AutoCAD e la stampa 3D

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1 521 Capitolo 27 AutoCAD e la stampa 3D La tecnologia informatica permette di percepire il virtuale come reale, aiutando il progettista non solo a relazionarsi con il processo tecnologico ma soprattutto a integrarsi in quello produttivo; infatti la vastità dei processi produttivi e delle soluzioni tecnologiche permette soluzioni formali fino a poco tempo fa praticamente impensabili. Quindi il processo di informatizzazione offre oggi al progettista molteplici possibilità linguistiche, spingendo il controllo del progetto verso nuove opportunità espressive che permettono non solo di non far scadere la proposta progettuale a puro esercizio formale, ma a rendere l immaterialità dell atto creativo vera e propria sostanza, vero e proprio prodotto. La fabbricazione digitale La rivoluzione informatica ha permesso ai progettisti di migliorare non solo la propria capacità espressiva ma anche di velocizzare la propria produttività attraverso l uso dei software di disegno bidimensionale prima e tridimensionale poi; la digitalizzazione, quindi, ha permesso la creazione di in una vera e propria idea progettuale tridimensionale, permettendo così il pieno controllo del processo creativo. Per di più la digital fabrication (o fabbing) permette di creare oggetti tridimensionali, solidi, reali, partendo direttamente dai disegni digitali, virtuali. È quindi possibile ottenere da un file vettoriale un oggetto reale, tangibile e in tre dimensioni. Figura 27.1 La fabbricazione digitale prevede la continuità tra progettazione CAD (ideazione) e realizzazione fisica del prodotto.

2 522 Autodesk AutoCAD Guida completa per architettura, meccanica e design Per compiere questa lavorazione è possibile utilizzare due tecnologie completamente differenti: la fabbricazione sottrattiva e la fabbricazione additiva. La fabbricazione sottrattiva prevede l utilizzo di frese, laser e altre macchine a controllo numerico (CNC) che realizzano il pezzo finale per sottrazione di materiale, scavando o tagliando. La fabbricazione additiva, invece, realizza modelli e prototipi costruendoli strato su strato (layer manufacturing), attraverso la sovrapposizione di sottilissimi piani di materiale. Progettare è un processo dinamico, in continua evoluzione che da sempre ha portato il progettista a doversi dotare di rappresentazioni tridimensionali reali, fisiche, non solo digitali; infatti, maquette, plastici, modelli, o prototipi sono fondamentali per definire appieno aspetti come l analisi, la valutazione, nonché la comunicazione del prodotto finale. È solo grazie alla realizzazione di un oggetto fisico, il modello appunto, che si ha la possibilità di effettuare verifiche ergonomiche o di funzionamento; prove che non possono essere effettuate sul disegno (anche se digitale!), per quanto definito e realistico. Al di là delle definizioni linguistiche, il processo di creazione di un prototipo è fondamentale nell attività di un creativo; infatti permette di ottenere modelli di studio altamente verosimili di ciò che si sta progettando prima della sua costruzione. In questo ambito, il modello tridimensionale virtuale non solo è estremamente utile per comunicare con efficacia il proprio progetto, ma soprattutto si pone come chiave di volta nella possibilità di realizzare con precisione e in tempi brevi ciò che si è (solo) immaginato. Figura 27.2 Uso di un sistema CNC per la fabbricazione sottrattiva (a sinistra) e produzione di un oggetto personalizzato attraverso il processo di fabbricazione digitale, chiamato Stampa 3D (a destra). La prototipazione rapida Nata alla fine degli anni 80 negli USA grazie a Charles W. Hull, la prototipazione rapida (rapid prototyping o RP) introduce il concetto di fabbricazione additiva nel campo digitale; infatti questa tecnica permette la costruzione dell oggetto mediante aggiunta di materiale per strati sovrapposti, differenziandosi così dai metodi di modellazione tradizionali (tornio e fresa a controllo numerico) che lavorano per asportazione di materiale da un blocco pieno. Inoltre, differentemente dalle modalità sottrattive, questo processo di fabbricazione è in grado di generare forme estremamente complesse senza l ausilio di stampi o attrezzature, e, soprattutto, senza produrre scarti di materiale dovuti alla lavorazione.

3 Capitolo 27: AutoCAD e la Stampa 3D 523 Quindi le tecniche additive sono conosciute e utilizzate ormai da decenni per produrre prototipi, negli ultimi anni, però, l attenzione nei confronti di questa modalità di fabbricazione è cresciuta esponenzialmente grazie soprattutto a due fattori concomitanti: gli sforzi comunicativi del movimento Maker (e delle Fablab, veri e propri laboratori di produzione) che incoraggia la condivisione del software e dei progetti digitali e, soprattutto, la riduzione dei costi di una particolare tecnologia produttiva, la modellazione a deposizione fusa (FDM o FFF), ormai generalmente e diffusamente chiamata Stampa 3D. Nota All avvento della stereolitografia (SLA: StereoLitographic Apparatus), la prima tecnologia additiva, si sono affiancate nuove tecniche basate sia sulle tipologie di materiali sia sulle metodologie di stratificazione utilizzate, per offrire una resa sempre migliore a costi e tempi di lavorazione sempre più contenuti. Sul mercato vi sono quindi tecnologie produttive estremamente differenti fra loro, quali, ad esempio, la LOM (Laminated Object Manufactoring), la SLS (Selective Laser Sintering), la FDM (Fused Deposition Modeling) o la LENS (Laser engineered net shaping) che rendono possibile la fabbricazione di prototipi attraverso l uso di vari tipi di materiali, generalmente resine termoplastiche, fotopolimeri o polveri sinterizzate, ma anche attraverso l utilizzo di metallo, ceramica, argilla, sabbia o generi alimentari. In questo scenario l attenzione dei media e degli osservatori nei confronti di questa modalità di fabbricazione è negli ultimi anni aumentata vertiginosamente, facendola conoscere ben al di là di quella che prima poteva essere considerata una nicchia di professionisti del design e dell ingegneria, sottolineando così, con forza, la realizzazione dell era digitale che vede la concretizzazione del passaggio del pensiero virtuale alla realtà oggettuale. Figura 27.3 Le differenti tecniche di rapid prototyping.

4 524 Autodesk AutoCAD Guida completa per architettura, meccanica e design Il flusso di lavoro nella RP Tutte le differenti tecniche additive seguono lo stesso identico metodo costruttivo, è possibile quindi definire la sequenza delle fasi di quello che è comunemente chiamato ciclo di prototipazione rapida. Questo ciclo può essere visto dal progettista che vuole utilizzare questa tecnologia come un vero e proprio workflow da seguire affinché si possa realizzare con efficacia il modello, il prototipo, del proprio progetto. Le fasi del ciclo sono: 1. Modellazione. Creazione di un disegno tridimensionale digitale. 2. Conversione. Trasformazione del modello CAD in un formato standardizzato. 3. Slicing. Suddivisione del modello in sezioni. 4. Stampa. Realizzazione del manufatto. 5. Post-processing. Pulizia e finitura dell oggetto realizzato. Figura 27.4 Le cinque fasi del flusso di lavoro nella prototipazione rapida. Naturalmente la modellazione tridimensionale digitalizzata è il cardine attraverso il quale, non solo si esplicita l idea creativa di un progettista, ma nel caso della prototipazione rapida, risulta essere il punto focale, il requisito base che comporta la buona realizzazione del manufatto progettato. Se per visualizzare e renderizzare i modelli tridimensionali non esistono sostanzialmente regole che ne definiscano la creazione, in caso di oggetti destinati al rapid-prototyping è necessario pianificare con attenzione la loro rappresentazione digitale. Infatti è necessario creare un modello che sia un solido ermetico ossia un corpo definito da un involucro perfettamente chiuso, a prova d acqua (waterproof, impermeabile). Tutte le superfici di cui è composto il corpo devono coincidere reciprocamente, senza fessurazioni o compenetrazioni; inoltre tutti i dettagli devono essere modellati come corpi completi e fusi con le superfici con cui si trovano a contatto (in questo caso l attento utilizzo della modellazione solida permette di generare oggetti tridimensionali virtuali perfettamente compatibili per la stampa 3D). Poiché i vari software CAD usano algoritmi di calcolo tra loro estremamente diversificati per rappresentare il modello tridimensionale è necessario che lo stesso venga convertito in un formato standardizzato, coerente e compatibile con il software di gestione di tutte le macchine di prototipazione rapida. Questo standard oggi è identificato nel formato.stl, ovvero Standard Triangulation Language, che permette di rappresentare una superficie tridimensionale come un assieme composto da triangoli a due dimensioni, dove il modello generato può essere visto come le sfaccettature di un gioiello, tipiche degli intagli di un diamante. Il formato.stl pur presentando il vantaggio della semplicità, in quanto risulta molto facile da generare e da processare, definisce un volume approssimato, dove le sfaccettature (facetting, visibili nella Figura 27.5) possono essere contenute aumentando il numero di triangoli che approssimano la superficie del modello.

5 Capitolo 27: AutoCAD e la Stampa 3D 525 Figura 27.5 La creazione del file.stl definisce un volume approssimato, dove le sfaccettature possono essere contenute aumentando il numero di triangoli che approssimano la superficie del modello. Lo slicing è la fase in cui tutto il modello viene diviso in una serie di strati paralleli, generalmente aventi spessore variabile tra 0.05 e 0.5 mm; è una fase estremamente personalizzata in quanto i parametri di definizione devono essere definiti non solo in base alla tecnologia di prototipazione rapida scelta, ma anche rispetto alla macchina utilizzata. Questa costruzione per sezioni successive di spessore finito crea quello che viene definito staircase, ovvero una scalettatura che determina la rugosità superficiale del prodotto finale: minore sarà lo spessore della sezione di slicing, minore sarà la rugosità superficiale, migliore sarà la finitura del pezzo. Figura 27.6 Rappresentazione dell effetto scalettatura relativo all altezza degli strati definiti dalla fase di slicing. Nella stampa si crea il vero e proprio oggetto della prototipazione rapida; durante questa fase la macchina, basandosi sul file.stl sezionato, procede con la costruzione dei vari strati (in modi differenti a seconda della tecnologia utilizzata) fino ad arrivare all oggetto finale. Il post-processing comprende necessariamente operazioni manuali, quali per esempio la pulizia del prodotto, i post-trattamenti o le post-lavorazioni; questi interventi variano a seconda del manufatto e, soprattutto del materiale e della tecnologia utilizzata. La pulizia del manufatto deve essere fatta inevitabilmente per poter utilizzare il prototipo: la rimozione di residui di polvere, dei resti di filamento o degli eventuali supporti sono la diretta conseguenza della scelta di utilizzo della prototipazione rapida. I trattamenti e le lavorazioni successive invece sono operazioni mirate a migliorare l aspetto e la finitura dell oggetto stampato, elementi che quella particolare macchina non riesce a soddisfare. In alcuni casi si rendono addirittura necessari trattamenti di cottura, verniciatura o metallizzazione.

6 526 Autodesk AutoCAD Guida completa per architettura, meccanica e design Figura 27.7 Rifinitura di un modello stampato in 3D per un mock up di scena creato per una serie televisiva. AutoCAD e la stampa 3D AutoCAD utilizza sia i solidi tridimensionali sia le mesh ermetiche (ovvero quelle che riescono a creare una figura perfettamente chiusa, stagna) per generare un file che potrà essere processato da qualsiasi stampante tridimensionale; tutte le altre entità geometriche presenti nel disegno verranno completamente ignorate e, quindi, eliminate nel processo di generazione del prototipo. Inoltre, come sottolineato nel paragrafo precedente, gli oggetti 3D non devono assolutamente presentare facce complanari, fessurazioni o compenetrazioni. Dalla release 2017, AutoCAD permette di creare un prototipo tridimensionale, direttamente dal disegno creato, in tre modi: 1. Generando un file.stl che potrà in seguito essere utilizzato per le fasi successive da qualsiasi stampante 3D. 2. Inviando il disegno direttamente ad un servizio di prototipazione tridimensionale esterno. 3. Utilizzando, dopo averlo installato, lo strumento Print Studio per connettersi direttamente ad una macchina prototipatrice. Poiché tutte e tre le metodologie presuppongono la generazione di un file.stl che, come abbiamo visto, definisce un oggetto sfaccettato, è doveroso controllarne il grado di approssimazione gestendo la variabile di sistema FACETRES che, come sottolineato nelle pagine iniziali del Capitolo 25, permette di regolare la densità delle sfaccettature delle superfici curve di solidi e mesh (Figura 27.8).

7 Capitolo 27: AutoCAD e la Stampa 3D 527 Figura 27.8 La variabile FACETRES (impostata a destra a 0.5, al centro a 2.0 e a sinistra a 5.0) permette di definire il grado di approssimazione delle superfici curve del file.stl. Nota Se la risoluzione viene impostata su un valore troppo elevato, il processo di fabbricazione viene rallentato senza tuttavia ottenere un miglioramento della qualità di stampa tridimensionale del prototipo; in genere il valore 4.0 risulta essere un ottimo compromesso tra qualità e velocità di realizzazione. Spesso, a causa della contenuta dimensione delle camere di stampa delle macchine prototipatrici, è necessario diminuire la scala dell oggetto prima di realizzarlo fisicamente. Questo comporta che il disegno debba necessariamente essere modificato se questo presenta (dopo la scalatura) elementi tridimensionali che sono inferiori al millimetro di diametro o particolari in rilievo che risultano essere al di sotto del mezzo millimetro di spessore; infatti i primi collasserebbero su sé stessi mentre i secondi non sarebbero assolutamente visibili. Generazione di un file.stl Partendo da un modello tridimensionale già pronto, per generare velocemente un file.stl è sufficiente: 1. Digitare il comando STLOUT e premere INVIO. 2. Selezionare le entità tridimensionali che si vuole processare. 3. Premere INVIO per confermare la conclusione della selezione. 4. Digitare S seguito da INVIO per creare il file.stl. 5. Nella finestra di dialogo Crea file STL definire la cartella di destinazione e il nome del file. 6. Fare clic su Salva per concludere il comando. Invio del file a un servizio di prototipazione esterno È possibile inviare il proprio disegno tridimensionale direttamente a un provider di servizi di stampa seguendo alcuni semplici passaggi: 1. Fare clic sul comando Invia a un servizio di stampa 3D presente nel gruppo Stampa 3D della scheda Output. 2. Nella finestra di dialogo Stampa 3D Preparazione del modello per la stampa, fare clic su Continua (Figura 27.9).

8 528 Autodesk AutoCAD Guida completa per architettura, meccanica e design Figura 27.9 La scheda Output e la finestra di dialogo Stampa 3D Preparazione del modello per la stampa. 3. Selezionare le entità tridimensionali che si vuole stampare. 4. Premere INVIO per confermare la conclusione della selezione. 5. Nella finestra di dialogo Opzioni di stampa 3D impostare la scala di stampa del prototipo (Figura 27.10). Figura La finestra di dialogo Opzioni di stampa 3D.

9 Capitolo 27: AutoCAD e la Stampa 3D Nella finestra di dialogo Crea file STL definire la cartella di destinazione e il nome del file. 7. Fare clic su SALVA per chiudere la finestra e collegarsi con il sito web Autodesk per la stampa 3D in cui è possibile selezionare un fornitore di servizi di stampa (Figura 27.11). 8. Seguire infine le istruzioni visualizzate nel sito Web del fornitore di servizi per: a. Creare un account. b. Richiedere un preventivo. c. Caricare il file.stl. d. Ordinare il prototipo. e. Pagare il modello tridimensionale. Figura Il sito web Autodesk per la stampa 3D in cui è possibile selezionare un fornitore di servizi di prototipazione. Utilizzo di Autodesk Print Studio L applicazione Print Studio, che si trova nel gruppo Stampa 3D della scheda Output (Figura 27.9), per essere utilizzata deve essere installata (è possibile scaricarla accedendo direttamente al sito e permette l integrazione diretta con la piattaforma Spark che ragguppa le stampanti Ember di Autodesk, le Type A Machines, le Dremel (quindi Hp), le Makerbot, e le Ultimaker.

10 530 Autodesk AutoCAD Guida completa per architettura, meccanica e design In questo modo si ha la possibilità di ridefinire visivamente la scala del modello da prototipare e verificare così con facilità se questo rientra o meno nei volumi predefiniti della camera di stampa di ciascuna macchina. Nota Autodesk Print Studio è disponibile solo per le versioni di AutoCAD a 64bit. Dopo aver definito le impostazioni di output, il software invia un file.stl direttamente alla stampante 3D selezionata. Figura Autodesk Print studio. Facendo clic sul nome della stampante in alto a sinistra è possibile accedere al menu di scelta delle prototipatrici della piattaforma Spark di Autodesk. Per creare un prototipo utilizzando Print Studio è necessario: 1. Fare clic sulla scheda Output / gruppo Stampa 3D / Print Studio (Figura 27.9). 2. Nella finestra di dialogo Stampa 3D Preparazione del modello per la stampa, fare clic su Continua (Figura 27.9). 3. Selezionare le entità tridimensionali che si vuole stampare e premere INVIO per confermare la conclusione della selezione. 4. Nella finestra di dialogo Opzioni di stampa 3D (Figura 27.10) fare direttamente clic su OK; infatti il modello potrà essere scalato (e non solo!) con maggiore comodità nell interfaccia di Print studio.

11 Capitolo 27: AutoCAD e la Stampa 3D Si devono quindi utilizzare gli strumenti di Print Studio per gestire le impostazioni del modello importato e stampare il modello tridimensionale con la prototipatrice scelta. 6. All apertura del software, viene infatti visualizzato l oggetto 3D all interno della camera di prototipazione della stampante impostata di default. Si deve perciò fare clic sul nome della stampante riportato in alto a sinistra per poter accedere al menu di scelta delle prototipatrici della piattaforma Spark di Autodesk (Figura 27.12). 7. Definita la stampante fare, naturalmente, clic su OK. 8. Per impostare il materiale da utilizzare per la stampa, le opzioni di base e quelle avanzate, invece, si deve fare clic in alto a sinistra sul tipo di materiale proposto dall interfaccia e utilizzare le opzioni di Figura Impostate le opzioni desiderate, fare clic su OK. Figura Autodesk Print studio e le opzioni di controllo del materiale e delle modalità di stampa. 10. Per scalare, spostare o ruotare il modello è possibile utilizzare i comandi posti sulla sinistra di Figura che appaiono facendo clic sul pulsante Layout posto nella barra degli strumenti posta in alto (Figura 27.15). Molto utile risulta essere il tasto Lay Flat che permette, velocemente, di posizionare il modello sul piano di stampa (Figura in basso a destra).

12 532 Autodesk AutoCAD Guida completa per architettura, meccanica e design Figura I comandi del pulsante Layout che permettono la gestione del posizionamento e della scala del modello importato. Nota Per ruotare la visualizzazione all interno di Autodesk Print Studio è necessario tenere premuto il tasto destro del mouse e trascinare il cursore.

13 Capitolo 27: AutoCAD e la Stampa 3D Premere il pulsante Repair per accedere i comandi che permettono di verificare l integrità del modello visualizzato. 12. Utilizzare Supports per gestire gli elementi di sostegno necessari alla realizzazione del prototipo. 13. Premere Preview per avere un anteprima della stratificazione (slicing) in layer dell oggetto (compresi gli eventuali supporti generati). 14. Infine fare clic su Export per generare il file di istruzioni di stampa e creare il modello. Figura La barra degli strumenti di Autodesk Print studio e le fasi di preparazione del modello per la stampa.

14 534 Autodesk AutoCAD Guida completa per architettura, meccanica e design Il software, che integra più funzioni in un unico ambiente grafico, risulta essere molto intuitivo e permette di verificare e gestire le impostazioni di un oggetto tridimensionale per più macchine prototipatrici; così facendo risolve, alla fonte, il problema di univocità (e standardizzazione) dell interfaccia grafico che grava pesantemente sul settore. Conclusioni La creazione di un oggetto tridimensionale digitale permette, come abbiamo visto, non solo il pieno controllo del progetto e di tutte le sue sfaccettature, ma anche di gestirne le fasi di prototipazione attraverso la sua continuità con la fabbricazione digitale. Questo pone il progettista, all interno di tutto il ciclo produttivo, in una posizione chiave, in quanto lo rende il fulcro di un sistema che vede nel tempo la variabile peggiore; oggi, infatti, la frase chiave risulta essere just in time, che pretende la perfetta simbiosi (se non la coincidenza!) tra la fase di progettazione e la fase di realizzazione di qualsiasi prodotto e a qualsiasi scala. La digitalizzazione, quindi, ha trasformato la creazione di un modello in una vera e propria idea progettuale tridimensionale, permettendo così al progettista di controllare appieno il processo creativo, dal cucchiaio alla città. Figura Just in time. Velocità di progettazione e velocità di realizzazione sono elementi considerati ormai simbiotici all interno di una qualsiasi realtà progettuale.