Modellazione ad elementi finiti per studiare in che modo i difetti possono influire sulla porosità in strutture a reticolo stampate in 3D

Per le applicazioni che richiedono strutture leggere in grado di mantenere rigidità e resistenza, viene spesso utilizzata la struttura reticolare stampata in 3D . Le forme complesse sono semplici da stampare in 3D e le loro proprietà meccaniche, per lo più influenzate dalla densità relativa, possono generalmente essere previste con un modello semplificato per le schiume a celle aperte. Un’importante applicazione consiste nel realizzare impianti di sostituzione ossea stampati in 3D per il campo medico, poiché le strutture reticolari possono essere progettate con dimensioni e porosità del poro bersaglio e il modulo di Young può essere adattato per abbinare l’osso nativo e facilitare la crescita .

Un precedente studio su come la porosità può influenzare le proprietà meccaniche della lega di titanio stampato in 3D solido Ti6Al4V ha rilevato che i pori piccoli non hanno avuto molto effetto, ma quelli più grandi con una frazione del volume di circa il 5% potrebbero causare una perdita importante di queste proprietà. Quindi esiste il potenziale che i piccoli pori possano essere innocui, ma non è stato ancora determinato senza dubbio.

Per analizzare la deformazione e le distribuzioni di stress nelle strutture reticolari e per interpretare i meccanismi di fallimento, si può usare la modellazione di elementi finiti (FEM), che è un modo pratico per valutare i progetti senza spendere troppo tempo e denaro per realizzare strutture prototipo.

Un team di ricercatori della  Stellenbosch University e della  Central University of Technology hautilizzato un metodo FEM semplificato per indagare su come i difetti isolati di fusione con letti a polvere laser (LPBF) potrebbero determinare le massime concentrazioni di stress locali con carico di compressione. Hanno spiegato la loro ricerca in un documento intitolato ” Studio numerico e sperimentale dell’effetto della porosità artificiale in una struttura a reticolo fabbricata mediante fusione a letto laser a polvere “.


L’abstract dice: “Sebbene i reticoli siano stati ampiamente studiati, l’effetto della produzione di difetti sulle prestazioni del reticolo non è stato ancora analizzato in dettaglio. Un importante tipo di difetto di fabbricazione che può essere analizzato relativamente facilmente numericamente e sperimentalmente sono vuoti indesiderati o porosità. In questo lavoro, usando una struttura a reticolo cubico semplice come un caso di test, i pori di varie dimensioni sono stati indotti in un singolo puntone e il carico di compressione simulato. I reticoli Ti6Al4V ELI (extra interstiziale basso) prodotti dalla fusione laser a letto in polvere, con e senza pori indotti, sono stati sottoposti a test di compressione meccanica. Le immagini MicroCT hanno convalidato la presenza e la dimensione dei vuoti indotti nei campioni prodotti.
I ricercatori hanno aggiunto un difetto sferico a un singolo puntone della struttura reticolare stampata in 3D e misurato le sollecitazioni massime sul montante adiacente e il bordo del difetto. Per confronto, è stato introdotto nella struttura anche un difetto quadrato ruotato di 45 ° rispetto alla direzione di carico.

“I campioni LPBF Ti6Al4V ELI (extra interstiziale basso) con e senza difetti artificiali sono stati prodotti e analizzati mediante microCT ad alta risoluzione per confermare la presenza dei difetti intenzionali e quantificare la dimensione massima dei difetti, prima dei test di compressione”, hanno scritto i ricercatori.

“I campioni di controllo contenevano anche pori inaspettati di diametro più piccolo, e i pori intenzionali variavano di dimensioni. Ciò consente la prima valutazione quantitativa dell’influenza della dimensione dei difetti dei pori sulla resistenza a compressione delle strutture reticolari. I dati microCT sono ulteriormente utilizzati per le simulazioni per studiare le differenze tra le distribuzioni di stress di un modello ideale e il campione fisico. ”
Simulazione del carico compressivo sui dati microCT del reticolo prodotto contenente pori sferici progettati intenzionalmente. Questa immagine mostra un’immagine a sezione intera del poro, che indica la forma irregolare. In questo caso il diametro del poro più largo è di 0,45 mm e il poro non è perfettamente sferico come progettato.
Autodesk Fusion 360 è stato utilizzato per progettare reticoli rettangolari regolari e FEM è stato eseguito in una nuova simulazione del carico statico basata su voxel in Volume Graphics VGStudioMax 3.0. La tecnologia LPBF è stata utilizzata per stampare in 3D 12 campioni di cubetti reticolari su una stampante 3D EOS M 280 : quattro senza pori artificiali, quattro con pori sferici da 0,5 mm e quattro con pori cubici dello stesso diametro. I ricercatori hanno posizionato i difetti artificiali all’interno dei montanti orizzontali delle strutture del reticolo e hanno effettuato test di compressione in quella direzione.

“Le simulazioni di carico compressivo sono state eseguite su file di progetto per studiare le sollecitazioni locali massime nei montanti a causa delle diverse dimensioni dei pori sferici. Introducendo un difetto sferico di dimensioni variabili nel modello del reticolo, è possibile ottenere la massima sollecitazione locale risultante nel puntone con il poro e il puntone adiacente “, hanno scritto i ricercatori.

Un esempio di questo tipo di simulazione, utilizzando un poro sferico con diametro di 0,45 mm, è mostrato nella figura a sinistra. Quando la dimensione dei pori è maggiore del montante, che simula un montante guasto che non trasporta un carico, lo sforzo su quello adiacente aumenta. Ciò significa che i pori più piccoli possono comportare stress più bassi.

Tuttavia, è importante notare che i difetti reali prodotti dalla stampa 3D LPBF sono tipicamente allungati, o anche irregolari, e non arrotondati o sferici come i difetti di prova usati in questo studio. Difetti irregolari possono a volte includere spigoli vivi che agiscono come concentratori di stress, motivo per cui i ricercatori hanno anche introdotto un difetto a forma di cubo.

Sono stati effettuati test di compressione su tutti e 12 i campioni, che hanno tutti dimostrato di contenere porosità involontaria. Ma nonostante la dimensione dei pori, non hanno influenzato la forza di snervamento, il che dimostra che anche i pori di grandi dimensioni non influenzano la resistenza allo snervamento della struttura reticolare per la rugosità della superficie data.

“È stato dimostrato in questo lavoro, utilizzando la simulazione numerica e test di compressione fisica, che possono essere prodotti reticoli additivamente prodotti per applicazioni portanti e la dimensione dei pori prodotti involontariamente avrà un’influenza minima sulla resistenza della struttura. Da questi risultati è chiaro che non solo la progettazione del reticolo gioca un ruolo importante nelle sollecitazioni locali, ma anche la natura della rugosità superficiale delle parti fabbricate additive “, hanno concluso i ricercatori. “Ci si può aspettare che la riduzione degli sforzi con angoli meno affilati nel design del reticolo e una superficie meno ruvida, porterà a strutture più forti e potrebbe essere particolarmente utile per aumentare la vita a fatica.”
Co-autori del giornale sono Anton Du Plessis, Ina Yadroitsava, Dean-Paul Kouprianoff e Igor Yadroitsev.

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