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Dissertação

{pt_PT=Optimization of Structures in Composite Reinforced by Fiber and Bidimensional Additive Processes} {} EVALUATED

Detalhes: {pt=Recentemente, o desenvolvimento de tecnologias de FFF recorrendo a fibra contínua permitiu a produção de peças estruturais mais leves e resistentes. De forma a desenvolver estruturas ótimas com recurso a estas tecnologias, o objetivo desta tese passa pela otimização da distribuição e orientação do material em estruturas bidimensionais produzidas com recurso a esta tecnologia. A estrutura é simulada utilizando elementos finitos, usando-se o software Siemens Nx para geração da malha e aplicação das condições de fronteira. Esta informação é transmitida para o programa de otimização desenvolvido em Matlab. A otimização é feita pela implementação do método DMO para discretizar as orientações da fibra e vazio, utilizando um filtro de densidade para evitar resultados em “xadrez”. O optimizador MMA é utilizado para a optimização. Usando o programa desenvolvido, são feitas otimizações sendo as estruturas daí provenientes impressas recorrendo à impressora 3D Mark Two da Markforged. Os resultados mostram que estruturas otimizadas somente quanto à topologia e estruturas também otimizadas quanto à orientação da fibra, quando impressas com preenchimento “Concêntrico” de fibra, apresentam rigidez semelhante, concordando com os resultados computacionais, no entanto com valores inferiores. Foi testada uma técnica para orientar a fibra de acordo com os resultados das otimizações, comparando os resultados com estruturas impressas com um laminado quasi-isotrópico. Os resultados revelaram-se inconclusivos quanto ao sucesso da técnica, sendo necessária uma investigação mais aprofundada. Foi também verificado que estruturas impressas com as fibras alinhadas nas direções de maior tensão são mais rígidas que estruturas impressas com um laminado quasi-isotrópico., en=Recently, the development of continuous fiber filament technology in the Fused Filament Fabrication process enabled the production of lighter, stronger structural parts. In order to develop optimal structures using this technology, this thesis aims to optimize the material distribution and orientation of bidimensional structures produced by FFF using continuous fiber. The finite element method is used to simulate the structure, using the Siemens NX commercial software to generate the finite element mesh and impose boundary conditions. This data is then read by the optimization program which was developed in Matlab. The optimization is performed by implementing the DMO method to discretize the fiber material orientations and the void material, together with a density filter to avoid checkerboard results. The optimization is performed using the MMA optimizer. Using the developed Matlab program, optimizations are performed and structures are printed according to the results using the Markforged Mark Two continuous fiber 3D printer. Results show that topology optimized structures and topology with fiber orientation optimized structures, when printed with Concentric fiber fill, have similar stiffness, showing agreement with the computational results, although with significantly lower stiffness values. A technique to force the orientation of the fiber is tested for fiber orientation optimized structures, against structures printed with a quasi-isotropic layup. The results aren't conclusive if the technique is successful, requiring further investigation for different structures or boundary conditions. Structures printed with fiber aligned with the principal stress directions revealed stiffer than structures printed with a quasi-isotropic layup.}
Keywords: {pt=Discrete Material Optimization (DMO), Impressora 3D Mark Two, Otimização da orientação da fibra, Manufatura Aditiva, Estruturas reforçadas por fibra, en=Discrete Material Optimization (DMO), Markforged Mark Two, Fiber orientation optimization, Additive Manufacturing, Fiber reinforced composite structures}

Discussão: dezembro 4, 2019, 9:30