2023/05/08
Thermo-Viscoelastic Multiscale Homogenization of Additively Manufactured Short Fiber Reinforced Polymers from Direct Microstructure Characterization
Sosa-Rey, F.; Lingua, A.; Piccirelli, N.; Therriault, D.; Levesque, M. (2023). Thermo-Viscoelastic Multiscale Homogenization of Additively Manufactured Short Fiber Reinforced Polymers from Direct Microstructure Characterization. Preprint.
Les polymères renforcés de courtes fibres (SFRPs) traités par dépôt de fil fondu (FFF) sont très prometteurs pour les applications exigeant des propriétés mécaniques spécifiques comme dans le domaine aérospatial. Cependant, les relations entre les caractéristiques / comportement des pièces, le processus d’impression et les paramètres de traitement doivent être mieux comprises et ce, afin de rendre l’analyse structurelle moins empirique. La capacité limitée à prédire les propriétés viscoélastiques et leur dépendance thermique pose un problème du point de vue de la conception mécanique et constitue un obstacle à l’adoption généralisée des SFRPs fabriqués par FFF. Dans ce travail, ces propriétés sont évaluées à l’aide de l’imagerie à haute résolution d’échantillons, ce qui permet de prédire avec précision les relations contrainte-déformation en fonction du temps à différentes températures. L’homogénéisation multi-échelle est réalisée en considérant les composants individuels (fibres, pores, matrice) à l’échelle microscopique, et le motif régulier créé par le processus d’impression à l’échelle mésoscopique. L’efficacité de la procédure d’homogénéisation basée sur la Transformation de Fourier rapide (FFT) est exploitée pour permettre de grandes tailles d’éléments de volume représentatif (RVE), qui sont nécessaires en raison de la complexité des microstructures réelles. Le comportement thermo-viscoélastique prédit est validé par les données de récupération par fluage d’échantillons imprimés à partir de polyétheréthercétone (PEEK) renforcé de courtes fibres de carbone (30 %), et les données expérimentales peuvent être prédites avec une erreur relative moyenne de 3 % pour la charge axiale, à la fois à 21° et à 120°C. Les données d’imagerie et les RVE prétraitées ainsi que le code source original sont mis à la disposition du public.