Analisi e Simulazione di processi di stampa additiva

In the last years Additive Manufacturing (AM) or 3D printing has conquered a relevant role among the newest enabling technologies of the fourth industrial revolution. Most diffused Additive Manufacturing technologies are Powder Bed Fusion (PBF) and Fused Deposition Modeling (FDM). The first technology is based on the powder bed technology, in which the powder (metal or ceramics) are spread on the building plate and sintered trough a heat source. The second one, instead, employs a fused filament (generally plastic) which is deposited trough an extruder on the building plate. The cooling process of the fused filaments and the consequent bonding among the fibers, give rise to the solid component. This technologies allow to realize optimized components merging the last scientific founding with the uniqueness of the artisan productions. The possibility to realize customized components with a high rate of technology without a real production chain make 3D printing one of the main performers of the fourth industrial revolution. Nevertheless a lot 3D printing technologies are already patented, the usage of 3D printing is not diffused on large scale yet, and the processes itself are affected by some difficulties given by the complexity of the physical phenomena. The practical experience suggest that a correct setting of printing process parameters allow to improve the results of the print; although, at now, the experimentation process is very expensive due to the high costs of the materials. A solution to avoid this inconvenience is the possibility to simulate the printing process to predict the effects of printing parameters variation on final components shape. In the present thesis we will focus on the simulation of of 3D printing processes. The dissemination is organized in two parts: the former is dedicated to Powder Bed Fusion, the latter to Fused Deposition Modeling. Fort both the technologies we propose a wide ranging discussion on the mechanical properties of the used materials and on the physical problems of the specific technology. We analyze in detail the simulation approaches present in literature and, for each technology, we have developed an appropriate computational method. The simulation approaches for Powder Bed Fusion can be distinguished according to the scale level of the simulation. Powder level simulations are focused on the study of the interaction between the laser beam and the powder and on the study of the thermo-dynamic evolution of the melt pool. From a literature review it merged that the only computational method able to simulate these aspects of Powder Bed Fusion is the Lattice Boltzmann method. Once derived the Boltzmann equation from the kinetic theory of gases and after having explained its close relationship with the Navier-Stokes-Fourier equations, we have derived the Lattice Boltzmann method and we have used it to solve some interesting thermo-fluid dynamic problems strictly related to the powder bed technology. Finally, we have developed a finite element method (FEM) based on sequential element activation to simulate powder layer deposition and the interaction between the heat source and the powder. With this approach we have investigated the influence of the printing parameters on a microscopic titan domain; then we have used this method to simulate a real component. The second part of this thesis is dedicated to the simulation of the Fused Deposition Modeling. In this case we have developed a FEM method based on the sequential element activation to simulate the deposition of the fused filament following the instructions contained in the GCode file used for the printing process. With this approach we have simulated the printing of two plastic components and we have compared the numerical results with experimental measurements obtained trough a high precision laser scanner.

Negli ultimi anni la manifattura additiva, o stampa 3D, si è ritagliata un ruolo di rilievo tra le nuove tecnologie abilitanti della quarta rivoluzione industriale. La stampa 3D consente di realizzare oggetti di vario materiale senza alcun vincolo geometrico. Le tecnologie additive maggiormente diffuse sono la Powder Bed Fusion (PBF) e il Fused Deposition Modeling (FDM). La prima è basata sulla tecnologia a letto di polvere, in cui le polveri vengono dapprima stese sul piano di costruzione strato per strato e, in seguito, sinterizzate in maniera selettiva. La seconda invece utilizza un filamento fuso depositato, tramite un estrusore, sul piatto di costruzione. Queste due tecnologie consentono di realizzare componenti ottimizzati e personalizzati coniugando gli ultimi ritrovati scientifici e tecnici con l'unicità tipica delle produzioni artigianali. Proprio la possibilità di realizzare componenti specifici ad alta tecnologia senza la necessità di realizzare una vera e propria catena produttiva, rendono la stampa 3D uno degli attori principali della quarta rivoluzione industriale. Nonostante molti tecnologie di stampa siano già patentate, l’utilizzo della stampa 3D non è ancora diffusa su larga scala e i processi stessi sono interessati da alcune difficoltà dovute alle complessità dei fenomeni fisici interessati. L’esperienza pratica suggerisce come un corretto settaggio dei parametri di stampa permette di migliorare i risultati finali delle stampe; tuttavia, in questa fase, la sperimentazione è molto onerosa in termini economici per via del costo dei materiali. Una soluzione per ovviare a questo inconveniente è rappresentata dalla possibilità di simulare il processo di stampa e predirre gli effetti dei parametri di stampa sui componenti finali. Nella presente tesi ci occuperemo della simulazione dei processi di stampa 3D. La dissertazione è organizzata in due parti: la prima dedicata al Powder Bed Fusion e la seconda dedicata al Fused Deposition Modeling. Per entrambe le tecnologie proponiamo un excurcsus ad ampio raggio focalizzato sulle caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati e sui problemi fisici coinvolti nei processi. I fenomeni fisici sono analizzati in dettaglio insieme con le metodologie di simulazione presenti in letteratura. In seguito, per ogni tecnologia abbiamo sviluppato un metodo di simulazione appropriato. Nel caso della Powder Bed Fusion il problema della simulazione del processo può essere affrontato a livello particellare o a livello del componente. Le simulazioni particellari si focalizzano sullo studio dell’interazione tra il laser e le polveri microscopiche e sullo studio dell’evoluzione termofluido dinamica della pozza di fusione. Da ricerche di letteratura è emerso che l’unico metodo computazionale capace di simulare questi processi con risultati apprezzabili è il Lattice Boltzmann Method, basato sulla discretizzazione dell’equazione di Boltzmann. Abbiamo derivato il Lattice Boltzmann Method e lo abbiamo impiegato per risolvere alcuni interessanti problemi termo-fluido dinamici. In secondo luogo, abbiamo sviluppato un metodo ad elementi finiti (FEM), basato sull’attivazione sequenziale degli elementi per simulare la deposizione degli strati di polvere e il passaggio della fonte di calore. Con questo metodo abbiamo studiato l’influenza dei parametri di stampa sulla stampa di una parte microscopica di titanio; abbiamo sfruttato il metodo per simulare un componente di grandezza reale. La seconda parte di questa tesi è dedicata alla simulazione del processo di stampa FDM; abbiamo sviluppato un metodo FEM basato sull’attivazione sequenziale degli elementi per simulare la deposizione del filamento fuso seguendo le istruzioni contenute nel Gcode utilizzato per la stampa. Con questo approccio abbiamo simulato la stampa di due modelli plastici differenti per geometria e abbiamo confrontato i risultati ottenuti con misure sperimentali.