Corso di Stampa 3D: 7 – Progettazione Avanzata e Ottimizzazione

7 – Progettazione Avanzata e Ottimizzazione

Obiettivi operativi

• Saper ottimizzare un modello 3D per ridurre peso mantenendo la resistenza meccanica.

• Introdurre tecniche di multi-materiale e strutture lattice.

• Imparare a progettare supporti avanzati che facilitino la stampa e riducano scarti.

• Realizzare un oggetto funzionale e leggero (es. staffa, drone arm, custodia).

---

1) Ottimizzazione per resistenza e peso

1.1 Resistenza dei materiali

Per un pezzo sottoposto a sforzi meccanici, la resistenza dipende da:

$$\sigma = \frac{F}{A}$$

dove:

• $\sigma$ = tensione (MPa),

• $F$ = forza applicata (N),

• $A$ = area della sezione (mm²).

👉 Obiettivo: mantenere $\sigma < \sigma_{amm}$ (resistenza ammissibile del materiale).

1.2 Fattore di sicurezza

$$n = \frac{\sigma_{rottura}}{\sigma_{lavoro}}$$

Valore tipico: $n \approx 2-3$.

1.3 Alleggerimento

• Hollowing: svuotare il modello mantenendo guscio da 2–3 mm.

• Infill variabile: usare il 20% per zone neutre e 80–100% per zone sollecitate.

• Fillet e raccordi: riducono concentrazioni di tensione.

Esempio: staffa per 50 N. Materiale PLA ($\sigma_{amm} = 40\ \text{MPa}$).
Sezione minima richiesta:

$$A = \frac{F}{\sigma_{amm}} = \frac{50}{40 \cdot 10^6} \approx 1,25 \cdot 10^{-6}\ \text{m}^2 = 1,25\ \text{mm}^2$$

👉 Si progetta con 5 mm² per fattore sicurezza.

---

2) Modelli complessi e multi-materiale

• Dual-extrusion FDM: un nozzle per materiale strutturale (es. PLA), l’altro per supporti solubili (PVA/HIPS).

• Multi-materiale SLA (più raro): cambio resina a metà stampa o macchine avanzate.

• Applicazioni:

  • Parti rigide + flessibili (custodia rigida con guarnizione TPU).

  • Parti con dissolvenza cromatica (design estetici).

  • Meccanismi stampati già assemblati (cerniere, giunti).

---

3) Strutture lattice e supporti avanzati

3.1 Strutture lattice

• Reticoli (gyroid, octet, honeycomb) → ottimo rapporto resistenza/peso.

• Densità relativa calcolata da:

$$\rho_{rel} = \frac{\rho_{eff}}{\rho_{solido}}$$

dove $\rho_{rel}$ è densità relativa della struttura porosa.
👉 Un gyroid al 30% di riempimento mantiene il 60–70% della resistenza con metà peso.

3.2 Supporti avanzati

• Tree supports (ramificati, usati in SLA/FDM per geometrie organiche).

• Custom supports: progettati manualmente in CAD → minore consumo di materiale.

• Breakaway vs solubili: i primi si staccano facilmente, i secondi si sciolgono in acqua o solvente.

---

4) Attività pratica

Obiettivo: staffa alleggerita per fissaggio (es. supporto per drone).

1. Modellazione CAD (Fusion 360):

   • Disegnare staffa solida (20×40×5 mm).

   • Applicare hollowing → guscio 2 mm.

   • Inserire reticolo gyroid interno al 30%.

2. Simulazione FEM rapida:

   • Carico 50 N, vincolo alle estremità.

   • Verifica tensione massima $\sigma \approx 20\ \text{MPa} < \sigma_{amm}$.

3. Esportazione STL con ottimizzazione dei supporti → tree supports solo nelle zone a sbalzo.

4. Stampa 3D (PLA o PETG, layer 0,2 mm, 50% infill).

5. Valutazione:

   • Peso: riduzione del 40% rispetto al solido.

   • Resistenza: staffa non si deforma fino a 45–50 N.

---

5) Sicurezza e buone pratiche

• Nei modelli alleggeriti → attenzione a carichi concentrati (rischio di frattura localizzata).

• Controllare sempre orientamento di stampa per massimizzare resistenza lungo le fibre del layer.

• Evitare spigoli vivi → introdurre raggi min. 1–2 mm.

---

6) Applicazioni reali

• Automotive/Aerospaziale: staffe e supporti ottimizzati → fino al 70% di peso in meno.

• Biomedicale: protesi alleggerite con reticoli lattice (simulano struttura ossea).

• Design industriale: sedie, lampade, elementi estetici con pattern organici.

---

👉 A fine modulo lo studente avrà progettato e stampato un oggetto funzionale, leggero e ottimizzato, integrando concetti di resistenza meccanica, ottimizzazione topologica e design multi-materiale.