Utilizzo dell’ottimizzazione della topologia e della stampa 3D FDM per creare una trave semplicemente supportata
Sono stati completati numerosi studi sull’uso dell’ottimizzazione della topologia per generare i migliori progetti per le parti stampate in 3D. Un trio di ricercatori – Urvashi Verma, Vipin Gupta e Jitendra Bhaskar – del dipartimento di ingegneria meccanica della Harcourt Butler Technical University ( HBTU ) Kanpur, in India, ha recentemente pubblicato un proprio articolo, ” Ottimizzazione topologica del fascio semplicemente supportato per il processo di modellizzazione della deposizione fusa , “Sulla combinazione della stampa 3D e l’ottimizzazione della topologia e l’applicazione dei risultati a una trave semplicemente supportata.
“L’ottimizzazione della topologia può essere descritta come una distribuzione di una determinata quantità di materiale in un dominio di progettazione specificato, che è soggetto a determinate condizioni di carico e limite. Ma questi progetti non possono essere fabbricati usando la tecnica di produzione convenzionale ma con l’avvento delle tecniche di stampa 3D la complessità del design non è più un problema ”, hanno scritto.
Combinando queste due tecnologie, è possibile ottenere uno strumento per aiutare a creare parti meccaniche che hanno una maggiore resistenza meccanica, riducendo allo stesso tempo lo spreco di materiale … non importa se il design è semplice o complesso.
Il trio ha eseguito l’ottimizzazione della topologia su una trave semplicemente supportata, che è stata quindi stampata in 3D dal materiale PLA utilizzando la tecnologia di modellazione a deposizione fusa (FDM).
Con l’aiuto del software di analisi agli elementi finiti di ANSYS , i ricercatori hanno utilizzato il materiale isotropico solido con penalizzazione, o metodo SIMP, per eseguire l’ottimizzazione della topologia.
“Il materiale solido isotropico con metodo di penalizzazione (SIMP) è lo schema di penalizzazione o l’approccio della legge di potere”, hanno spiegato i ricercatori. “Il metodo SIMP introduce il concetto di densità del materiale come variabile non fisica, indipendente.
“L’obiettivo è quello di trovare una distribuzione ottimale del materiale nel dominio del design soggetto a determinati vincoli, portando a minimizzare una specifica funzione obiettivo”.
Hanno spiegato che “la rigidità delle densità intermedie è penalizzata, quindi non sono favorite”, il che si traduce in un progetto finale di sole regioni vuote e solide. Il modello di materiale SIMP ha anche aiutato i ricercatori a “ottenere una struttura con la massima rigidità minimizzando la conformità”.
Il team ha scelto una trave semplicemente supportata, con carico a metà punto, per la ricerca sull’ottimizzazione della topologia.
“La funzione oggettiva è la conformità, la variabile di progettazione è la pseudo densità e le variabili di stato sono la risposta di strutture che sono la deflessione e von mancano le sollecitazioni. La funzione obiettata è soggetta a vincoli di volume e minimizzando la conformità, la rigidità del raggio viene massimizzata. Il volume totale della trave viene considerato come area di progettazione e i vincoli di volume mantenuti al 50% “, hanno scritto.
Al fine di vedere lo spostamento e la distribuzione dello stress, il team ha eseguito un’analisi agli elementi finiti. I grafici di contorno sopra e sotto illustrano queste misure, rispettivamente, per il caso di carico della trave.
Nel diagramma di distribuzione della densità degli elementi di seguito, il rosso è uguale agli elementi che hanno una densità uguale a uno, che sono gli elementi portanti della parte. Le grandi aree blu della parte sono elementi con una densità pari a zero, che probabilmente “necessiterà di rimozione del materiale in quanto hanno un effetto trascurabile sulle prestazioni della parte e possono essere trascurati dal design ottimizzato”.
Gli altri colori (valori) nella trama, come il verde e il giallo, rappresentano la densità intermedia, che viene “penalizzata per ottenere un disegno pratico” con il metodo SIMP.
A causa della loro complessità, questi progetti ottimizzati per topologia sarebbero impossibili da realizzare utilizzando metodi di produzione convenzionali, motivo per cui la stampa 3D FDM era così utile: la tecnologia è in grado di realizzare questi tipi di forme complesse.
“Questo documento mostra un esempio della capacità della modellazione a deposizione fusa del processo di stampa 3D utilizzando metodi di ottimizzazione della topologia come materiale solido isotropico con penalizzazione”, hanno concluso i ricercatori.
