Projeto voltado à manufatura aditiva utilizando impressão 3D SLA e otimização topológica

Abstract

Manufatura aditiva conquista cada vez mais espaço dentro da indústria e, aliada a potentes ferramentas de projeto, estimula a produção de componentes mecânicos com geometrias cada vez mais arrojadas visando o melhor aproveitamento de recursos. Todavia, alguns fatores limitam a aplicação de tais métodos, principalmente no que diz respeito à dificuldade técnica de prever o comportamento mecânico dos componentes produzidos. Este trabalho propõe e testa uma metodologia para o projeto de componentes mecânicos fabricados por impressão 3D SLA, utilizando o método de otimização topológica para minimização da flexibilidade. O material utilizado é caracterizado por ensaios mecânicos e, por meio da utilização de restrição de tensão no problema de otimização, visa-se viabilizar o projeto. A realização das análises numéricas utilizando o método de elementos finitos e das otimizações é feita utilizando o software comercial ANSYS (versão 19.1). As topologias finais são impressas usando impressão 3D SLA e sujeitas a ensaios mecânicos, reproduzindo as condições de contorno utilizadas no caso numérico, para validar a metodologia. Por meio de exemplos numéricos e experimentais, se mostra a eficiência da metodologia proposta.

Additive manufacturing conquers a bigger participation in the industry and, combined with powerful design tools, encourages the production of mechanical components with bolder geometries aiming to better utilize resources. Nevertheless, its application is still limited by some factors, mostly regarding the technical difficulty to predict the mechanical behaviors of the fabricated components. This paper proposes and tests a design methodology for mechanical components produced by 3D SLA printing, using topology optimization to minimize their compliance. The material used is characterized by tensile tests and through the application of a stress constrain in the optimization problem, it is intended to qualify the project. The numerical simulations using the finite element method and the topology optimizations are performed utilizing the commercial software ANSYS (release 19.1). The final topologies are printed by 3D SLA printing and subjected to mechanical tests, reproducing the boundary conditions of the numerical case, to validate the methodology. Through numerical and experimental examples, the efficiency of the proposed methodology is shown.