Progettazione delle nervature di rinforzo per parti stampate in 3D: metodo strutturale dall’aumento della rigidezza all’ottimizzazione dei materiali

Introduzione: necessità della progettazione delle nervature di rinforzo

I pezzi stampati in 3D, a causa delle caratteristiche produttive di deposizione strato su strato, presentano zone di debolezza nella direzione tra gli strati; inoltre, il modulo elastico dei materiali plastici è relativamente basso, per cui le strutture a parete sottile tendono facilmente a deformarsi e a perdere stabilità. La progettazione di nervature di rinforzo è un mezzo efficace per risolvere questo problema: senza aumentare in modo significativo peso e costo dei materiali, consente di migliorare notevolmente la rigidità e la resistenza della struttura.

I. Principi di base delle nervature di rinforzo

1.1 Principio di incremento della rigidità

Le nervature di rinforzo aumentano la rigidità della struttura incrementando il momento d’inerzia della sezione. All’aumentare del momento d’inerzia, la piastra nervata sposta il materiale più lontano dall’asse neutro, aumentando il momento d’inerzia della sezione. La rigidezza a flessione è proporzionale al momento d’inerzia; il materiale delle nervature è concentrato nelle aree periferiche, con un elevato tasso di utilizzo del materiale.

II. Principi di disposizione delle nervature

2.1 Progettazione delle nervature longitudinali

Scenari applicativi: carichi di flessione unidirezionali, strutture a trave

Parametri di progetto:

• Altezza della nervatura: 3-5 volte lo spessore della parete, valore tipico 5-15 mm
• Spessore della nervatura: 0,5-0,8 volte lo spessore della parete, valore tipico 1-3 mm
• Distanza tra le nervature: 2-3 volte l’altezza, per evitare l’instabilità tra le nervature

III. Ottimizzazione della forma della sezione

Le sezioni delle nervature più comuni includono triangolare, a T, a I, a canale, ecc. La sezione triangolare è semplice da produrre ma concentra le tensioni; la sezione a T offre un’elevata efficienza di rigidezza ed è facile da realizzare; la sezione a I ha la massima rigidezza e un alto tasso di utilizzo del materiale; la sezione a canale offre una buona rigidezza torsionale.

IV. Strategie di risparmio di materiale

Attraverso strategie come la concentrazione ai bordi, il design cavo e il design gradiente, è possibile migliorare in modo significativo le prestazioni strutturali controllando al contempo il peso. I calcoli esemplificativi mostrano che, adottando una progettazione con nervature, il peso può essere ridotto del 40%, mentre la rigidità aumenta invece del 200%.

V. Vincoli di processo produttivo

Processi diversi impongono vincoli diversi alla progettazione delle nervature: il processo FDM richiede un angolo di sbalzo ≥45° e uno spessore minimo della parete ≥1 mm; il processo SLA richiede uno spessore delle nervature ≥0,5 mm e un rapporto profondità/larghezza ≤8:1; il processo SLS richiede uno spessore delle nervature ≥0,8 mm.

Conclusione

La progettazione delle nervature di rinforzo è una tecnologia chiave per migliorare le prestazioni strutturali dei pezzi stampati in 3D. Attraverso una disposizione razionale delle nervature, l’ottimizzazione della sezione e la distribuzione dei materiali, è possibile migliorare in modo significativo la rigidità e la resistenza della struttura controllando al contempo il peso.