Ottimizzazione delle dimensioni di riempimento locale semplificata per parti in PLA stampate FDM

Jan 25, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5933 (2023) Citare questo articolo

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Il grande vantaggio della produzione additiva è il fatto che è possibile creare parti cave con un determinato riempimento. Tuttavia, il software di affettatura commerciale standardizzato offre una soluzione uniforme per la creazione di modelli di riempimento. Nella pratica ingegneristica, le parti prodotte sono funzionali, pertanto la capacità di carico adeguata è per lo più obbligatoria. In questo articolo è stato presentato un metodo semplificato di ottimizzazione delle dimensioni di riempimento locale. Sulla base di un'analisi agli elementi finiti è possibile regolare la densità locale del modello in base alle tensioni locali emerse. I risultati mostrano che, indipendentemente dal tipo di disegno, se veniva applicata la scalatura, la resistenza meccanica veniva migliorata nella stessa misura. Nel caso del modello uniforme con le prestazioni peggiori, con l'ottimizzazione è stato ottenuto un miglioramento dell'84% nella resistenza meccanica. Inoltre, è stato evidenziato un problema di stampa FDM, che dovrà essere eliminato se si utilizza il metodo proposto.

La produzione additiva (AM), o come comunemente chiamata stampa 3D, è un processo di produzione che sta rapidamente conquistando1. L'idea di base, che le parti possano essere create in modo additivo, apre una nuova prospettiva nella progettazione per creare parti ottimizzate per una funzione specifica soddisfacendo al meglio i requisiti, senza dover scendere a grandi compromessi2. Ci sono molti meno vincoli legati alla forma che può essere modellata, poiché la geometria dell'utensile e il movimento della macchina non influiscono sulla produzione, come nel caso delle tecnologie sottrattive. Durante l'AM la parte viene costruita strato dopo strato, quindi è possibile formare anche una forma con superfici più complicate. Un altro vantaggio spesso utilizzato è la possibilità di creare anche pezzi cavi o semi-cavi. Ciò significa un notevole risparmio di materie prime e può ridurre i tempi di produzione.

Il modello di riempimento e la percentuale di riempimento possono essere facilmente impostati in quasi tutti i programmi di affettatura. Tanveer et al.3 hanno concluso che, in generale, una maggiore densità di riempimento può portare a una migliore resistenza meccanica. Birosz et al.4 hanno studiato il comportamento anisotropo dei semplici modelli di riempimento e hanno scoperto che l'orientamento del modello non influenza il comportamento meccanico. Oltre ai carichi statici di base, Ötekaya et al.5 hanno trovato il miglior rapporto di riempimento e modello per lo smorzamento delle vibrazioni. Il loro lavoro ha dimostrato che in una parte funzionale a volte il riempimento inferiore può essere una scelta migliore rispetto a una parte solida. Oltre ai tipi di riempimento convenzionali, formando la struttura interna delle parti, possono funzionare meglio in condizioni speciali. Inoltre, diverse ricerche precedenti hanno studiato le strutture leggere considerando diversi aspetti e utilizzando diverse tecniche6,7,8.

Ichihara e Ueda9 hanno ottimizzato la struttura di riempimento basata su un campo vettoriale di fase in una parte di ispirazione biologica. Depositando il materiale nella direzione del percorso del carico, le parti avevano una migliore rigidità relativa. Se il riempimento è definito come la struttura del corpo all'interno delle sue superfici di confine, le ulteriori ottimizzazioni possono essere classificate in due gruppi più grandi. Una è l'ottimizzazione della topologia di base, in cui viene definita la connettività materiale all'interno del dominio, come la creazione di buchi e spazi vuoti all'interno della struttura10,11. Di conseguenza, le parti solitamente hanno strutture basate su montanti all'interno dell'area di progettazione inizialmente definita. In questo caso, i vuoti nella parte sono più grandi rispetto al modello di riempimento convenzionale, quindi di solito non viene considerato un riempimento, anche se lo scopo è simile, riducendo il volume e la massa dei componenti. Un altro gruppo è quello delle strutture reticolari funzionalmente classificate (FGLS), in cui una cella unitaria viene creata e moltiplicata per riempire il volume della parte12,13,14. La densità della cella unitaria può determinare la densità dell'intera parte. Inoltre, FGLS può essere utilizzato per il riempimento compattato localmente, ovvero dove il carico è maggiore, si verificano maggiori sollecitazioni, quindi in quella posizione la densità locale deve essere maggiore. Entrambi i gruppi di soluzioni mirano a ridurre al minimo la densità globale preservando la rigidità della parte. Tuttavia, sono piuttosto costosi dal punto di vista computazionale e richiedono esperti per eseguire l'ottimizzazione. Poiché la maggior parte della parte prodotta non deve necessariamente essere ottimizzata alla perfezione, un compito del genere sarebbe molto costoso, quindi i progettisti sacrificano la perdita di peso e materiale e stampano le parti come corpi solidi. Tuttavia, se esistesse una soluzione per regolare in modo rapido e semplice il modello di riempimento di base in base alla funzione della parte prodotta, sarebbe una bella estensione del software di affettatura commerciale.