Strategies for mass reduction of extrusion based additive manufactured parts

Today, it is commonly acknowledged that clients are 'more astute', additionally requesting and are looking for progressively individualized and customized products. Mass customization is one methodology that may furnish manufacturers with the 'tools' and strategies to fulfill these changing consumer needs. Mass customization as defined is to manufacture parts or components specific to individual requirements. Implementing it using traditional and other advanced manufacturing processes is a challenge due to their limitations in the design specification of the process (design for manufacturing). Additive manufacturing has evolved a lot in previous years to manufacture complex and customized part in a short lead time with specification and quality deliverable for end user application. Introducing Additive manufacturing with mass customization will open up a wide range and scope for implementation in today’s era of customization. The purpose of this work is to evaluate different strategies of mass reduction for extrusion based additive manufacturing. The study is concentrated on plastic components manufactured using FDM process for different applications. Case studies on cheap prosthetic foot and injection mould are carried out to observe the role of topology optimization in the diverse application. Cost model is formulated by considering printing time and material consumed during 3D printing. Evaluated case studies have motivated to find different mass reduction strategies through experimental and numerical analysis The study is carried out through experimental and numerical analysis of standard compression and tensile test specimen for three levels (70%, 50% and 30%) of topology optimization, Infill density and an integrated strategy of topology and infill density. Manufacturing of these samples is carried out using Creality Ender-3 FDM machine with the required process parameters for different strategies. The mechanical properties like Young’s modulus, yield strength, elongation, maximum stress induced, and fracture conditions are verified from both experimental and numerical analysis. The results from numerical analysis are supported by the experimental results. Obtained results of all the parameters mentioned above support the effect of topology optimization integrated with infill density as a reliable method of reducing the components weight with an acceptable trade of between stiffness and cost.

Oggi, è comunemente riconosciuto che i clienti sono "più astuti", inoltre richiedono e sono alla ricerca di prodotti progressivamente personalizzati e personalizzati. La personalizzazione di massa è una metodologia che può fornire ai produttori gli "strumenti" e le strategie per soddisfare queste mutevoli esigenze dei consumatori. La personalizzazione di massa come definita è quella di produrre parti o componenti specifici per le singole esigenze. L'implementazione utilizzando processi di produzione tradizionali e altri avanzati è una sfida a causa dei loro limiti nelle specifiche di progettazione del processo (progettazione per la produzione). La produzione additiva si è evoluta molto negli anni precedenti per produrre parti complesse e personalizzate in tempi brevi, con specifiche e risultati di qualità per l'applicazione per l'utente finale. L'introduzione della produzione additiva con la personalizzazione di massa aprirà una vasta gamma e possibilità di implementazione nell'era della personalizzazione di oggi.   Lo scopo di questo lavoro è valutare il grado di ottimizzazione della topologia per la personalizzazione di massa utilizzando la produzione additiva. Lo studio si concentra su componenti in plastica fabbricati utilizzando il processo FDM per diverse applicazioni. Lo studio viene condotto attraverso l'analisi sperimentale e numerica di campioni di compressione standard e di trazione per tre livelli (70%, 50% e 30%) di ottimizzazione della topologia, densità di riempimento e una strategia integrata di topologia e densità di riempimento. La produzione di questi campioni viene effettuata utilizzando la macchina FDM Creality Ender-3 con i parametri di processo richiesti per diverse strategie. Le proprietà meccaniche come il modulo di Young, la resistenza allo snervamento, l'allungamento, lo stress massimo indotto e le condizioni di frattura sono verificate sia dall'analisi sperimentale che numerica. I risultati dell'analisi numerica sono supportati dai risultati sperimentali. I risultati ottenuti da tutti i parametri sopra menzionati supportano l'effetto dell'ottimizzazione della topologia come metodo affidabile per ridurre il peso dei componenti con un commercio accettabile tra rigidità e costo. Aggiungi numeri Casi di studio su piede protesico economico e stampo a iniezione vengono eseguiti per osservare il ruolo dell'ottimizzazione della topologia nelle diverse applicazioni. Il modello di costo è formulato considerando il tempo di stampa e il materiale consumato durante la stampa 3D. Case study valutato e risultati sperimentali mostrano che un livello ottimale di ottimizzazione della topologia rende la stampa 3D economica in scenari di personalizzazione di massa.