ANALISI NUMERICA E SPERIMENTALE DEL MECCANISMO DI INTERLOCKING NELLA STAMPA 3D FDM

Fused Filament Fabrication (FFF) is a rapidly growing technology due to its versatility and ability to produce complex components at low cost. However, the limited inter- and intra-layer adhesion reduces the mechanical performance of the manufactured parts, making necessary the development of innovative deposition strategies. In this thesis, a new deposition strategy, referred to as interlocking, was developed. This approach involves a controlled alternation in the height of the strands to enhance the interconnection between adjacent filaments. The method was implemented by modifying the G-code through MATLAB scripts and applied to the production of polycarbonate specimens using an Ultimaker S5 printer. The work was divided into two main phases. In the experimental phase, a design of experiments was carried out by varying extrusion temperature, print speed, layer height, and the orientation of the deposited strands with respect to the specimen axis. Samples produced using standard slicing logic were compared with those fabricated using the interlocking approach. The specimens underwent tensile testing according to ISO 527, followed by statistical analysis of the results. In parallel, modeling and numerical analysis were conducted using the FLOW-3D software. Specifically, the volume-of-fluid method was employed to simulate material deposition and void formation. A mesh independence study was also performed to ensure the reliability of the numerical results. The findings demonstrated that the interlocking strategy improves the printability of the specimens, enhances filament adhesion, and reduces the presence of internal defects, resulting in improved mechanical properties compared to traditional deposition methods. The proposed strategy thus represents a promising approach for enhancing the performance of components manufactured using FFF technology.

La Fused Filament Fabrication (FFF) rappresenta una tecnologia in rapida diffusione per la sua versatilità e la capacità di realizzare componenti complessi a costi contenuti. Tuttavia, la limitata adesione inter- ed intra-strato riduce le prestazioni meccaniche dei manufatti prodotti, rendendo necessaria l’elaborazione di strategie di deposizione innovative. In questa tesi è stata sviluppata una nuova logica di deposizione, denominata interlocking, che prevede un’alternanza controllata in altezza degli strand al fine di incrementare l’interconnessione tra filamenti adiacenti. Tale approccio è stato implementato mediante la modifica del G-code attraverso script MATLAB ed applicato alla produzione di provini in policarbonato realizzati con stampante Ultimaker S5. Il lavoro si è articolato in due fasi principali. Nella parte sperimentale è stata condotta una design of experiment variando temperatura di estrusione, velocità di stampa, altezza layer e l’orientazione degli strand depositati rispetto all’asse del provino, confrontando campioni prodotti con la logica di slicing normale e con interlocking. I provini sono stati sottoposti a prove di trazione secondo la norma ISO 527, conducendo un'analisi statistica dei risultati. Parallelamente, è stata eseguita la modellazione e l'analisi numerica mediante il software FLOW-3D. In particolare, si è impiegato il metodo volume-of-fluid facendo uso del metodo per descrivere la deposizione del materiale e la formazione dei vuoti. Uno studio di indipendenza dalla mesh ha inoltre garantito l’affidabilità dei risultati numerici. I risultati hanno evidenziato come la logica interlocking migliori la stampabilità dei provini, favorisca l’adesione tra filamenti e riduca la presenza di difetti interni, traducendosi in un incremento delle proprietà meccaniche rispetto alla deposizione tradizionale. La strategia proposta si configura pertanto come un approccio promettente per il potenziamento delle prestazioni dei componenti realizzati con tecnologia FFF.