Estudo do efeito da variação de design em geometrias TPMS manufaturadas aditivamente por tecnologia DLP

Abstract

Resumo: A manufatura aditiva (MA) se tornou nos últimos anos um processo muito útil na fabricação de produtos altamente customizáveis e de grande complexidade. Dentro da MA uma das tecnologias amplamente popularizadas é o Processamento de Luz Direta (DLP). Tal tecnologia é utilizada desde áreas complexas como a médica e odontológica até a produção de calçados e equipamentos de segurança, devido a sua facilidade de manuseio e alta resolução nos detalhes das peças produzidas. Utilizando tecnologias como DLP, estruturas Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) puderam ser finalmente fabricadas e aplicadas em diversos produtos. Tais estruturas são estudas desde o século 19 como proposta de curvas onde não ocorre a presença de cantos vivo, dificultando assim a propagação de trincas quando submetidas a esforços mecânicos. Devido a sua alta complexidade, sua fabricação era impossível até o surgimento de tecnologias de manufatura aditiva. Ao analisar estudos referentes as estruturas TPMS, percebe-se a falta de definição dos parâmetros de design e sua influência em ensaios mecânicos de compressão como também um comparativo entre estruturas. O presente estudo propõe uma avaliação das estruturas TPMS mais estudadas sendo elas giroide, diamante e Schwarz P e seus parâmetros de design tamanho de célula e espessura de parede, para identificar quais são os comportamentos observados quando tais estruturas são submetidas a ensaios de compressão utilizando o design de experimento de Taguchi metodologia de análise de experimentos. O objetivo principal do estudo foi analisar a influência de cada estrutura e parâmetro diante de esforços de compressão. Os resultados obtidos mostraram que tamanho de célula unitária não apresentou significância estatística, já a geometria e espessura de parede apresentaram forte relação com os valores de módulo de elasticidade calculados. Cada geometria apresentou diferentes comportamentos quando variados seu design, sendo Schwarz P a maior variação de módulo de elasticidade e giroide a menor variação, podendo concluir que cada geometria se comporta diferentemente em relação aos seus parâmetros.

Abstract: Additive manufacturing (AM) has become a very useful tool in recent years to produce highly customizable and complex products. Within AM, one of the widely popularized technologies is Direct Light Processing (DLP). This technology is used in complex areas such as medical and dental, as well as in the production of footwear and safety equipment, due to its ease of handling and high resolution in the details of the parts produced. Using technologies like DLP, Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) structures could finally be manufactured and applied in various products. Such structures have been studied since the 19th century as a proposal for curves where sharp corners do not occur, thus making it difficult for cracks to propagate when subjected to mechanical stress. Due to their high complexity, their manufacture was impossible until the emergence of additive manufacturing technologies. Analyzing studies concerning TPMS structures, there is a noted lack of definition of design parameters and their influence on mechanical compression tests, as well as a comparison between structures. The present study proposes an evaluation of the most studied TPMS structures, namely gyroid, diamond, and Schwarz P, and their design parameters of cell size and wall thickness, to identify the observed behaviors when such structures are subjected to compression tests using Taguchi's experimental design and analysis of experiments methodology. The main objective of the study was to analyze the influence of each structure and parameter under compression forces. The results showed that the unit cell size did not present statistical significance, while geometry and wall thickness showed a strong relationship with the calculated elasticity modulus values. Each geometry exhibited different behaviors when their design was varied, with Schwarz P showing the greatest variation in elasticity modulus and gyroid the least variation, concluding that each geometry behaves differently in relation to its parameters.