Strategie di modellazione micromeccanica multi-scala di strutture ottenute per stampa a deposizione fusa (FDM)

Basso costo, facilità di gestione e velocità di esecuzione rendono la stampa 3D ad estrusione di filamento (FDM) una tecnica di manifattura additiva popolare, non solo a livello dimostrativo e prototipale, ma anche a carattere strutturale in settori come quelli aerospaziale, automotive, architettonico e biomedicale. La FDM può essere utilizzata facilmente nella produzione in piccola scala grazie ad un vasto catalogo di materie termoplastiche utilizzabili, e consente qualità superficiale e resistenza meccanica relativamente buone, [1]. Le grandezze che caratterizzano il comportamento meccanico di una parte stampata per deposizione fusa, come le costanti di elasticità, la duttilità e la stessa resistenza ultima, dipendono in larga misura dai parametri di stampa oltre che dalle proprietà del filamento, e solitamente presentano una anisotropia non trascurabile, [2,3]. In genere, diverse combinazioni dei parametri di stampa producono strutture morfologicamente differenti, [4,5]. In questo lavoro si vuole ricercare il collegamento tra i due elementi, quello controllabile e quello risultante, attraverso un approccio del tutto nuovo di modellazione. A partire dai parametri di stampa maggiormente influenti, come la direzione di deposizione del filamento (o “raster angle”), la temperatura di estrusione, l’altezza dei layer, si cerca quindi di modellare, e quindi predire ed eventualmente ottimizzare, il comportamento meccanico di componenti ottenuti per FDM mediante un l’estrazione di una cella unitaria, o RVE, spazialmente tassellabile e quindi rappresentativa dell’intera struttura, ricostruita al CAD a partire da osservazioni microstrutturali. Secondo la più consolidata tradizione, due scale di comportamento meccanico sono quindi definite: alla microscala il filamento risponde con la propria legge costitutiva, comprensiva di una legge di danno, [6], mentre alla mesoscala l’RVE riproduce l’interazione tra più filamenti deposti. Su questa scala, la legge di plasticità e di danno è regolata dal comportamento di elementi coesivi opportunamente introdotti nelle zone di fusione tra filamenti adiacenti, assegnando parametri che tengono conto delle proprietà a frattura delle strutture FDM, [7]. Nello specifico, il lavoro tratta la modellazione del comportamento di parti in ABS, su cui una estesa campagna sperimentale ha permesso di tarare i parametri costitutivi della modellazione, ma naturalmente l’approccio è estendibile ad altri materiali molto utilizzati, sia plastici come il PLA o i policarbonati, che altri. I risultati delle simulazioni sembrano peraltro incoraggiare sviluppi ulteriori, e suggeriscono comunque che la strada dell’approccio micromeccanico è percorribile per questo tipo di strutture. [1] J.T. Cantrell, et al. Experimental characterization of the mechanical properties of 3D-printed ABS and polycarbonate parts Rapid Prototyping Journal 2017;23(4):811–824 [2] N. Zohdi, R. C. Yang, Material anisotropy in additively manufactured polymers and polymer composites: A Review Polymers 2021;13:3368. [3] W. Wu, et al. Influence of layer thickness and raster angle on the mechanical properties of 3D-printed PEEK and a comparative mechanical study between PEEK and ABS Materials 2015;8:5834–5846 [4] T.D. McLouth, et al. The impact of print orientation and raster pattern on fracture toughness in additively manufactured ABS, Additive Manufacturing 2017;18:103–109.