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A Fully Coupled Simulation of Planar Deposition Flow and Fiber Orientation in Polymer Composites Additive Manufacturing

机译：聚合物复合材料添加剂制造中平面沉积流动和纤维取向的完全耦合模拟

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摘要

Numerical studies for polymer composites deposition additive manufacturing have provided significant insight promoting the rapid development of the technology. However, little of existing literature addresses the complex yet important polymer composite melt flow–fiber orientation coupling during deposition. This paper explores the effect of flow–fiber interaction for polymer deposition of 13 wt.% Carbon Fiber filled Acrylonitrile Butadiene Styrene (CF/ABS) composites through a finite-element-based numerical approach. The molten composite flow in the extrusion die plus a strand of the deposited bead contacting the deposition substrate is modelled using a 2D isothermal and incompressible Newtonian planar flow model, where the material deposition rate is ~110 mm/s simulating a large scale additive manufacturing process. The Folgar–Tucker model associated with the Advani–Tucker orientation tensor approach is adopted for the evaluation of the fiber orientation state, where the orthotropic fitted closure is applied. By comparing the computed results between the uncoupled and fully coupled solutions, it is found that the flow-orientation effects are mostly seen in the nozzle convergence zone and the extrusion-deposition transition zone of the flow domain. Further, the fully coupled fiber orientation solution is highly sensitive to the choice of the fiber–fiber interaction coefficient CI, e.g., assigning CI as 0.01 and 0.001 results in a 23% partial relative difference in the predicted elastic modulus along deposition direction. In addition, Structural properties of deposited CF/ABS beads based on our predicted fiber orientation results show favorable agreements with related experimental studies.
机译：聚合物复合材料沉积添加剂制造的数值研究提供了显着的洞察力，促进了技术的快速发展。然而，沉积期间，现有文献几乎没有地解决了复杂而重要的聚合物复合熔体流动纤维取向耦合。本文探讨了流动纤维相互作用对聚合物沉积的13重量％的丙烯腈丁二烯苯乙烯（CF / ABS）复合材料，通过基于有限元的数值方法。挤出模具中的熔融复合流量加上接触沉积衬底的沉积珠子的股线采用2D等温和不可压缩的牛顿平面流量模型进行建模，其中材料沉积速率为〜110 mm / s模拟大规模添加剂制造工艺。采用与Advani-Tucker定向张量方法相关的FOLGAR-Tucker模型用于评估纤维取向状态，其中施加正向拟合闭合件。通过比较未耦合和完全耦合的解决方案之间的计算结果，发现流动取向效果在喷嘴收敛区和流动域的挤出沉积转换区中看到。此外，完全耦合的纤维取向溶液对纤维纤维相互作用系数CI的选择非常敏感，例如，将CI分配为0.01和0.001导致沿沉积方向的预测弹性模量的偏见相对差异是23％的相对差异。此外，基于我们预测的纤维取向结果的沉积CF / ABS珠粒的结构性质显示出与相关实验研究的有利协议。

著录项

  • 期刊名称 Materials
  • 作者

    Zhaogui Wang; Douglas E. Smith;

  • 作者单位
  • 年(卷),期 2021(14),10
  • 年度 2021
  • 页码 2596
  • 总页数 26
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种
  • 中图分类 外科学;
  • 关键词

    机译：聚合物复合材料沉积添加剂制造;短纤维增强复合材料;流向耦合冲击;平面流模型;Advani-Tucker定向张量;

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