Sistema per la stampa 3D di componenti alleggeriti

Data di pubblicazione

26-08-2000

Codice

DICA.19.059.A

Stato

Disponibile

Data di priorità

11-10-2019

Fase

Nazionale

Titolare

Politecnico di Milano

Dipartimento

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE

Autori

Matteo Bruggi, Ingrid Paoletti (ABC)

Descrizione

Approccio innovativo basato su tecniche di ottimizzazione topologica multiscala per la fabbricazione di componenti robusti e poco deformabili che necessitano di una quantità limitata di materiale, definendo simultaneamente i) i bordi dell’elemento e ii) una distribuzione interna di fori circolari/sferici a raggio variabile che possono essere efficacemente stampati tramite tecniche di 3D-printing. Il metodo consente di generare elementi 2D o 3D (qualsiasi solido sottoposto a carichi e vincoli, come parti meccaniche, componenti strutturali, elementi di chiusure esterne negli edifici, pezzi di design, oggetti di design industriale…) ottimizzati ed espressamente concepiti per la fabbricazione tramite additive manufacturing per deposizione di strati, come Fused Deposition Modelling (FDM). Infatti, fori circolari/sferici a raggio variabile e impacchettatura di tipo esagonale chiusa (HCP) definiscono una microstruttura isotropa/trasversalmente isotropa che può essere facilmente stampata senza necessità di estesi supporti per la stampa. Sono attesi benefici dal metodo proposto anche per altre tecniche di Additive Manufacturing (AM), come il metal printing. Grazie all’iperstaticità della microstruttura, si ottengono risultati robusti (nei design ottenuti esiste più di un percorso di trasferimento dei carichi). È codificato un algoritmo efficiente che utilizza dominio di progetto e condizioni al contorno come input per scrivere un file di output contenente la geometria stampabile per l’AM. Inoltre, quando i bordi di un componente cavo sono assegnati i), l’algoritmo può essere utilizzato per definire una microstruttura di tipo ottimale ii).

Campo di applicazione

•Generazione e realizzazione componenti meccanici: stampa di parti originali / ricambi alleggeriti con prestazioni ottimizzate e robustezza alla variazione dei carichi (in particolare automotive e aerospace) •Generazione e realizzazione di componenti strutturali massivi o elementi tecnologici massivi con funzioni strutturali che necessitano di alleggerimento (industria delle costruzioni) •Generazione e realizzazione di oggetti di design tramite definizione ottimale della forma esterna in un dominio di progetto, e di una microstruttura interna concepita per la stampa 3D •In generale, risoluzione di problemi di fabbricazione/stampa 3D di oggetti cavi complessi definendo una microstruttura di fori ottimale per la gestione di overhang critici e problemi di eccessiva deformabilità

Vantaggi

Caratteristica distintiva dell’approccio multiscala proposto è l’adozione di una microstruttura porosa generata da fori circolari/sferici disposti secondo impacchettatura esagonale chiusa (HCP). Questo comporta i seguenti vantaggi, rispetto agli approcci multiscala esistenti: •La microstruttura è direttamente realizzabile tramite stampa 3D: fori circolari e sferici non sono affetti da significativi problemi di overhang (non necessitano di estesi supporti aggiuntivi per la stampa). •La geometria della microstruttura a raggi variabili è facile da calcolare, tradurre in formato digitale e passare alla stampante 3D, attraverso un algoritmo veloce ed efficiente: una volta che la dimensione di riferimento della cella unitaria è stata definita, centri e raggi dei cerchi/sfere sono gli unici parametri coinvolti nella descrizione della geometria. •La microstruttura è isotropa (2D) o trasversalmente isotropa con basso grado di anisotropia (3D): sono necessari pochi parametri indipendenti per descrivere il tensore costitutivo omogeneizzato; funzioni che esprimono i componenti del tensore al variare della densità del materiale sono disponibili o facilmente derivabili dalla letteratura; si opera un alleggerimento del materiale vergine introducendo una minima anisotropia; è attesa robustezza della microstruttura verso variazioni del carico. •La microstruttura è porosa: la geometria arrotondata dei fori mitiga le concentrazioni di sforzo dovute a singolarità geometriche (come nel caso di spigoli vivi e intersezioni in certi lattici); è attesa minor sensibilità a problemi di instabilità rispetto a lattici reticolari. •La microstruttura può essere facilmente scalata in funzione della tipologia di stampa agendo sulla dimensione di riferimento della cella unitaria (che può essere direttamente messa in relazione con lo spessore dello strato di materiale deposto). •L’approccio funziona sia in 2D (lastre) che in 3D (solidi).

Stadio di sviluppo

Prototipo funzionante.

Contatto

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