Fabbricazione additiva e reverse engineering: quali strumenti e soluzioni applicative offrono alle imprese impegnate nell innovazione competitiva?

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1 Fabbricazione additiva e reverse engineering: quali strumenti e soluzioni applicative offrono alle imprese impegnate nell innovazione competitiva? Prof. L. Iuliano Politecnico di Torino Presidente APRI

2 FABBRICAZIONE ADDITIVA La Fabbricazione Additiva (FA) è una tecnologia innovativa che rende possibile la produzione, in poche ore e senza l uso di utensili, di oggetti di geometria comunque complessa, direttamente dal modello matematico dell oggetto realizzato su di un sistema CAD tridimensionale.

3 PREREQUISITO L adozione delle tecniche di fabbricazione additiva è subordinata alla disponibilità del modello matematico del componente realizzato su di un sistema CAD tridimensionale.

4 Il CICLO di FA CAD 3D Sistema CAD Orientamento Generazione supporti Software macchina RP File STL Esecuzione Slicing Costruzione sezioni Macchina RP Rimozione supporti Pulizia Finitura Operazioni manuali

5 IL FORMATO.STL 1. Lo standard universale nella Fabbricazione Additiva per i modelli matematici e il formato STL (Standard Triangulation Language) 2. Si converte il modello CAD di tipo solido (3D) in un modello tipo Shell in cui la superficie esterna è approssimata attraverso triangoli di diverse dimensioni (a seconda della risoluzione richiesta) in modo da seguire il profilo del modello 3. L utilizzo di questo formato pone tuttora molti problemi, ma, grazie anche alla diffusione di numerosi software correttivi, rimane attualmente il formato più affidabile e diffuso nell ambito della FA

6 IL FORMATO.STL Modello CAD 3D Modello a triangoli

7 IL FORMATO.STL Triangolarizzazione delle superfici esterna e interna di un guidafili per macchina tessile per generare il file STL

8 ERRORI NEL FILE.STL Errori che possono provocare difetti nel modello

9 I SUPPORTI: SCOPI Ancorare il modello in costruzione all area di lavoro, permettendone comunque la successiva rimozione Proteggere le pareti laterali da azioni che ne possono compromettere la costruzione Supportare i sottosquadri

10 I SUPPORTI Prototipo Supporti Piattaforma di costruzione

11 I SUPPORTI: UN ESEMPIO

12 SLICING Intersezione del modello in formato.stl con piani paralleli aventi normale parallela all asse z e distanti di una quantità DZ I dati relativi alle sezioni ottenute sono quelli direttamente utilizzati dalla macchina di FA.

13 SLICING Esecuzione dello slicing per la definizione delle sezioni di costruzione

14 CLASSIFICAZIONE DELLE TECNICHE Tecniche FA Polvere Liquido Solido 1 Componente 1 Componente + legante Selective Laser Sintering Selective Laser Melting 3 Dimensional Printing Incollaggio Laminate Object Man. Estrusione Fused Deposition Modelling Electron Beam Melting Stampa a getto Multi Jet Modelling LampadaU.V. Fotopolimerizzazione Laser Drop on Demand Polyjet Stereolitografia

15 CLASSIFICAZIONE ALTERNATIVA In funzione dell utilizzo del sistema di FA: modellatori concettuali sistemi industriali per: prototipazione funzionale rapid tooling rapid casting rapid manufacturing

16 FABBRICAZIONE ADDITIVA La Fabbricazione Additiva è stata concepita nella metà degli anni 80 per ridurre i tempi per la realizzazione dei prototipi e per molti anni ha assunto il nome di «Prototipazione Rapida» La realizzazione dei prototipi è ancora oggi l applicazione principale della fabbricazione additiva

17 I PROTOTIPI Durante la fase di sviluppo di un prodotto vengono realizzate le seguenti tipologie di prototipi: concettuali funzionali tecnici Preserie Gli obiettivi di ciascuno sono ovviamente differenti così come il materiale impiegato per la costruzione e la tecnologia di fabbricazione.

18 I PROTOTIPI Prototipi Concettuali Prototipi funzionali Prototipi tecnici Prototipi preserie Valutazione della forma Valutazione delle presta- zioni con prove Valutazione delle presta- funzionali zioni del prodotto e del ciclo di fabbricazione Valutazione finale del prodotto (sono ammesse poche modifiche marginali) Obiettivi Verifiche di montaggio Ottimizzazione del prodot- to Ottimizzazione delle per la funzione tecno-logie di fabbricazione Analisi della difficoltà tecnologiche Analisi delle sollecitazioni con metodi fotoelastici Materiale Qualsiasi Simile Molto simile Definitivo Tecnologia di fabbricazione Non è considerato Non è considerato Simile Definitiva Caratteristiche dei prototipi costruiti durante la fase di sviluppo

19 LA MOTIVAZIONE ECONOMICA Numero di varianti Tempo di vita Complessità Tempi di consegna

20 LA MOTIVAZIONE ECONOMICA Perdite di utile (%) ,5 0 Ritardo di consegna di 6 mesi Costi di produzione superiori del 9 % Costi di sviluppo superiori del 50%

21 PRODUZIONE RAPIDA / RAPID MANUFACTURING: UNA NUOVA RIVOLUZIONE INDUSTRIALE

22 RAPID MANUFACTURING Con il termine di rapid manufacturing (RM) o produzione rapida, si intende la possibilità di realizzare, mediante fabbricazione additiva, la produzione definitiva, nel materiale finale direttamente dal modello matematico, realizzato al CAD tridimensionale, senza l impiego di utensili e attrezzature

23 RAPID MANUFACTURING Non occorre ovviamente sottolineare l importanza che questa attività rappresenta per la aziende produttrici di beni di largo consumo, in termini di riduzione del time to market Grazie al crescente numero di applicazioni, questa nuova metodologia sta progressivamente diventando una nuova realtà produttiva abbandonando definitivamente il concetto di tecnica del futuro a cui sinora era stata relegata Sul mercato esiste tuttavia ancora una certa confusione sul significato di rapid manufacturing: per alcuni è infatti considerata il metodo di produzione più rapido tra quelli disponibili, mentre per altri si tratta dell introduzione di una tecnica additiva lungo la catena produttiva.

24 RAPID MANUFACTURING Ad esempio la società nordamericana Align Technology ha introdotto la stereolitografia, per realizzare i modelli da cui vengono ricavati mediante termoformatura i sistemi di correzione dei denti Esiste pertanto una tecnica additiva nel ciclo produttivo ma non possiamo chiaramente parlare in termini di produzione rapida.

25 RAPID MANUFACTURING La definizione fornita è dunque chiara e precisa, occorre inoltre rafforzare il termine additivo dal momento che nel futuro i sistemi di rapid manufacturing potranno operare su più assi, superando l attuale limite della produzione per piani tipica della prototipazione rapida. Attualmente le applicazioni di rapid manufacturing nel settore dei beni di largo consumo, vengono attuate mediante sistemi nati per la prototipazione funzionale che presentano ovviamente dei limiti in termini di velocità di costruzione, di tolleranze dimensionali, di qualità delle superfici, di prestazioni meccaniche dei materiali e di costi ancora troppo elevati.

26 RAPID MANUFACTURING Lo stato della tecnologia è tale che il RM per ora è applicabile con successo unicamente laddove i volumi produttivi siano limitati, ad esempio il settore del racing, o nelle produzioni personalizzate tipiche del settore biomedicale. Le protesi acustiche sono un esempio consolidato di RM

27 RAPID MANUFACTURING Per far si che la produzione rapida esprima tutte le sue potenzialità, è necessario il superamento dei suddetti limiti e lo sviluppo di impianti di fabbricazione dedicati che sono ormai all orizzonte E pertanto imperativo che il mondo produttivo si prepari in vista del prossimo arrivo dei sistemi di RM, in modo che possano essere massimizzati gli suoi intrinsechi vantaggi. Tale preparazione non può prescindere dalla collaborazione con le Università e i centri di ricerca, nello sviluppo di progetti di ricerca applicata che risultano la naturale via per il consolidamento di una nuova tecnica produttiva sul mercato.

28 RAPID MANUFACTURING La produzione rapida ha riscontrato una forte crescita nel corso degli ultimi anni, tale da poterla considerare una tecnica indipendente dalle progenitrici prototipazione rapida e rapid tooling Determina inoltre profonde implicazioni nella definizione del design, nella progettazione, nella produzione, nella distribuzione e nella vendita di un nuovo prodotto e per tale motivo è da considerare una nuova rivoluzione industriale Risulta difficile immaginare un approccio produttivo con le potenzialità del RM in termini di flessibilità: lo stesso sistema può essere infatti utilizzato in molteplici settori dal medicale, all aerospazio, dall automobile all arte e dagli articoli da regalo all elettronica

29 RAPID MANUFACTURING Il punto chiave è rappresentato dall eliminazione dalla principale rigidità presente nelle attuali produzioni dei beni di largo consumo: gli stampi. Le attrezzature di produzione determinano infatti una serie di vincoli sia sul design che sul progetto del prodotto, superare questi limiti libera di conseguenza l immaginazione del designer

30 RAPID MANUFACTURING Occorre comunque considerare che i maggiori vantaggi possono essere conseguiti, solamente se il prodotto viene progettato tenendo conto che verrà realizzato con la produzione rapida. Utilizzare il RM per un prodotto pensato per essere realizzato con gli stampi è l errore più grave che possa essere commesso

31 RAPID MANUFACTURING Supporto con passacavi riprogettato per il rapid manufacturing

32 RAPID MANUFACTURING Soluzione tradizionale: 20 componenti Soluzione RM: 1 unico componente

33 RAPID MANUFACTURING 6x Componente di centrifuga per la separazione del sangue

34 RAPID MANUFACTURING Componente di centrifuga riprogettato per il RM

35 RAPID MANUFACTURING L introduzione di questa nuova tecnica richiede una profonda riorganizzazione delle aziende con le conseguente necessità di vincere le resistenze interne al cambiamento Le aziende che dimostreranno la massima dinamicità nel cambiamento della filosofia progettuale/produttiva potranno avvantaggiarsi sul mercato. Non occorre comunque far cadere la sfida pena un ulteriore perdita di competitività rispetto alla concorrenza internazionale.

36 SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING Attualmente gli impianti destinati alla produzione rapida, derivano da quelli utilizzati nella prototipazione funzionale e sono basati sulla tecnologia additiva La tecnica che meglio soddisfa le specifiche in termini di velocità di costruzione, di possibilità di sfruttare completamente il volume di lavoro della macchina e di disponibilità di materiali definitivi è la sinterizzazione selettiva con il laser (SLS) Il fused deposition modelling (FDM), pur disponendo di materiali definitivi come l ABS e il policarbonato, presenta limiti dovuti alla possibilità di sfruttare pienamente il volume di lavoro solamente nel piano XY ma non lungo l asse Z a causa della presenza dei supporti per il pezzo.

37 SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING La sinterizzazione selettiva laser (SLS) è una tecnologia che utilizza le polveri di materiali differenti (termoplastici, metalli, sabbia) per la costruzione del prototipo con l obiettivo di generare elementi funzionali con caratteristiche analoghe a quelli ottenuti con le tecnologie convenzionali Sul mercato esistono due produttori di macchine che sfruttano il principio della SLS: l americana 3D Systems e la tedesca EOS.

38 SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING Schema della sinterizzazione selettiva laser

39 SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING Disposizione dei pezzi nel volume di lavoro del sinterizzatore

40 SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING La EOSINT P730 della EOS volume di lavoro (700x380x580) mm

41 SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING La Sinterstation Pro di 3D Systems volume di lavoro (550x550x750) mm

42 SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING I materiali disponibili sono il nylon con le seguenti cariche: Vetro; Alluminio; Allumina; Fibre corte di carbonio. Ciascuno ha i propri settori di impiego, interessanti sono le applicazioni nel settore del racing

43 SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING Williams F1 team ha abbracciato il rapid manufacturing

44 SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING EOS con EOSINT M 270 e la polvere di Cromo Cobalto per il RM nel settore dentale

45 CONCLUSIONI Le aziende non sono sempre sensibili alla nuovi soluzioni, ma l innovazione non si può fermare adducendo il pretesto dei costi Oggi, si riesce a essere realmente competitivi solo utilizzando il CAD e utilizzando strumenti come la produzione rapida, ma soprattutto guardando con attenzione le tecnologie innovative, senza vederle come un potenziale concorrente, ma come una naturale evoluzione. Perdendo di vista questo obiettivo, non considerandolo come possibile fattore vincente per la riduzione del time-tomarket e per lo sviluppo di nuovi prodotti si rischia di soccombere sotto i colpi della concorrenza

46 REVERSE ENGINEERING

47 La crescente competizione globale richiede alle aziende la continua immissione sul mercato di prodotti caratterizzati da elevati standard qualitativi e da costi ridotti. Uno degli elementi strategici, per il mantenimento della capacità competitiva, è la riduzione dei tempi di sviluppo di un nuovo prodotto.

48 La finalità della RE è quella di recuperare i dati maneggiati durante il processo di sviluppo di un nuovo prodotto e di trasferirli in un modello virtuale tridimensionale. Il vantaggio di un formato digitale risiede nell immediatezza d interpretazione e nella facilità di utilizzo e d aggiornamento in tempo reale

49 Nel contesto aziendale le tecniche di Reverse Engineering trovano impiego principalmente: controllo e dell ispezione di componenti processo di sviluppo di un nuovo prodotto, ausilio nella classificazione e ricostruzione di disegni di parti di oggetti esistenti Ferrari 250 MM

50 Creazione di database prodotti Sviluppo di nuovi prodotti o reingegnerizzazione Applicazioni ingegneristiche Controllo qualità Riduzione del time to market

51 Ricerca Medica Applicazioni medicali Diagnosi Pianificazione di interventi chirurgici

52 Riproduzione e catalogazione Art & Design Restauro Strumento per l arte individuale

53 Acquisizione per la creazione di animazioni Cinema e animazioni Scene 3D Attori virtuali

54 Per ottenere da un modello fisico la sua ricostruzione virtuale tramite bisogna eseguire un operazione articolata che tradizionalmente è schematizzata in quattro distinte fasi. In realtà spesso il processo consiste nell effettuare un numero successivo di iterazioni al fine di ottenere un risultato definitivo, pertanto la schematizzazione non risulta a carattere universale.

55 Acquisizione dati Pre-elaborazione dati Segmentazione e creazione di superfici Creazione del modello CAD

56 1) ACQUISIZIONE L acquisizione può avvenire secondo un processo continuo, si parla allora di scansione, oppure secondo un processo discreto, in tal caso si utilizzerà il termine digitalizzazione. In entrambe i casi alla fine il processo porta all ottenimento di una nuvola di punti. Questa è che una serie di coordinate spaziali che descrivono le posizioni relative dei punti rilevati sull oggetto. Acquisizione dati Pre-elaborazione dati Segmentazione e creazione di superfici Creazione del modello CAD

57 Prima di procedere all acquisizione il pezzo deve essere preparata: accurata pulizia delle superfici; fissaggio del pezzo su un supporto adeguato; studio preliminare del pezzo per minimizzare il numero delle acquisizione. L analisi del pezzo permette di comprendere il quale sia la strategia e il sistema di acquisizione più opportuno da utilizzare; trattamento di spray opacizzanti delle superfici riflettenti, specie per sistemi ottici; posizionamento di marcatori.

58 Talvolta poi la geometria del pezzo risulta tale per cui è opportuno applicare su di essa un congruo numero di marcatori adesivi per poter procedere durante le fasi successive all allineamento delle diverse nuvole di punti derivanti dalle differenti scansioni.

59 2) PRE-ELABORAZIONE DATI Per quanto la fase di preparazione possa essere accurata, inevitabilmente il sistema avrà acquisito non solo punti appartenenti all oggetto in esame, ma anche una serie di punti estranei che vengono detti noise, la loro presenza e dovuta a disturbi di differente natura, quali luce troppo intensa, vibrazioni, o riflessioni, che caratterizzano il processo. Acquisizione dati Pre-elaborazione dati Segmentazione e creazione di superfici Creazione del modello CAD

60 In questa fase la massa dei dati acquisiti viene trattata con l obiettivo di mantenere solo il numero di punti strettamente necessario ad una buona rappresentazione superficiale. In primo luogo vengono eliminati i punti che chiaramente non appartengono all oggetto ma, ad esempio, al piano di supporto o allo sfondo, ed il noise ; questo può essere realizzato mediante l intervento manuale dell operatore che seleziona tali punti e grazie a comandi automatici di filtering disponibili nei software di elaborazione. Queste operazioni portano a concentrare l attenzione ai soli punti utili alla ricostruzione e ad una riduzione della dimensione dei file stessi.

61 A sinistra la nuvola di punti acquisita, a destra la mesh generata.

62 3) SEGMENTAZIONE E CREAZIONE DI SUPERFICI Il passo successivo è quello di segmentazione e creazione delle superfici, a tutt oggi non è possibile pervenire alla matematica dell oggetto senza essere passati attraverso lo stadio intermedio rappresentato dalla creazione delle superfici poligonali. Acquisizione dati Pre-elaborazione dati Segmentazione e creazione di superfici Creazione del modello CAD

63 Una volta terminata la fase di segmentazione si è ottenuto un insieme di patches collegate in modo da rappresentare la superficie dell oggetto. Lo step successivo è quello che prevede la creazione del modello CAD, che viene creato in automatico dal software e può essere esportato in vari formati per essere gestito da altri programmi opportuni (file.stl,.step,.iges)

64 Poiché la ricostruzione matematica delle superfici si basa sull utilizzo di funzioni parametriche quali le superfici NURBS o di Bèzier e tali funzioni dividono le superfici in patches di quattro lati ciascuna, l aspetto finale del modello creato sarà analogo a quello ottenuto mediante questa suddivisione. segmentazione della mesh poligonale e identificazione dei contorni

65 Fasi del processo di Reverse Engineering: dall oggetto reale modello a triangoli (operazioni di alignment e merge) le superfici NURBS modello CAD

66 4) CREAZIONE DEL MODELLO MATEMATICO Il modello matematico è la rappresentazione della forma geometrica del modello fisico, la sua creazione avviene in maniera automatica una volta terminata la fase di segmentazione nella quale si è ottenuta una suddivisione che sia il giusto compromesso tra l individuazione delle caratteristiche geometriche e funzionali del pezzo. Acquisizione dati Pre-elaborazione dati Segmentazione e creazione di superfici Creazione del modello CAD

67 SISTEMI DI RILEVAMENTO DEI PUNTI

68 ACQUISIZIONE DATI SCANSIONE DIGITALIZZAZIONE NO CONTATTO CONTATTO CMM BRACCI ARTICOLATI THEODOLITE e TOTAL STATIONS OTTICI ACUSTICI INTERFEROMETRIA LUCE STRUTTURATA TRIANGOLAZIONE RANGE FINDER FOTOGRAMMETRIA MOIRE OLOGRAFIA CONOSCOPICA TEMPO DI VOLO DIFFERENZA DI FASE Distinzione basata sul meccanismo fisico d interazione dispositivo-oggetto.

69 scansione acquisizione continua delle coordinate di punti in un volume di lavoro preventivamente definito; in questo caso i movimenti della macchina sono determinati dalla sonda che si muove su di una superficie ignota. In questo modo si cerca di effettuare il rilievo di un numero di punti necessario ad ottenere la migliore approssimazione della superficie in esame. digitalizzazione rilievo di alcuni punti, su di un elemento fisico, i cui valori nominali nel piano della macchina sono preventivamente definiti e memorizzati nel codice che pilota la macchina di misura. Questo implica il rilievo di un numero minimo di punti significativi ritenuti sufficienti dall operatore o da un apposito software di controllo per la ricostruzione della geometria delle superfici tramite programmi di disegno CAD opportunamente modificati.

70 Braccio articolato (modello Microscribe di Immersion).

71 Sistemi ottici a triangolazione Immaginando di fissare un sistema di riferimento locale che abbia l origine nel centro del target (o più in generale del punto di riflessione del raggio utilizzato come segnale), l asse z ortogonale e uscente dalla superficie del bersaglio, l asse y diretta verso l alto e l asse x tale da formare una terna destra, la posizione lungo x e y è stabilita attraverso encoders che misurano l angolo di elevazione e di azimut. Noti gli angoli e nota la misura della base, che dipende dalla geometria e dalle dimensioni d ogni dispositivo, attraverso l applicazione di semplici formule trigonometriche è immediato ricavare il valore della distanza tra il dispositivo di scansione e la superficie analizzata.

72 Principio di triangolazione ottica.

73 La macchina LASER Minolta VI-900, sono visibili il LASER e la telecamera CCD posti in parallelo

74 Profilometro a laser stripe montato su macchina CMM e uno schema tipico di una nuvola di punti associata.

75 Sistemi ottici a luce strutturata In generale, la tecnica a luce strutturata è basata sull illuminazione della scena da parte di una sorgente luminosa e dalla sua acquisizione da parte di un unità separata. Più in dettaglio la tecnica ottica della luce strutturata si riferisce alla proiezione di codici (patterns), di cui il più semplice è rappresentato da un reticolo di linee parallele, sulle superfici da misurare. La curvatura superficiale dell oggetto deforma il reticolo proiettato e le informazioni di misura sono ricavate dal confronto tra i patterns di riferimento, cioè gli stessi codici proiettati su superfici piane, e i patterns deformati. La deformazione dipende anche dalla posizione del dispositivo rispetto all oggetto perciò l acquisizione deve sempre essere preceduta dalla calibrazione del sistema.

76 principio di funzionamento e immagine deformata

77 Se si osserva il reticolo proiettato sulla superficie da un angolo diverso rispetto a quello di proiezione, l immagine appare deformata. La posizione apparente delle linee cambia, in proporzione alla distanza h della superficie rispetto ad un ideale piano mediano di riferimento S mentre gli spostamenti angolari α sono misurati sull immagine dal punto O (posizione della telecamera). L estrazione dell immagine tridimensionale da quella della griglia deformata avviene attraverso la misura della fase del reticolo. L algoritmo d estrazione della fase opera sull immagine con reticolo liberandola dal contrasto dello sfondo attraverso il confronto con l immagine senza reticolo.

78 Frange di luce bianca proiettate su un oggetto da acquisire mediante un sistema a luce strutturata

79 I sistemi di acquisizione 3D ottico topometrici a luce strutturata della serie ATOS e ATOS II sono dei sensori per il rilievo di forme nello spazio, basati sul principio della messa in fase di due immagini che provengono da due telecamere poste ad una distanza nota tra loro e convergenti verso un punto con un angolo noto; la messa in fase delle immagini acquisite dalle telecamere e quindi la resa tridimensionale delle due immagini che sono all origine bidimensionali - avviene grazie alla proiezione sulla porzione dell oggetto da digitalizzare inquadrato di una serie di pattern aventi un passo e una geometria noti.

80 Al termine di ogni ripresa, il sistema di scansione ottico topometrico genera una nuvola di punti.

81 Un oggetto, a prescindere dalla sua dimensione, peso o materiale, viene completamente digitalizzato grazie alla combinazione automatica di n riprese 3D che vengono fuse tra loro attraverso l utilizzo di opportuni marker applicati sulla superfice del particolare da scansionare.

82 Il Controllo Qualità Globale o Global Quality Control [GQC] consente di visualizzare l andamento degli scostamenti su tutto l oggetto acquisito e non solo su alcuni punti, consentendo così una migliore e più completa, laddove richiesta, analisi degli errori attraverso dati numerici e mappature a codice cromatico.

83

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