Ottimizzazione della resistenza meccanica e della precisione della forma delle parti FFF in poliammide utilizzando l'analisi relazionale del grigio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13142 (2022) Citare questo articolo

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Questo articolo indaga l'effetto di diversi parametri del processo di produzione additiva come la temperatura della camera, la temperatura di stampa, lo spessore dello strato e la velocità di stampa su cinque parametri essenziali che caratterizzano i componenti prodotti: cilindricità, circolarità, resistenza e modulo di Young e deformazione mediante Gray Relational Metodo di analisi simultaneamente. Per progettare gli esperimenti è stato utilizzato il metodo Taguchi e le parti cilindriche in PA6 sono state fabbricate utilizzando una stampante 3D RepRap X500® tedesca. Quindi sono stati calcolati i valori del Gray Relational Grade (GRG) per tutti gli esperimenti. Nell'ottava prova è stato osservato il valore più alto di GRG. Quindi, per scoprire i parametri ottimali, i dati GRG sono stati analizzati utilizzando l'ANOVA e l'analisi S/N, ed è stato determinato che le migliori condizioni per migliorare il GRG sono 60 °C nella temperatura della camera, 270 °C nella temperatura di stampa, 0,1 spessore dello strato mm e velocità di stampa di 600 mm/min. Infine, utilizzando parametri ottimali, è stato eseguito un test di verifica e sono stati studiati nuovi componenti. Infine, confrontando il GRG iniziale con il GRG degli esperimenti ha mostrato un miglioramento nel grado relazionale grigio (14%) che si accompagna al miglioramento del valore GRG.

Uno dei metodi di produzione additiva (AM) più utilizzati è la fabbricazione di filamenti fusi (FFF), che può produrre parti dalla geometria complessa. In questo processo, un filamento continuo di materiale termoplastico viene depositato strato dopo strato per realizzare il pezzo finale. Uno degli obiettivi essenziali nella produzione di parti con questo metodo è quello di produrre parti con elevate proprietà meccaniche e allo stesso tempo un'eccellente precisione geometrica. Tra i vari metodi utilizzati per migliorare le proprietà desiderate delle parti prodotte c'è quello di determinare i parametri di processo ottimali in questo processo1,2,3.

ME, noto anche come Fused Filament Fabrication (FFF) come descritto nella norma ISO/ASTM 52900, è un metodo AM popolare che prevede la deposizione selettiva grazie a minori sprechi di materiale, materiali meno costosi e strumenti di polimeri termoplastici attraverso un ugello riscaldato. Come tecnica di stampa 3D nelle applicazioni di prototipi e prodotti finali tra i metodi di produzione additiva4,5.

Nel processo FFF, un polimero viene immesso in un liquefattore, che estrude un filamento mentre si muove in piani X–Y successivi lungo l'asse Z per costruire strato dopo strato un oggetto 3D6,7. Polilattide (PLA), poliammide (PA), policarbonato (PC), acrilonitrile stirene acrilato (ASA), nylon, acrilonitrile butadiene stirene (ABS) e polietere etere chetone (PEEK) sembrano essere i polimeri termoplastici più utilizzati nell'industria Tecnica FFF per realizzare parti 3D8. Gli svantaggi più significativi di questo approccio includono scarsa qualità della superficie, bassa velocità di costruzione e proprietà meccaniche anisotrope derivanti dalla strategia strato per strato9,10. A causa dell'utilizzo di parti stampate in 3D, il comportamento meccanico e la precisione geometrica devono essere attentamente esaminati per evitare sprechi di materiali e tempo11.

Poiché molti parametri potrebbero avere un impatto sul processo di stampa, la configurazione predefinita dei parametri del processo di stampa da parte dei produttori non può garantire la qualità dei prodotti stampati12. Vari parametri di processo come la temperatura dell'ugello, lo spessore dello strato, lo spessore del guscio, la velocità di stampa, la densità di riempimento e altri parametri con risposte multiple, controllano il processo FFF e dovrebbero essere ottimizzati per migliorare la qualità richiesta. Dal punto di vista dell’analisi, questo rende la procedura piuttosto complicata. Pertanto, sono in corso ricerche approfondite per determinare l'impatto dei vari parametri del processo FFF sulle diverse risposte13.

Ju-Long14 ha sviluppato la Gray Relational Analysis (GRA), che è una delle tecniche di ottimizzazione a risposta multipla e si basa sulla tecnica Taguchi. Molti studi recenti basati sull'analisi relazionale dei grigi (GRA) sono stati eseguiti per migliorare le diverse risposte attraverso l'ottimizzazione dei parametri di elaborazione. Ad esempio, Venkatasubbareddy et al.15, hanno utilizzato il metodo Taguchi con l'analisi relazionale dei grigi (GRA) per determinare la migliore combinazione di caratteristiche del processo FDM per le parti in ABS, con conseguente miglioramento della finitura superficiale e dell'accuratezza dimensionale in termini di lunghezza, spessore e diametro . Per questo esperimento è stato scelto l'array ortogonale L27 utilizzando il DOE di Taguchi con cinque parametri: traferri, spessore dello strato, larghezza del raster, angolo del raster e orientamento della parte a tre livelli di ciascun parametro. È stato affermato che lo spessore dello strato di 0,254 mm, l'orientamento della parte e l'angolo raster di 0°, la larghezza raster di 0,4564 mm e gli spazi d'aria pari a zero dovrebbero migliorare la qualità della superficie e la precisione dimensionale dei componenti. Aslani et al.16 hanno studiato l'impatto del numero di gusci, della temperatura di stampa, della velocità di riempimento e del modello di stampa sull'accuratezza dimensionale del PLA. La tecnica Grey-Taguchi con tecniche ANOM e ANOVA è stata utilizzata per determinare i livelli ottimali dei parametri di stampa per i componenti PLA FFF, ottenendo la migliore precisione dimensionale. Per quanto riguarda le deviazioni dimensionali in due dimensioni, è stata effettuata un'ottimizzazione a risposta multipla e i risultati ottenuti hanno mostrato che la caratteristica essenziale, secondo i dati, è la temperatura dell'ugello. Inoltre, l'analisi mostra che i livelli che riducono al minimo la deviazione dimensionale sono tre gusci, temperatura di stampa di 230 °C, una delle temperature di stampa consigliate del PLA, tasso di riempimento del 10% e motivo di stampa esagonale.