Il rapid prototyping

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1 APRI-Il rapid prototyping 1 di 2 27/05/ Il rapid prototyping Le tecniche di prototipazione rapida (o, utilizzando la dizione inglese, rapid prototyping, RP) sono una serie di sistemi che, prescindendo dalla complessità costruttiva dell'oggetto, lo riproducono con tecniche additive, partendo da una sua definizione matematica specificata su un CAD tridimensionale ed utilizzando processi rapidi, flessibili e altamente automatizzati. Già da questa breve definizione sono chiari i punti di forza di queste tecniche: la possibilità di realizzare in tempi ridottissimi (da alcune ore a pochi giorni) un prototipo in un'ampia gamma di materiali, indipendentemente da forma e complicazione geometrica, senza nessun ausilio di attrezzature. Perché la prototipazione rapida? Fin dall'antichità, gli inventori, i disegnatori, i creativi si sono serviti sempre di un piano bidimensionale per comunicare e valutare le loro idee, prima di tradurle in pratica. Mentre nel passato i primi progettisti si affidavano a compasso e carta pergamena, quelli contemporanei possono fare uso di un vero e proprio arsenale di mezzi di progettazione. Ciononostante, il progettista non è mai assolutamente certo che ciò che osserva sullo schermo sia una fedele rappresentazione del concetto che intende realizzare. La prototipazione rapida è il tentativo più riuscito di sfondare questa barriera: quella di trasformare le fuggevoli immagini in un oggetto solido e concreto, da toccare con mano. Passato, presente e futuro Dall'idea pionieristica di Charles W. Hull, datata 1982, è nata 3D Systems Inc., società americana capostipite del settore e, cinque anni più tardi, il primo apparato per la stereolitografia, la SLA-1. Da quegli anni un numero sempre più elevato di ricercatori e, naturalmente, utilizzatori ha segnato il mondo (ed il mercato) della Prototipazione Rapida, favorendone l'evoluzione in termini di diffusione e di prestazioni. La presenza sempre più capillare di sistemi CAD ha dato una spinta straordinaria alla ricerca di metodologie sempre nuove e diverse, finalizzate alla realizzazione di oggetti a partire da una geometria definita elettronicamente. Dalle ricerche, perciò, sono nate e si sono consolidate altre tecnologie come il selective laser sintering (più brevemente SLS), il fused deposition modeling (o FDM), il laminated object manufacturing (LOM) e molte altre. Da allora molte cose sono cambiate e le attività portate avanti dai primi pionieri vengono ora affrontate in modo sistematico soprattutto da realtà industriali di piccola/media dimensione. La comparsa di questa tecnologia esotica che era in grado di realizzare elementi fisici direttamente dal CAD 3D per aggiunta progressiva di materiale destò molto scalpore e suscitò un forte interesse ed una serie di aspettative che portò a pensare che queste tecniche non avessero praticamente limiti. Naturalmente, con il passare del tempo, la ricerca e lo sviluppo hanno favorito l'evoluzione dei sistemi in termini prestazionali (tempi di lavorazione minori, tolleranze dimensionali inferiori, finitura superficiale ancora migliore, resistenza dei modelli RP a condizioni climatiche variabili e a sollecitazioni meccaniche, termiche e chimiche sempre più forti). Oggi possiamo considerarci in una fase dove: le macchine di PR sono di semplice impiego; la qualità dei prototipi in termini di precisione dimensionale, rugosità superficiale e prestazioni meccaniche è cresciuta e in ogni caso stimabile; è disponibile un'ampia gamma di materiali; sono noti i metodi e i limiti d impiego dei prototipi nel

2 APRI-Il rapid prototyping 2 di 2 27/05/ settore dell attrezzaggio rapido. In definitiva queste tecnologie sono considerate a pieno titolo mezzi per lo sviluppo rapido dei prodotti e delle attrezzature. le trasformazioni del mercato avvenute dagli anni 70 agli anni 00 hanno imposto una crescita del numero di varianti, una progressiva riduzione del ciclo di vita del prodotto, un incremento della sua complessità e il contenimento dei tempi di consegna; un ritardo di alcuni mesi nell immissione del prodotto sul mercato può determinare una perdita degli utili anche del 30%; mentre un incremento del 50% dei costi di sviluppo risulta ampiamente accettabile. La definitiva accettazione da parte del mercato e, più tardi, il successo di queste tecnologie è stato decretato proprio da questa inarrestabile tendenza a ridurre i tempi di sviluppo dei nuovi prodotti. Questo è stato il fattore di successo principale. Le tecniche di prototipazione e attrezzaggio rapidi giocheranno nel nuovo millennio un ruolo sempre più determinante nello sviluppo dei nuovi prodotti e delle relative attrezzature. Nell era della globalizzazione dei mercati la capacità di offrire tempi di sviluppo e industrializzazione sempre più contenuti è il nuovo e stimolante obiettivo per le nostre imprese. Queste tecnologie innovative rappresentano il collante tra le varie fasi di sviluppo del prodotto come la progettazione, il CAD 3D, la definizione dell attrezzatura e la fabbricazione della pre-serie.

3 APRI-Le tecniche di Rapid Prototyping 1 di 3 27/05/ Le tecniche di Rapid Prototyping Prima di parlare di prototipazione rapida è opportuno ricordare che per prototipo si intende il primo elemento di una serie. Durante la fase di sviluppo di un prodotto vengono realizzate le seguenti tipologie di prototipi: concettuali funzionali tecnici preserie Il prototipo può svolgere diverse funzioni all'interno del ciclo di sviluppo prodotto: per la progettazione verificare un idea, per il marketing può servire per provare la risposta del mercato ad una nuova proposta e per la produzione può essere utile per verificare un ciclo di fabbricazione. In definitiva le funzioni del prototipo sono quindi la verifica funzionale, la valutazione dei costi, la valutazione di tempi di flusso e della risposta del mercato. Gli obiettivi di ciascuna tipologia di prototipo sono ovviamente differenti, così come il materiale e la metodologia impiegati per la sua costruzione. La tecnologia tradizionale della fabbricazione dei prototipi è affidata ai modellisti che, sulla base delle indicazioni di grafici e progettisti, li realizzano con operazioni soprattutto manuali. Costi e tempi di questa operazione stanno diventando incompatibili con le esigenze delle aziende di ridurre drasticamente i tempi di immissione di nuovi prodotti sul mercato. E quindi diventato imperativo lo sviluppo di una nuova tecnica che permetta la compressione dei tempi e dei costi per la fabbricazione dei prototipi, avendo come punto di partenza il modello matematico dell oggetto da realizzare: la prototipazione rapida. Questa filosofia innovativa 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. Con il termine Rapid Prototyping si intende un insieme di processi che realizzano modelli e componenti per addizione di materiale layer by layer a partire da un modello matematico tridimensionale. Diversamente da tutte le macchine tradizionali, che funzionano per sottrazione successiva di materiale da un blocco nel quale è contenuta la forma che si vuole ricavare, i sistemi di RP fabbricano strati successivi di materiali costituiti di volta in volta da liquidi, polveri, fili o laminati. Strato dopo strato, queste macchine ricostruiscono l'oggetto che rappresenta il modello matematico di partenza. Per questa ragione tale tecnologia produttiva è anche nota come Layer Manufacturing. Le fasi del processo di Rapid Prototyping

4 APRI-Le tecniche di Rapid Prototyping 2 di 3 27/05/ Il prototipo deve essere disegnato al CAD utilizzando un modellatore tridimensionale solido o superficiale. Soprattutto nel caso dei modellatori superficiali, bisogna porre particolare attenzione alla chiusura e alla connessione di tutte le superfici, onde evitare che siano presenti gap o sovrapposizioni che vadano a inficiare il risultato del lavoro di modellazione. Successivamente, il modello CAD viene elaborato in un formato compatibile con il software di gestione della macchina RP. Lo standard grafico attualmente accettato da tutti i costruttori è l'stl (solid to layer), introdotto dalla società 3D Systems. Tale formato prevede la tassellizzazione (o mesh) delle superfici interna ed esterna del pezzo attraverso elementi triangolari. L'approssimazione di superfici curve attraverso facce triangolari introduce inevitabilmente un errore, valutato misurando la distanza tra il baricentro del triangolo e la superficie originaria. E' possibile infittire il numero dei triangoli in presenza di una superficie curva del modello per raggiungere l'approssimazione richiesta. L'STL è un formato molto banale e ridondante, nel quale sono indicati per ogni triangolo le tre coordinate spaziali dei tre vertici ed i tre coseni direttori della normale esterna alla superficie così definita. La triangolarizzazione dovrebbe essere sempre effettuata all'interno dell'ambiente CAD: quando questo non è possibile (per la mancanza nel sistema del modulo di salvataggio in formato STL) è necessario utilizzare dei formati di interscambio (quali IGES, VDA o altri) e convertire il file in STL con dei CAD o dei convertitori software creati appositamente per questo scopo. È necessario ridurre al minimo questi passaggi intermedi, per evitare il deterioramento della "matematica" del modello e la necessità di riparare i files STL in uscita per la presenza di superfici non connesse o con incoerenze, che non possono essere

5 APRI-Le tecniche di Rapid Prototyping 3 di 3 27/05/ trattate da un sistema RP. Spesso, però, può capitare che anche senza utilizzo di formati di dati intermedi, il file STL creato sia di scarsa qualità o comunque debba essere "riparato": è quindi necessario che la workstation dedicata al RP sia equipaggiata con software adeguato. Il file STL viene poi elaborato dalla macchina per le successive fasi di orientamento del pezzo, generazione dei supporti e slicing. La prima fase consente di selezionare la direzione di "crescita" ottimale del prodotto, che influenza notevolmente precisione dimensionale, finitura superficiale e tempi e costi di produzione. La seconda fase è necessaria per alcune tecniche, per sostenere eventuali parti a sbalzo. Il file deve poi subire una ulteriore elaborazione, ovvero deve essere sezionato con una serie di piani ortogonali alla direzione di "crescita", per ottenere le coordinate del contorno di ciascuna sezione. Lo slicing è un'operazione critica, perché condiziona in modo determinante la precisione del prototipo. Può essere uniforme, dando origine a strati di spessore costante, oppure adattativo ed in tal caso lo spessore verrà scelto in funzione della curvatura superficiale, per limitare al massimo l'aspetto a gradini della superficie esterna (effetto staircase). In questo secondo caso, quindi, la precisione del modello è sostanzialmente migliore, senza aver appesantimenti del file inviato al sistema di prototipazione. Le sezioni, che vengono costruite in successione dalla macchina RP, hanno spessori che variano da 0.05 a 0.5 mm, in dipendenza dalla tecnologia utilizzata. Una volta ultimate queste operazioni preliminari, il prototipo viene generato dalla macchina, gli eventuali supporti vengono rimossi e il pezzo viene finito manualmente e, in certi casi, sottoposto a post-trattamenti per migliorarne le caratteristiche.

6 APRI - La stereolitografia 1 di 2 27/05/ La stereolitografia (SLA) Il processo stereolitografico (SLA è l abbreviazione di StereoLitographic Apparatus) coinvolge quattro differenti tecnologie: laser, ottica, chimica dei fotopolimeri e software, ed è il primo e più importante sistema di RP commercialmente diffuso. Il processo è suddiviso in quattro fasi principali: preparazione, costruzione, pulizia e post-trattamento. 1. La preparazione, che avviene su workstation, prevede (ove necessario) anche la predisposizione dei supporti necessari per il sostegno del particolare durante la sua realizzazione. 2. La fase di costruzione del prototipo è controllata dal calcolatore. Il fascio laser (con potenze dell'ordine di qualche decina di mw) viene localizzato, mediante un opportuno sistema di ottica, sulla superficie della vasca contenente il monomero epossidico (allo stato liquido). Il fascio laser innesca una reazione chimica a catena che ha per effetto la polimerizzazione e perciò la creazione di una particella solida. Il movimento nel piano di focalizzazione del laser consente la realizzazione della prima sezione del prototipo. L'elevatore si abbassa di una quantità pari allo spessore di fotopolimero solidificato e una lama, o un sistema di ricopertura di precisione, ricopre la sezione appena costruita di un film liquido di monomero. Il processo riprende con la solidificazione di uno stato successivo, che aderisce stabilmente alla sezione sottostante. 3. Il processo continua fino alla completa realizzazione del prototipo, che verrà estratto dalla vasca sollevando l'elevatore e pulito per la fase successiva. 4. È chiaro che, per contenere il tempo di costruzione, il laser non può solidificare integralmente la sezione, ma si limiterà al suo profilo e ad un certo numero di linee che congiungono il perimetro interno con quello esterno, creando una struttura a nido d'ape. Al termine di questa fase, il particolare (green part) è solidificato all'esterno ma non completamente all'interno. Essendo la consistenza fisica non ancora accettabile, dovrà subire un post-trattamento per completare il processo di polimerizzazione. Quest'ultimo consiste nell'esposizione del particolare ad una lampada ad ultravioletti: la durata di questo processo è funzione delle dimensioni del particolare. In questo modo si completa la polimerizzazione della resina liquida ancora intrappolata all'interno del pezzo (che viene a questo punto chiamato red part). Completato il post-trattamento si provvede all'asportazione degli eventuali supporti e alla finitura del pezzo.

7 APRI - La stereolitografia 2 di 2 27/05/ Le principali caratteristiche che deve presentare un fotopolimero per impieghi stereolitografici possono essere così riassunte: elevata reattività alla radiazione laser utilizzata viscosità stabile e controllabile limitata volatilità limitata tossicità basso ritiro bassa energia di attivazione buone proprietà meccaniche dopo la polimerizzazione La sinergia tra i costruttori dei sistemi per la stereolitografia e i fabbricanti delle resine, concretizzatasi in una lunga e costosa sperimentazione, ha consentito la messa a punto di fotopolimeri ad alte prestazioni che ottimizzano queste caratteristiche.

8 Polijet 1 di 1 27/05/ Polyjet Il principio di funzionamento utilizzato per la realizzazione del prototipo è la stampa a getto di un fotopolimero. Gli step con cui avviene la costruzione del prototipo, partendo dal file STL di questo, sono i seguenti: dopo aver determinato con l operazione di slicing il profilo della sezione, una testina di stampa multiugello trasla depone in modo selettivo il fotopolimero; lo strato deposto viene completamente e contemporaneamente solidificato da una coppia di lampade ad ultravioletti posizionata dietro la testa di stampa; ultimata la deposizione di una sezione, la tavola di costruzione si abbassa in direzione Z di una quantità pari allo spessore dello strato ed il processo riprende sino alla completa realizzazione del prototipo. Al termine della fase di costruzione si effettua la rimozione dei supporti ed il pezzo è pronto per la finitura manuale e l utilizzo finale. A differenza della stereolitografia non è necessario effettuare il post-trattamento dal momento che lo strato deposto è completamente solidificato dalle lampade UV.

9 La stereolitografia 1 di 1 27/05/ Multi Jet Modelling I prototipi vengono generati impiegando una tecnica simile a quella della stampa a getto di inchiostro aggiungendo però la terza dimensione ottenuta attraverso lo spostamento lungo l asse Z della piattaforma di lavoro. Il cuore del sistema è costituito dalla testina stampante multiugello che eiettano, quando richiesto, un termoplastico liquefatto, il materiale rilasciato dagli ugelli solidifica e aderisce con il precedente strato. Le fasi del processo di costruzione sono le seguenti: la testina viene posizionata sopra la piattaforma di lavoro per iniziare la generazione del prototipo; la testina genera il primo strato depositando materiale durante il movimento nel piano X-Y; la piattaforma viene abbassata e inizia la deposizione dello strato successivo; il processo continua, strato dopo strato fino al completamento del modello; terminato il processo di costruzione si provvede all eliminazione dei supporti ed il modello può essere immediatamente utilizzato.

10 La stereolitografia 1 di 1 27/05/ Drop on Demand I prototipi vengono generati impiegando una tecnica simile a quella della stampa a getto di inchiostro aggiungendo però la terza dimensione ottenuta attraverso lo spostamento lungo l asse Z della piattaforma di lavoro. Il cuore del sistema è costituito da due testine indipendenti tra loro che eiettano su richiesta, un termoplastico liquefatto, il materiale rilasciato dagli ugelli solidifica e aderisce con il precedente strato. Le fasi del processo di costruzione sono le seguenti: le testine vengono posizionate sopra la piattaforma di lavoro per iniziare la generazione del prototipo; le testina depongono in sequenza prima il materiale di costruzione e successivamente quello di supporto durante il loro movimento nel piano X-Y; la piattaforma viene abbassata e inizia la deposizione dello strato successivo; il processo continua, strato dopo strato fino al completamento del modello; terminato il processo di costruzione si provvede all eliminazione dei supporti ed il modello può essere immediatamente utilizzato.

11 Laser Sintering 1 di 2 27/05/ Laser Sintering Diverse sono le tecnologie che fanno uso della sinterizzazione laser per la creazione di prototipi a partire da un materiale che ha consistenza di polvere (i più comuni sono materiali termoplastici, metalli e sabbia). Le modalità operative del processo sono suddivise nelle seguenti fasi: Uno strato di polvere viene deposto da un rullo e pressato sull'elevatore. La camera dove avviene la sinterizzazione è mantenuta in atmosfera inerte e ad una temperatura prossima a quella di fusione della polvere, sia per minimizzare l'energia richiesta al laser (si utilizzano laser a CO 2 tra i 50W e i 200W), sia per minimizzare gli effetti del cambiamento di volame indotto dal cambiamento di fase. La radiazione laser sinterizza la polvere consolidando la sezione. L'elevatore si abbassa di una quantità pari allo spessore dello strato ed il processo può riprendere fino alla completa costruzione del prototipo. Tale metodo costruttivo non necessita di supporti per il particolare in lavoraz one, le cui parti a sbalzo vengono sostenute dalla polvere non sinterizzata. Il particolare finito (red part) deve essere estratto e pulito dalla polvere non sinterizzata. Non si presentano problemi per l'evacuazione delle polveri rimaste nelle cavità interne. I pezzi in materiale polimerico generalmente non necessitano di post-trattamento, mentre particolari metallici e ceramici subiscono un trattamento termico che ne incrementa le cnratteristiche meccaniche. La finitura del pezzo, vista la sua caratteristica costruttiva, non può essere effettuata con tela abrasiva; si ricorre pertanto ad operazioni di infiltrazione con cera o, più semplicemente, ad una verniciatura con resina epossidica per eliminare le porosità della superficie. Pur utilizzando laser più potenti, rispetto alla stereolitografia si ha il vantaggio di poter

12 Laser Sintering 2 di 2 27/05/ impiegare materiali del tutto atossici, no limitati al solo campo delle materie plastiche.

13 Fused Deposition Modeling (FDM) 1 di 2 27/05/ Fused Deposition Modelling (FDM) E' l'unico sistema che impiega fili e barrette di materiali differenti per costruire il prototipo. Il cuore del sistema è la testa di estrusione che fonde il materiale (ad una temperatura che dipende dal materiale stesso, adeesempio per l'abs circa 270 C) e lo deposita in sottili strati tramite un ugello calibrato. La testa di estrusione si muove nel piano per poter generare il contorno della sezione in lavorazione. La prima sezione viene realizzata su un supporto che si muove verticalmente e consente la costruzione del prototipo. La testa di estrusione, una volta realizzati i perimetri interno ed esterno della sezione, dovrà riempire lo spazio compreso tra questi per incrementare le proprietà meccaniche del prototipo. Il particolare non necessita di post-trattamento, gli eventuali supporti vengono generati automaticamente dal software di gestione. Il controllo della temperatura della testa di estrusione e della zona di lavoro è di fondamentale importanza per la corretta costruzione del particolare. Il processo ha il vantaggio di essere "pulito" dal punto di vista dell'impatto ambientale e la stazione di lavoro può essere installata a fianco di un CAD. I materiali impiegati sono a basso punto di fusione e alcuni di questi sono cera, ABS, lega ABS-metacrilato. Le dimensioni di lavoro dei sistemi FDM variano da 250x250x250 mm a

14 Fused Deposition Modeling (FDM) 2 di 2 27/05/ x500x600 mm.

15 Laminated Object Manufacturing (LOM) 1 di 2 27/05/ Laminazione di fogli di carta (LOM) E una tecnica idonea a costruire prototipi di grandi dimensioni in tempi ridotti rispetto a quanto si può ottenere con gli altri sistemi di prototipazione; essa si realizza tramite il progressivo incollaggio di fogli di carta sui quali viene successivamente ricavata la sezione del pezzo mediante taglio meccanico o laser. Le fasi previste per la realizzazione del pezzo sono le seguenti: incollaggio e taglio delle sezioni: è la fase di costruzione del prototipo controllata dal calcolatore di processo, nella figura è riportata la soluzione che prevede l impiego del laser per il taglio della sezione. Al termine si ottiene un parallelepipedo di materiale stratificato dal quale è necessario estrarre il pezzo, operazione assimilabile ad un vero e proprio post-trattamento e delicata perché il materiale in eccesso deve essere tolto manualmente con utensili particolari tipici della lavorazione del legno. Dalla descrizione appare evidente che la funzione di supporto è svolta dalla carta in eccesso alla sezione tagliata; finitura: l aspetto esterno e la consistenza di un pezzo ottenuto con la tecnica di stratificazione è simile a quella del compensato, esso presenta però una forte anisotropia lungo la direzione perpendicolare a quella di costruzione con forti rischi di delaminazione. Il trattamento con tela abrasiva permette di ottenere buone finiture delle superfici ma queste devono comunque subire un trattamento di impermeabilizzazione con vernice per evitare che l umidità dell atmosfera causi deformazioni. I particolari possono essere impiegati per verifiche estetiche, di montaggio, in sostituzione dei classici modelli in legno per i processi fusori e nell attrezzaggio rapido.

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17 3D Printing 1 di 2 27/05/ D Printing E una tecnologia sviluppata presso il M.I.T. di Boston, nata inizialmente per la produzione di gusci ceramici ha trovato ultimamente un notevole nella produzione di elementi metallici e nella modellazione concettuale. Comprende numerose tecnologie per la prototipazione attraverso l'utilizzo di polveri ceramiche, polveri di cellulosa e polveri metalliche. La sequenza di operazioni necessarie per la preparazione di un prototipo è del tutto simile a quella della sinterizzazione laser e si differenzia da quest'ultima per il metodo impiegato nell'unione delle polveri. In tale tecnologia vengono unite mediante un collante spruzzato con la tecnica della stampa a getto d'inchiostro. Non sono necessari supporti per il particolare che però, deve essere estratto delicatamente dalle polveri. Il sistema di incollaggio deve possedere le seguenti caratteristiche: la soluzione spruzzata deve contenere un'alta percentuale di collante ed avere bassa viscosità la soluzione deve essere leggermente conduttiva per agevolare il lavoro della testina di stampa il collante deve essere fatto asciugare rapidamente prima di poter applicare un secondo strato di polvere

18 3D Printing 2 di 2 27/05/ È necessaria, poi, una fase di post-trattamento di tipo combinato termico e chimico, al fine di evitare disgregazioni e per conferire migliori caratteristiche meccaniche all'elemento prodotto. In particolare vengono effettuati trattamenti di infiltrazione per garantire compattezza al particolare. Oltre a quelle già nominate si segnalano, in questo gruppo, macchine desktop; le dimensioni ed il costo contenuto ne fanno un prodotto con una base di potenziali utilizzatori sicuramente più ampia dei sistemi RP tradizionali.

19 APRI - SLM 1 di 2 27/05/ Selective Laser Melting La fusione selettiva con il laser rappresenta una variante rispetto alla classica sinterizzazione selettiva laser, le differenze sostanziali rispetto a quest ultima sono: l utilizzo di una polvere metallica integrale senza l aggiunta di elementi bassofondenti; la necessità di fornire una densità di energia molto più elevata per portare a fusione la polvere che si traduce nell esigenza di una sorgente laser a elevata potenza. Il vantaggio è quello di ottenere un elemento massivo ad elevata densità, con caratteristiche metallurgiche identiche a quelle dei particolari realizzabili con i processi di produzione convenzionali. Partendo dal file STL del componente da realizzare, il processo di costruzione è sintetizzabile nei punti seguenti: la polvere metallica viene depositata, pressata e livellata sulla tavola di costruzione della macchina; la radiazione laser, opportunamente focalizzata con un sistema di specchi nel piano X-Y, fonde in modo selettivo le particelle metalliche realizzando in tal modo la sezione desiderata e facendola contemporaneamente aderire a quella precedente. Nella camera di costruzione viene addotto un gas inerte per evitare l ossidazione del materiale, durante la sua interazione con la radiazione laser; l elevatore viene abbassato di una quantità pari allo spessore dello strato ed il processo riprende fino alla completa costruzione del pezzo. Al termine della fase di costruzione, l elevatore viene sollevato per poter estrarre il prototipo dal letto di polvere non trattata. La superficie del componente così ottenuto può essere migliorata sia mediante pallinatura che con la classica finitura manuale, è inoltre possibile effettuare le classiche lavorazioni meccaniche di foratura, fresatura e filettatura.

20 APRI - SLM 2 di 2 27/05/

21 3D Printing 1 di 2 27/05/ Electron Beam Melting L'electron beam melting rappresenta una variante rispetto alla classica sinterizzazione selettiva laser, le differenze sostanziali rispetto a quest ultima sono: l utilizzo di una polvere metallica integrale senza l aggiunta di elementi bassofondenti; la necessità di fornire una densità di energia molto più elevata per portare a fusione la polvere mediante una sorgente Electron Beam. Il vantaggio è quello di ottenere un elemento massivo ad elevata densità, con caratteristiche metallurgiche identiche a quelle dei particolari realizzabili con i processi di produzione convenzionali. Partendo dal file STL del componente da realizzare, il processo di costruzione è sintetizzabile nei punti seguenti: la polvere metallica viene depositata, pressata e livellata sulla tavola di costruzione della macchina; il fascio di elettroni, opportunamente focalizzata con un sistema di specchi nel piano X-Y, fonde in modo selettivo le particelle metalliche realizzando in tal modo la sezione desiderata e facendola contemporaneamente aderire a quella precedente. Nella camera di costruzione viene eseguito il vuoto per evitare l ossidazione del materiale; l elevatore viene abbassato di una quantità pari allo spessore dello strato ed il processo riprende fino alla completa costruzione del pezzo. Al termine della fase di costruzione, l elevatore viene sollevato per poter estrarre il prototipo dal letto di polvere non trattata. La superficie del componente così ottenuto può essere migliorata sia mediante pallinatura che con la classica finitura manuale, è inoltre possibile effettuare le classiche lavorazioni meccaniche di foratura, fresatura e filettatura.

22 3D Printing 2 di 2 27/05/

23 APRI - Reverse Engineering 1 di 4 27/05/ Reverse Engineering Introduzione Il ciclo della Reverse Engineering Metodi e dispositivi di rilevazione dei punti Introduzione: La necessità di riprodurre la geometria degli elementi creati manualmente dai modellisti è ormai sentita nelle moderne infrastrutture produttive che necessitano del modello matematico (CAD3D) accurato sia per la fase di prototipazione che per i successivi processi di sviluppo e lavorazione nonché per l'interazione con i fornitori. Il data base del CAD tridimensionale costituisce pertanto una solida base di partenza per tutto il ciclo produttivo e gioca un ruolo di primaria importanza nel processo di sviluppo del prodotto. Peculiarità delle creazioni dei designer industriali è la complessità delle forme da realizzare, non descrivibili con entità geometriche standard. I prodotti infatti, oltreché possedere le caratteristiche funzionali definite dai progettisti, devono essere dotati anche di un valore estetico e devono essere di forte richiamo per il pubblico. Esistono sul mercato dei pacchetti software che consentono di disegnare forme non matematiche i quali sono i grado, a partire da un semplice disegno bidimensionale, di modellare un oggetto tridimensionale; tuttavia il lavoro da svolgere è particolarmente oneroso specie in presenza di forme complesse e ricche di dettagli. Un possibile aiuto può venire dalle tecniche di Reverse Engineering (RE) che consentono di recuperare delle forme già esistenti ed eventualmente effettuare delle operazioni di modifica su esse. Questa attività permette inoltre di recuperare il patrimonio di forme (modelli fisici) che ciascuna Azienda possiede inserendole in un data-base dove rimarranno sino a che non siano giudicate utili; solo a quel momento verranno prelevate, elaborate, modificate se necessario e quindi processate per l utilizzo.

24 APRI - Reverse Engineering 2 di 4 27/05/ Con il termine Reverse Engineering (RE) si individua una metodologia che consente, partendo dal modello fisico, di risalire alla sua descrizione matematica. Dalla nuvola di punti, ottenuta dal processo di tastatura con o senza contatto, è quindi possibile matematizzare l'elemento, realizzare uno shading o generare un file STL idoneo alla successiva prototipazione. Rappresenta dunque un'evoluzione di quanto avveniva nel passato nelle officine di costruzione stampi, con i primi sistemi di copiatura che permettevano esclusivamente la replicazione senza modifiche dei master realizzati nelle modellerie. Il riprodurre per intero il modello matematico dell oggetto solido in questione può essere sentito in varie circostanze: 1. nel caso di reperti archeologici può fornire una soluzione rapida ed efficiente per duplicare e conservare campioni di difficile manipolazione, può permettere di creare una banca dati accessibile anche a notevoli distanze, infine può essere utile per creare imballaggi; (modello matematico) (modello fisico) 2. nell ambito industriale permette di chiudere il loop tra CAD-CAM e prototipazione rapida PR, e molto spesso costituisce il punto di partenza per un nuovo progetto, oppure per il rinnovamento estetico del prodotto; 3. in campo biomedico consente di preparare modelli di organi e parti anatomiche, utili per la preparazione di protesi o per l addestramento del personale ; 4. per la realizzazione di modelli adatti al corpo umano (calzature, guanti, casco,..); 5. per generare un modello CAD se si ha a disposizione il modello realizzato a mano dal modellista, oppure dal designer; 6. per la creazione di archivi di componenti standardizzati utili ad accelerare le operazioni di progettazione nell industria. Il ciclo della Reverse Engineering Per ricostruire la geometria tridimensionale di un oggetto si deve seguire un ciclo composto da quattro fasi.

25 APRI - Reverse Engineering 3 di 4 27/05/ Il punto di partenza per il processo di costruzione del modello è l acquisizione di nuvole di punti, cioè di punti nello spazio appartenenti alle superfici del solido. Successivamente si cerca di estrarre dalla nuvola di punti, in modo automatico o semiautomatico, un insieme di primitive CAD che approssimano il solido. Il file contenente le informazioni ottenute dal dispositivo di rilevazione deve essere preliminarmente ottimizzato attraverso opportuni filtri; solo successivamente la nuvola di punti può essere convertita in un formato neutro (IGES, VDA, STEP, ) od importata direttamente nel software utilizzato per la modellazione. A tal fine è indispensabile l'intervento di un operatore esperto che operi verificando e correggendo eventuali errori. A partire dal modello matematico realizzato, le operazioni successive consentono di generare modelli STL da inviare ai sistemi di prototipazione o di generare formati grafici per successivi trattamenti (rendering) o ancora per generare il database delle forme acquisite. Metodi e dispositivi di rilevazione dei punti Parlando di sistemi per il rilievo dei punti sui modelli fisici il pensiero corre subito alle macchine di misura delle coordinate (CMM) oppure ai tastatori meccanici montati su fresatrici a controllo numerico. Effettivamente questi sono molto diffusi, affidabili e precisi, incominciano però ad essere sostituiti da nuovi sistemi senza contatto, non altrettanto precisi, che in parte risolvono il problema della lentezza dei sistemi tradizionali. Esistono sul mercato diversi sistemi di cattura dei punti sui solidi, che differiscono tra di loro essenzialmente per velocità, precisione, dimensioni del volume di lavoro. è necessario distinguere tra sistemi di digitalizzazione e sistemi di scansione. Con il termine digitalizzazione si intende il rilievo delle coordinate di alcuni punti, su di un elemento fisico, i cui valori nominali sono preventivamente definiti e memorizzati nel codice che pilota la macchina di misura o la fresatrice attrezzata con tastatore meccanico. Viceversa con scansione si intende l'acquisizione continua delle coordinate di punti in un volume di lavoro preventivamente definito, in questo caso i movimenti della macchina utensile o della macchina di misura sono comandati dalla sonda che si muove su di una superficie ignota. Spesso però questi due termini vengono confusi, tanto che abitualmente si utilizza il termine di scansione anche per indicare l acquisizione dei dati relativi a punti discreti. Entrambi i sistemi sono normalmente costituiti da: dispositivo di tastatura con o senza contatto, cioè dall insieme di trasduttori e sonde che consentono di rilevare i punti; apparato di supporto e trasporto, che permette il posizionamento nello spazio del trasduttore, rilevandone la posizione e l orientamento, consentendo quindi il rilievo di

26 APRI - Reverse Engineering 4 di 4 27/05/ oggetti di varie forme e dimensioni; posizionatore del pezzo costituito, qualora esista, da una tavola rotante sulla quale si blocca il componente da rilevare.

27 Sistemi di Digitalizzazione 1 di 2 27/05/ Sistemi di Digitalizzazione I sistemi di digitalizzazione più diffusi sul mercato sono i seguenti: Macchine di misura a coordinate; Bracci articolati manuali; Scanner piezoelettrici. Macchine di misura a coordinate (CMM): Utilizzano la loro sonda rigida per rilevare in modo manuale o automatico i punti sull oggetto fisico, è necessario definire a priori il numero di punti da acquisire e redigere il part-program che definisce il percorso della macchina. Il volume di lavoro e le tolleranze coincidono con quelli dalla macchina di misura ed in uscita si dispone di un file contenente le coordinate dei punti digitalizzati. Sono poco utilizzate dal momento che sono necessari tempi elevati sia per predisporre il part-program che per rilevare le coordinate dei punti visto che la velocità massima di acquisizione varia tra 1-5 punti al secondo. Una seconda soluzione è rappresentata da una fresatrice equipaggiata con una sonda di digitalizzazione, questo approccio è sicuramente più economico tuttavia i risultati sono meno precisi inoltre implica l impossibilità di fresare durante la fase di digitalizzazione. Bracci articolati manuali o digitalizzatori a stilo: Sono costituiti da un braccio articolato a 5 gradi di libertà, sul polso è installata la sonda a contatto. Il robot viene posizionato in prossimità del particolare da digitalizzare e successivamente l operatore manualmente rileva i punti; si tratta dunque di un sistema portatile che necessita di una notevole abilità e esperienza dell operatore per identificare correttamente i punti da acquisire, è però possibile evitare il problema della ridondanza dei punti sulle superfici semplici incrementando la velocità di digitalizzazione. In uscita è possibile avere sia le coordinate dei punti sia la connessione diretta con i sistemi CAD tridimensionali ai quali è possibile trasmettere non solo i punti ma anche alcune primitive come le spline. I sistemi hanno corse di lavoro che variano in funzione dell impiego: dai 30 centimetri per applicazioni artistiche o di modellismo fino a 2 metri per applicazioni veicolistiche. A titolo di completezza possiamo aggiungere che questi sistemi possono essere dotati di software per scansione continua su reticoli predefiniti e sono in definitiva dei sistemi manuali ibridi di digitalizzazione/scansione. Scanner piezoelettrici: Questi sistemi da alcuni anni sul mercato e grazie al loro basso costo hanno l obiettivo dichiarato di espandere il mondo della reverse engineering. Gli scanner tridimensionali stanno diventando strumenti indispensabili nelle applicazioni industriali, nelle applicazioni grafiche innovative e nello sviluppo di

28 Sistemi di Digitalizzazione 2 di 2 27/05/ nuovi prodotti. Questi nuovi tipi di periferiche sono stati progettati e industrializzati tenendo presente tutte le nuove esigenze della grafica tridimensionale. Il cuore dei sistemi è costituito dalla sonda piezoelettrica che permette la digitalizzazione dei modelli fisici con elevata precisione e sollecitazioni di contatto praticamente assenti. Non vi sono limiti sulla tipologia e materiale del componente fisico che può essere trasformato in un file di punti. I dati acquisiti possono successivamente essere utilizzati per applicazioni di: reverse engineering; prototipazione rapida; computer grafica e animazione; CAD/CAM 3D. Con questi sistemi inizia a cambiare il mondo della reverse engineering sinora costituito da macchine che presupponevano investimenti elevati. Sacrificando qualcosa alla velocità di digitalizzazione, che avviene sulla base di una griglia predisposta nel piano x-y e cercando il punto lungo l asse Z, si possono ottenere nuvole di punti di buona qualità a costi ridotti aprendo di conseguenza nuovi mercati come l arte orafa e l industria dei giocattoli.

29 APRI - Sistemi di Scansione 1 di 6 27/05/

30 APRI - Sistemi di Scansione 2 di 6 27/05/ Sistemi di Scansione Come anticipato i sistemi di scansione, sulla base di reticoli predefiniti, permettono il rilievo automatico di una superficie ignota e velocizzano il processo di acquisizione delle coordinate dei punti arrivando a memorizzare oltre 1000 punti al secondo. Sono classificabili in sistemi a contatto e senza contatto, i primi sono attualmente i più consolidati diffusi presso le aziende mentre i secondi solo ora iniziano a garantire le prestazioni in termini di tolleranze dimensionali richieste per le applicazioni più sofisticate della Reverse Engineering. Sistemi a contatto; Sistemi senza contatto. Sistemi di scansione a contatto: Sono nati per soddisfare le esigenze dell officina che sulla base di un master doveva ricavare le parti maschio e femmina dello stampo e solo da pochi anni, grazie all evoluzione dei sistemi CAD, coinvolgono anche le attività dei progettisti. Utilizzano una sonda analogica di diametro noto per muoversi sulla superficie del pezzo e acquisire i punti della stessa sulla base della deflessione della stessa, rispetto ai sistemi senza contatto hanno alcuni punti di vantaggio: non sono richiesti trattamenti della superficie del pezzo per evitare riflessioni; possibilità di scandire superfici verticali; la densità dei dati non è fissa ma funzione della complessità della superficie; migliori precisioni e ripetibilità. Per contro si hanno tempi di scansione più elevati e l applicazione di una forza sulla superficie che può rovinare il pezzo nel caso di materiali delicati (cera,...) o falsare la rilevazione nel caso di materiali flessibili (elastomeri,..). Sono attrezzature portatili e consistono di un sensore a contatto da installare sul mandrino di una fresatrice a controllo numerico o sulla testa di una macchina di misura e di un software di gestione che dialoga in modo automatico con l unità di governo della macchina. Richiedono un tempo di installazione ridotto e inferiore ai 60 minuti. In abbinamento alla sonda sono anche disponibili applicativi software che permettono, sulla base dei punti acquisiti, di effettuare numerose elaborazioni di cui le più comuni sono: variazioni di scala sui tre assi; traslazioni e rotazioni; elaborazioni maschio femmina; generazioni divisione stampo; combinazione di modelli per stampi multipli; creazione di programmi CNC per la fresatura dello stampo; generazioni di output per sistemi CAD/CAM. Le tolleranze e ripetibilità sono inferiori 0.01 mm e le forze applicate variano dai 100 a 300 g; il limite di questi sistemi è quello di richiedere l impiego delle fresatrici e macchine di misura per compiti diversi a quelli per cui sono state acquistate sottraendo tempo all attività produttiva. Sistemi di scansione senza contatto:

31 APRI - Sistemi di Scansione 3 di 6 27/05/ Sono sistemi, nati espressamente come ausilio alle attività progettuali, che permettono il rilievo dei punti sulle superfici del pezzo senza la necessità di un contatto fisico e associano questo vantaggio ad una velocità di scansione superiore a quella dei sistemi a contatto. Le precisioni e ripetibilità sono migliorate considerevolmente nel corso degli ultimi anni e ci si spinge sino al centesimo di millimetro. Sono macchine dedicate e vista la loro limitata diffusione presentano ancora costi elevati, i principi seguiti per lo sviluppo dei sistemi sono i seguenti: triangolazione laser; interferometria Moiré; fotogrammetria; olografia conoscopica; scanner ottico; tomografia computerizzata. Sistemi basati sulla triangolazione laser: Il principio di lavoro consiste nella lettura della riflessione del raggio laser da due sensori posti ai lati dell emettitore laser, sono costituiti da una testa che emette un fascio laser che viene trasformato con un ottica opportuna in una linea dello spessore di pochi decimi di millimetro e da una o due telecamere con sensore CCD allo stato solido che rilevano la posizione del raggio sull oggetto. Le superfici dell oggetto da copiare devono assicurare la riflessione del fascio laser ed in alcuni casi è necessario procedere al trattamento con spray opacizzanti. Sul mercato sono disponibili numerose proposte che si differenziano sostanzialmente per le dimensioni del campo di lavoro, per la precisione e la tipologia di installazione. Torna ai sistemi senza contatto

32 APRI - Sistemi di Scansione 4 di 6 27/05/ Sistemi basati sulla interferometria Moiré: Il principio di funzionamento sfrutta l interferenza meccanica della luce che si genera quando due reticoli angolarmente sfasati e costituiti da linee chiaro scure equispaziate vengono sovrapposti. Nascono le cosiddette frange di Moiré che hanno la proprietà di adagiarsi sulle superfici e permettono, tramite una sofisticata elaborazione di immagini, la determinazione delle coordinate dei punti appartenenti alla superficie stessa. Il vantaggio rispetto alla scansione laser consiste nella maggior velocità di digitalizzazione del modello dal momento che è disponibile per l elaborazione l intero campo visivo della telecamera. Torna ai sistemi senza contatto Sistemi basati sulla fotogrammetria: Le metrologie topometriche e fotogrammometriche rappresentano delle tecniche ottiche molto potenti per l elaborazione delle immagini tridimensionali, le scene o gli oggetti da misurare vengono infatti registrati ed analizzati sulle tre dimensioni. Si basano sulla triangolazione ottica: la fotogrammetria impiega le immagini stereoscopiche ottenute con diverse posizioni della telecamera, mentre quelle topometriche utilizzano l illuminazione con luce strutturata. Il sensore del sistema può coprire volumi di misurazione che variano da alcuni millimetri quadrati ad alcuni metri quadrati. Le configurazioni dei sistemi con sensori a campi multipli o telecamere a colori consentono un acquisizione adattativa dei dati oltre che alla combinazione della digitalizzazione 3D con l elaborazione di immagini a colori. Per l integrazione su macchine di misura a coordinate e fresatrici sono stati sviluppati dispositivi di calibrazione e routine di programmi di semplice utilizzo che permettono un adattamento veloce ed affidabile dei sistemi di coordinate del sensore rispetto al sistema di posizionamento. Nel caso di sensori liberi l adattamento e la combinazione delle viste parziali è ottenuto grazie a elementi di riferimento (tipicamente sfere calibrate) e non è necessaria la misurazione della posizione dei punti di riferimento con altri tipi di metrologia.

33 APRI - Sistemi di Scansione 5 di 6 27/05/ Torna ai sistemi senza contatto Sistemi basati sull'olografia conoscopica: Il metodo di scansione è stato applicato inizialmente come strumento per la misura delle dimensioni con elevata precisione per distanze variabili da 0.04 micron a molti metri, successivamente sono stati realizzati alcuni moduli che consentono l utilizzo del metodo conoscopico per un estesa varietà di applicazioni industriali inclusa la reverse engineering. Il beneficio chiave dell olografia conoscopica è l indipendenza da una fonte di luce coerente, questa proprietà supera i vincoli pratici di stabilità e sensibilità di cui soffrono gli strumenti interferometrici laser di tipo convenzionale. Un ulteriore vantaggio è che questi sistemi ottici sono intrinsecamente collineari, il che significa una relativa immunità a vibrazioni meccaniche, rumore ottico e variazioni di temperatura. La base fisica è l interferenza ottica prodotta da cristalli birifrangenti illuminati con raggi convergenti di luce polarizzata. Un raggio di luce puntiforme monocromatico incoerente incide su di un cristallo monoassiale (birinfrangente), all interno di questo il raggio viene diviso in due raggi separati (ordinario e straordinario) che si propagano a velocità differenti lungo percorsi geometrici identici. I due raggi sono caratterizzati da fronti d onda separati che emergono dal cristallo con distinti angoli di polarizzazione e di fase. Le grandezze di queste quantità sono determinate dall angolo di incidenza del singolo raggio rispetto al cristallo. L impiego di filtri polarizzatori consente l allineamento delle direzioni delle componenti elettriche dei raggi, che sono successivamente divisi e ricombinati per generare una frangia di interferenza all uscita. Come nell interferometria classica, la spaziatura delle frange è proporzionale alla distanza dal punto della riflessione. Il vantaggio forse più importante è la capacità di rilievo delle distanze di superfici metalliche nude e non preparate, il sistema inoltre grazie alla sua struttura collineare è in grado di risolvere topologie complesse con pendenze sino a 85.

34 APRI - Sistemi di Scansione 6 di 6 27/05/ Torna ai sistemi senza contatto Scanner ottico: Definito anche sistema di cattura della geometria interna, consente assieme alla tomografia il rilievo delle parti interne del modello fisico ma ne prevede la sua distruzione. Il sistema esegue la scansione simultanea della superficie interne ed esterna del pezzo. Rispetto ai tomografi ha un prezzo di acquisto dell 80% inferiore e risulta più preciso in termini di tolleranze dimensionali. Il pezzo di cui si vuole recuperare la matematica viene inglobato con l ausilio di un opportuna resina di riempimento, si ottiene in tal modo un parallelepipedo che viene disposto sulla tavola di lavoro della macchina. Una fresa provvede all asportazione di uno strato di materiale, a questo punto il parallelepipedo viene portato al di sotto di uno scanner ottico che rileva il profilo della sezione successivamente il pezzo viene riportato sotto la stazione di fresatura ed il processo riprende fino al completamento della scansione. Torna ai sistemi senza contatto Tomografia computerizzata: Visti gli elevati costi richiesti per l investimento è impiegata soprattutto nel settore metodo come strumento di indagine. Un dispositivo rotante proietta un raggio X attraverso l oggetto e ne rileva la struttura mediante una successione di piani paralleli, che contengono anche la geometria interna del solido. In uscita si dispone una serie di immagini a livelli di grigio che rappresentano le varie sezioni effettuate. Con pacchetti software dedicati è possibile risalire al modello matematico tridimensionale utile per pianificare gli interventi chirurgici. Torna ai sistemi senza contatto

35 Ricostruzione del Modello Matematico 1 di 2 27/05/ Ricostruzione del Modello Matematico Si tratta della fase più critica della Reverse Engineering dal momento che è quella che impegna le maggiori risorse in termini di ore uomo e macchina inoltre, a differenza della fase di digitalizzazione o scansione, è una fase che presuppone un ampio intervento manuale dell addetto CAD. Qualunque sia il sistema utilizzato per la fase di rilievo delle superfici il risultato è una nuvola di punti che viene passata in applicativo CAD/CAM, che può essere integrato o meno nel sistema di scansione. Bisogna innanzitutto verificare le capacità del software utilizzato poiché la mole di dati trasferiti potrebbe ingolfarlo e renderlo inefficiente. A seconda delle esigenze è possibile utilizzare la nuvola di punti per: generare il file STL per la prototipazione del componente copiato; determinare il percorso utensile per una macchina a controllo numerico; generare il modello matematico tridimensionale. Nei primi due casi le difficoltà sono limitate in quanto dalla nuvola di punti si ricavano una triangolarizzazione per la generazione del file.stl e un poliedro sul quale si valuta il percorso utensile come in qualsiasi applicativo CAM. E comunque evidente che in entrambi i casi al termine non si dispone di un vero e