Thickness and scale effect on fracture behavior of PLA specimens fabricated via FDM

Abstract

Denne avhandlingen undersøker hvordan skalering og endring i tykkelse påvirker de mekaniske egenskapene til 3D-printet PLA, I tillegg undersøkes det hvordan printe-rekkefølgen påvirker egenskapene. Strekk tester ble utført for finne de mekaniske egenskapene flytespenning, strekkfasthet, elastisitets modul, Poissons tall og prosent forlengelse. Bruddprøver ble utført på DENT, dobbel ende kant hakk, eksemplarer for å finne brudd egenskapene bruddstyrke, bruddseighet og J-integralet. Fire tykkelser og tre skaleringer av styrkeprøvene og av DENT prøvene ble testet, henholdsvis 1 mm, 3 mm, 5 mm og 10 mm, og 30% skalering og 50% skalering av opprinnelig størrelse. DIC, digitalt bilde korrigering, ble benyttet for å undersøke den relative forlengelsen under testing, og bruddoverflatene ble undersøkt med SEM. To forskjellige printe-strategier ble brukt under printingen av eksemparene. I parti A ble fem eksemplarer printet samtidig i parallell, et lag av gangen. I parti B ble ett og ett eksemplar printet av gangen. Effekten av skalering og tykkelse ble undersøkt ved å forutsi strekkfastheten til de forskjellige tykkelsene og skaleringene, basert på gjennomsnittsresultatet av den originale størrelsen og det tilhørende 96% konfidensintervallet. Begge partiene ble påvirket av tykkelse og skalering, hvor en forminskning av størrelse gav høyere styrke. Parti B ble påvirket med av størrelses effekten enn parti A. Printerekkefølgen påvirket de mekaniske egenskapene, og partiet printet i parallell hadde bedre mekaniske egenskaper relatert til styrke. Dette er knyttet til den økte mengden hulrom i strukturen til partiet printet etter hverandre.

This work aims to identify how scaling and thickness affect the mechanical properties of 3D-printed PLA. In addition, the effect of printing sequence on mechanical properties was investigated. Tensile tests were performed to obtain the mechanical properties of yield strength, ultimate tensile strength, Young's modulus, Poisson's ratio, and the percent elongation. Fracture tests were done on DENT specimens to obtain the translaminar fracture properties of fracture strength, fracture toughness, and the J-integral. Four thicknesses and three scales of tensile dogbone specimens and the DENT specimens were tested. Digital image correlation was used to obtain strains in the specimens during testing, and the fracture surfaces of the failed specimens were analyzed with SEM fractography. Two different printing strategies were used. One batch, batch A, was printed simultaneously in parallel, one layer at a time. In the other batch, batch B, one specimen was printed on at the time in sequence. The size effect was investigated with a prediction of the tensile strength based on the average tensile strength of the original sized specimen, and the associated 96\% confidence interval. Both batches showed a scale and thickness effect, where decreasing scale lead to higher strength. Batch B was more influenced by the size effect than batch A. The printing strategy was found to influence the mechanical properties, and the batch printed in parallel possessed better mechanical properties in terms of strength. This is mainly attributed to the increased presence of voids in the sequentially printed specimens.