Obtención de la distribución de estructuras de impresión de mínimo tiempo para la fabricación aditiva

Abstract

La impresión 3D por deposición fundida (FDM) es una técnica de manufactura aditiva en donde un objeto es creado mediante la superposición de capas sucesivas de material. Esta tecnología se caracteriza por poder fabricar piezas con geometrías complejas y su principal desventaja es el elevado tiempo de impresión. Además, existe una relación inversa entre el tiempo de impresión (principal factor influyente en el costo de producción) y la rigidez final de la pieza, por lo que la solución para cada caso de aplicación es una decisión técnica-económica. En base a esto, este trabajo propone una estrategia para determinar la óptima distribución de las estructuras de impresión que permita obtener la mayor rigidez de la pieza posible con el menor tiempo de impresión. Para obtener dicha distribución se utiliza un algoritmo de optimización topológica multimaterial, en donde la representación geométrica del dominio se realiza mediante funciones level-set guiadas por la derivada topológica del problema. Se presentan los conceptos fundamentales del método con el desarrollo de la derivada topológica del tiempo de impresión, ejemplos numéricos de aplicación e implementación del método en casos reales de FDM.

Fused Deposition Modeling (FDM) is an additive manufacturing technique in which an object is created by depositing material layer by layer. This technology is characterized by its capability to manufacture parts with complex geometries and its main disadvantage is long printing times. Furthermore, there is an inverse relation between the printing time (main influencing factor of the production cost) and the stiffness of the final part, thus, the solution to different application cases is a technical-economic decision. Based on this, the present work proposes a strategy to determine the optimal distribution of the printing structures that allows obtaining the highest possible stiffness of the part with the shortest printing time. To get this distribution a multiple material topology optimization algorithm is used, where the geometric description of the material domain is performed using level-set functions guided by the topological derivative of the problem. Fundamental concepts of the method, with the development of the topological derivative of the printing time are presented. Also, several numerical application examples and implementation of the method in real cases of FDM are shown.