Modellazione numerica ed analisi ad elementi finiti di strutture prodotte tramite Fused Deposition Modeling = Numerical modeling and finite element analysisof structures produced by Fused Deposition Modeling

La nascita delle tecniche di Additive Manufacturing risale alla fine del secolo scorso quando Charles Hull nel 1986 brevettò la stereolitografia, ovvero un particolare processo ove il materiale polimerico allo stato liquido veniva solidificato per mezzo dei raggi UV ottenendo così un particolare strato, ad esempio una sezione, del modello che si vuole realizzare in 3D. Altre tecniche vennero brevettate tra cui la Fused Deposition Modeling (FDM) da parte di Scott e Lisa Crump nel 1989. Questo processo di FDM inizialmente venne impiegato nella prototipazione rapida e quindi non nella realizzazione di un prodotto finito ma bensì nella realizzazione di un prototipo di ciò che invece si sarebbe prodotto attraverso metodi differenti. La generazione di un prototipo, attraverso queste nuove tecniche, era necessaria per valutare non gli aspetti che riguardassero le sue caratteristiche meccaniche, ma solo l’aspetto funzionale poiché il materiale utilizzato con queste nuove tecniche è differente da quello che poi costituirà il prodotto finito. Queste tecniche inizialmente sono state favorite soprattutto grazie alla loro semplicità di applicazione nel ricreare prototipi davvero complessi riducendo così i costi richiesti nella fase di prototipazione del prodotto finito e i tempi di produzione. Solo all’inizio del XXI secolo questi processi innovativi vennero adoperati nella progettazione e nella produzione effettiva di componenti finiti in tanti settori industriali, come quello biomedico, quello automobilistico e così via, dove un tempo l’Additive Manufacturing era solo un elemento di supporto e non uno dei protagonisti principali. Al giorno d’oggi nella fase di progettazione e di produzione si fa molto affidamento sull’ottimizzazione topologica, ovvero l’applicazione di un particolare metodo atto a migliorare sia la quantità che la distribuzione del materiale impiegato nella realizzazione di un determinato prodotto finito. Questo criterio permette di ottenere quindi una struttura ideale del componente rispettando i vari vincoli imposti tra cui resistenza e funzionalità. Lo scopo di questa tesi è quello di poter fornire un possibile ulteriore strumento, oltre a quelli già esistenti, che sia valido per il progettista meccanico nello studio delle strutture realizzate tramite Fused Deposition Modeling. La necessità di provare a trovare metodi alternativi sta nel fatto che il pezzo ideato, se sottoposto a simulazioni numeriche per valutare le sue caratteristiche meccaniche, non rispecchierà per davvero la risposta meccanica del pezzo realmente stampato. Ciò che si vuol mostrare in questo elaborato è che, specialmente in questo processo produttivo di FDM, il componente finale differisce molto spesso dal componente stampato tridimensionalmente. Il lavoro svolto quindi si concentra sulla possibilità di realizzare un modello a superfici medie che possa al meglio rispecchiare il componente realmente stampato sfruttando alcuni software di modellazione geometrica. Partendo da questo modello e passando per la caratterizzazione del materiale tramite test effettuati in laboratorio con successive analisi dei dati, si procederà alla simulazione numerica tramite analisi agli elementi finiti (FEA) per effettuare prove meccaniche di natura statica del modello i cui risultati ottenuti verranno infine commentati. Questo procedimento fin qui esposto non è altro che un possibile metodo di analisi per determinare un comportamento più vicino alla realtà fisica.