A study of the effects of the process parameters on the performance of a 3D printed product in polylactic acid. A first step towards establishing 3D printing guidelines

Fused Deposition Modeling (FDM) is a technology of additive manufacturing used to realize prototypes or finished products. Although in recent years this technology has had a strong development and a significant application in many areas, in the field of the industrial design has not yet formed a design culture that understands and takes advantage of its capabilities. With the advent of development programs aimed at creating Industry 4.0, the additive manufacturing technologies, including FDM, will acquire an increasingly important role in the industrial production and, consequently, the designers will have to recognize its potential and its critical issues, in order to be able to exploit them to the best. In the past years, the academic experimentation and bibliography remained quite limited, because of the closure of current patents, and only with the spread of desktop printers, it begins to create a widespread knowledge. With this background, starting from the available literature, this thesis wants to evaluate the influence of the process parameters on the mechanical behaviour, during printing. Therefore will be considered one polymeric material: PLA, which, in recent years, has significantly expanded the range of variants. Will be performed mechanical characterization tests on different samples which are obtained varying the process conditions. Will be identified the process parameters that mainly affect the mechanical behavior of the different printed specimens through a statistical approach (Design of Experiments - DOE), with the ultimate goal to understand the correlation between the parameters and the mechanical behavior of the printed piece. The ultimate aim of the thesis will be to summarize the results in order to obtain guidelines which allow to design properly the parts according to the mechanical and aesthetic needs. These design "rules" for additive manufacturing have the purpose of contributing to realize the required project culture to make these technologies real part of the industrial design.

La modellazione a deposizione fusa (FDM) è una tecnologia di produzione additiva usata per la realizzazione di prototipi o prodotti finiti. Nonostante negli ultimi anni questa tecnologia abbia avuto un forte sviluppo e una notevole applicazione in numerosi settori, nell’ambito della progettazione industriale non si è ancora formata una cultura progettuale che ne sappia comprendere e sfruttare le capacità. Con l'avvento dei programmi di sviluppo rivolti alla creazione dell'Industria 4.0, le tecnologie dell'additive manufacturing, FDM compresa, acquisiranno un ruolo sempre più importante nella produzione industriale e, di conseguenza, i progettisti dovranno, sempre più, comprenderne le potenzialità e le criticità, in modo da essere capaci di sfruttarle al meglio. A causa della chiusura dovuta ai brevetti vigenti, la sperimentazione accademica e la bibliografia, sono rimaste piuttosto limitate negli anni passati e solo ora, con la diffusione delle stampanti desktop si sta cominciando a creare una conoscenza diffusa. In questo panorama questa tesi, partendo dalla letteratura a disposizione, vuole valutare l’influenza dei parametri di processo sul comportamento meccanico dell’oggetto stampato. Sarà preso in considerazione uno dei materiali polimerici utilizzati solitamente nell’FDM: il PLA, materiale che negli ultimi anni ha ampliato notevolmente il range di varianti. Verranno effettuate prove di caratterizzazione meccanica su campioni diversamente preparati al variare delle condizioni di processo. Attraverso un approccio statistico (Design of Experiments – DOE) si cercherà d'identificare i parametri di processo che prevalentemente influenzano il comportamento meccanico dei singoli campioni diversamente stampati, con il fine ultimo di capire la correlazione fra i parametri e il comportamento meccanico del pezzo ottenuto. L’obiettivo finale della tesi sarà quello di analizzare i risultati e riassumere questi ultimi al fine di ottenere delle linee guida che consentano di progettare correttamente le parti anche in base alle caratteristiche meccaniche ed estetiche richieste. Queste “regole” di design for additive manufacturing hanno lo scopo di contribuire alla realizzazione di quella cultura progettuale necessaria a rendere queste tecnologie davvero industriali.