Angle influence and Toughness characterization of bioinspired discontinuous fiber helicoids composite materials produced via additive manufacturing

• Published in: Revista EIA Vol. 20; no. 40
• Main Authors: Zavattieri, Pablo D, Bustamante Góez, Liliana Marcela, Villarraga, Junes A
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: 2023
• Subjects: Additive manufacturing; Biomimetic; Bouligand structures; Fiber reinforced polymer composite; Stiffness; Toughness
• ISSN: 1794-1237; 1794-1237

Durante milenios la naturaleza ha producido materiales compuestos con excelentes propiedades mecánicas frente a las bajas propiedades de sus materiales base y ha conseguido obtener una buena compatibilidad entre rigidez y tenacidad; como resultado, son una buena fuente de inspiración para la optimización de materiales para aplicaciones, como el aumento de la tenacidad y la resistencia al daño, algo que es difícil en los materiales de ingeniería convencionales. En la actualidad se identifican ocho elementos estructurales en los materiales biológicos: fibroso, helicoidal, degradado, estratificado, tubular, celular, sutura y superpuesto. Las estructuras helicoidales consisten en pilas de fibras ordenadas que forman capas que giran en un ángulo de inclinación constante. Estos incluyen estructuras de madera contrachapada y Bouligand. Las estructuras de Bouligand consisten en una disposición de laminados fibrosos que completa un giro de 180° y proporciona a algunos materiales biológicos mayor resistencia y tenacidad en múltiples direcciones y una tenacidad a la fractura excepcionalmente alta. La mecánica clásica de materiales compuestos proporciona algunas aproximaciones de modelos constitutivos para este tipo de materiales, pero aún necesitan ser estudiados y probados para comprender adecuadamente su comportamiento. El moldeo por inyección, el moldeo por compresión, la disposición manual, el moldeo por transferencia de resina, el bobinado de filamentos, la pultrusión y la colocación automatizada de fibras son solo algunos de los métodos tradicionales utilizados para fabricar compuestos de polímeros reforzados con fibras (FRPC). Sin embargo, estas técnicas de fabricación tradicionales tienen una restricción en la alineación de fibra específica y exigen moldes, troqueles o máscaras litográficas costosos. La fabricación aditiva tiene el potencial de reemplazar muchos procesos de fabricación convencionales debido a su capacidad para crear geometrías complejas con propiedades de materiales personalizables y emplear varios materiales simultáneamente, entre otras cosas. El modelado por deposición fundida (FDM) es la técnica de fabricación aditiva más utilizada para la fabricación de FRPC debido a su bajo costo, bajo consumo de energía, consumo de material y simplicidad de operación. Este trabajo presenta modelos tridimensionales que imitan las estructuras de Bouligand girando el ángulo de inclinación de las capas y se realizó una comparación de modelos analíticos. Los especímenes fueron fabricados usando la técnica FDM. Se utilizó poliuretano termoplástico (TPU) para la matriz y ácido poliláctico (PLA) para las fibras. Se utilizaron pruebas de tracción para caracterizar mecánicamente tanto las materias primas como los compuestos fabricados para examinar el impacto del ángulo helicoidal y la contribución de la matriz y los materiales de fibra a la rigidez y tenacidad del compuesto. Los experimentos y análisis revelaron que los altos ángulos de rotación mejoran la rigidez, la resistencia y la tenacidad del compuesto. Nature has evolved composite materials over millennia that are compatible between stiffness and toughness and that exhibit outstanding mechanical characteristics compared to the low properties of their base materials; as a result, they are an excellent source of inspiration for material optimization for applications such as increasing toughness and damage resistance, an aspect that is challenging in conventional engineering materials. Nowadays eight structural elements are identified in biological materials: fibrous, helicoidal, gradients, layered, tubular, cellular, suture, and overlapping. Helical structures consist of stacks of ordered fibers that form layers that are rotated at a constant angle of inclination. These include plywood and Bouligand structures. Bouligand structures consist of an arrangement of fibrous laminates that completes a 180° turn and provides some biological materials with enhanced strength and toughness in multiple directions and exceptionally high fracture resistance. The classical composite materials mechanics provides some constitutive model approximations for this type of materials, but they still need to be studied and tested to properly understand their behavior. Injection molding, compression molding, hand layup, resin transfer molding, filament winding, pultrusion, and automated fiber placement are just a few of the traditional methods used to make fiber-reinforced polymer composites (FRPC). However, these traditional manufacturing techniques have a restriction on specific fiber alignment and demand expensive molds, dies, or lithographic masks. Additive manufacturing has the potential to replace many conventional manufacturing processes due to its ability to create complex geometries with customizable material properties and employ several materials simultaneously, among other things. Fused deposition modeling (FDM) is the most widely used manufacturing additive technique for manufacturing FRPC due to its low cost, low energy input, material consumption, and operation simplicity. This work presents three-dimensional models mimicking the Bouligand structures by turning the pitch angle of the layers and an analytical model comparison were made. The specimens were fabricated using the FDM technique. Thermoplastic polyurethane (TPU) was used for the matrix and polylactic acid (PLA) for the fibers. Tensile tests were performed to determine the impact of the helicoidal angle and the matrix and fiber materials on the stiffness, strength, and toughness of the laminated composite. To determine the effect of the helical angle and the contribution of the matrix and fiber components on the strength and toughness of the laminated composite, tensile tests were performed. Analysis and experimentation suggest that increasing the pitch angle enhances the composite’s strength, stiffness, and toughness.