Keywords

3D-printed composite
experimental characterization
finite element simulation
interlaminar fracture toughness
multidirectional interface

CACES Knowledge Areas

237A Construction and civil engineering

Access to Document

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Santos, J. D., Guerrero, J. M., Blanco, N., Fajardo, J. I., & Paltán, C. A. (2023). Numerical and Experimental Analysis of the Mode I Interlaminar Fracture Toughness in Multidirectional 3D-Printed Thermoplastic Composites Reinforced with Continuous Carbon Fiber. Polymers, 15(10), 1-27. Article 2403. https://doi.org/10.3390/polym15102403, https://doi.org/10.3390/polym15102403

@article{03bec5fe716940b8bbf399e26c8fc8c9,

title = "Numerical and Experimental Analysis of the Mode I Interlaminar Fracture Toughness in Multidirectional 3D-Printed Thermoplastic Composites Reinforced with Continuous Carbon Fiber",

abstract = "Es bien sabido que el uso de fibras continuas de refuerzo puede mejorar en gran medida el t{\'i}pico bajas propiedades mec{\'a}nicas en el plano de las piezas impresas en 3D. Sin embargo, existe una investigaci{\'o}n muy limitada sobre la caracterizaci{\'o}n de la tenacidad a la fractura interlaminar de compuestos impresos en 3D. En esto estudio, investigamos la viabilidad de determinar la tenacidad a la fractura interlaminar modo I de Compuestos cFRP impresos en 3D con interfaces multidireccionales. Primero, c{\'a}lculos el{\'a}sticos y diferentes Simulaciones FE de espec{\'i}menes de Double Cantilever Beam (DCB) (utilizando elementos cohesivos para la delaminaci{\'o}n, adem{\'a}s de un criterio de falla de la capa intralaminar) para elegir la mejor orientaci{\'o}n de interfaz y configuraciones de laminado. El objetivo era garantizar un funcionamiento fluido y estable la propagaci{\'o}n de la fisura interlaminar, evitando al mismo tiempo el crecimiento de la delaminaci{\'o}n asim{\'e}trica y migraci{\'o}n de avi{\'o}n, tambi{\'e}n conocida como salto de crack. Entonces, las tres mejores configuraciones de espec{\'i}menes fueron fabricado y probado experimentalmente para validar la metodolog{\'i}a de simulaci{\'o}n. el experimental Los resultados confirmaron que, con la secuencia de apilamiento adecuada para los brazos de muestra, es posible caracterizar la tenacidad a la fractura interlaminar en compuestos multidireccionales impresos en 3D bajo modo I. Los resultados experimentales tambi{\'e}n muestran que tanto los valores de iniciaci{\'o}n como los de propagaci{\'o}n del modo I la tenacidad a la fractura depende de los {\'a}ngulos de interfaz, aunque no se pudo establecer una tendencia clara.",

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Numerical and Experimental Analysis of the Mode I Interlaminar Fracture Toughness in Multidirectional 3D-Printed Thermoplastic Composites Reinforced with Continuous Carbon Fiber. / Santos, Jonnathan D.; Guerrero, José M.; Blanco, Norbert et al.
In: Polymers, Vol. 15, No. 10, 2403, 22.05.2023, p. 1-27.

Research output: Contribution to journal › Article › peer-review

TY - JOUR

T1 - Numerical and Experimental Analysis of the Mode I Interlaminar Fracture Toughness in Multidirectional 3D-Printed Thermoplastic Composites Reinforced with Continuous Carbon Fiber

AU - Santos, Jonnathan D.

AU - Guerrero, José M.

AU - Blanco, Norbert

AU - Fajardo, Jorge I.

AU - Paltán, César A.

PY - 2023/5/22

Y1 - 2023/5/22

N2 - Es bien sabido que el uso de fibras continuas de refuerzo puede mejorar en gran medida el típico bajas propiedades mecánicas en el plano de las piezas impresas en 3D. Sin embargo, existe una investigación muy limitada sobre la caracterización de la tenacidad a la fractura interlaminar de compuestos impresos en 3D. En esto estudio, investigamos la viabilidad de determinar la tenacidad a la fractura interlaminar modo I de Compuestos cFRP impresos en 3D con interfaces multidireccionales. Primero, cálculos elásticos y diferentes Simulaciones FE de especímenes de Double Cantilever Beam (DCB) (utilizando elementos cohesivos para la delaminación, además de un criterio de falla de la capa intralaminar) para elegir la mejor orientación de interfaz y configuraciones de laminado. El objetivo era garantizar un funcionamiento fluido y estable la propagación de la fisura interlaminar, evitando al mismo tiempo el crecimiento de la delaminación asimétrica y migración de avión, también conocida como salto de crack. Entonces, las tres mejores configuraciones de especímenes fueron fabricado y probado experimentalmente para validar la metodología de simulación. el experimental Los resultados confirmaron que, con la secuencia de apilamiento adecuada para los brazos de muestra, es posible caracterizar la tenacidad a la fractura interlaminar en compuestos multidireccionales impresos en 3D bajo modo I. Los resultados experimentales también muestran que tanto los valores de iniciación como los de propagación del modo I la tenacidad a la fractura depende de los ángulos de interfaz, aunque no se pudo establecer una tendencia clara.

AB - Es bien sabido que el uso de fibras continuas de refuerzo puede mejorar en gran medida el típico bajas propiedades mecánicas en el plano de las piezas impresas en 3D. Sin embargo, existe una investigación muy limitada sobre la caracterización de la tenacidad a la fractura interlaminar de compuestos impresos en 3D. En esto estudio, investigamos la viabilidad de determinar la tenacidad a la fractura interlaminar modo I de Compuestos cFRP impresos en 3D con interfaces multidireccionales. Primero, cálculos elásticos y diferentes Simulaciones FE de especímenes de Double Cantilever Beam (DCB) (utilizando elementos cohesivos para la delaminación, además de un criterio de falla de la capa intralaminar) para elegir la mejor orientación de interfaz y configuraciones de laminado. El objetivo era garantizar un funcionamiento fluido y estable la propagación de la fisura interlaminar, evitando al mismo tiempo el crecimiento de la delaminación asimétrica y migración de avión, también conocida como salto de crack. Entonces, las tres mejores configuraciones de especímenes fueron fabricado y probado experimentalmente para validar la metodología de simulación. el experimental Los resultados confirmaron que, con la secuencia de apilamiento adecuada para los brazos de muestra, es posible caracterizar la tenacidad a la fractura interlaminar en compuestos multidireccionales impresos en 3D bajo modo I. Los resultados experimentales también muestran que tanto los valores de iniciación como los de propagación del modo I la tenacidad a la fractura depende de los ángulos de interfaz, aunque no se pudo establecer una tendencia clara.

KW - 3D-printed composite

KW - experimental characterization

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KW - interlaminar fracture toughness

KW - multidirectional interface

UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85160677718&partnerID=8YFLogxK

U2 - 10.3390/polym15102403

DO - 10.3390/polym15102403

M3 - Article

SN - 2073-4360

VL - 15

SP - 1

EP - 27

JO - Polymers

JF - Polymers

IS - 10

M1 - 2403

ER -

Numerical and Experimental Analysis of the Mode I Interlaminar Fracture Toughness in Multidirectional 3D-Printed Thermoplastic Composites Reinforced with Continuous Carbon Fiber

Abstract

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