Caracterización mediante métodos inversos numéricos y correlación digital de imágenes de las propiedades elásticas en el plano de materiales compuestos laminados producidos con fabricación aditiva

Abstract

In recent years, additive manufacturing technologies (3D printing) have been introduced in

different fields, such as locomotion and bioengineering, among others. Extrusion by Fused

Deposition Modeling (FDM) or Fused Filament Fabrication (FFF) is striking among the different

3D printing techniques for its versatility and capabilities. The mechanical properties of the

materials manufactured with this type of manufacturing technology depend on factors associated

to machine parameters, material density, manufacturing orientation, working parameters and

environmental conditions. Due to the process of manufacturing, materials printed through

these techniques can be considered as laminated materials. Therefore, identifying the elastic

and mechanical properties of these materials is essential for its correct use and application.

This characterization of properties is usually carried out under standards that involve varied

experimental tests in a repetitive way for each one of the constants to be identified.

New forms of identification have appeared to reduce the number of tests in the elastic characterization

of laminated composites. In these, numerical techniques of inverse solution and

of measurement of heterogeneous fields of deformation are considered, as well as the natural

characteristics of the material. The inverse procedure only requires one experiment (on the plane)

to characterize composites of carbon fibers or glass (among others). For this, methodologies

based on optimization techniques and direct solutions on reverse mathematics are used. Different

experimental tests are also used as measurement techniques. Previous research has identified a set

of difficulties to be solved, corresponding to deviations in the inferred parameters, implementation

in composites manufactured with additive manufacturing, effects of the surface finish on the

inference, efficiency of the method according to the degree of orthotropy of the material, types

of optical configurations based on standardized geometries, limitations associated with the type

of reverse solution implemented, among others.

The aim of this doctoral thesis is to improve the process of elastic identification with inverse

methods using a single experimental test of laminated composites to reduce the existing gaps in

the implementation of this methodology. For this, an algorithm based on gradient optimization

methods is designed and developed in order to minimize the adjustment of the deformation

fields of a numerical finite element model with respect to a reference obtained by non-contact

measurement in an experimental test. The evaluation of the algorithm developed for elastic

characterization is performed with 22 open-hole geometry specimens; additive manufacturing

of continuous carbon fiber and thermoplastic matrix, in symmetrical and balanced stacks with

different orthotropic grades, is used in the manufacturing of the coupons. The experimental

process is carried out in a quasi-static tensile test, where the deformation fields are captured

with digital image correlation (DIC) equipment in an appropriate configuration and with proper

preparation of the specimen surfaces

Recentment les tecnologies de fabricació additiva (impressió 3D) s’han anat implantant en sectors com el de la locomoció o la bioenginyeria, entre d’altres. De les diferents tècniques d’impressió 3D, destaca per la seva versatilitat i possibilitats la d’extrusió per deposició de material fos (FDM o FFF). Les propietats mecàniques dels materials fabricats mitjançat aquest tipus de procés de fabricació depenen de factors associats als paràmetres de la màquina, la densitat material, l'orientació de fabricació, els paràmetres de treball i les condicions ambientals. En cas que s’usi filament continu els materials impresos amb aquestes tècniques, es poden considerar com a materials laminats. Ara bé, identificar les propietats elàstiques y mecàniques d'aquests materials és fonamental per al seu correcte ús i aplicació. Tradicionalment, aquesta caracterització de propietats es realitza seguint normes que involucren de forma repetitiva diferents assajos experimentals per a cada constant a identificar.

Amb la intenció de reduir el nombre d'assajos en la caracterització elàstica de compòsits, han sorgit noves formes d'identificació on es consideren tècniques numèriques de solució inversa i la mesura dels camps heterogenis de deformació o les característiques naturals del material. El procediment invers requereix només un experiment (en el pla) per a caracteritzar compòsits de fibres de carboni o vidre (entre altres). Per a això s’utilitzen metodologies basades en tècniques d'optimització i solucions directes sobre la matemàtica inversa. Així mateix, s'empren diferents assajos experimentals com a tècniques de mesura. En els treballs de recerca realitzats fins ara s'han identificat un conjunt de dificultats per resoldre: desviacions en els paràmetres inferits, implementació en compòsits fabricats amb manufactura additiva; efectes de l'acabat superficial en la inferència; capacitat del mètode segons el grau d’ortotropia del material; tipus de configuracions òptiques en funció de geometries estandarditzades, limitacions associades al tipus de solució inversa implementades, entre altres.

L'objectiu d'aquesta tesi doctoral s'enfoca a millorar el procés d'identificació elàstica amb mètodes inversos d’un sol assaig experimental de compòsits laminats, per a reduir les bretxes existents en la implementació d'aquesta metodologia. Per a això, es va dissenyar i va elaborar un algorisme basat en mètodes d'optimització per gradients, a fi de minimitzar l'ajust dels camps de deformació d'un model numèric d'elements finits respecte a una referència obtinguda per la mesura sense contacte en un assaig experimental. L'avaluació de l'algorisme desenvolupat es va realitzar en 22 probetes de geometria open-hole fabricades amb fabricació additiva amb diferents apilaments i grau ortotròpic. El procés experimental es va dur a terme en un assaig de tensió quasi-estàtic, on els camps de deformació es van capturar amb un equip de correlació digital d'imatges (DIC) amb una configuració apropiada i amb una correcta preparació de les superfícies de les probetes.