Effect of Bouligand architecture on the isotropic behaviour and fracture resistance of 3D printed polymers. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS-Thesis-Cassamuge (202392370).pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

تُقدّم الطبيعة أنماطًا بنيوية متطورة، مثل بنية بوليغاند، التي تعزز المتانة ومقاومة الضرر من خلال الترتيب الحلزوني للألياف. تساهم هذه البنى المستوحاة من الطبيعة في تحسين انحراف الشقوق وتبديد الطاقة، إلا أن تطبيقها في المواد الاصطناعية لا يزال محدودًا. وقد أتاحت التطورات الحديثة في تقنية التصنيع بالإضافة بالترسيب المنصهر (FFF) إمكانية تصنيع هياكل مستوحاة من بوليغاند بشكل متحكم فيه، مما يفتح المجال لدراسة تأثيرها على السلوك الميكانيكي للبوليمرات المطبوعة ثلاثية الأبعاد. تبحث هذه الدراسة في الاستجابة الميكانيكية لمادتي PLA وABS باستخدام أربع بنيات مختلفة: ‎0°‎، ‎90°‎، وبنية بوليغاند أحادية الالتواء (SBS)، وبنية بوليغاند ثنائية الالتواء (DBS)، وذلك تحت أحمال الشد والانحناء والكسر. مثّلت بنيتا ‎0°‎ و‎90°‎ حالتين ميكانيكيتين متطرفتين لنفس ترتيب الخيوط تبعًا لاتجاه التحميل، مما أبرز التباين الاتجاهي الواضح في البوليمرات المطبوعة بتقنية FFF. وبينما أظهرت بنية ‎0°‎ أعلى قيم للصلابة والمقاومة ومقاومة انتشار الشقوق عند التحميل الموازي لاتجاه الخيوط، أظهرت بنية ‎90°‎ أضعف استجابة ميكانيكية، مع انخفاض في المقاومة يقارب ‎37–40%‎ في الشد و‎41–69%‎ في الانحناء. أظهرت البنى المستوحاة من بوليغاند استجابات ميكانيكية أكثر توازنًا، مع انخفاضات معتدلة في المقاومة (~‎14–17%‎) وسلوك أكثر سلاسة بعد الوصول إلى الحمل الأقصى، خاصة في مادة PLA. كما أظهر سلوك الكسر اتجاهات مشابهة، حيث انخفضت قيم تكامل J من ‎0°‎ إلى ‎90°‎ في كلتا المادتين (PLA: حوالي ‎4449‎، ‎2714‎، ‎2520‎، و‎693‎ كيلوجول/م²؛ وABS: حوالي ‎2126‎، ‎1830‎، ‎1111‎، و‎205‎ كيلوجول/م² للبنى ‎0°‎، وSBS، وDBS، و‎90°‎ على التوالي). وتفوقت بنية SBS باستمرار على DBS، مما يشير إلى أن زيادة التعقيد البنيوي لا تؤدي بالضرورة إلى تحسين مقاومة الكسر. وتبرز الدراسة أن البنى المستوحاة من بوليغاند أكثر فاعلية في تقليل تأثير الاعتماد على الاتجاه في سلوك الفشل، مقارنةً بتعظيم الخصائص الميكانيكية في اتجاه معين

English Abstract

Nature offers sophisticated structural motifs, such as the Bouligand architecture, which promote toughness and damage tolerance through helicoidal fibre arrangements. These bioinspired structures enhance crack deflection and energy dissipation, yet their implementation in synthetic materials remains limited. Recent advances in fused filament fabrication (FFF) enable the controlled fabrication of Bouligand-inspired architectures, creating opportunities to investigate their influence on the mechanical behaviour of 3D-printed polymers. This study investigates the mechanical response of PLA and ABS with four architectures: 0°, 90°, Single-twist Bouligand (SBS), and Double-twist Bouligand (DBS), under tensile, flexural, and fracture loading. The 0° and 90° configurations represented the two mechanical extremes of the same filament arrangement depending on loading direction, highlighting the pronounced anisotropy of FFF-printed polymers. While the 0° configuration exhibited the highest elastic modulus, strength, and crack resistance under aligned loading, the 90° configuration showed the weakest response, with strength reductions of approximately 37–40% in tension and 41–69% in flexure. Bouligand-inspired architectures exhibited more intermediate mechanical responses, with moderate strength reductions (~14–17%) and smoother post-peak behaviour, particularly in PLA. Fracture behaviour followed similar trends, with J-integral values decreasing from 0° to 90° in both materials (PLA: ~4449, 2714, 2520, and 693 kJ/m²; ABS: ~2126, 1830, 1111, and 205 kJ/m² for 0°, SBS, DBS, and 90°, respectively). SBS consistently outperformed DBS, suggesting that increased architectural complexity does not necessarily improve fracture resistance. The study highlights that Bouligand-inspired architectures are more effective in moderating orientation-dependent failure behaviour than in maximising directional mechanical properties.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering General Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Md Abdullah Al Bari,
Thesis Committee Members:	Fida Syed, Aamer Nazir,
Depositing User:	MUHAMADE CASSAMUGE (g202392370)
Date Deposited:	20 May 2026 09:20
Last Modified:	20 May 2026 09:20
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144394