METAL REPLACEMENT: AN INTEGRATED DESIGN FRAMEWORK FOR THE TOPOLOGY OPTIMIZATION OF FDM COMPOSITES BASED ON THE ASSUMPTION OF ORTHOTROPY

L’Additive Manufacturing (AM) consente di sfruttare appieno le potenzialità degli algoritmi di ottimizzazione topologica (TO) per lo sviluppo di componenti leggeri, efficienti e sostenibili. Tuttavia, l’attuale standard progettuale si avvale spesso dell’ipotesi di materiale isotropo: tale assunzione costituisce una semplificazione eccessiva per i prodotti AM, caratterizzati da una spiccata anisotropia intrinseca al processo di deposizione di materiale strato su strato. Tale fenomeno risulta ancora più marcato qualora, per soddisfare elevati requisiti strutturali, si impieghino materiali compositi. Il presente studio propone una metodologia atta ad integrare la fase di design con quella produttiva, implementando l’ipotesi di ortotropia nei cicli di ottimizzazione topologica tramite l’algoritmo Solid Orthotropic Material with Penalization (SOMP). L’approccio tiene conto della variabilità delle proprietà meccaniche in funzione delle strategie di stampa e dell’orientamento del componente nel volume di stampa. Inoltre, il metodo introduce una fase di Trade-Off integrato prodotto-processo, che bilancia le prestazioni strutturali con la sostenibilità ambientale ed economica del processo produttivo, permettendo la selezione del concept ottimale rispetto ai requisiti di progetto. La metodologia è stata validata attraverso una caso studio di metal replacement: la riprogettazione del pedale del freno di una monoposto Formula SAE. I risultati, valutati tramite specifici Key Performance Indicators (KPIs), dimostrano l’efficacia del metodo, evidenziando un significativo incremento della sostenibilità pur garantendo prestazioni equivalenti al componente originale.

Additive Manufacturing (AM) enables the full exploitation of Topology Optimization (TO) algorithms to design lightweight, efficient, and sustainable components. However, current design standards often rely on the hypothesis of material isotropy. This assumption is overly restrictive for AM products, which are characterized by inherent anisotropy due to the layer-by-layer nature of the process. Such anisotropy is further pronounced when composite materials are employed to meet high structural performance requirements. This study proposes a methodology to bridge the gap between design and manufacturing phases by integrating orthotropic hypotheses in TO cycles through the Solid Orthotropic Material with Penalization (SOMP) algorithm. This approach accounts for the variability of mechanical properties as a function of printing strategies and part orientation within the build volume. Furthermore, this methodology introduces an integrated product-process Trade-Off phase that balances structural performance with environmental and economic sustainability variables, allowing for the selection of the optimal concept shape based on specific requirements. The proposed methodology was validated through a metal replacement case-study: the redesign of a Formula SAE brake pedal. The results, evaluated via specific Key Performance Indicators (KPIs), demonstrate the effectiveness of the method, highlighting a significant improvement in sustainability while ensuring performance equivalent to the original component.