MECCATRONICA Modulo 9: Prototipazione Rapida

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1 MECCATRONICA Modulo 9: Prototipazione Rapida Manuale Esercizi Soluzioni (concetto) prof. dr. hab. inz. Edward Chlebus dr inż. Bogdan Dybała, dr inż. Tomasz Boratyński dr inż. Jacek Czajka dr inż. Tomasz Będza dr inż. Mariusz Frankiewicz mgr inż. Tomasz Kurzynowski Università Tecnica di Breslavia, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

2 Partners per la creazione, valutazione e diffusione dei progetti MINOS e MINOS**. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Articolazione del materiale didattico Minos : moduli 1 8 (manuale, soluzioni e esercizi): Conoscenze fondamentali/ competenze interculturale, gestione del progetto/ tecnica pneumatica/ azionamenti elettrici e controlli automatici/ componenti meccatronici/ sistemi meccatronici e funzioni/ attivazione, sicurezza e teleservizio/ manutenzione remota e diagnosi Minos **: moduli 9 12 (manuale, soluzioni e esercizi): Prototipazione Rapida/ robotica/ migrazione/ Interfacce Tutti i moduli sono disponibili nelle seguenti lingue: tedesco, inglese, spagnolo, italiano, polacco, ceco e ungherese Per ulteriori informazioni si prega di contattare Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität Chemnitz Reichenhainer Straße 70, Chemnitz Tel.: + 49(0) Fax.: + 49(0) [email protected] Internet: oder

3 MECCATRONICA Modulo 9: Prototipazione Rapida Manuale (concetto) prof. dr. hab. inz. Edward Chlebus dr inż. Bogdan Dybała, dr inż. Tomasz Boratyński dr inż. Jacek Czajka dr inż. Tomasz Będza dr inż. Mariusz Frankiewicz mgr inż. Tomasz Kurzynowski Università Tecnica di Breslavia, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

4 1. INTRODUZIONE 5 2. CAD (DISEGNO ASSISTITO DAL CALCOLATORE) 7 3. CAD RP COMUNICAZIONE FORMATO STL Struttura e creazione di un file STL Orientamento dei Triangoli Sistema di coordinate e unità nel formato STL Creazione di un File STL Errori e difetti più frequenti del formato STL Regole di costruzione di un file STL Generazione di file *.stl in diversi programmi PRE PROCESS ACTIVITIES IN RP MODIFICA DEI FILE STL FISSAGGIO DEI FILE STL GENERAZIONE DEI SUPPORTI RAPID PROTOTYPING RP (PROTOTIPAZIONE RAPIDA) STEREOLITOGRAFIA(SLA, SL) SELECTIVE LASER SINTERING/MELTING SLS/SLM MCP Realizer II dispositivo MCP HEK company EOSINT M 270 dispositivo RP di EOS company M3 Linear un dispositivo della società Concept Laser TrumaForm LF 250 dispositivo della società TRUMPF EBM S12 dispositivo della società ARCAM Sistema di sinterizzazione HiQ dispositivo della società 3D SYSTEMS LAMINATED OBJECT MANUFACTURING (LOM) FUSED DEPOSITION MODELING FDM METODO DI FORMATURA LASER DELLE POLVERI INK JET PRINTING DP STAMPANTE A 3 DIMENSIONI 62 3

5 5.8. SGC SOLID GROUND CURING METHOD INGEGNERIZZAZIONE INVERSA INTRODUZIONE AREE DI APPLICAZIONE DELL INGEGNERIZZAZIONE INVERSA METODI DI DIGITALIZZAZIONE Metodi di digitalizzazione mediante contatto Metodi basati su punti ottici Metodi ottici lineari Metodi basati sulla zona ottica Scansione distruttiva APPARECCHIATURE E SOFTWARE DIGITALIZZAZIONE DELLA GEOMETRIA Fasi di digitalizzazione Pianificazione del processo di digitalizzazione Acquisizione di dati Elaborazione dei dati e costruzione di modelli CAD LETTERATURA 93 4

6 1. Introduzione Attualmente, nel mondo altamente industrializzato, un bisogno incessante di ridurre i tempi di pianificazione e progettazione di beni e la necessità di garantire la massima qualità dei prodotti al momento del lancio forza lo sviluppo di nuove tecnologie, finalizzate alla riduzione del lancio dei prodotti. Le nuove tecnologie forniscono strumenti che consentono l'estensione del concetto di garanzia della qualità dalla zona di produzione all intero ciclo di vita del prodotto. Essi consistono in tecniche e metodi, che consentono la riduzione dei tempi di sviluppo prodotto, a partire dalla fase di formulazione dei bisogni fino alla fase di introduzione di un prodotto finito sul mercato. Uno degli obiettivi fondamentali è quello di minimizzare il tempo di inattività con un contemporaneo miglioramento della qualità del prodotto. Il modello matematico di oggetti (CAD 3D) è considerato il componente di base di tutte queste tecniche. Tale modello è un insieme di dati che consentono una descrizione accurata della forma geometrica di un oggetto tridimensionale. Le regole fondamentali e gli strumenti potenziali sono noti da anni, ma a causa di taluni problemi, soprattutto connessi con i costi, strumenti dedicati e di cultura, le applicazioni di solito sono dirette a clienti facoltosi o a clienti strategici. Il modello matematico può essere ottenuto in due modi diversi: Direttamente, utilizzando strumenti informatici per la progettazione tridimensionale (CAD-Computer Aided Design) Copiando un elemento con l'uso di strumenti, come videocamere, sistemi di reverse engineering, CAT (Tomografia Assiale Computerizzata), che sono scelte in funzione del tipo di elemento, la zona di applicazione,la richiesta di precisione,ecc Una volta ottenuto, il modello può essere utilizzato per vari scopi, a partire dall archiviazione alla possibilità di eseguire le prove, migliorando la geometria, l'uso in applicazioni multimediali, nonché nelle analisi e test FEM di processi reali di produzione, preparazione di prototipi e forme con l'uso di prototipazione rapida e delle tecniche di lavorazione rapide [19]. 5

7 Tali tecnologie sono la prototipazione rapida e le tecniche di strumenti rapidi che utilizzano i vari dispositivi e materiali, in grado di produrre, secondo un materiale target, un prototipo o una serie di prototipi di un oggetto basandosi sul suo modello numerico ottenuto da un sistema CAD 3D o da un processo di reverse engineering. Il modo di costruire il prototipo, che è costruito con l'uso di processi che minimizzano gli scarti in base alle informazioni contenute in un file STL. L RP, che è uno strumento visuale, aiuta le aziende a ridurre la probabilità di rilascio di un prodotto di bassa qualità sul mercato. Tali modelli hanno numerose applicazioni. Rendono in un modo visuale perfetto mentre si scambiano idee con i collaboratori o clienti. Inoltre, possono essere utilizzate nelle fasi di test. Per esempio, un ingegnere dell'aviazione può utilizzare il modello di un ala di aereo e misurare le interazioni aerodinamiche (forze di resistenza). Oltre a preparare i prototipi, le tecniche di RP possono essere utilizzate per la fabbricazione di strumenti (i cosiddetti strumenti rapidi) o anche prodotti di alta qualità (produzione rapida). Ovviamente, la prototipazione rapida non è perfetta. Il volume degli elementi creati sono limitati, la loro dimensione dipende dal tipo di dispositivo. Per le grandi produzioni in serie o di semplici oggetti, le tecniche di produzione tradizionali sono di solito più economiche. Se si ignorano queste limitazioni, tuttavia, la prototipazione rapida è una tecnologia degna di nota che aiuta in modo significativo il processo di fabbricazione. Con il tempo, la ricerca e lo sviluppo consentirà un'ulteriore evoluzione di questi sistemi in termini di efficienza (tempi di costruzione più brevi, minore variabilità, qualità di superficie migliore, un aumento della resistenza dei modelli RP nei confronti delle condizioni meccaniche, termiche e chimiche). Si è affermata l introduzione sul mercato e il successo più recente di queste tecnologie, ed è frutto di una tendenza incondizionata a ridurre i tempi di sviluppo di nuovi prodotti. E 'stato il principale fattore di successo. 6

8 2. CAD (Disegno assistito dal calcolatore) CAD è l'acronimo di Computer Aided Design. Questo tipo di software permette di progettare un elemento singolo o un meccanismo inventato da un ingegnere. I sistemi CAD contemplano processi di costruzione e di progettazione, e sono utilizzati per il disegno e la modellazione geometrica. La modellazione geometrica è utilizzata per rappresentazioni 3D di parti modellate e assiemi. La rappresentazione degli assemblati contiene anche la descrizione della struttura di montaggio, che viene indicata come struttura del prodotto. La rappresentazione in 3D di parti e assiemi è utilizzata per la creazione di documentazione tecnica, ad esempio, disegni, elenchi di parti, distinte materiali. I primi sistemi CAD sviluppati hanno offerto funzionalità che hanno permesso la creazione di documentazione in piano. Nel corso del tempo, sono state aggiunte le funzioni per la generazione di modelli 3D. Era disponibile una libreria di primitive (cono, cilindro, sfera, ecc), che potevano essere utilizzate durante la costruzione dei modelli 3D. Si poteva supporre di creare prima una documentazione 2D e poi, sulla sua base, i modelli 3D. Tuttavia questo approccio è cambiato con il tempo a causa di uno sviluppo dinamico dei moduli 3D. Infine, gli strumenti per la progettazione 3D sono diventati abbastanza semplici ed efficaci tanto che che cominciarono ad essere il modulo base del sistema CAD 2D considerando che sono stati solo un supplemento. Infine, è stato precisato che i disegni 2D sono a dir poco una presentazione di un modello 3D, che consente di generare documentazione 2D quasi automaticamente. I sistemi CAD includono librerie di oggetti pronti (viti, cuscinetti, chiavette, ecc) che possono essere utilizzate in opere di design. Un costruttore non ha ad utilizzare vari tipi di cataloghi, mentre cerca un qualsiasi elemento. Lui può trovare nell archivio o, in aggiunta, scaricare il suo modello 3D per il suo design. Le librerie di parti di solito sono aperte e gli utenti possono arricchirle con pezzi da loro stessi creati. In tal caso questi diventano accessibili per gli altri utenti di sistemi CAD in una azienda ed hanno accesso alle librerie di parti. Le librerie di questo tipo rendono il processo di progettazione più efficiente. La modellazione geometrica è una tecnica utilizzata per descrivere le certe forme di oggetti. I sistemi CAD consentono di migliorare il processo di progettazione, nonché ridurre i tempi di sviluppo del prodotto. L'applicazione di computer e programmi di grafica facilita o migliora le 7

9 opere connesse con la progettazione del prodotto - dal concepimento alla documentazione. Lavorare con il sistema CAD è una sessione interattiva con un sistema informatico, che conduce alla modellazione delle parti. Poi, possono essere eseguite varie operazioni su un modello costruito. In contemporanea i sistemi CAD consentono la modellazione parametrica, che si basa sulla relazione biunivoca tra le dimensioni, che possono essere presentati in modalità sketch, in modalità 3D o 2D disegno e in geometria 3D e vice-versa. Ciò significa che in qualsiasi fase della progettazione di componenti, possiamo cambiare ognuna delle dimensioni prima introdotte. Esempi di tali programmi sono SolidWorks e CATIA. Tali sistemi registrano ogni fase di progettazione e tutta la storia della creazione di un modello viene presentata in forma di un albero. La modifica dei parametri del modello avviene attraverso l'operazione di accertamento della struttura e la modifica dei suoi parametri. Gli schizzi sulla base dei quali l'operazione è stata fatta possono anche essere modificati. Dopo aver salvato le modifiche, viene aggiornato l'intero modello. L'attualizzazione del modello può essere un fallimento, perché le seguenti operazioni possono essere basate sulla geometria dell'operazioni modificate. In tal caso, il sistema indica che le operazioni sono critiche e richiedono l'intervento dell'utente. Attualmente, tutti i sistemi CAD consentono di rispettare: la creazione di progetti tridimensionali, la creazione di schemi di montaggio di vari elementi distinti, controllando se corrispondono l'un all'altro, lavorando a un grande progetto di molti, aggiornamento automatico di tutti i disegni di montaggio dopo la modifica di un singolo dettaglio, creazione automatica della lista dei dettagli, stima dei costi, la cooperazione con il magazzino, ecc, visualizzazioni. Le principali caratteristiche dei sistemi CAD sono: modellazione degli oggetti geometrici, creazione e la modifica della documentazione di costruzione, il risparmio e la conservazione di documentazione in forma elettronica - sia come file sia come database, lo scambio di dati con altri sistemi, la creazione di progetti tridimensionali di elementi costruiti, la creazione di schemi di montaggio di diverse parti distinte, Lavorare su un singolo progetto di molte persone, 8

10 aggiornamento automatico di tutti i disegni di montaggio dopo la sostituzione di uno di essi, stima dei costi automatico, la cooperazione con il magazzino, ecc Il disegno assistito dal calcolatore si compone di tre livelli: prototipo, in cui le analisi, la compilazione della soluzione e la stima della stessa sono condotte dal punto della correttezza, sviluppo del prototipo, in cui ha luogo la specificazione del concetto di soluzione, impostando la portata del progetto, la costruzione del modello e la stima della soluzione, dettaglio, in cui si verifica la rappresentazione individuale di parti e la stima di soluzioni Un processo CAD è composto da 6 fasi [7]: bisogno di riconoscimento definizione del problema, sintesi, analisi e ottimizzazione, valutazione, presentazione. Fig. 2.1 Processo di disegno usando il CAD I vantaggi dell'utilizzo di sistemi CAD: possibilità di determinare la soluzione ottimale, miglioramento della qualità della soluzione ottenuta (precisione dei modelli matematici (CAD 3D)), 9

11 alleviare il progettista da perdite di tempo e in genere da noiosa routine (redazione, calcoli), maggiore possibilità di utilizzare soluzioni progettuali esistenti, grazie alle banche dati informatiche delle norme esistenti e cataloghi, possibilità di simulare il comportamento del manufatto progettato in varie condizioni, già nella fase di progettazione. I vantaggi derivanti dalla realizzazione di un sistema CAD sono indiscutibili e l'azienda può migliorare la propria posizione competitiva in questo modo. La posizione strutturale di un prodotto come l'intero knowhow della pianta è solo uno degli anelli della catena di attività tecniche di preparazione di produzione. Se non è collegato in modo ottimale e in modo interattivo con tutti i campi, come gli altri classificati del know-how della pianta, poi la medesima installazione del miglior sistema CAD non porterà l'azienda benefici (a parte l'incremento di comfort, cultura e l'efficienza di lavoro nel reparto di costruzione). Fig. 2.2 Models of objects in a CAD system Nel CAD sono utilizzati due tipi di modelli geometrici: 1. piano - con contorno, modello grafico 2D, in cui alcuni accordi di linea collegano una serie di punti, il modello viene creato utilizzando elementi, quali: linee rette, archi, cerchi, parabole, ecc modello grafico 2,5D, cioè la modellazione di oggetti prismatici o di rotazione definiti mediante elementi piani (un modello solido 10

12 viene creato mediante la traslazione o la rotazione di un elemento di superficie piana intorno all'asse di rotazione / rivoluzione). 2. spazio - con elementi tridimensionali. modellazione solida che consiste nel montaggio di un disegno tridimensionale di solidi di base matematica, come cilindro o toro; modellazione di superfici utilizzate per la creazione di oggetti di superficie, che consistono di bordi collegati da superfici, le cosiddette sfaccettature (emerge una griglia poligonale, la cui superficie è piana); modellazione all'avanguardia, utilizzata per la creazione di oggetti - scheletri di figure con elementi lineari e ad arco. Fondamentalmente, i software CAD sono utilizzati per la progettazione di costruzioni, di conseguenza, essi sono per lo più associati con la meccanica. Alcuni dei più popolari sistemi CAD sono elencati di seguito: CATIA Solid Works ProEngineer SolidEdge Unigraphics Inventor AutoCAD Ulteriori informazioni relative ai singoli sistemi possono essere consultate sui siti web del produttore. I sistemi CAD sono utilizzati per quanto riguarda le seguenti caratteristiche: Precisione di progettazione, minore quantità di lavoro, Possibilità di analizzare i modelli, Visualizzazione, Automazione della progettazione, rapida introduzione di modifiche, Facilità di gestione del progetto, Possibilità di integrazione con altri sistemi, Altri. 11

13 3. CAD RP Comunicazione 3.1. Formato STL L'idea di creare un formato STL (Standard Triangulation Language) è stata proposta dalla società di 3D Systems, che è pioniere nel settore della stereolitografia. Su suo ordine, la prima versione del STL è stato creato da Albert Consulting Group nel Il formato divenne presto un modello di base dello scambio di dati in processi di prototipazione rapida. Il successo del STL è venuto dalla sua semplicità, originalità e sufficientemente precisa rappresentazione (mappatura) del modello progettato. Il compito principale del formato discusso è il trasferimento di modelli CAD 3D a dispositivi di Rapid Prototyping. Attualmente la maggior parte programmi CAD / CAM ha la possibilità di salvare il modello in formato STL, che potrebbe essere letta da quasi tutti i sistemi di Rapid Prototyping [10] Struttura e creazione di un file STL Un file STL è costituito da un elenco di superfici triangolari, chiamata anche griglia triangolare, che è definita come un insieme di vertici, spigoli e triangoli collegati fra loro in modo tale che ogni spigolo e vertice è condiviso da almeno due triangoli adiacenti (regola vertice -a- vertice). In altre parole, la griglia triangolare presenta approssimativamente le superfici di un modello 3D salvato in formato STL. La rappresentazione, tuttavia, ignora elementi quali: punti, linee, curve, livelli e colori Fig. 3.1 Approssimazione del modello mediante l utilizzo di triangoli BRAK FOTO I file STL vengono salvati con l'estensione *. stl, comunque parte dei programmi consentono anche l utilizzazione di altre estensioni. La dimensione del file dipendono dal numero di triangoli in cui le superfici del modello sono state divise e, di conseguenza, dalla precisione con cui i triangoli descrivono la geometria del modello. 12

14 Fig. 3.2 Differenze nel modello geometrico al variare del numero di triangoli Il salvataggio di un modello 3D in formato STL avviene come risultato della divisione delle pareti del solido in superfici triangolari, che sono a loro volta sono rappresentati da una serie di coordinate X, Y, Z di ogni vertice e dal vettore normale, diretto da una superficie data verso l'esterno del modello. Fig. 3.3 Descrizione dell area triangolare Orientamento dei Triangoli I triangoli, in cui le pareti del modello 3D sono state divise, determinano anche il confine tra la sua parte interna ed esterna. Il loro orientamento può essere determinato in due modi: 1. Basato su un vettore normale, diretto all esterno. 2. Osservando il modello dal suo esterno, l'ordine dei vertici è in senso antiorario (il metodo attualmente in uso) 13

15 Fig. 3.4 Orientamento delle superfici dei triangoli Nella figura precedente, sono presentate due superfici triangolari. La superficie sul lato sinistro è visto dal di dentro, che è indicata dalla disposizione in senso orario dei vertici del triangolo e il senso del vettore normale. La situazione opposta si verifica nel caso del triangolo a destra, visto dal di fuori del modello Sistema di coordinate e unità nel formato STL Uno dei requisiti del formato STL è che un modello presentato deve essere posizionato nella parte positiva del sistema di coordinate. Significa che nessuna delle coordinate dei vertici dei triangoli può essere inferiore o uguale a zero. Un programma, ad esempio, che non consente di generare un file STL nel caso in cui se le coordinate dei vertici sono negativi o pari a zero, è AutoCAD. Esistono, tuttavia, molti programmi CAD che permettono un qualsiasi posizionamento del modello. Un file salvato in formato STL non contiene alcune informazione circa le dimensioni del modello. Essi sono presentati in unità sconosciute libere. Per questo motivo è importante che il modello sia stato completamente definito prima della conversione, dal momento che molti programmi di Rapid Prototyping hanno le funzioni che consentono il ripristino di elementi basandosi sulle dimensioni racchiuse. 14

16 Creazione di un File STL Per salvare un modello 3D generato in formato STL, si dovrebbe procedere come segue: Scegliere una parte (parti) che dovrà essere convertita in formato STL. Impostare la tolleranza dei parametri di processo. Scegli il formato di archiviazione di file (ASCII o binario). Salvare il file. Nel caso dei modelli di superficie, salvare il file in formato STL è leggermente più complicato, e comprende le seguenti fasi: Determinare tutte le superfici adiacenti. Sottoporre ogni superficie per il processo di divisione in triangoli. Impostazione del vettore normale, indicando la parte al di fuori di ogni superficie. Salvare il file. Va ricordato che durante il salvataggio del file in formato STL sono stati definiti i seguenti parametri: La tolleranza di divisione in triangoli, che determina come sarà la rappresentazione "liscia" del modello 3D (valore di default: 0,0025 "o 0,05 mm). Tolleranza di adiacenza dei triangoli (valore di default: 0,005 "o 0,12 mm). Generazione automatica di vettori normali (on / off). Visualizzazione dei vettori normali (on / off). Visualizzazione di superfici triangolari (on / off). informazioni relative ai file (on / off) Errori e difetti più frequenti del formato STL Il formato STL, come la maggior parte dei formati CAD / CAM, può contenere alcuni errori, che spesso hanno un influsso negativo sulla analisi del modello condotta da una persona. Incompatibilità con la regola del Vertice-a-Vertetice La compatibilità con la regola vertice a vertice è una delle condizioni fondamentali che devono essere soddisfatte da un file salvato in formato STL. Secondo tale principio, ogni triangolo ha due vertici da condividere con triangoli adiacenti, e nessun vertice di un triangolo può posizionarsi su un lato di un altro triangolo. Nella figura seguente, sono presentate due figure (quadrati), che sono state suddivise in triangoli. Triangolo 15

17 di figura "a" contiene addirittura quattro "punti di vertice", mentre solo tre di loro sono reali (il punto X non può essere trattato come un vertice in quanto è posizionato su un lato di un triangolo). Il vertice inferiore sinistro del triangolo 1, tuttavia, non è condiviso con nessun altro triangolo della figura descritta. inoltre, quando si arriva ai triangoli 2 e 3 della figura, entrambe contengono un punto corretto condiviso con il triangolo 1, e uno scorretto X, non essendo un vero e proprio vertice del triangolo 1. Fig. 3.5 Regola del vertice a vertice Per soddisfare la regola del "vertice-a-vertice, il triangolo 1 dovrebbe essere diviso in due triangoli come indicato in figura" b " o collegare i triangoli 2 e 3, come indicato in figura "c". Variabilità (dispersione) Tutte le superfici contenute in un file STL dovrebbero creare almeno una unità invariabile, secondo la regola di Eulero per le normali dei solidi: F-E+V=2B dove: F numero delle superfici, E numero dei bordi, V numero dei vertici, B numero dei singoli solidi. Un esempio nel soddisfacimento di tale regola può essere il cubo presentati all'inizio (Figura 6), per il quale F = 6, E = 12, V =8 and B =1, hence: = 2x1 2=2 Se la condizione precedente non è soddisfatta, allora un modello STL è considerato "fallace", che perde. In un momento in cui un file STL che perde è sottoposto al processo di generazione degli strati, secondo un 16

18 algoritmo assunto; un algoritmo di questo tipo non può rilevare l'errore e di conseguenza i bordi aperti emergono. Se un modello generato erroneamente in modo che venga utilizzato in un processo di RP, un laser, una fresa o qualsiasi altro strumento che crea singoli strati del modello, nell incontrare una lacuna della superficie può trattarla come intenzionale e il modello verrà creato incompatibilmente alle nostre aspettative o nel corso di un ulteriore processo il modello sarà distorta in modo tale che esso causerà il blocco del dispositivo. Fig. 3.6 Esempio di un errore in un file *.stl superfici di incrocio (Nel caso di un modello in cui le operazioni booleane, sono state fatte con troppa poca precisione, la perdita è un errore comune. Essa si manifesta con il fatto che elementi di geometria corretta, non vengono sempre visualizzati). Fig. 3.7 Esempio di un errore in un file *.stl fori sul bordo di una superficie (gap che compare sul bordo della superficie può essere causato da un software virus o da una non corretta configurazione del file *. stl) Vi sono, tuttavia, programmi, come il 3D LightYear di 3Dsystems o Magics che permettono di riparare gli errori con l'aggiunta di un segmento che collega i bordi danneggiati. 17

19 Superfici degeneri La degenerazione delle superfici non è un errore così grave come quelli sopra citati. Tuttavia, può talvolta causare qualche danno alla costruzione del modello. Fig. 3.8 Esempi di degenerazione delle superfici La figura precedente presenta tre vertici di alcune superfici. Si tratta di un fatto essenziale che siano o siano diventati collineari. Ia loro collinearità risultati da un precedente accorciamento di coordinate non-collineari durante l'importazione. Anche se la degenerazione delle superfici non è un errore grave, non dovrebbe essere ignorata in quanto: In primo luogo, i dati relativi alle superfici aumentano la dimensione del file STL, le superfici degenerate saranno causa di errore per gli algoritmi che analizzano i processi di prototipazione rapida, la loro trasmissione sarà molto più difficile. La degenerazione della superficie può anche portare ad un altro errore, la comparsa di buchi (lacune) nella griglia triangolare. Il problema consiste nel fatto che i triangoli, a seguito della richiesta di importare il formato STL diventano linee che causano l emergere di buchi (gaps) in punti geometrici con curvature di grandi dimensioni. Fig. 3.9 Un foro in una griglia triangolare 18

20 Errori nei modelli Questo tipo di errori non derivano dalla conversione in formato STL, ma da errori avvenuti durante la creazione del modello. Se un solido modellato in modo non corretto viene salvato in formato STL, tutte le informazioni relative agli errori non verranno visualizzate. E quindi essenziale per l'errato modello solido che siano stati fissati prima ancora di essere salvati in formato STL. In caso contrario, significative non compatibilità con il processo di Rapid Prototyping possono verificarsi, e l individuazione e la correzione di un errore all'interno del modello salvato in formato STL è un processo estremamente difficile e dispendioso. Ridondanza Un difetto di base del formato STL è la sua ridondanza (eccessiva), che risulta dal raddoppio dei vertici e bordi dei triangoli. Fig Ridondanza in un file STL Regole di costruzione di un file STL La generazione di file *. STL è di solito un compito semplice. Tuttavia, ogni produttore di software CAD 3D usa diversi termini e parametri per salvare i file come *. STL. Eppure non c'è bisogno di conoscere tutti i parametri per salvare un modello generato correttamente nel formato *.STL. Procedendo secondo le seguenti linee guida si garantisce la creazione di un file corretto *. STL. 1. Un tipico esempio di una griglia triangolare, che garantisce una buona qualità di un file generato *. stl, è una dimensione compresa tra 0,02 mm (0.001 ") e 0,05 mm (0.002"). Tuttavia, va ricordato che diminuire la tolleranza della griglia non sempre causa l'aumento della precisione del prototipo. Un sofisticato solido con una grande quantità di curve e arrotondamenti deve avere una precisione maggiore di un modello geometrico semplice. 2. Si è preferito salvare i file STL in formato binario e non in formato ASCII. 19

21 3. Nel caso della modellazione solida in un programma di CAD 3D, c'è una probabilità significativamente minore di commettere un errore nel risultante file *. STL rispetto al caso in cui è presente una modellazione di superfici, in cui si dovrebbe procedere alla modellazione in modo tale che tutte le superfici non si incrociano e risultino collegate. La generazione di un file *. STL da un modello non corretto è possibile, ma in seguito sarà necessaria una risistemazione. 4. Nel caso di un modello di superficie, prima di esportare in formato STL, tutti i settori devono essere collegati tra loro a formare un unico modello. Se le superfici non sono tagliate (troncate), o rotte, c'è ancora una possibilità per creare un file STL, ma non sarà corretto e la sua riparazione diventa più difficile. 5. La minima dimensione (spessore) di un modello dal quale un file *. STL deve essere generato è 0,02 mm. 6. In alcuni programmi CAD, durante la conversione di un modello in formato STL, possono apparire avvisi in cui la geometria di una parte del modello è al di fuori dell'area positiva degli assi X, Y e Z. - questi messaggi possono essere ignorati. 7. Nel caso in cui si vuole costruire il prototipo di un assieme consolidato, è necessario creare un assembly utilizzando un programma di CAD, e solo poi salvare nel formato *. STL Generazione di file *.stl in diversi programmi La generazione di file *. STL nella maggior parte dei programmi consiste nell'eseguire le stesse azioni ed è accessibile solo da FILE / Salva con nome... comando. I singoli passaggi che devono essere presi durante l'esportazione di un modello in formato *. STL sono stati mostrati su due esempi di sistemi CAD, dove in SolidWorks e nella maggior parte degli altri programmi, il salvataggio è accessibile tramite "Save as...", mentre nel sistema CATIA, è utilizzato un modulo dedicato. Per salvare un modello 3D in formato STL nel software Solid Works, procedere come segue: 1. Aprire il modello che deve essere esportato in formato STL. 2. Scegliere File dal menu a tendina e selezionare Salva con nome Nella finestra di dialogo si deve scegliere: directory di destinazione (cartella), il nome del modello, e il tipo di formato, che è STL (*. stl). 4. Successivamente, bisogna definire i parametri del file, quindi Opzioni... il pulsante deve essere cliccato nella finestra di dialogo stessa. In effetti, un'altra finestra, chiamati opzioni di esportazione, si apre (Fig. 3.11) 20

22 Fig Finestra delle opzioni di esportazione Nella finestra, possono essere definiti i seguenti parametri: Dati di uscita come: formato binario, formato ASCII, unità di misura (millimetri, centimetri, metri, pollici, piedi). Fig Dai di output 2. Risoluzione. Questo parametro controlla la griglia triangolare. Tre opzioni sono qui disponibili: A grana grossa, A grana fine, Adattativo (adattata). Nel caso dell'ultima opzione, vi è la possibilità di regolare l'angolo e lo scostamento dalle dimensioni nominali. La tolleranza dimensionale controlla la griglia di tutta la parte, mentre la tolleranza angolare influenza principalmente la rappresentazione dei dettagli. Le differenze derivanti dalle modifiche introdotte, sono rappresentati da due cerchi concentrici posti accanto al trackbars. 21

23 Fig Settaggi di risoluzione (precisione) In entrambi i casi, la scelta di valori più bassi consente di creare un modello più preciso in formato STL, ma il processo richiederà molto più tempo. Mostra le informazioni STL prima di salvare il file. La scelta di questo parametro determina (dopo aver fatto clic sul pulsante Salva) la visualizzazione di una finestra di dialogo con le seguenti informazioni: numero di triangoli, dimensione del file, formato file, e il percorso delle directory e il nome del file. Selezionando il parametro Visualizza si ottiene la visualizzazione di un'anteprima del modello nell'area grafica, e le informazioni sul numero di triangoli e dimensione del file. Fig STL anteprima file. Frammento della finestra di dialogo opzioni di esportazione e anteprima grafica del modello esportato Non trasferire (spostare) i dati di output STL nel primo quadrante del sistema di coordinate. La scelta di questo parametro fa sì che il modello da 22

24 salvare in formato STL potrà mantenere la sua posizione originale nello spazio globale in relazione alle coordinate dell origine del sistema di riferimento. Salvare tutti i componenti di assemblaggio in un unico file. Questo parametro riguarda solo gli assiemi. Nel caso in cui questo parametro non è impostato, le singole parti del complesso saranno salvate in file separati. Controllare se si verificano intersezioni. Anche questo parametro viene utilizzato solo con gli assiemi. La sua selezione consente di verificare la presenza di intersezioni nel documento di montaggio prima di salvare il file. Uscita sistema di coordinate. La modifica di questo parametro comporta il cambiamento del sistema di coordinate da utilizzare per esportare il file. La selezione di default garantisce che non sarà utilizzata la matrice di trasformazione. L'ultima tappa nel salvataggio un file in formato STL è quello di cliccare sul pulsante OK nella finestra di dialogo Opzioni di esportazione e fare clic su Salva nella finestra Salva con nome... Per salvare un modello 3D in formato STL nel software CATIA, procedere come segue: Un modello 3D, che deve essere esportato, dovrebbero essere aperti nel modulo STL Rapid Prototyping Fig Apertura del modulo STL Rapid Prototyping Il passo successivo è la definizione dei parametri della griglia triangolare. Per fare ciò, fare clic su l'icona Tesselate Object. 23

25 In effetti, si aprirà la finestra di dialogo Tesselation, in cui il disegnatore può influenzare i valori, quali: Sag - parametro che definisce l'altezza della corda tra la superficie del modello e il piano del triangolo di approssimazione. L'impostazione predefinita è 1,08 mm. Diminuendo tale valore otterremo un infittimento (perfezionamento) della griglia triangolare, e quindi, l'aumento della precisione della rappresentazione del modello e un aumento della dimensione del file (Fig. 2.13). Fig Modello 3D esportato nel formato STL nel software CATIA. a) Sag = 1,08 mm (numero di triangoli = 140), b) Sag = 0,5 mm (il numero di triangoli = 180) Step. Questo parametro imposta la lunghezza massima di un lato di una superficie triangolare che descrive il modello. Pertanto, il decremento di questo parametro causerà l infittimento della griglia di triangolare, e il suo incremento attiverà la sua rarefazione (Fig. 3.17).) 24

26 Fig Differenti valori del parametro Step: a) Step = 20mm (numero di triangoli = 970), b) Step = 10mm (numero di triangoli = 4.214), c) Step = 200mm (numero di triangoli = 140) Si raccomanda di esportare il modello in formato 3D ricorrendo al modello di bordo, in quanto dopo la sostituzione dei parametri caratteristici, selezionando il modello e facendo clic sul pulsante Applica, vi è la possibilità di visualizzare il modello STL. Per passare alla fase successiva, la scelta dei parametri è confermato con il tasto OK. Fare clic su File, Salva con nome... In effetti, si aprirà la finestra di dialogo Salva con nome, in cui si deve selezionare la directory di destinazione (cartella), il nome del modello che deve essere salvato e il formato dei file, che è stl. Tutto è confermato con il pulsante Salva. 25

27 4. Pre-process activities in RP Dopo aver finito il modello CAD in formato STL, esso dovrebbe pronto per il processo di costruzione su uno dei dispositivi di prototipazione rapida. Le attività di Pre-processo possono essere svolte in uno dei programmi dedicati per questo uso, che consentono alla lavorazione di file STL. I software di questo tipo possono importare la maggior parte delle estensioni dei file standard, come: STL, VDA, IGES, STEP, VRML e singoli formati di particolari programmi CAD come i seguenti: Unigraphics, Parasolid e CATIA. Anche a causa del crescente numero di file registrati in forma di nuvole di punti, è possibile l'importazione e l'esportazione di tali dati. I dati importati in forma di nuvole di punti sono trasformati in modelli CAD con la precisione determinata dall utente. Il processo di lavorazione comprende la correzione degli errori che si verificano. Come risultato, un modello STL è pronto per la produzione di RP sul dispositivo, senza necessità di ulteriori conversioni. Il software di questo tipo è necessario per ciascuno processo di RP. Questa fase non può essere omessa in alcun modo per risparmiare il tempo che è stato dedicato per tali lavori. Fig. 4.1 Schema delle attività di pre-processo Risparmiare tempo durante la correzione dei file STL. Poiché il sistema CAD non sempre esporta la geometria perfetta in formato STL, è necessaria la loro correzione per inviare i file con i dati relativi a un modello di dispositivo STL. Questo programma diagnosticherà un modello difettoso e gli errori di progetto che devono essere corretti. 26

28 Grazie agli strumenti disponibili, la correzione degli errori prende poco tempo, ovviamente a seconda del numero e della complessità dei problemi. Gli strumenti disponibili nei programmi permettono di orientare i vettori normali dei triangoli in modo appropriato, mettendo insieme i bordi scollegati, compensando le mancanze (vuoti), eliminando triangoli raddoppiati, ritagliando le superfici, combinando i bordi e eseguendo operazioni booleane. Fig. 4.2 Errori segnalati in rosso negli stl e, vicino, il modello corretto Modifiche al modello Al fine di correggere un modello, non c'è bisogno di intervenire sul modello originario - può essere realizzato direttamente sul modello STL. I programmi contengono diversi strumenti utili che ottimizzano e abbreviano il corso di tutto il processo. Ad esempio uno strumento per levigare le superfici, che può essere utilizzato per aggiungere il materiale in eccesso per la successiva lavorazione meccanica; per tagliare i modelli per adattarsi sulla piattaforma di lavoro di un dispositivo RP. Per una più agevole identificazione delle singole parti, può essere utilizzato uno strumento per la marcatura e la scrittura sulla superficie del modello. 27

29 Fig. 4.3 Asportazione di materiale dalle superfici Posizionamento dei modelli sulla piattaforma di lavoro I modelli possono essere collocati sulla piattaforma di lavoro sia manualmente che automaticamente. Nel caso di solo alcuni modelli, non vi è nessuna necessità di generare la distribuzione automatica, tuttavia nel caso di una loro grande quantità insieme ad una geometria complessa, è più facile generare una organizzazione automatica, che sarà ottimale in termini di spazio occupati e per la velocità del processo di costruzione. Fig. 4.4 Collocazione ottimale dei modelli sulla piattaforma di lavoro L'orientamento automatico errato del modello nella zona di lavoro è inoltre possibile, se ci aspettiamo una migliore qualità di una delle superfici. Come è noto, il processo di costruzione consiste in strati successivi unendo uno sull'altro, che provoca una maggiore grossolanità della superficie orientata con un dato un angolo o parallelamente alla direzione dell'incremento di strati (asse Z del livello di incremento). L'unica superficie liscia è perpendicolare alla direzione dell'incremento di strati (sezione trasversale piano XY). In tal caso, il modello deve essere orientato manualmente sulla piattaforma di lavoro. Se la precisione di una data superficie non ha importanza (ad esempio, il modello sarà oggetto di post-lavorazione) poi, per il minor tempo di costruzione, il modello deve 28

30 essere orientato in modo tale che l'altezza del modello è minima nel verso dell asse Z (asse di incremento di livello). Il passo successivo è la generazione di strati dei modelli, che verranno creati nel processo di RP, una dopo l'altro. Al fine di creare un prototipo di un dispositivo RP, un modello STL deve essere suddiviso in strati sottili. E l'ultima operazione eseguita sul file prima di procedere al processo di costruzione. La densità dei livelli è tra 0,01 e 0,7 mm. Fig. 4.5 Modello suddiviso in strati Dopo, il programma genera strutture di supporto per il corretto avanzamento del processo. Fig. 4.6 Strutture di supporto 29

31 Un modello così preparato è inviato al dispositivo RP per una elaborazione del prototipo fisico dello stesso. Possibilità di elaborazione dei dati dell STL Visualizzazione, possibilità di effettuare misurazioni, manipolazione del modello *. stl, Fissaggio file *. stl, ritaglio di superfici, l'individuazione di triangoli raddoppiati Preparazione di intersezioni dei file STL, fori (perforazione), pulling surface operazioni booleane, la riduzione dei triangoli, smoothing, aggiungere didascalie o segni (caratteri), Rilevazione delle collisioni, Colorare i file STL, divisione dei modelli in strati, Generazione di strutture di sostegno Modifica dei file STL Grazie ad una vasta gamma di strumenti a disposizione, è molto efficiente lavorare con i file STL in programmi di preparazione per la costruzione di dispositivi RP. Manutenzione STL Usare strumenti per la rotazione è veloce e intuitivo, così come lo spostamento, il ridimensionamento e la creazione di assembly. Un ampia possibilità di misura può essere utilizzata come alternativa ai tradizionali disegni su carta. Entrambe le misure 2D e 3D della distanza, raggi e angoli possono essere effettuate, sulla base di piani, cilindri, asce, sfere, ecc 30

32 Fig. 4.7 Effettuare modifiche Semi-punti di vista e intersezioni parziali possono essere generati per una più facile comprensione e lettura delle parti, L'utente può definire e lavorare su diversi sistemi di coordinate locali, funzioni specializzate garantiscono un facile orientamento nei modelli di posizionamento, Formati aggiuntivi permettono una lunghezza decrescente dei file generati STL. Manipolazione efficiente dei file STL Uno strumento di manipolazione intelligente e molto efficiente permette di disegnare direttamente su modelli STL: I testi possono essere scritti sui modelli, utilizzando qualsiasi fonte True Type di Windows, in qualsiasi dimensione e su qualsiasi superficie del modello. Informazioni (ad esempio numero di serie) possono essere incise o in rilievo sulla parte. 31

33 Fig. 4.8 Testo scritto sul modello Colorare i modelli non è un problema. I colori possono essere aggiunti ad una superficie o ai singoli triangoli manualmente o automaticamente, le immagini *. bmp possono anche essere stampate. 32

34 Fig. 4.9 Aggiungere colori ad un singolo elemento Le parti possono essere tagliate e forate, ciò consente la creazione di modelli più grandi in varie parti. Per un migliore contatto tra le superfici di taglio di una parte per il suo successivo incollaggio, può essere utilizzata l'opzione avanzata di taglio. Fig Il taglio di una parte consente la sua connessione con l area di lavoro del dispositivo RP La Retroversione può essere utilizzata per ottenere un volume di riempimento solido dalla struttura o per aggiungere il materiale in eccesso per un eventuale post-lavorazione, la pittura, sabbiatura, ecc. Le operazioni booleane sono disponibili. Il volume può essere aggiunto o rimosso aggiungendolo o sottraendolo da un modello STL. Anche le parti con le forme più complesse possono essere scavate. Tali parti non sono costruite solo più velocemente, ma anche garantire emergere meno frequenti di trecce interno durante il processo di 33

35 costruzione di Rapid Prototyping dispositivi, così come si salva il materiale. Fig Implementazione del modello shell salva il materiale mentre si costruisce un elemento fisico E 'anche possibile creare oggetti, come sfere, cilindri, coni, piramidi, prismi ed altri. C'è la possibilità di asportare una superficie come eccesso di materiale per la lavorazione meccanica. Manipolazione ed elaborazione dei dati acquisiti Le nuvole di punti possono essere trasformate da scanner 3D in file di grandi dimensioni in formato STL. Successivamente, grazie alla riduzione dei triangoli con strumenti speciali, l archiviazione dei dati è molto più facile a causa della riduzione della dimensione del file. Durante la generazione di file STL da dati ottenuti da scanner 3D, si verificano interferenze. Grazie alla possibilità di lisciatura tali difetti possono essere eliminati, il che migliora la qualità delle superfici. Fig Strumento di levigatura delle superfici 34

36 4.2. Fissaggio dei file STL Visualizzazione Gli strumenti di visualizzazione che evidenziano gli errori in STL, facilitano notevolmente il loro posizionamento. Sono specificati triangoli con invertiti vettori normali, bordi sbagliati, fori, ecc. Senza problemi, l'utente può notare dove si trovano gli errori. L'analisi dettagliata dei file STL, è altrettanto possibile, ed è pertanto sufficiente controllare le proprietà. Le informazioni riguardanti dimensioni, numero di triangoli nella griglia, numero di errori,volume,etc. sono contenuti al loro interno. Fissaggio automatico Grazie alla implementazione di algoritmi intelligenti, si può essere eseguita automaticamente la riparazione di più file STL, il che fa risparmiare molto tempo. I triangoli invertiti, con i vettori normalmente orientati nella direzione opposta, possono essere invertiti automaticamente. Il programma fissa le parti interne ed esterne del modello e controlla uno per uno se le indicazioni sono conformi alla descrizione. In caso contrario, la direzione viene cambiata. I bordi non corretti - fissati da buchi tra triangoli - possono essere cuciti automaticamente. E 'sufficiente scegliere la posizione dei fori e il programma farà una patch senza una perdita di tolleranza. La triangolazione automatica in buchi patch consente di risparmiare tempo in modo significativo. Anche i fori con contorni complessi possono essere facilmente risolti con un utensile per fori patch di forma complessa. La funzione riempie i buchi, ravvicinando la forma del materiale aggiuntivo al piano che circonda il buco. Le superfici raddoppiate e triangoli vengono individuati e possono essere rimossi a seconda delle esigenze dell'utente. Manipolazione e trasformazione E anche possibile la riparazione manuale dei modelli danneggiati. Un triangolo scelto può essere eliminato, i vettori normali possono essere invertiti e creati triangoli aggiuntivi. I programmi permettono di eseguire operazioni booleane e di riparazione, i modelli distinti o parti possono essere facilmente collegati tra loro. Successivamente le superfici sporgenti sono ritagliate lungo il bordo del modello. 35

37 4.3. Generazione dei supporti La generazione di supporti è una chiave per la corretta costruzione di un modello su di un dispositivo stereo litografico. Ulteriori strutture di sostegno sono necessarie per garantire la stabilità del modello e per ogni elemento della parte costruito in modo da rimanere al suo posto. La funzione del software per la generazione di supporti consente una loro creazione facile e veloce e possibili edizione successive. Affidabilità, integrità delle parti e una facile rimozione dei supporti sono i fattori chiave nella prototipazione rapida. Il generatore di supporto aggiunge automaticamente il sostegno a ciascun modello. Il software analizza le superfici del modello, identifica quelle che richiedono strutture di supporto e genera supporti ottimali, a seconda della geometria della superficie. L'intero processo si basa su parametri definiti dall'utente, il che garantisce il pieno controllo dell'esecuzione del programma. La progettazione di strutture più complesse di supporti non richiede competenze tecniche supplementari. A causa della riduzione dei tempi di sostegno aumenta la produttività. Nonostante un elevato livello di automazione, i programmi consentono l individualizzazione in larga misura. Tutti supporti automaticamente generati possono essere modificati a seconda delle necessità dell'utente, requisiti o preferenze. Un elaborato di visualizzazione funzionale permette l'esame e la valutazione di ogni luogo separatamente. In un modo molto semplice, si può cambiare una struttura esistente di sostegno in quello che si adatta meglio. Il software dà la possibilità di aggiungere denti per le strutture di supporto, limitando così il loro contatto con la superficie dell'oggetto. L'aggiunta di denti facilita anche la rimozione dei supporti e migliora la qualità della superficie. Fig I denti di supporto facilitano la loro rimozione Un'altra agevolazione nel rimuovere i supporti, così come in resina "colatura" è la struttura di supporto perforata. La perforazione assicura 36

38 economia del materiale, accorcia il tempo di costruzione e facilita la loro rimozione dal modello Fig Supporti perforati Tutte queste funzioni permettono l'individualizzazione completa nella generazione di strutture di sostegno. Generazione di irrigidimento supporti Questa opzione di sistema è dedicata a dispositivi basati su materiali in polvere (metalli, ceramica, gesso, ecc.). I supporti sono, in tali tecnologie, necessari per garantire la stabilità durante la rimozione di elementi prodotti in alcune tecniche, così come per gli strati di rinforzo iniziali, in modo che non venga danneggiato il livello precedentemente costruito e rinforzi di elementi sporgenti ponendo un altro strato di materiale in polvere. 37

39 5. Rapid Prototyping RP (Prototipazione rapida) Le tecnologie del Rapid Prototyping vengono applicate nella produzione di modelli fisici utilizzando dispositivi RP direttamente da: un modello matematico definito in un sistema CAD 3D, dati raccolti attraverso una scansione di un modello reale (reverse engineering). Tutti i metodi sono simili tra loro e si basano su una produzione per accrescimento di materiale del modello (senza sprechi). Pertanto, tali tecniche sono completamente diverse da metodi classici di produzione del modello fisico (tornitura, fresatura, ecc), dove la formazione degli oggetti avviene attraverso la rimozione meccanica del materiale (residui di lavorazione). La creazione di modelli con tecniche di RP, dove ogni strato successivo è un riflesso esatto della sezione del modello in un piano ben preciso, si basa su un aggiunta di materiale laminato. I modelli che sono stati creati con tecniche RP sono oggetto di valutazione per ingegneri, manager e clienti. Gli ingegneri devono verificare le soluzioni costruttive applicate e individuare eventuali mancanze progettuali molto prima che gli strumenti per la produzione di serie siano stati realizzati mentre i manager sono tenuti a valutare i modelli visivamente ed esteticamente. Infine, i clienti che hanno il compito di confermare se un potenziale prodotto soddisfa le loro esigenze. I modelli prototipali hanno lo scopo di realizzare i primi test di resistenza, sicurezza, montaggio, trasporto, ecc. Essi non sono solo un argomento decisivo negli affari, nella negoziazione tecnica e di marketing, ma essi tendono anche ad essere molto più graditi e facilmente percepiti dalla gente rispetto ai disegni standard 2D. Una migliore comprensione della concezione (concept) porta a un risparmio sia di tempo sia di denaro. Il Rapid Prototyping è ampiamente applicato in diversi settori industriali e le sue prospettive aumentano su base giornaliera, questo può essere osservato in particolare nell'industria automobilistica, dove il contributo raggiunge addirittura il 25% di tutti i prototipi. 38

40 Fig. 5.1 Settori di applicazione delle tecniche del Rapid Prototyping [1] La superiorità delle tecniche di prototipazione rapida può essere osservata comparando tre metodi di sviluppo prodotto, quali: Tradizionale Concurrent Engineering CE Concurrent Engineering in modalità Rapid Engineering RENG Nella progettazione tradizionale, un prototipo viene costruito nell ultimissima fase di sviluppo del prodotto, subito dopo sono impostate le soluzioni progettuali, sono selezionati i materiali e attraverso successive analisi viene ultimata la selezione delle variabili progettuali. Tale prototipo è di solito un'immagine del prodotto finale che poi diventa oggetto di esami funzionali che devono fornire informazioni sulle possibili correzioni tecniche e tecnologiche, nonché il raggio d azione in cui si possono scegliere i parametri di utilizzazione e come deve essere consapevolmente utilizzato. Fig. 5.2 Creazione di un prototipo in un processo tradizionale[1] 39

41 Progettazione e sviluppo di un prodotto secondo la concezione del Concurrent Engineering non comporta alcuna conseguenza particolare per quanto riguarda la fase di creazione del primo prototipo. Possiamo solo risparmiare tempo nella fase di progettazione di questo metodo grazie allo sviluppo simultaneo del prodotto effettuata da un team interdisciplinare di progettisti, che lavora in un ambiente integrato in rete di sistemi CAx. Un prodotto è sviluppato contemporaneamente nei settori della costruzione, della tecnologia, nei processi di pianificazione della produzione e di fornitura di materiali o semilavorati. Il lavoro di un team di designer è basato su attività ed è fatto secondo il calendario di realizzazione progettuale stabilito. Questo team, è anche incaricato di una consultazione concernente le modifiche e le correzioni nella documentazione di progettazione. Il primo prototipo è creato allo stesso modo di un processo tradizionale - dopo aver selezionato la soluzione definitiva di costruzione. Fig. 5.3 Creazione di un prototipo in un processo di Concurrent Engineering [1] Il Rapid Engineering consente a un designer di creare diversi tipi di modelli fisici, che hanno le caratteristiche di un prototipo, secondo i suoi bisogni. Tale modo di progettare permette la produzione di prototipi in tutte le fasi di sviluppo del prodotto, partendo dall'idea e dal concetto, attraverso affinamenti successivi e fino alla soluzione progettuale definitiva. Il modello geometrico virtuale ottenuto con un CAD 3D è la condizione necessaria per la produzione di un prototipo. 40

42 Fig. 5.4 Creazione di un prototipo in un processo di Rapid Engineering in CE [1] Attualmente, i metodi applicati nella creazione di un prototipo possono essere suddivisi per quanto riguarda il modo in cui viene creato un modello, la precisione di realizzazione, lo stato di aggregazione / caratteristiche dei materiali utilizzati o, infine, l'uso di un modello. I modelli possono essere divisi in relazione alla loro applicazione, come: quelli che approssimativamente riflettono la forma di un manufatto finito e garantiscono la verifica preliminare della forma o delle dimensioni, funzionale - costituito da alcuni parametri approssimativi o identici con i parametri del proprio prodotto e consente la presentazione di un manufatto futuro, manufatti prodotti usando i metodi RP come un campione della serie che ha tutti i parametri tipici di un prodotto. Mentre si determina l'applicazione del nostro modello, dovremmo selezionare uno dei metodi disponibili così come dovremmo considerare il materiale (plastica, carta, metallo, ceramica), le dimensioni, la precisione di realizzazione, la costruzione del modello e i costi di produzione. 41

43 Fig. 5.5 Classificazione dei metodi RP per quanto rispetto ai processi e i materiali applicati [1] 42

44 Fig. 5.6 Classificazione dei metodi RP rispetto al modello di costruzione applicato[1] Questo è 'caratteristico di tutti i metodi RP che lavorano rapidamente e con profitto per quanto riguarda i costi, sono interessati il modello/esemplare le parti e i prototipi; inoltre, lavorano direttamente sulla base dei dati CAD e senza l'applicazione di forme e strumenti. Possono essere distinte nel seguito 2 strade per la creazione di una prototipazione rapida: l incremento di laminati di plastica costruttiva, che riflettono la forma geometrica del modello CAD 3D in un oggetto fisico. Questa classe rappresenta tutte le tecniche di lavoro RP basate su speciali sostanze polimerizzate che sono sinterizzate, fuse o incollate. In seguito queste tecniche saranno denominate tecniche RP. laminati di plastica costruttiva con residui, spesso realizzati con l'aiuto di lavorazioni con l asportazione di materiale (taglio, lavorazioni elettroerosiva). Grazie all applicazione di moderni materiali per utensili, tecnologie di lavorazione e soluzioni costruttive nei macchinari sono utilizzati utensili HSM (High Speed Milling) fresatura ad alta velocità, con i quali si può raggiungere un ottima efficienza, e una lavorazione molto accurata del metallo e di altri materiali. Gli oggetti che vengono prodotti in questo modo possono essere singoli esemplari prototipali, gli strumenti di plastica pronti per la modellazione (matrici, stampi) o possono essere le 43

45 forme per le tecnologie, come la formatura a iniezione e la colata di plastica. Le tecniche di RP sono frequentemente associate a quelle di RT (Rapid Tooling). Allo stesso modo delle tecniche di RP, possono essere qui distinti molti metodi di produzione e di applicazione. Inoltre, tali tecniche sono utilizzate per ottenere un ulteriore sviluppo del prodotto (assegnando le caratteristiche di un prodotto già pronto, come ad esempio: l'applicazione corretta dei materiali, il colore, le texture, ecc, per modelli esemplari con l utilizzo di metodi RP), e sono anche destinati a produrre un particolare tipo di strumenti per la produzione di nuovi articoli in piccole serie. I prodotti fabbricati in questo modo di solito sono utilizzati in ricerche di mercato o sono presentati in fiere e mostre. Essi sono anche la base per l'approvazione e il copyright dei modelli applicati che sono necessari per ottenere certificati e rivendicazioni di brevetto. Solo dopo che un prodotto è accettato dal mercato e sicuro per gli istituti di certificazione, può iniziare la produzione di massa. Fig. 5.7 Confronto dei tempi e dei costi di produzione di modelli prototipali utilizzando metodi RP e RM-HSM [1] Il termine RP può essere quindi inteso come dei metodi generalmente applicati nella creazione di laminati di parti e prototipi con differenti livelli di complessità. Varie tecnologie sono basate su uno stesso principio di base. I modelli geometrici tridimensionali di un oggetto creato in un software 3D-CAD sono divisi in livelli e in questo modo, sono ridotti in modelli bidimensionali facilitando l elaborazione della struttura. Nella maggior parte dei metodi RP, i materiali sono induriti puntualmente dai raggi laser (metodi fotochimico). Tale processo viene ripetuto per tutti i layer di un oggetto creato. I metodi che sono alternativi all RP sono basati su una struttura in laminato con i bordi tagliati mediante l uso di un raggio/flusso laser o aggregando per mezzo di un legante materiali in polvere. 44

46 Attualmente, con l'aiuto dei metodi di prototipazione rapida possono essere trattati i seguenti materiali: fotopolimeri, cera, plastica, nylon, materiali ceramici, materiali legnosi, di carta o anche polvere di metallo. Un altra loro caratteristica è che non danno la forma ad un oggetto attraverso la rimozione di materiale, proprio come accade nel caso della lavorazioni, ma avviene grazie all'aggiunta di uno strato di materiale. Così, gli oggetti di forma complessa possono essere prodotti in tempi molto brevi, anche nel corso di diverse ore. La condizione necessaria e al tempo stesso il punto di partenza per l'applicazione di tutti i metodi di RP è la creazione di una descrizione geometrica tridimensionale completa di una parte che deve essere realizzata. In un caso ideale, si tratta di un modello solido, ma è anche possibile elaborare i dati di superficie grazie all'applicazione di specifici strumenti di programmazione RP. La geometria CAD di un oggetto viene descritta in modo da semplificare ulteriormente l'elaborazione matematica, viene eseguita la triangolazione in modo che la geometria può essere trasformata in un formato standard di scambio dati (*. STL) per i metodi di RP. I controlli degli angoli e dell altezza delle corde sono di grande importanza per la triangolazione perché determinano in larga misura la qualità di un pezzo prodotto. Con l'aiuto di "Chord Height" viene fissato in millimetri un errore massimo consentito alla corda, mentre "Angle Control" determina l angolo massimo consentito tra due triangoli. Infine, i dati *. stl di un oggetto sono ancora una volta trasformati in modo tale che vi sia la divisione della geometria 3D in alcune sezioni (strati) di una determinata altezza formato Slice, (SLI). Lo spessore comune di tali strati è uguale a 0,1-0,2 mm. Fig. 5.8 Modello CAD 3D (a), il suo modello salvato in formato *. STL (b), il modello fisico creato utilizzando la tecnica della stereolitografia (c), e un prodotto finito (d) 45

47 Alcuni dei metodi, come ad esempio la stereolitografia, richiedono la definizione di strutture di sostegno che assicurano che una parte prodotta può essere tolta dalla piattaforma di appoggio del dispositivo; ma forniscono anche un modello in fase di costruzione per la protezione contro le deformazioni che possono verificarsi nel corso del processo di produzione di un oggetto. La maggior parte dei metodi richiede un trattamento supplementare al fine di ottenere un modello con caratteristiche molto spinte. Nella tabella sottostante, sono riportati tutti i vantaggi e gli svantaggi di un trattamento rapido. Tab. 5.1 Principali vantaggi e svantaggi delle tecniche RP Vantaggi Creazione rapida di un modello fisico, il modello della parte è a disposizione anche durante l'elaborazione, della costruzione, sono particolarmente consigliabili nelle seguenti situazioni: pezzi di geometria complessa (soprattutto per i contorni interni) Superfici di forme libere. Bassi costi di realizzazione rispetto ad altri metodi (fresatura, tornitura, ecc), soprattutto se c'è un piccolo numero di articoli, possibilità di applicare diversi metodi nella gamma di tutta la catena dei processi (Rapid Engineering). Svantaggi dimensioni limitate degli oggetti costruiti, selezione limitata dei materiali, le parti soddisfano i requisiti meccanici solo in un ambito limitato, precisione limitata (circa +/- 0,1 mm), mentre la qualità della superficie è condizionata dalla tecnica di esecuzione applicata, molto spesso è necessaria una ulteriore lavorazione di levigatura. precisione limitata (circa +/- 0,1 mm), mentre la qualità della superficie è condizionata dalla tecnica di esecuzione 5.1. Stereolitografia(SLA, SL) La stereolitografia è il metodo più antico, più comune e conosciuto di prototipazione rapida. E 'stato elaborato da una società americana 3D System Inc. nel Si tratta di una tecnologia per la creazione di prototipi tridimensionali sulla base della geometria generata con l'ausilio di sistemi CAD, tecniche RE o tomografia computerizzata. Si tratta di un indurimento stratificato di resina epossidica o acrilica realizzato grazie ad un laser di bassa potenza. La prima fase di realizzazione del metodo SLA riguarda la modellazione geometrica del modello CAD 3D. La fase successiva è la conversione di questo modello geometrico in un file di estensione *. stl, ed è svolta con l'ausilio di programmi CAD 3D. Tale modello *. stl è suddiviso in strati sottili di circa 0,3-0,1 mm con l'aiuto dei programmi di un dispositivo SLA. Il calibro di tali strati/ layers dipende dall accuratezza dei settaggi dalla tolleranza del modello e dalla potenza del laser [11]. 46

48 Fig. 5.9 Il principio di funzionamento della stereolitografia [21] Tali strati sono alla base della generazione dei file usati dal computer di controllo di una macchina stereolitografica. Mentre un modello è prodotto, il raggio laser viene spostato sulla superficie del liquido di resina fototemprabile secondo il contorno di un particolare strato, questo viene fatto con l'aiuto di una serie di specchi dinamici che sono diretti da un sistema di movimentazione. La movimentazione è controllata da un sistema sulla base dei dati relativi al modello CAD. La foto-polimerizzazione, in altre parole l indurimento, si ha nelle zone dove la resina viene irradiata da un fascio di raggi ultravioletti. Il primo strato è creato direttamente sul piano di sostegno immerso. Quando viene creato, il piano di lavoro è abbassato esattamente al valore dello strato pronto. In quel momento, la resina scorre sul modello abbassato e crea un altro livello necessario per la fotopolimerizzazione.tuttavia, la resina è appiccicosa e per livellare la superficie uno speciale raschietto viene mosso al di sopra della superficie e raschia i dislivelli rendendo la superficie di resina liscia. Poi, un altro strato viene indurito. Ogni strato successivo è creato dal precedente e in questo modo, viene costruito un solido. Questo processo viene eseguito fino a completare tutto il modello. Il processo SLA può richiedere la costruzione di sostegni se ci sono risalti (sporgenze) frammenti (cosiddetti sbalzi), ed è tutto fatto per evitare possibili deformazioni. L'applicazione di supporti è usuale durante la produzione di modelli utilizzando il metodo 47

49 SLA e obbliga a considerare il tempo aggiuntivo per la realizzazione delle attività di pre-processo. Dopo la produzione vera e propria, tale sostegno viene rimosso, la parte viene pulita del polimero adiacente e non indurito, e poi, l'intero modello creato è indurito in una camera speciale ed è soggetto alle radiazioni ultraviolette. La creazione di prototipi utilizzando il metodo della stereolitografia può avvenire in diverse fasi. La prima fase riguarda la creazione di un modello geometrico in un programma CAD 3D. Successivamente, tale modello viene salvato nel formato *. STL con la precisione richiesta. Poi, con l'aiuto di un programma speciale, il modello è pronto per essere prodotto in una macchina (attività di pre-processo). Fig I supporti di sostengono di un modello Di conseguenza sono svolte le seguenti azioni: verifica della correttezza dei dati registrati in formato *.stl orientamento del modello e costruzione del sostegno (se necessario), generazione dei file di controllo della macchina. Dopo che un modello è creato, viene effettuata una lavorazione finale, che comprende la rimozione della resina liquida e dei supporti, l indurimento definitivo e le lavorazioni di completamento, quali: molatura, lucidatura, verniciatura, ecc Selective Laser Sintering/Melting SLS/SLM Il metodo SLS è stato elaborato presso l'università di Austin negli Stati Uniti. Fondamentalmente, questo metodo è realizzato posizionando successivi di strati di un materiale in polvere che vengono poi solidificati, 48

50 in zone particolari mediante sinterizzazione dei grani di polvere ottenuta grazie all utilizzo di un raggio laser. Fig Principi di funzionamento del SLS [15] Fig Il metodo sls Sinterizzazione selettiva al laser - SLS, è un'altra tecnica RP, alla base di un processo in cui gli strati di un materiale in polvere sono successivamente posizionati e solidificati in posizioni particolari di una superficie attraverso sinterizzazione di grani di polvere che viene eseguita per mezzo di un raggio laser. Questo è il motivo per cui è un processo che 49

51 è molto simile al SLA per quanto riguarda i principi di funzionamento, però, invece di resina termo-temprabile viene applicato un materiale in polvere facile da fondere e sinterizzare. In una camera di lavoro, uno strato sottile di polvere di questo tipo (in genere dello spessore di 0,02-0,2 mm), viene posizionato con l'aiuto di un rullo, in un cilindro munito di una piattaforma mobile (asse Z). Poi, un raggio laser di una potenza relativamente grande, controllato da uno scanner nel piano XY, crea una fusione selettiva di tale polvere in una zona determinata dalla geometria di una certa sezione del modello da costruire, con la condizione che la radiazione di questo fascio laser sia regolata in modo tale che la fusione della polvere avvenga solo in un unico settore [6]. Questo tipo di creazione del modello non richiede ulteriori elementi di supporto, al contrario della SLA. Il materiale, di cui è costruito un modello, è un elemento di sostegno per tutti gli elementi sporgenti e che non sono soggetti a sinterizzazione. I cosiddetti supporti sono utilizzati solo in alcuni modelli e sono da montare in modo da non danneggiare, spostare o distruggere un livello creato in precedenza, mentre viene immesso un altro strato di materiale in polvere. Poco dopo aver terminato il processo di produzione e abbassando la temperatura di entrambi i modelli e materiali, siamo in grado di pulire i dettagli. E quindi pronto all'uso senza ulteriori processi di lavorazione. Nel caso in cui siano richiesti parametri di superficie molto specifici, un modello può essere soggetto ad un processo di lavorazione per asportazione di materiale. L'intero processo è controllato da un programma installato in una sezione computerizzata. Questo programma richiede la fornitura di un modello solido costruito nel sistema CAD e salvato in formato *. STL. Selezione di alcuni dispositivi che applicano la sinterizzazione laser selettiva utilizzando le polveri di metallo disponibili sul mercato, come: MCP Realizer II dispositivo MCP HEK company MCP Realizer II è un dispositivo che utilizza il metodo SLM - Selective Laser Melting [15] nella creazione di modelli di alta precisione mediante polvere di metallo, ad esempio in titanio, acciaio inossidabile, leghe Co- Cr. I modelli creati sono di costruzione omogenea e fino al 100% di densità, a seconda delle aspettative. Per ottenere ciò, non vi è la necessità di fare alcuna attività di pre-processo (cottura, infiltrazioni, ecc.) Il processo di costruzione di oggetti è ad alta risoluzione, è completamente automatizzato e la produzione degli oggetti avviene a basse temperature. 50

52 Fig MCP Realizer II dispositivo MCP HEK company EOSINT M 270 dispositivo RP di EOS company EOSINT M270 crea elementi utilizzando il metodo DMLS Direct Metal Laser-Sinterizzazione [18]. Questo metodo converte la polvere di un metallo in un solido tramite una fusione locale del materiale fatta da un fascio laser focalizzato. Proprio come avviene in ogni metodo RP, un modello è costruito strato dopo strato. Anche le geometrie più complicate possono essere create direttamente dai dati CAD 3D grazie ad un processo completo di automazione, che può essere fatto nel corso di diverse ore. Il dettaglio o articolo ottenibile è caratterizzato da grande precisione, una buona qualità superficiale e parametri meccanici perfetti. Possono essere applicati una vasta gamma di materiali, a partire da leghe, all acciaio e fino ai materiali compositi. Fig EOSINT M270 dispositivo RP di EOS company 51

53 Produzione diretta di pezzi EOSINT M270 è ampiamente applicata nella produzione di componenti direttamente da dati CAD 3D. Questa applicazione si chiama DirectPart. I componenti possono essere prototipi, produzione di serie o di parti di ricambio. Grazie a tale applicazione, può essere costruito nel corso di una giornata un prototipo funzionale di metallo, inoltre, anche una serie economica di centinaia di impianti individuali può essere costruita con leghe biocompatibili. Produzione di stampi mediante prototipi RP L applicazione per la produzione di utensili si chiama DirectTool. EOSINT M270, consente di realizzare superfici di grande precisione e qualità, risultando un dispositivo ideale per attività di questo tipo. I negativi degli stampi sono costruiti in poche ore. Pertanto, la libertà di design e forme molto complesse (cioè la conformazione dei condotti per l'iniezione / forme iniettive) non sono un problema. Il DirectTool è più noto per la produzione di utensili che per la modellazione della plastica, ma è applicato anche per la costruzione di strumenti utilizzati nelle iniezioni, nelle estrusioni, nelle colate a pressione M3 Linear - un dispositivo della società Concept Laser Il dispositivo M3 Linear è un sistema modulare di trattamento laser[17]. A parte una funzionalità standard per la produzione di prototipi, offre anche la possibilità di effettuare lavorazioni erosive e la marcatura laser del modello. Fig M3 Linear dispositivo della società Concept Laser Modulo 1 Laser CUSING E utilizzata per la fabbricazione di modelli omogenei di polvere di metallo. Questo modulo permette la costruzione di elementi strato per strato permettendo l utilizzo di un gran numero di elementi metallici (es. acciaio inox e acciaio per utensili). 52

54 Tale polvere metallica è fusa strato per strato fino a raggiungere una densità del 100%. Questa strategia di irradiazione appositamente elaborata permette la produzione di elementi di grandi dimensioni senza distorsioni. Il sistema brevettato di lavorazione post-processo della superficie, che avviene subito dopo il completamento del processo, assicura una qualità superficiale e una durezza eccezionali. 2 - modulo di erosione laser 3D È progettato per la lavorazione erosiva. Questo modulo permette di eseguire una lavorazione erosiva su qualsiasi tipo di superficie libera. Grazie ad un sensore integrato con il software, si può influenzare la densità dell intera lavorazione erosiva.tale opportunità ideale per la produzione di elettrodi è alternativa alla fresatura - senza il bisogno di generare ulteriori programmi complessi. Modulo 3 - modulo di marcatura Laser E dedicato alla fabbricazione di etichette/marcature sulla plastica e sugli elementi. Possono essere contrassegnati vari tipi di materiali o possono avere delle particolari incisioni su di essi. Il modulo di marcatura può anche essere personalizzato, rispetto a esigenze particolari. Vantaggi: risparmio di tempo e denaro. Le tre tecnologie descritte possono essere utilizzate non solo per produrre strumenti e forme, ma anche prototipi. L utilizzo di un solo laser in tre tecnologie, consente un ulteriore risparmio. Una tecnologia molto flessibile. I moduli consentono una rapido passaggio da una tecnologia all'altra, in pochi minuti. Può essere raggiunta la massima accuratezza e qualità del fascio laser possedendo una piccola lunghezza di scansione. La la testina esplorante è posizionata su un oggetto in fase di costruzione da parte dei motori di linea. Densità del 100% durante la formazione laser di un elemento omogeneo. E resa possibile grazie ad un sistema brevettato di irradiazione. Lavorazione erosiva su superfici libere. Un sensore laser di misura, che misura la densità di della lavorazione erosiva, è integrato con il software. L'erosione può avvenire su ogni superficie, indipendentemente dalla sua forma TrumaForm LF 250 dispositivo della società TRUMPF DFL Il Direct Laser Forming [23] è un processo basato sulla fusione di polvere metallica utilizzata per produrre una struttura omogenea 53

55 metallurgica senza l'uso di leganti aggiuntivi. Qualsiasi oggetto geometrico può essere creato direttamente da un modello CAD. Il Direct Laser Forming permette la produzione di forme per iniezione e strumenti che sono impossibili o estremamente difficile da produrre con i metodi tradizionali. Tale tecnologia permette di creare condotti di raffreddamento appena sotto la superficie durante la produzione e consente di creare forme che sono leggere, hanno dettagli funzionali e, infine, che salvaguardano il materiale. L'idea della doppia camera consente un notevole aumento di versatilità. Durante il processo di raffreddamento della prima sezione, nella seconda camera può essere attivato un altro lavoro, e se necessario con l'applicazione di una polvere metallica diversa. Fig TrumaForm LF 250 dispositivo della società TRUMPF EBM S12 dispositivo della società ARCAM Fusione a fascio di elettroni EBM Acram S12 EBM (Electron Beam Melting) permette la fabbricazione di forme libere(free Form Fabrication FFF) la produzione di oggetti di varie forme da polveri di metalli e direttamente dai dati CAD [12]. Il sistema offre possibilità geometriche uniche nella produzione di elementi utilizzando polveri di metalli. Acram EBM S12 è un sistema basato sulla tecnologia del metallo Acram CAD. L'idea di base alla base "da CAD a Metallo" è una tecnica di produzione del modello stratificato di polveri di metallo, dove i singoli strati sono fusi da un fascio di elettroni esattamente nella posizione determinata, per ogni strato, da un sistema CAD.Il vantaggio principale nell applicazione di tale fascio di elettroni invece di un laser è un maggiore assorbimento dell energia emessa dagli elettroni, questo non è il caso di un laser infatti la superficie dei grani di polvere metallica riflette in una certa misura il raggio laser. Gli elettroni sono emessi dal sistema di EBM con una velocità che è circa la metà della velocità della luce, e sono proiettati sul materiale metallico in polvere. Il processo EBM è efficiente e garantisce un materiale completamente fuso. Inoltre, i modelli sono 54

56 prodotti in una camera a vuoto. Grazie al vuoto, il fascio di elettroni emessi raggiunge la polvere di metallo, assicurando anche la pulizia dell'ambiente di processo che si manifesta nelle perfette proprietà del materiale. Per di più, il vuoto garantisce una buona distribuzione termica e porta a un processo stabile controllando le temperature del pezzo prodotto. Pertanto, Arcam EBM S12 permette la produzione diretta di parti metalliche funzionali che richiedono un materiale di grande solidità e con buone proprietà di resistenza. La lavorazione finale delle parti può avvenire con l'ausilio di metodi tradizionali, quali: fresatura, tornitura, rettifica, ecc Fig EBM S12 - dispositivo della società ARCAM Sistema di sinterizzazione HiQ dispositivo della società 3D SYSTEMS Selective Laser Sintering (SLS) Sinterizzazione laser selettiva Il processo SLS - sinterizzazione laser selettiva si basa sulla combinazione di granuli, coperti da un legante polimerico, mediante un raggio laser [11]. A causa del fatto che non vi è materiale di fusione completa, tale processo è un paio di volte più velocemente rispetto a quelli sopra descritti. Tuttavia, il suo difetto principale riguarda la necessità di fare un extra lavorazione post-processo, al fine di rimuovere questo legante (modello di sinterizzazione), quindi, è fondamentale infiltrare l'elemento prodotto ad esempio in bronzo, che può richiedere altri 2-3 giorni. 55

57 Fig HiQ Sistema di sinterizzazione dispositivo della società 3D SYSTEMS 5.3. Laminated Object Manufacturing (LOM) La sigla LOM sta per laminated Object Manufacturing (fabbricazione di oggetti laminati) ed è stato elaborata dalla compagnia americana - Helisys. E 'un metodo di fabbricazione degli oggetti lamina per lamina (strato per strato). E 'basato sul posizionamento del materiale, che è in forma di lamine, in una pila e grazie all uso di un laser o un rullo riscaldato tali lamine vengono incollate. Un materiale in entrata può essere disteso da un rullo oppure può essere in forma di fogli. Il primo strato di una lamina è posto su un terreno liscio. È coperto (in basso) con la colla. Poi, una forma adatta per un particolare sezione di un prodotto è ritagliata dal foglio. Questo è fatto con un laser o, in alcune variazioni LOM chiamate anche SAHP, con l'aiuto di una fresa a controllo numerico. Dopo aver tagliato una forma, la pila diminuisce dello spessore di un livello, e un altro strato è posto su di un altro già posizionato. Viene premuto sullo strato inferiore con l'aiuto di un rullo riscaldato, e nella fase successiva la forma di una sezione trasversale, che questa volta è adatta per il nuovo livello del prodotto potenziale, viene tagliata fuori dallo strato superficiale. Questo ciclo viene ripetuto fino a quando l'intero modello è stato creato. Il restante materiale, che è al di fuori della forma del contorno di una sezione trasversale, è inciso. Questo facilita la sua rimozione dopo aver terminato la costruzione di un modello. Anche se un modello è stato creato, esso costituisce la costruzione di sostegno. Incollare i layer di un foglio può essere fatto su tutta la superficie (anche prima che una forma sia tagliata dal laser) o solo in un punto di una sezione trasversale di un oggetto. Poi, la colla si attiva grazie al calore proveniente da un raggio laser o sotto l'effetto della pressione di un rullo riscaldato. Può essere applicato anche un metodo di impressione di una maschera su un foglio trasparente. Essa riflette la forma di una sezione appartenente ad un particolare livello. Premendo il foglio sulla pila, per 56

58 mezzo di un piano di vetro e sotto l'influenza della radiazione UV emessa da una lampada, la colla è attivato dove non vi è la stampa sul foglio. Tuttavia, tale metodo richiede l'applicazione di una colla sensibile alle radiazioni ultraviolette. Fig Il principio di funzionamento del LOM [15] Il vantaggio principale del LOM è dato dal fatto che si possono applicare vari materiali, quali: carta (cellulosa), metalli, plastica, materiali sintetici e compositi. Al fine di combinare gli strati di carta, le colle applicate sono attivate da radiazione UV o dal calore di un rullo. Le ceramiche possono essere applicate utilizzando la pressatura, il riscaldamento e processi di reazioni di incollaggio. Gli strati di metallo possono essere combinati con delle saldature laser puntuali, saldatura a fiamma o saldature forti. Possono essere anche applicati il montaggio meccanico nonché la combinazione dei processi elencati. Il metodo LOM è molto a buon mercato e grazie ad esso, possono essere fabbricati oggetti di grandi dimensioni. Tuttavia, il suo punto debole è dato dal fatto che è difficile rimuovere il materiale di scarto, per esempio dalle cavità interne, quando è utilizzato un materiale temprabile. Nel caso di liquidi o polveri (SLA, metodi SLA) ciò è fatto molto più facilmente. L'accuratezza dei modelli ottenuti con il metodo LOM è paragonabile nel piano XY all'accuratezza dei modelli fabbricati per mezzo di altri metodi di RP. Eppure, tale accuratezza diminuisce nel piano Z, che è la direzione in cui si è costruito 57

59 il modello. Questo a causa di spessori irregolari degli strati applicati nel corso della costruzione degli oggetti, di deformazioni della colla e dello schiacciamenti della pila con il rullo durante il processo di creazione. Il metodo LOM, che utilizza lastre di metallo in modo da creare un modello, viene applicato per la produzione di forme per iniezione per materie plastiche, matrici per la carrozzeria, stampi per stampaggi profondi, ecc. L'applicazione di fogli di carta permette di utilizzare questo metodo come un "modellatore di concept", in altre parole, per la produzione di modelli concettuali e per gli strumenti di modellazione di una forma. [2], [5] Fused Deposition Modeling FDM Il metodo Fused Deposition Modeling è stato elaborato dalla società Stratasys. Si tratta di depositare strati successivi di filamenti, di una fibra termoplastica passati attraverso testine termiche. Nel caso in cui la costruzione di un modello da creare richieda un supporto, in ogni strato, oltre al contorno corretto del modello, vi è del materiale per la costruzione di tale sostegno. Tali materiali per la costruzione del modello e del sostegno sono posti in forma di fibra avvolta su di una bobina posta nel retro del dispositivo. In seguito, le fibre sono svolte e passate nella testa; poi, sono scaldate alla temperatura di circa 1 C superiore alla temperatura di fusione del metallo in modo da ottenere uno stato semi-liquido e sono inserite sotto forma di uno strato, che solidifica rapidamente e si combina con il livello precedente, diventando una base per tutti gli strati successivi. Le teste si muovono in piano XY mentre il piano espanso, sul quale si trova il modello, si muove nella direzione dell'asse Z con un valore determinato al termine della creazione di ogni livello [15]. Figura 5.20 Il principio di funzionamento del FDM [16] 58

60 Lo spessore degli strati creati è di 0,005-0,8 mm mentre la larghezza è di 0,3-2,5 mm. Per quanto riguarda la precisione ottenuta nel modello, quest ultima oscilla nel campo ± 0,13 mm. I materiali che vengono più frequentemente utilizzati in questo metodo sono acrilorinite butadiene stirene, in breve ABS, cera per microfusione, metacrilato di metile stirene butadiene acrilorinite, in breve MABS, elastomeri, poliammidi e altre miscele [4]. Dopo che una macchina ha terminato il suo lavoro, un modello acquisisce adeguate proprietà meccaniche e da quel momento, non richiede trattamenti extra per l indurimento. Dovrebbe solo essere disgiunto dal piano di montaggio e rimossi i supporti Metodo di formatura laser delle polveri Questo metodo è diverso da quelli descritti in precedenza. Si tratta di somministrare un adeguato quantitativo di polvere che fonde immediatamente, direttamente su di un modello in costruzione. Un Laser di grande potenza (da alcuni Watt a 20KW), scioglie la polvere dosata sul modello da una testa coassiale al fascio laser. Figura 5.21 Principi di funzionamento del LENS (Laser Engineered Net Shaping) Un raggio laser viene mandato direttamente attraverso il centro di una testa in cui un materiale che viene posto in un obiettivo focalizzato o a valle di una serie di lenti, che portano il metallo già fuso su di un modello da creare. Una tabella (piattaforma), su cui viene costruito il modello, si muove nel piano XY in modo da collocare il materiale su tutta la sezione di un certo livello da creare. Dopo aver finito un livello, viene eseguito uno spostamento della testa di dosaggio nella direzione dell'asse Z con il valore richiesto dallo spessore dello strato successivo. Tali attività sono ripetute fino a quando non sarà completato l'ultimo strato di un modello. Questa polvere è dosata per gravità o sotto pressione grazie ad un gas vettore. L'ambiente di tali gas è usato per la protezione del 59

61 materiale fuso dall'ambiente atmosferico, questo viene fatto al fine di controllare al meglio le proprietà, e di garantire una migliore adesione tra gli strati successivi. Tuttavia, tali gas sono applicati anche nei casi in cui il dosaggio del materiale non li richiede, ma è fatto in modo da garantire migliori proprietà e parametri. Questo metodo offre molte opportunità per quanto riguarda l'applicazione dei materiali. Possono essere usati: acciaio inossidabile, rame, alluminio e anche titanio. La composizione dei materiali può essere alternata in modo continuo e dinamico per i modelli che lo richiedono, e che escludono altri metodi e tecnologie. Il punto di forza di questa tecnologia riguarda la capacità di creare completamente per fusione parti in metallo con buone proprietà metallurgiche e mantenendo stabili i parametri sensibili di un processo di costruzione. I modelli prodotti possono essere considerati come quelli finali, tuttavia, è consigliabile una lavorazione meccanica. Tali modelli hanno una buona struttura granulare e parametri simili o anche migliori dei materiali adeguati. La sinterizzazione laser selettiva (SLS) e simili, sono attualmente gli unici processi commerciali di RP, che possono creare parti in metallo direttamente dalle polveri di metalli. Tuttavia, il metodo di formatura laser in polvere ha una applicazione più limitata rispetto ai metodi SLS e simili, poiché a differenza di alcuni dei metodi della famiglia SLS non richiede attività di post-processo, questo risulta essere il suo principale vantaggio. Può essere applicato sia in costruzione o in riparazione dei dettagli Ink Jet Printing La stampa a getto è un metodo per la produzione di modelli laminati che sono fatti per mezzo di un flusso di gocce balistiche di materiale IJP. Gocce di materiale o di legante sono dispensate da ugelli con una frequenza molto grande. Una macchina progettata per la realizzazione di questo processo consiste di due serie di ugelli piezoelettrici. Uno di questi dosa il materiale necessario per la costruzione del modello, mentre gli altri dosano il legante. E dotata di una piattaforma mobile, lungo l'asse Z, sulla quale è costruito il modello e ha una lampada che emette radiazioni ultra violette che induriscono il legante. Tale processo di costruzione del modello si basa sul mettere uno strato di materiale necessario per costruire qualsiasi modello su tutto il piano della piattaforma. Lo spessore di questo strato è uguale alla quantità che è stata assunta durante l'impostazione dei parametri di lavorazione della macchina. Possiamo avere spessori anche di 16 micron. Quindi, il materiale legante è collocato attraverso gli altri ugelli. Molto spesso si tratta di una resina termotemprabile. Gocce di tale resina sono dosate esattamente nei luoghi che sono necessari per la costruzione della superficie di una sezione 60

62 appartenente ad un certo strato del manufatto. Più tardi, la stessa resina è indurita per mezzo della radiazione UV emessa da una lampada e in questo modo, viene completato il primo strato. Successivamente, la piattaforma si abbassa dello spessore dello strato successivo e gli ugelli pongono un altro strato di materiale e di resina nelle zone appropriate della sua superficie, in modo da costruire un modello. A causa delle radiazioni UV, lo strato successivo è indurito ed è contemporaneamente legato con il livello che era stato precedentemente posato. In questo modo, viene costruito l'intero modello. Il restante materiale che non è stato legato è la base per la costruzione dei supporti del prodotto in fase di costruzione. Figura 5.22 Principi di produzione di manufatti mediante IJP Per mezzo del metodo IJP, sono fabbricati prodotti di plastica, che possono soddisfare i requisiti dei modelli concettuali o funzionali etc. che sono stati progettati [3]. Il metodo IJP può essere applicato anche come tecnologia di Rapid Tooling per la produzione di anime e forme per le colate di metallo (per lo più alluminio). In tali, casi due componenti micro dosati si legheranno sciolti nella massa di stampaggio. Tale massa (simile alla sabbia) viene messa su tutta la superficie della piattaforma. Poi, su di essa, nelle aree assunte a sezione trasversale del prodotto, è posto il legante, su cui è versato la sostanza indurente. Sia il legante che la sostanza indurente sono posti con l'ausilio di ugelli. In questo modo sono creati gli strati successivi al fine di ottenere l'intero prodotto. La modalità di costruzione di un modello usando il metodo IJP è simile al metodo RP descritto in precedenza in cui questo processo è automatico. Possiede anche proprie molteplicità chiamate Ballistic Particle Manufacturing BPM, dove gli ugelli dispensano gocce di materiale fuso posizionandole le une sulle altre, e Model 3D Marker Plotting che è identico al BPM con l'eccezione che gli strati creati di un modello vengono 61

63 fresati per garantire una maggiore precisione e qualità. Il metodo IJP è usato soprattutto come un aiuto per un costruttore o un tecnologo mentre vengono valutate la funzionalità, le tecniche produttive, ecc. di un prodotto in modo da facilitare il processo decisionale sulla base di un modello creato. Il suo principale vantaggio è dato dal fatto che è poco costoso, rapido e facile da usare DP Stampante a 3 dimensioni Questo metodo è stato progettato presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge. Il principio di funzionamento è molto simile al metodo SLS, nel 3DP vi è solo un materiale extra che unisce le polveri da cui viene creato un elemento. Fig Stampante 3DP La stampa spaziale è, in linea di principio, basato sulla costruzione di un prodotto mediante l'aggiunta di strati successivi di materiale. Per implementare questo metodo è usata una macchina, la cui costruzione contiene un gruppo di ugelli di stampa modificati simili a quelli usati nelle stampanti a getto d'inchiostro. Questi getti (ugelli) sono collegati ad un carrello mobile che si muove rispetto agli assi XY, e sono collegati ad un contenitore in cui viene conservato il carburante. Inoltre, la costruzione contiene due piattaforme mobili poste in camere. Una camera è utilizzata per la costruzione del modello, mentre nell'altra è conservato sotto forma di polvere, il materiale da costruzione per il modello. Un rullo mobile è utilizzato per spostare il materiale da costruzione dalla piattaforma della camera di stoccaggio verso la piattaforma della camera di costruzione. La 62

64 costruzione del modello consiste nello stampare il materiale legante sugli strati del materiale da costruzione. Alla fase iniziale di costruzione di un prodotto, la piattaforma della camera di stoccaggio del materiale di costruzione è spostata verso il basso, e la piattaforma utilizzata per la costruzione del modello è spostata verso l'alto. Nel corso della costruzione del prodotto, le posizioni delle piattaforme cambieranno. Durante la costruzione, il rullo mobile fornisce il materiale di costruzione in polvere sulla superficie della piattaforma distribuendolo per uno spessore adeguato e livellandone la sua superficie. Successivamente, gli ugelli di stampa tracciano uno strato di liquido legante sullo strato di polvere ordinato. Il materiale legante è dosato esattamente in quei luoghi, che corrispondono alla forma della sezione trasversale di un dato livello del prodotto. A condizione che il legante sia unito al materiale di costruzione si ottiene il primo strato del prodotto. La polvere sconnessa crea la costruzione di supporto, che è una grande comodità, perché non c'è bisogno di costruire supporti artificiali. Inoltre, la piattaforma della camera su cui è costruito il prodotto è abbassata di un quantità corrispondente allo spessore dello strato successivo e la piattaforma della camera di stoccaggio del materiale sale, consentendo il dosaggio di un altra "porzione" di polvere. Il rullo mobile sparge e livella la polvere sulla superficie creata dagli strati precedenti. Nella fase successiva, i getti di stampa fornirànno materiale legante in tutti le aree necessarie. Come risultato dell unione della polvere con il legante, viene creato un altro livello, e contemporaneamente il legante provoca la fusione del nuovo livello di polveri legate con lo strato già creato. In modo simile, le seguenti fasi di costruzione del modello sono realizzate fino a quando l intero prodotto è ottenuto. Il processo viene eseguito automaticamente. Fig Principi del metodo di stampa 3D [13] Dopo aver completato la costruzione di un prodotto, la polvere che non è stata legata viene rimossa molto facilmente, per esempio soffiando aria compressa. Dopo aver prodotto le parti e indurito il legante, si ottiene un 63

65 prodotto in una cosiddetta forma verde. Tale prodotto è forato e le parti del materiale principale sono collegate tra loro da piccoli ponti di legante. Questo prodotto è fragile ed è per questo che è oggetto di lavorazioni di finitura. Tale lavorazione può essere effettuata in vari modi. Così, molto spesso i manufatti sono infiltrati. Si tratta di impregnare un oggetto con materiali appropriati, come ad esempio: poliuretani, polistiroli, cera, resine epossidiche, collante cianoacrilico, ecc in modo da riempire i buchi e rafforzare i collegamenti SGC -Solid Ground Curing method Il metodo SGC Solid Ground Curing è stato inventato da un azienda israeliana - cubital Ltd. E simile al metodo della stereolitografia, tuttavia, esistono tra di loro alcune differenze. Un modello è realizzato con una resina termo-temprabile o foto-polimero, ma non è più un laser la fonte di sinterizzazione bensì si tratta di una lampada ultravioletta. Un'altra differenza riguarda il fatto che un livello è creato attraverso l'irradiazione di un piano di vetro creato in precedenza appartenente al profilo di particolare livello. Questo piano è fatto sulla base di un negativo di uno strato di una sezione trasversale, in altre parole, il pannello è trasparente e permette il passaggio della radiazione UV nelle zone di indurimento, mentre la rimanente superficie del pannello non è trasparente. Fig Il principio di funzionamento del SGC L'attività principale concernente l'applicazione del pannello è circa la possibilità di creare maschere di uso multiplo. Un contenitore con un modello si muove non solo in senso verticale, al fine di creare un altro livello, ma anche in senso orizzontale, in quanto è necessario per la 64

66 realizzazione delle successive fasi di modellazione in particolari stazioni del dispositivo SGC. Dopo la costruzione di un altro livello, la resina viene raccolta, lo spazio vuoto creato è riempito da cera, che permette di creare forme complesse senza la necessità di progettare supporti aggiuntivi. La cera è indurita da un piano di metallo, ogni strato indurito di recente è livellato mediante fresatura. Poi un altro strato di resina viene messo su tale superficie livellata [1]. Processo: Un computer analizza i file CAD e presenta un oggetto come una pila di "fette". L'immagine di una fetta attiva è "stampata" su foto-maschera di vetro con un processo elettrostatico simile alla stampa laser. Una parte della "fetta" che rappresenta il materiale rimane trasparente. Un sottile strato di polimero foto-attivo è posto e distribuito uniformemente sulla superficie di lavoro. La luce ultravioletta è diretto dalla foto-maschera su uno strato appena disteso di un polimero liquido. La resina irradiata (adatto per il materiale solido della sezione appartenente all oggetto) polimerizza e si indurisce. La resina liquida inutilizzata viene aspirata. La cera liquida viene stesa sopra l'area di lavoro, riempiendo i buchi che sono stati precedentemente occupati dalla resina liquida non irradiata. Un piano freddo indurisce la cera. L'intero livello, cera e polimero sono adesso una figura solida. Il livello è lavorato fino a raggiungere lo spessore desiderato. Il processo viene ripetuto per gli strati successivi, e ogni strato è incollato al precedente fino a quando l intero oggetto non viene completato. La cera viene rimossa mediante fusione o un bagno rivelando il prototipo finale. (In alternativa, può essere lasciata fino a quando viene trasportato e protetto). Il metodo Solid Ground Curing è più efficiente rispetto ad altri metodi basati su polimeri fotosensibili. Ogni forma geometrica può essere creata con qualsiasi orientamento. Gli elementi possono essere prodotti durante la notte o in batch e non richiedono una tempra supplementare dopo l uscita dalla macchina. L uso della cera implica che non vi è alcuna necessità di generare i supporti per gli sbalzi. Inoltre, una sessione di lavoro può essere fermata, ad esempio, in modo da produrre un progetto diverso o rimuovere gli strati difettosi. 65

67 6. Ingegnerizzazione inversa 6.1. Introduzione L ingegnerizzazione inversa (IR) è una tecnologia che permette di scoprire le regole di costruzione di un oggetto già esistente. E 'utilizzata per individuare le ipotesi secondo le quali l'oggetto è stato progettato e realizzato. Nell'industria manifatturiera, di solito, comporta la ricostruzione della geometria di un prodotto, il principio di funzionamento e, talvolta, anche i materiali che sono stati utilizzati per crearlo. L ingegnerizzazione inversa è nota anche in altri ambiti, ad esempio, in informatica, dove significa analizzare un programma già esistente, al fine di comprenderne il funzionamento e / o ripristinare il suo codice sorgente [20]. A differenza della tradizionale interpretazione in ingegneria, il punto di partenza per l IR è un prodotto esistente, che può essere lasciato senza alcuna documentazione costruttiva e tecnologica, specifica del materiale, ecc, ed è il compito dell ingegnerizzazione inversa di recuperare tali informazioni. In un certo numero di casi IR viene applicata anche come un supplemento per il processo tradizionale di sviluppo prodotto. Si tratta di situazioni in cui l'innovazione del design non è l'obiettivo principale, e il prodotto in fase di sviluppo è basato su una soluzione esistente e verificata (a volte sviluppata da una società competitiva). L ingegnerizzazione inversa è più comunemente associata con la digitalizzazione della geometria di oggetti fisici. Il suo risultato è un modello digitale che costituisce la base per ulteriori lavori di progettazione, l'analisi del computer (ad esempio utilizzando il metodo degli elementi finiti) o di confronto tra il modello fisico e un computer. Ottenere la forma digitale di un modello permette anche l'uso diretto dei dati in misura sempre più ampia delle tecnologie di produzione, come ad esempio di computer su macchine a controllo numerico, di produzione, usando metodi basati su tecnologie come Prototipazione Rapida, Strumentazione rapida, Produzione rapida. L ingegnerizzazione inversa è sempre applicabile quando è richiesto un modello al computer di un oggetto fisico. Le sue aree di applicazione includono: industria delle costruzioni di macchine, in particolare automobilistco (stampi, controllo qualità, ripristinando la documentazione, ecc) industria dell inscatolamento (prodotti che hanno diversi, spesso atipici, forme, stili) 66

68 industria alimentare (ad esempio la progettazione di forme per il cioccolato e caramelle) incisione di medaglie e numismatica (monete e ricostruzione di forme delle medaglie) calzature (digitalizzazione di modelli e strumenti) industria di gioielli e souvenir (ad esempio, miniature di oggetti naturali) medicina (ricostruzione di oggetti interni anatomici, progettazione impianti) industria del giocattolo (forme di produzione basate su progetti artistici) storia dell'arte (l'archiviazione e la realizzazione di copie di oggetti - sculture, edifici, ecc) sviluppo di nuovi prodotti utilizzando tecnologie come la prototipazione rapida [20] Aree di applicazione dell ingegnerizzazione inversa Il processo di ripristino della geometria degli oggetti è molto conosciuto nel settore manifatturiero. Essa trova applicazione nei seguenti settori: l'introduzione di rettifiche per prototipi o elementi già prodotti, lo sviluppo di processi di produzione sulla base di un prodotto unico, controllo di qualità dei processi di fabbricazione del prodotto, recupero o generazione della documentazione per un determinato prodotto. Per avere successo sul mercato molti prodotti in via di sviluppo devono avere un design accattivante, a parte le loro caratteristiche tecniche. Prima di avvicinarsi al lavoro di progettazione, una ricerca di marketing è condotta per determinare un insieme di caratteristiche funzionali necessarie a impostare la progettazione preliminare del prodotto. E preoccupazione degli stilisti a prendersi cura del design esterno in modo più dettagliato come prepare il modello in argilla, gesso o di legno. I passi successivi sono la digitalizzazione (fig. 6.1), la creazione di documentazione tecnica e avviamento della produzione del progetto. Fig. 6.1 Digitalizzazione di un modello concettuale di veicolo [9] 67

69 Un altro compito dell ingegnerizzazione inversa,in materia di sviluppo di nuovi prodotti, è l'introduzione di modifiche nella documentazione tecnica. Quando il primo prototipo di un nuovo prodotto viene creato sulla base di un modello di computer, spesso accade che sia necessario effettuare varie prove. Come il loro risultato, i cambiamenti (di solito manuale) sono fatti per il prototipo e dopo diverse iterazioni di questo tipo, si verifica una notevole discrepanza tra la geometria del prototipo fisico e il modello di computer su cui ci si è basati. Quindi, diventa necessario utilizzare la digitalizzazione al fine di proseguire l'attuazione di lavori ottenuti utilizzando un modello 3D. Non è sufficiente in molti casi l attraente look e la funzionalità dei prodotti. Spesso è necessario prendere in considerazione l'ergonomia, che è affrontato in tutte le situazioni, dove i disegni devono essere adeguati per l'anatomia umana. Tale esigenza nasce soprattutto dalla comodità e sicurezza d'uso, ed è particolarmente importante per quanto riguarda i prodotti che gli esseri umani con cui hanno un contatto fisico diretto. Un esempio di un prodotto personalizzato può essere una morsa di una racchetta da tennis di cui alla tavola 6.2. E 'stata progettata sulla base di una impronta precedentemente digitalizzata in un materiale plastico. Successivamente, dal modello, è stato creato un modello stereolitografico e un prodotto ready-made è stato fabbricato con la tecnologia di colata sotto vuoto. Fig. 6.2 Manico di racchetta da tennis 68

70 La produzione di questo tipo di prodotti è spesso regolato da norme appropriate che devono essere soddisfatte da un determinato prodotto. Allo stesso tempo, una corretta progettazione di un prodotto, considerando sia la forma ergonomica della superficie e la sua estetica, è la chiave del successo nelle vendite. La grande maggioranza dei produttori di alta gamma hanno specifiche aree di disegno impiegando specialisti di vari settori, tra cui ergonomia. Il loro compito è quello di progettare soluzioni migliori, più comode e più facili da usare rispetto ai prodotti della concorrenza. Fino a poco tempo, il problema principale era quello di trasferire le forme naturali, derivanti dall anatomia umana, ad un sistema informatico in cui è stato creato un progetto. In questo settore, una svolta arrivò con l'emergere dell ottica scanner 3D. Questa ha permesso un grande aumento nella velocità di digitalizzazione, rispetto a metodi con contatto, e soprattutto, di aumentare la precisione delle forme di trasferimento nei formati CAD (per il valore dell'ordine di 0.1 mm). In pochi anni, non sarà più un problema ordinare un prodotto adeguato per la forma del corpo umano, ad esempio, un casco delle moto progettata sulla forma della testa del proprietario. I dati ottenuti dalla digitalizzazione saranno combinati con il modello del prodotto, e quindi una pronta documentazione sarà trasmessa alla struttura di produzione, che consegna il prodotto personalizzato al cliente dopo pochi giorni. La produzione di imballaggi la cui forma dovrebbe essere adeguata per l'oggetto è un problema simile (fig. 6.3). In caso di nuovi prodotti, che hanno i loro modelli di computer, la creazione di un tale imballaggio non causa alcun problema. E' diverso con gli oggetti senza tale documentazione i modelli di computer devono poi essere creati utilizzando sistemi di ingegnerizzazione inversa. Una tale attività è a volte necessaria anche se potenzialmente molto costosa. Si tratta soprattutto di oggetti preziosi (ad esempio, manufatti del museo), che dovrebbe essere adeguatamente protetti da possibili danni durante la loro manipolazione. 69

71 Fig. 6.2 Imballaggio la cui forma ricopre l oggetto Le tecniche di ingegnerizzazione inversa sono sempre più ampiamente usate nel settore, non solo come strumenti per la progettazione e sviluppo dei prodotti, ma anche come sistemi per il controllo della produzione. Esse consentono una misurazione e un controllo veloce di ogni prodotto. Tale esame dura da pochi secondi a, tutt al più, una dozzina e prevede la digitalizzazione della superficie parziale o completa del prodotto e confrontando i risultati ottenuti con il modello di computer. (Fig. 6.4). Fig. 6.3 Modello fisico e risultato della comparazione al computer 6.3. Metodi di digitalizzazione Le tecniche di acquisizione dati sulla geometria 3D si differenziano per il metodo di misurazione e di tanto in tanto nel tipo di dati ottenuti in seguito all'applicazione di un determinato metodo. Tenendo conto del livello di automazione, le misure possono verificarsi in manuale, 70

72 modi semi-automatico o automatico. La modalità manuale, che richiede all'utente di controllare il dispositivo di misurazione, viene utilizzata per leggere le dimensioni di modelli con una geometria relativamente semplice, più comunemente prismatica, il cui modello può essere creato da un essere umano in un sistema CAD. In modalità semi-automatica, si memorizza un dispositivo di misura della geometria dell'oggetto esaminato e che è stato selezionato dall'utente, che richiede la definizione preliminare delle aree di misurazione. Nel caso di misurazione della superficie dell intero oggetto, può essere richiesto di eseguire la scansione in più strati, eseguita connettendo singoli frammenti della superficie acquisita a formare uno unico modello digitale. Tuttavia, in modo automatico, la geometria dell'oggetto tutta esaminata può essere acquisita senza la necessità di intervento manuale nel processo di digitalizzazione da parte dell'utente, i dati di output rifletteranno il modello completo tridimensionale dell'oggetto in esame. A seconda dello stato dell'oggetto esaminato dopo il processo di digitalizzazione, i metodi di misurazione sono classificati in distruttive e non distruttive, e per quanto riguarda il tipo di interazione reciproca tra il dispositivo di misura e l'oggetto, si dividono in contatto (meccanico) e senza contatto: i metodi non di contatto possono essere ottici (utilizzando la luce visibile, laser) o non ottici (raggi X, radiazioni elettromagnetiche, ultrasuoni). Alcuni metodi (evidenziati nella fig. 6.5) consentono di esaminare la struttura interna dell'oggetto. Geometry digitalization methods Non-destructive Destructive Contact Non-contact Non-optical Optical X-ray Electromagnetic radiation Ultrasounds Laser White light Interferometery Fig. 6.4 Schematizzazioni dei più popolari metodi di digitalizzazione (I metodi evidenziati consentono di esaminare la struttura interna degli oggetti) 71

73 Metodi di digitalizzazione mediante contatto Lettore mediante contatto La varietà di oggetti, che sono oggetto di digitalizzazione, richiede la massima flessibilità possibile dei sistemi di misurazione. Le macchine tipiche a rilevazione di coordinate consentono una misurazione precisa di parti con una geometria relativamente semplice. Sulla base dei risultati ottenuti, un utente può costruire il modello in un sistema CAD. Questa procedura non riesce, nel caso di oggetti complessi con superficie a forma libera e che richiedono un numero enorme di punti di misura. La scansione mediante contatto è un metodo semplice di acquisizione automatica di un gran numero di punti di misura realizzato con scanner di contatto (fig. 6.6). Si tratta di realizzare un contatto con la superficie di un oggetto e misurare la forza che agisce sulla sonda di misurazione. Nel corso di tale processo di scansione, l'unità di controllo del dispositivo assicura una forza costante della sonda, rileva le sue deviazioni e fornisce un immediata compensazione. I convertitori elettronici ad alta risoluzione registrano la posizione della sonda in modo continuo e inviano i dati al computer [23]. Fig. 6.5 Scanner con contatto Gli scanner combinano la facilità d'uso e la velocità delle misurazioni a contatto le quali vengono realizzate da CMM con la funzionalità di scansione continua e lavorano con i due metodi. Inoltre, alcuni scanner di contatto sono inoltre dotati di un laser a testa per una maggiore velocità di scansione continua e consentono la digitalizzazione di oggetti realizzati in materiali flessibili (impossibilità di eseguire la scansione con metodi di contatto). Gli scanner possono fare le misurazioni delle superfici in vari modi, a partire da semplici misure geometriche (lunghezza, diametro, angolo, ecc) 72

74 attraverso la scansione 2D su una superficie scelta, fino a scansione 3D realizzato in diversi modi (lungo l'asse X, lungo l'asse Y, in qualsiasi angolo o radiale). E 'anche possibile effettuare la digitalizzazione in una modalità manuale che si basa sulla conduzione della sonda manualmente attraverso la superficie di un oggetto. Bracci di misurazione Fig. 6.6 Bracci di misura [18] Un braccio di misura è costituito da una base, collegata da barre di vari snodi e una testa e si conclude con una sonda di misurazione. Ognuno è dotato di cuscinetti di precisione, che garantiscono la sua rotazione lungo l'asse, e contiene un sensore ottico di misura del suo angolo di rotazione. Il braccio è fatto di metallo rigido con il più basso coefficiente di dilatazione lineare possibile. Possono essere determinati gli angoli di rotazione in tutte le articolazioni e le lunghezze di tutti gli elementi, le coordinate di ogni punto mediante la portata del dispositivo. Un unico punto di misura è effettuata mediante il contatto con la superficie dell'oggetto con la punta della sonda, e confermando la misura con un pulsante posto sulla testa di 73

75 misura. Secondo tale principio, sono possibili le misurazioni di diametri, angoli, distanze di elementi geometrici. Alcune soluzioni consentono la registrazione continua dei punti di misura al momento del contatto tra la sonda e l'oggetto, e l'integrazione del braccio con una scansione laser. Il vantaggio principale della misurazione mediante bracci, a parte un prezzo relativamente basso rispetto ad altri sistemi, è la loro mobilità. Possono essere utilizzati in tutti quei casi in cui il trasporto dell'oggetto al laboratorio di misura sarebbe impossibile. Essi fanno anche parte degli impianti di produzione di linea, utilizzati per lo svolgimento di controlli istantanei sulle dimensioni dei pezzi prodotti. Il dispositivo può essere montato su un treppiede o in maniera tale da ricopre la superficie dell'oggetto da misurare Metodi basati su punti ottici Tali metodi sono necessari ogni volta che si ottiene solo un punto di misura in ogni ciclo. Al fine di aumentare la funzionalità dei dispositivi che operano su tale principio, essi sono dotati di un circuito aggiuntivo ottico che permette di ottenere un numero maggiore di dati in una singola misura (linea o griglia). E',più di frequente,fornito di uno specchio rotante capace di spazzare la superficie esaminata con un raggio laser senza movimento aggiuntivo di tutto il sistema. Tale soluzione, tuttavia, aumenta la complessità e quindi le dimensioni del dispositivo. Metodo di misurazione della distanza Questo metodo fa uso della misura del tempo, al fine di determinare la distanza della testa dello scanner da un oggetto. Gli impulsi laser vengono inviati dallo scanner nella direzione di un oggetto non trasparente ed è così misurato il tempo, durante il quale si spostano verso l'oggetto e - dopo essersi riflessi sulla sua superficie - tornano allo scanner. 74

76 Fig. 6.7 Misurazione basata sul principio del tempo di volo [27] Il principale vantaggio di questo metodo è il fatto che la precisione della misurazione è costante, indipendentemente dalla distanza di un oggetto dallo scanner, ma è dipendente dal sistema di rilevamento del tempo di misura. Esso consente l'utilizzo di apparecchiature di misura degli oggetti da grandi distanze, ad esempio, edifici o ponti, però aumenta considerevolmente il tempo necessario per la registrazione di un singolo punto in un caso del genere [21]. La funzionalità di scanner basati su questo metodo di misurazione può essere aumentata mediante uno specchio mobile, poi però è indispensabile conoscere la posizione attuale di tale specchio per determinare le coordinate dei punti successivamente registrati. Attualmente i dispositivi di questo tipo non sono utilizzati per le misure veloci, soprattutto nel caso di oggetti di piccole e medie dimensioni. Laser Radar I radar laser (LIDAR - Light Detection And Ranging), utilizzano anche un metodo indiretto di misurazioni a distanza. L'applicazione di un raggio laser modulato, dopo opportuna taratura, permette di misurare una distanza sulla base della variazione di fase. 75

77 Fig. 6.8 Laser radar [27] Fig. 6.9 Variazione di fase usando I LIDAR [27] I dispositivi basati su questo principio permettono una misura notevolmente più veloce e sono capaci di una continua acquisizione dati, che in questo caso potrebbe essere soggetta a errori. Laser basato su puntamento triangolare La triangolazione laser è una delle tecniche più comuni di immagini 3D di acquisizione dati. Esso utilizza una fonte concentrata di luce e una 76

78 videocamera, al fine di misurare la distanza da un oggetto. La Fig illustra questo principio di misurazione. Fig Triangolazione laser [19] Il raggio laser viene deflesso da uno specchio in direzione di un oggetto da acquisire. La luce laser viene poi dispersa su tutta la superficie dell'oggetto e registrata con la videocamera ad una data distanza dal laser (la distanza triangolazione). La lente e rilevatori CCD applicati in questo dispositivo sono piatti in modo che l'angolo β e della posizione dei pixel della luce dispersa sono interdipendenti. Se la lunghezza focale dell'obiettivo della fotocamera è noto, l'analisi delle immagini video consente di determinare l'incidenza angolo β della luce dispersa. Inoltre, conoscendo il valore del angolo, che deriva dalla posizione corrente dello specchio rotante, è possibile trovare le coordinate di un punto nello spazio usando la trigonometria semplice [21]. Gli scanner che si avvalgono di questo metodo di misurazione sono progettati per effettuare misure di portata modesta, in quanto la loro accuratezza diminuisce con una maggiore distanza dell oggetto dal dispositivo Metodi ottici lineari Gli scanner con metodi lineari di digitalizzazione consentono di eseguire una singola serie di misurazioni effettuate in forma di linee sulla superficie di un oggetto da acquisire. Se la misura delle coordinate dei punti avviene simultaneamente, questo metodo sembra essere molto più veloce rispetto al metodo in cui vengono registrati i punti separati. 77

79 Triangolazione con laser lineare La triangolazione laser può essere facilmente estesa alla triangolazione lineare, che permette la misurazione simultanea di tutta la linea di punti sulla superficie di un oggetto. E 'effettuata utilizzando un laser che genera una linea invece di un punto sulla superficie di un oggetto e un rilevatore, sotto forma di una matrice bidimensionale di sensori. Di solito, è una fotocamera CCD standard, in cui le righe di sensori, il rivelatore, sono incaricate di misurare i punti successivi lungo la linea. Fig Triangolazione basata su laser lineare [27] Una simile situazione, come nel caso della triangolazione mediante laser punto, si verifica nel metodo lineare e si manifesta nel problema di occlusione. Per superarla, l'angolo tra la fotocamera e un generatore può essere ridotto o possono essere applicate due fonti di luce. Un altro modo riguarda l'applicazione di una fotocamera supplementare la quale, però, richiede la determinazione della loro posizione in relazione alla situazione. Così, l'angolo di triangolazione non è mai uguale a zero perché c'è sempre la probabilità di occlusione Metodi basati sulla zona ottica I metodi di Area sono i modi più efficienti di misurare le superfici, ma sono molto più complicati e di solito richiedono molte "esposizioni" di un oggetto digitalizzato. Fotogrammetria La fotogrammetria è uno dei metodi basati sulla triangolazione. Rende più di quanto consentito dalla registrazione nello stesso punto in varie foto scattate da posizioni diverse. Se le linee perpendicolari sono tratte da punti corrispondenti a vicenda, allora, il punto in questione si trova sulla loro intersezione (Fig. 6.13). 78

80 Fig Fotogrammetria [27] L'applicazione di questo metodo richiede l acquisizione di diverse foto della stessa scena da varie posizioni. Esso può essere realizzato da una singola telecamera in movimento o l'utilizzo di telecamere diverse, però solo se il sistema permette misurazioni simultanee. Inoltre, è anche possibile utilizzare una telecamera fissa dotata di una lente obiettivo di una lunghezza focale variabile. La modifica della lunghezza focale equivale a spostare la fotocamera lungo l'asse ottico, il che permette le triangolazioni. Uno degli svantaggi essenziali della fotogrammetria è la necessità di ricerca di punti di corrispondenza tra loro in varie foto. La fotogrammetria tradizionale richiede di indicare i punti manualmente da parte di un utente, il che è più facile se viene eseguita la scansione di una superficie come una tessitura. Il modo migliore per affrontare questa difficoltà è quella di utilizzare l'illuminazione strutturale sotto forma di un pattern. Profilometria La triangolazione può essere utilizzata anche per misure di superfici con l'utilizzo di una linea laser in movimento (una modifica della triangolazione laser lineare) o di una proiezione simultanea di molte linee. Un pattern generato è proiettato sulla superficie da un proiettore e osservato a un certo angolo da una telecamera. Con l'utilizzo di un'immagine è possibile determinare la posizione di ciascun punto di riferimento, o registrare le foto riprese con il pattern proiettato leggermente spostato. Di solito, il processo di scansione della superficie dura diversi secondi, quindi è necessario immobilizzare un oggetto quando viene misurato. 79

81 Fig Profilometria [27] Scansione distruttiva Uno dei modi di digitalizzazione, che permette di riconoscere una struttura interna di un oggetto, è scansione distruttiva. E' il metodo più semplice e non richiede alcuna costosa attrezzatura specialistica, come avviene nel caso di digitalizzazione medicale. Tuttavia, è applicato soltanto quando ci si può permettere la perdita di un oggetto in esame. La scansione si basa su un taglio ciclico di un sottile strato di un oggetto e sulle foto di una superficie esposta. Lo spessore dello strato è selezionato in precedenza, in modo da ottenere la precisione soddisfacente. Un modello tridimensionale di un oggetto è creato sulla base di una serie di foto che presentano gli strati successivi di una sezione trasversale, che in realtà è simile alle tecniche di digitalizzazione medicale. Prima di effettuare la scansione, un oggetto viene ricoperto da una resina temprabile che lo protegge da eventuali danni durante la lavorazione e garantisce un contrasto appropriato per le fotografie scattate. Una resina scura viene applicata su oggetti di colori brillanti e viceversa. Al fine di garantire la correttezza dei dati che vengono ottenuti la resina deve aderire strettamente a un oggetto e deve riempire tutti i fori [26], successivamente l oggetto è posto in una camera a vuoto, al fine di rimuovere il aria [22]. 80

82 Fig Lo schema del processo di scansione distruttiva [15] Fig Dispositivo di misura per la scansione distruttiva [15] 6.4. Apparecchiature e software Il processo di ricostruzione 3D della geometria può essere diviso in due fasi fondamentali: la digitalizzazione e di elaborazione dei dati. Al fine di realizzare la prima fase, le attrezzature devono essere appropriate, in modo da consentire di registrare le informazioni relative alla forma della superficie dell'oggetto. Gli scanner ottici e di contatto sono i dispositivi più frequentemente utilizzati. Non molto tempo fa le macchine di misura a coordinate erano l'unica fonte di dati precisi per la ricostruzione 3D dell'oggetto. Esse forniscono informazioni sulle dimensioni di base di oggetti, il che consente loro di modellare da zero in sistemi CAD. La 81

83 costruzione e il principio di funzionamento delle macchine di misura a coordinate non consentono la digitalizzazione rapida di grandi superfici senza vincoli. Gli scanner a contatto fanno fronte a tali compiti molto più facilmente a causa della loro costruzione, che è simile alle macchine di misura; tuttavia, l'utilizzo di azionamenti degli assi più veloci e di specifici software consentono la scansione in continuo ad alta velocità. Il loro principio di funzionamento è basato sulla conduzione della sonda lungo la superficie di un oggetto e sulla registrazione delle coordinate dei punti successivi, che sono distanti da un intervallo predefinito. In questo modo si crea un'immagine digitale della superficie dell'oggetto, sotto forma di una nuvola di punti. La scansione con contatto ha uno svantaggio principale, che è l'incapacità di digitalizzare oggetti realizzati in materiali morbidi, ad esempio, gomma. E' necessario in questa situazione applicare la scansione ottica, che comprende la tecnica di scansione laser. Questo metodo si basa sulla fusione di un fascio laser su un oggetto. Quando il fascio cade sull'oggetto, si riflette ed è registrato dal dispositivo. Il software del dispositivo, è in grado di misurare la distanza di un punto dallo scanner e le sue coordinate nello spazio. Questa tecnica può essere applicata sia per i piccoli oggetti (triangolazione laser) ed oggetti di grandi dimensioni (radar laser), quali edifici e aree circostanti. Molto spesso un oggetto o uno scanner sono posti su una base rotante, che permette una digitalizzazione automatica dell'intero oggetto o della sua periferia. Spesso nei dispositivi per la digitalizzazione, il metodo di scansione laser per punto (triangolazione laser) viene esteso al metodo lineare, in cui in un ciclo si ha l'informazione su una serie di punti che giacciono su una linea della superficie di un oggetto. Tale soluzione consente la scansione più veloce e può essere utilizzata per scanner azionati a mano. In questo caso, il principio relativo alla stessa misura rimane invariato, eppure vi è la necessità di misurare la posizione della testa di scansione. Molto spesso uno scanner portatile è montato su un braccio di misura, il che consente di determinare con precisione le coordinate attuali della testa. La soluzione più efficiente, per quanto riguarda il tempo di scansione, è una digitalizzazione simultanea della intera superficie disponibile di un oggetto, che è possibile con dispositivi che usano la luce strutturale. Di solito, un proiettore proietta la luce bianca sulla superficie di un oggetto, il quale è adombrato e nel modello si genera una serie di strisce parallele. Un oggetto illuminato in questo modo è osservato da una telecamera CCD e permette di calcolare le coordinate di molti punti per l'intera superficie osservata mediante l'analisi di distorsione delle strisce parallele. La scansione di una singola esposizione di solito dura alcuni secondi in un 82

84 dispositivo di questo tipo. Indipendentemente dal materiale richiesto, i dati ottenuti dallo scanner (ad esempio la nuvola di punti) richiedono una ulteriore elaborazione. Ciò è possibile con un software speciale che legge i dati di misura, fonde il set di dati, permette di correggerli e li converte in forma di modelli di superfici (maglia triangolare). Un modello in forma di una maglia di triangoli può allora essere pubblicato (ad esempio con un piano di taglio, levigatura della superficie, ecc) e salvate in formato STL. Anche se tale forma di dati consente la loro visualizzazione o addirittura la costruzione di un prototipo fisico, non è disponibile per l'ulteriore elaborazione in sistemi CAD. Pertanto, la funzione dei programmi per l ingegnerizzazione inversa è la modifica dei modelli da una mesh triangolare in superfici NURBS (non vincolati a superfici), che approssima un oggetto scansionato. I dati di questo tipo vengono importati in sistemi CAD / CAM e consentono di creare una superficie solida o anche un modello, e consentono cambiamenti nella geometria desiderata in ulteriori lavori di sviluppo Digitalizzazione della geometria Fasi di digitalizzazione Il processo di digitalizzazione 3D di geometrie può essere suddiviso in quattro fasi successive (Fig. 6.17): Process planning Data acquisition Data processing CAD model creation Fig Fasi della digitalizzazione Il primo passo nella digitalizzazione 3D riguarda il processo di pianificazione, il cui compito è quello di selezionare le apparecchiature di misurazione, il modo di misura e la forma dei dati di output, elaborare le strategie di misurazione, nonché impostare i parametri di digitalizzazione. L'acquisizione dei dati, che si basa su una corretta applicazione dei dispositivi di input al fine di ottenere informazioni sulla geometria di un oggetto, è un'altra fase. Di solito, i dati di output sono ottenuti in questo modo, sono in forma di un insieme di coordinate x, y, z dei punti che 83

85 giacciono sulla superficie di un oggetto e che si riferiscono ad un sistema di coordinate locali. Inoltre questi punti possono essere ordinati. La terza fase è basata sull'applicazione di software per computer, con l'aiuto dei quali è possibile leggere i dati di misurazione in forma di una nuvola di punti e la cui lavorazione si basa soprattutto sui dati di correzione e conversione fino a una forma superficiale (una rete di triangoli). Tale rappresentazione di un oggetto permette sia la visualizzazione (realtà virtuale), nonché la generazione di programmi di elaborazione su macchine utensili a controllo numerico. E' anche possibile costruire un modello fisico mediante tecnologie introdotte in questa fase (Prototipazione, strumentazione, produzione rapide). Tali applicazioni a volte richiedono interventi di modifiche di base che permettono attività quali: scala di un modello, il taglio con un piano selezionato o la levigatura della superficie. Un modello in forma di una maglia triangolare può essere esportato (formato STL) dai sistemi di analisi numerica e software CAD / CAM; tuttavia i dati nel presente modulo comprendono troppe informazioni, il che impedisce la manipolazione di un modello e rallenta i calcoli. Anche la maggior parte dei sistemi CAD, che consentono di importare ed esportare i modelli in formato STL, non prevedono la possibilità di fare ulteriori revisioni. Poi, è necessario modificare un modello, che è in forma di triangoli, in superfici NURBS (superfici non vincolate), che approssimano la forma di un oggetto da acquisire. I dati di questo tipo vengono importati in sistemi CAD / CAM e consentono la creazione di un oggetto solido e introducono le modifiche desiderate nella sua geometria Pianificazione del processo di digitalizzazione La pianificazione è una fase di grande importanza nel processo di digitalizzazione e influenza considerevolmente il suo corso così come l'effetto finale.essa riguarda i seguenti punti: la scelta di un metodo e un dispositivo di misura, pianificazione delle strategie di misura, determinare la forma dei dati di output. Di solito, le attività di digitalizzazione possono essere effettuate con l'aiuto di diversi tipi di dispositivi, tuttavia, a parte l'aspetto dell'accessibilità all attrezzatura, ci sono un paio di fattori che influenzano la scelta di un metodo di misura adeguato. Si tratta principalmente della precisione richiesta e il tempo di misura, ma succede anche che il tipo di oggetto, in particolare le sue dimensioni, sono di grande importanza. E 'fondamentale nel caso di apparecchi che hanno uno spazio di lavoro limitato. Tuttavia, la metà di questi dispositivi permette di cambiare la loro posizione in 84

86 relazione all oggetto da digitalizzare, e permette anche successive scansioni successive in un modello completo, il che è comunque connesso alla perdita di precisione. Per i dispositivi che utilizzano la luce laser, è essenziale che la superficie in esame abbia corrette proprietà ottiche (ad esempio, non-trasparenza), il che è rilevante anche mentre si utilizza un dispositivo con una sonda a contatto: in altre parole, è importante che la superficie sia ad esempio non troppo flessibile. Tuttavia, nei caso tipici di digitalizzazione, due fattori principali sono in conflitto tra loro - velocità e precisione. Nella fig vi è un confronto tra i diversi dispositivi di scansione di questo tipo, con la ricostruzione di oggetti tipici che variano da pochi a molti centimetri. Fig Comparazione delle caratteristiche di vari dispositive di scansione [2] La precisione è strettamente connessa con il metodo di misurazione applicato e si riferisce solo ai dati di uscita dello scanner, che sono un insieme di punti nello spazio. Una nuvola di punti che descrivono la geometria di un oggetto è quindi soggetta a trasformazione in un modello 3D, il che comporta la somministrazione di altri errori. Dovrebbe essere chiaro che, nonostante l'applicazione di attrezzature accurate, la precisione di un modello non è mai uguale alla precisione di un dispositivo. È difficile stimare il suo valore e pertanto, nel caso in cui tali informazioni siano vitali, dovrebbe essere effettuata un digitalizzazione di prova di un oggetto, le cui dimensioni siano note e dovrebbe essere valutata dopo la conversione in un modello CAD. Il tempo è un fattore di conflitto con la precisione, tuttavia, in alcune situazioni, è di grande importanza. Sembra così nei casi di scansione degli oggetti che possono muoversi durante la digitalizzazione, come ad esempio il corpo umano. Nel mercato, ci sono scanner ottici in grado di digitalizzare un oggetto in una speciale - modalità veloce (esposizione singola) in un tempo di 0,3 s (ad esempio, Konica Minolta VI-910 [20]), ma ciò accade a spese di una peggiore precisione. Spesso, i tempi di 85

87 digitalizzazione vanno da alcuni minuti in sistemi ottici fino a poche ore nel caso di macchine di misura a coordinate e scanner a contatto. Un compito importante durante la progettazione è quello di decidere se sarà possibile la scansione di un oggetto in un'unica sessione o di farlo in più tappe. Nel caso di scansione di un oggetto in diversi supporti (scanner a contatto), o da più parti (scanner ottico), il risultato è una nuvola di punti. È altrettanto importante determinare la forma di dati, in cui un modello ottenuto deve essere convertito, il che determina i requisiti relativi al software. Se il modello ottenuto deve essere la base di calcoli numerici, non è necessaria grande precisione, però è significativa una piccola dimensione dei dati. Diversa è la situazione in cui su un oggetto viene eseguita la scansione ed è in procinto di essere la base per l'introduzione di modifiche: allora una maggiore enfasi viene messa in precisione. Se il risultato di digitalizzazione è la copia di un oggetto, è sufficiente se la superficie di un oggetto è presentato in forma di un triangolo di maglia, ma i software dovrebbe permettere di generare un programma su una macchina utensile a controllo numerico Acquisizione di dati L'acquisizione dei dati si basa sulla trasformazione di un modello fisico in forma digitale, grazie alla lettura delle coordinate appartenenti a punti particolari, che si trovano sulla superficie di un oggetto tridimensionale. E' realizzato con l'ausilio di macchine di misura a coordinate spaziali e scanner. I dati ottenuti sono sotto forma di un insieme di coordinate x, y, z le quali sono relative ad un sistema di coordinate locali e sono chiamati nuvola di punti (fig. 6.19). Fig Digitalizzazione di un oggetto sotto forma di nuvola di punti Questi punti di solito non sono ordinati, ancora, in alcuni dei metodi di misurazione (ad esempio scanner contatto e coordinare le macchine di misura), è possibile determinare i confini (Fig. 6.20) e la direzione di scansione, che dà in effetti un punto di nuvola simile a un insieme di curve che si trovano sulla superficie di un oggetto (Fig. 6.21). Esso offre la 86

88 possibilità di elaborare i dati in uscita manualmente al fine di ottenere un modello 3D accurato. Fig Profilo 2D ottenuto da una scansione al contorno Fig D Profilo con aree di inviluppo mediante differenti direzioni di scansione Elaborazione dei dati e costruzione di modelli CAD Il software utilizzato nell ingegnerizzazione inversa può avere un sacco di strumenti che consentono la modifica e la manipolazione dei dati raccolti durante la digitalizzazione, ma il suo compito principale è la conversione di una nuvola di punti, provenienti da scanner, in una rappresentazione più utile, sotto forma di un triangolo di maglia o superfici NURBS non vincolate con la maggiore accuratezza possibile. In un caso generale, quando i dati di output sono sotto forma di una nuvola di punti, l'elaborazione dei dati si basa sulla realizzazione dei seguenti compiti: L'importazione di una nuvola di punti, molto spesso registrati in forma di file, ad esempio: XYZ, DXF o IGES. La valutazione dei dati di completezza e di una possibile modifica della nuvola di punti in base alla rimozione dei punti inappropriati (Fig. 6.22). La metà dei punti, che sono noti per essere piatti, possono essere rimossi dalla superficie in questa fase. Si limiterà il numero di triangoli da creare nella fase successiva. Se alcuni oggetti sono stati oggetto di 87

89 digitalizzazione contemporaneamente, la nuvola di punti dovrebbe essere suddivisa in parti più piccole che rappresentano oggetti particolari. Fig Modifica della nuvola di punti rimozione dei punti inappropriati Ricopertura dei punti della nuvola mediante mesh triangolare (Fig. 6.22). Fig Conversione dei punti della nuvola in mesh triangolari Fig Rimozione dei vuoti nelle mesh triangolari Una modifica possibile delle mesh triangolari con una riparazione degli errori, come ad esempio: fori nella maglia, si intersecano triangoli, ecc (fig. 6.24). Nel caso in cui un oggetto è stato esaminato in diversi supporti, vengono eseguiti i passaggi 1-3 per tutti i dati, e,in questa fase, i frammenti di superficie ottenuti dal modello sono collegati dando un nuovo modello (Fig. 6.25). Se è richiesto un modello poligonale nella forma di dati di uscita, si può fermare a questo punto e registrare il risultato nella 88

90 forma di un file, ad esempio: STL o VRML. Nelle applicazioni di visualizzazione (realtà virtuale), è richiesta una grande fluidità di rendering, il quale viene ostacolato da numero troppo elevato di triangoli in un modello. Pertanto, i programmi consentono di ridurre il numero di triangoli, il che influenza in qualche modo l'accuratezza della proiezione (Fig. 6.26). Fig Combinazione di molteplici frammenti di modelli superficiali a) b) Fig Riduzione del numero dei triangoli dal 100 % (a) al 10 % (b) Conversione della maglia triangolo in superfici NURBS, quando una descrizione più precisa della forma del modello è necessaria: questa operazione può avvenire automaticamente o manualmente e consiste nella diffusione di superfici libere sulla maglia triangolare. Queste superfici sono di solito aree rettangolari e il modello dovrebbe essere diviso in tali aree al fine di ottenere proiezioni dettagliate della sua superficie. Quanto più la forma di una determinata zona si discosta da quella di un rettangolo, peggiore è il suo adeguamento alle maglie di triangolo. 89

91 Fig Errori sulle superfici NURBS Il più delle volte, nel caso di complesse geometrie, la conversione automatica in una superficie NURBS non causa errori (Fig. 6.27). Poi, la conversione manuale in una superficie NURBS consiste nello svolgere le seguenti azioni: il rilevamento dei bordi del modello (Fig. 6.28), Fig Rilevamento dei bordi Divisione del modello in aree e loro modifica al fine di ottenere una griglia che sarebbe più rettangolare possibile (Fig. 6.29), Fig Creazione e modifica dei percorsi Creazione della griglia (Fig. 6.29), 90

92 Fig Creazione della Griglia Fissaggio della superficie NURBS (Fig. 6.30): Fig Fissaggio della superficie NURBS Comparazione della superficie NURBS creata con i dati provenienti dalla scansione i punti della nuvola (Fig. 6.32) 91

93 Fig Comparazione della superficie NURBS con i punti della nuvola Il passo finale è quello di salvare il modello nella forma di un file IGES in uno dei suoi tipi: 128, 143 o 144. E' il formato più comune per il trasferimento di superfici NURBS per applicazioni CAD / CAM. 92

94 7. Letteratura [1] Chlebus E. Techniki komputerowe Cax w inżynierii produkcji WNT, Warszawa 2000 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Dybała B., Kolinka P., Techniki inżynierii odwrotnej w rozwoju produktu, Automatyzacja produkcji. AP Nauka - wiedza - innowacje. Wrocław T. 1. Referaty plenarne i sesyjne, s Oczoś K. ; Postęp w szybkim kształtowaniu przyrostowym - Rapid Prototyping, Mechanik, 1999 Nr 4 Oczoś K. ; Postęp w szybkim opracowywaniu produkcji wyrobów prezentowany na 8. Światowych Targach EuroMold 2001 Część II. Nowe materiały i urządzenia do realizacji metod RP., W: Mechanik, 2002, Nr 4 Oczoś K. ; Rapid Prototyping znaczenie, charakterystyka metod i możliwości., Mechanik, 1997, Nr 10 Oczoś K. ; Szybciej, dokładniej, ekonomiczniej 6. Światowe Targi Budowy Oprzyrządowania, Projektowania i Rozwoju Wyrobu Euromold `99 we Frankfurcie n. Menem., W: Mechanik, 2000, Nr 2 Oczoś K. Niekonwencjonalne sposoby przyrostowego kształtowania przedmiotów szybkie wykonywanie prototypów Mechanik (1995)8/9 Skołud B., Komputerowo Zintegrowane Wytwarzanie, Wydawnictwo Politechnika Śląska, Gliwice 1997 [9] Seminario Italo-Spagnolo/11 Steinbichler.pdf [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] 93

95 [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] - materiały archiwalne ITMA 94

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97 MECCATRONICA Modulo 9: Prototipazione Rapida Esercizi (concetto) prof. dr. hab. inz. Edward Chlebus dr inż. Bogdan Dybała, dr inż. Tomasz Boratyński dr inż. Jacek Czajka dr inż. Tomasz Będza dr inż. Mariusz Frankiewicz mgr inż. Tomasz Kurzynowski Università Tecnica di Breslavia, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

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99 1. Che cosa è un CAD? 2. Che cosa è la modellazione geometrica? 3. Come velocizzare il design? 4. Quali sono le caratteristiche principali dei sistemi CAD?

100 5. Quali sono i vantaggi derivanti dall'utilizzo di sistemi CAD? 6. Quali sono le tappe del processo di progettazione in un sistema CAD? 7. Specificare i tipi di modelli in un CAD. 8. Che cosa è un STL?

101 9. Come viene costruito un modello STL (un disegno sarà utile)? 10. Che cosa dice la regola del vertice a vertice? 11. Quali parametri descrivono un triangolo?

102 12. Come può essere determinato l'orientamento di un triangolo in un STL? 13. Quali sono gli errori e difetti più comuni nel formato STL? 14. Quali sono le attività di pre processo nel Rapid Prototyping? 15. Descrivere almeno 4 operazioni che sono possibili nelle attività di preprocesso del Rapid Prototyping.

103 16. Che cosa sono le strutture di sopporto e dove sono utilizzate? 17. Che cosa è la prototipazione rapida? 18. Cosa differenzia le tecnologie di Rapid Prototyping da quelle tradizionali? 19. Quali sono le principali applicazioni di modelli realizzati con tecnologie di Rapid Prototyping?

104 20. Come vengono utilizzati i prototipi nella progettazione convenzionale? 21. Come vengono utilizzati i prototipi nel Concurrent engineering? 22. Come sono utilizzati i prototipi nell ingegneria rapida?

105 23. Come sono divisi i metodi di creazione di prototipi? 24. Che cosa deve essere considerato quando si decide l applicazione di un modello prototipale? 25. Classificare le tecnologie RP per quanto riguarda i materiali e i processi applicati. 26. Che cos è il Rapid Tooling?

106 27. Quali materiali possono essere utilizzati nelle tecnologie di Rapid Prototyping? 28. Quali sono I Vantaggi delle Tecnologie di prototipazione Rapida? 29. Quali sono gli svantaggi della prototipazione rapida?

107 30. Come può essere caratterizzata la stereolitografia? 31. Come può essere caratterizzata la sinterizzazione mediante laser selettiva(sls)? 32. Come può essere caratterizzata fusione mediante laser selettiva (SLM)? 33. Cita almeno 3 tecnologie che utilizzano polveri metalliche come materia prima.

108 34. Quali differenze ci sono tra la tecnologia di fusione a fascio di elettroni e le altre tecnologie con polveri metalliche? 35. Come può essere caratterizzata la produzione di oggetti mediante laminazione? 36. Come può essere caratterizzato un modello a strati di un materiale fuso (FDM Modellazione mediante deposizione di materiale fuso)?

109 37. Come può essere caratterizzata la stampa a 3 dimensioni (3DP)? 38. Come deve essere intesa l ingegnerizzazione inversa? 39. Dare 2 esempi di applicazione dell ingegnerizzazione inversa nel settore.

110 40. In che modo l ingegnerizzazione inversa aiuta lo sviluppo di un prodotto disegnato da uno stilista? 41. E 'possibile per un nuovo prodotto seguire la geometria di un oggetto esistente? Spiegare. 42. Come può una valutazione di un prodotto di precisione geometrica essere fatto con metodi di ingegnerizzazione inversa?

111 43. Quali sono i due metodi principali di classificazione dei metodi di digitalizzazione? 44. Quando è ragionevole utilizzare un metodo distruttivo della digitalizzazione? 45. Quali metodi di ingegnerizzazione inversa consentono di riconoscere la struttura interna di un oggetto? 46. Caratterizza il processo di scansione distruttivo.

112 47. Qual è il contatto di scansione? 48. Quali sono gli svantaggi della scansione mediante contatto? 49. Quale metodo di digitalizzazione è il più veloce?

113 50. Qual è un tipico risultato della digitalizzazione con metodi di ingegnerizzazione inversa? 51. Nomi dei metodi basati su punti ottici. 52. Come ottenere un modello di superficie in una forma di maglia triangolare? 53. Caratterizzare le capacità di misurazione degli scanner di contatto.

114 54. Quali sono i vantaggi dei bracci di misura su altri dispositivi di digitalizzazione? Quando è giustificato l'uso dei bracci? 55. Quali questioni devono essere considerate al momento di pianificare la digitalizzazione? 56. Quando è sufficiente una maglia triangolare come risultato della ricostruzione?

115 57. Cosa può essere oggetto della ricostruzione mediante un tipico processo di ingegnerizzazione inversa?

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117 MECCATRONICA Modulo 9: Prototipazione Rapida Soluzioni (concetto) prof. dr. hab. inz. Edward Chlebus dr inż. Bogdan Dybała, dr inż. Tomasz Boratyński dr inż. Jacek Czajka dr inż. Tomasz Będza dr inż. Mariusz Frankiewicz mgr inż. Tomasz Kurzynowski Università Tecnica di Breslavia, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

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119 1. Che cosa è un CAD? CAD è l'acronimo di Computer Aided Design. Questo tipo di software permette di progettare un elemento di dettaglio o un meccanismo inventato da un ingegnere. I sistemi CAD supportano i processi di costruzione e di progettazione, e sono utilizzati per il disegno e la modellazione geometrica. 2. Che cosa è la modellazione geometrica? La modellazione geometrica è una tecnica utilizzata per descrivere le forme di un oggetto. I sistemi CAD consentono di migliorare il processo di progettazione, nonché di ridurre i tempi di sviluppo del prodotto. 3. Come velocizzare il design? I sistemi CAD includono librerie di oggetti pronti (viti, cuscinetti, ecc) che possono essere utilizzati in opere di design. Un costruttore non ha modo di utilizzare vari tipi di cataloghi, mentre cerca un qualsiasi elemento. Questi possono essere trovati nel sistema di base o è possibile scaricare il modello 3D per il proprio design. 4. Quali sono le caratteristiche principali dei sistemi CAD? Le principali caratteristiche dei sistemi CAD sono: modellazione geometrica di oggetti creazione e modifica della documentazione di costruzione il risparmio e la conservazione di documentazione in forma elettronica sia come file o database lo scambio di dati con altri sistemi la creazione di progetti tridimensionali di elementi costruiti la creazione di schemi di montaggio di diverse parti separate Lavorare su un singolo progetto a molte persone aggiornamento automatico di tutti i disegni di montaggio dopo la sostituzione di uno di loro stima dei costi automatica, cooperazione con il magazzino, ecc 5. Quali sono i vantaggi derivanti dall'utilizzo di sistemi CAD? Vantaggi dell'utilizzo di sistemi CAD: possibilità di determinare la soluzione ottimale di progettazione miglioramento della qualità della soluzione ottenuta (precisi modelli matematici) alleviare il progettista dalle perdite di tempo delle tipiche e noiose routine (messe in tavola, calcoli) maggiore possibilità di utilizzare soluzioni progettuali esistenti, grazie alle banche dati informatiche alle norme e cataloghi esistenti

120 possibilità di simulare il comportamento del manufatto progettato in varie condizioni, nella fase di progettazione 6. Quali sono le tappe del processo di progettazione in un sistema CAD? Un processo CAD è composto da 6 fasi : Riconoscimento dei bisogni definizione del problema sintesi analisi e ottimizzazione valutazione presentazione 7. Specificare i tipi di modelli in un CAD. Nei CAD, sono utilizzati due tipi di modelli geometrici In CAD: piatto/piano con contorni spaziale utilizzandoelementi tridimensionali 8. Che cosa è un STL? STL - Lingua standard di triangolazione - è un formato base dello scambio di dati in processi di prototipazione rapida. Il compito principale del formato è il trasferimento di modelli CAD 3D a dispositivi di Rapid Prototyping. Attualmente la maggior parte dei programmi CAD / CAM hanno la capacità di salvare il modello in formato STL, che potrebbe essere letto da quasi tutti i sistemi di Rapid Prototyping. 9. Come viene costruito un modello STL (un disegno sarà utile)? Un STL è costituito da un elenco di superfici triangolari, chiamato anche la griglia triangolare, che è definita come un insieme di vertici, spigoli e triangoli collegati fra loro in modo tale che ogni spigolo e vertice è condiviso da almeno due triangoli adiacenti (la regola del vertice-avertice). In altre parole, la griglia triangolare rappresenta un approssimazione delle superfici di un modello 3D salvato nel formato STL. La rappresentazione, tuttavia, ignora elementi come punti, linee, curve, livelli e colori.

121 10. Che cosa dice la regola del vertice a vertice? Versione 1 Ogni bordo e ogni vertice del triangolo sono comuni ad almeno due triangoli adiacenti. Versione 2 Ogni triangolo condivide due vertici con i triangoli adiacenti, e nessun vertice di un triangolo può stare su un lato di un altro triangolo. Per soddisfare la regola del "vertice-a-vertice, il triangolo 1 dovrebbe essere diviso in due triangoli come indicato in figura "b" o i triangolo 2 e 3 dovrebbero essere unificati come indicato in figura "c". 11. Quali parametri descrivono un triangolo? Un triangolo è descritto da un insieme di coordinate X, Y, Z, di ogni vertice e dal vettore normale, diretto da una data superficie verso l'esterno del modello. 12. Come può essere determinato l'orientamento di un triangolo in un STL? 1. Basandosi su di un vettore normale, diretto verso l esterno. 2. Osservando il modello dal suo esterno, l'ordine dei vertici è in senso

122 antiorario. Nella figura sopra, sono presentate due superfici triangolari. La superficie sulla sinistra si vede dal di dentro, questo è indicato dalla disposizione in senso orario dei vertici del triangolo e dalla direzione del vettore normale. La situazione opposta si verifica nel caso del triangolo a destra, visto dal di fuori del modello. 13. Quali sono gli errori e difetti più comuni nel formato STL? Incompatibilità con la regola del vertice a vertice Variabilità (dispersion) Superfici degeneri Errori nei modelli Ridondanza 14. Quali sono le attività di pre-processo nel Rapid Prototyping? Un modello CAD esportato in formato STL deve essere preparato per il processo di costruzione su uno dei dispositivi di prototipazione rapida. Le attività di Pre-processo possono essere effettuate in uno dei programmi dedicati, che consentono l'elaborazione di file STL. 15. Descrivere almeno 4 operazioni che sono possibili nelle attività di pre-processo del Rapid Prototyping. Visualizzazione, misurazione, manipolazione del modello Fissaggio dei file STL, ritaglio di superfici, rilevamento dei triangoli raddoppiati

123 Preparazione delle intersezioni nei file STL, fori (perforazione), superficie tirate operazioni booleane, riduzione dei triangoli, smoothing, aggiunta di didascalie o note (caratteri) Rilevamento delle collisioni Colorazione dei file STL Divisione dei modelli in strati Generazione delle strutture di supporto 16. Che cosa sono le strutture di sopporto e dove sono utilizzate? L'opzione di struttura di sostegno può essere trovata su dispositivi basati su materiali in polvere (metalli, ceramica, gesso, ecc.). I supporti in tali tecnologie sono necessari per garantire la stabilità durante la rimozione dell elemento prodotto così come per l irrigidimento degli strati iniziali, in modo che, mettendo un altro strato di polvere di materiale, lo strato precedentemente costruito e la rigidezza dell elemento progettato non vengano danneggiati. 17. Che cosa è la prototipazione rapida? La prototipazione rapida è un metodo per una veloce, fabbricazione strato per strato di modelli fisici direttamente da modelli CAD. 18. Cosa differenzia le tecnologie di Rapid Prototyping da quelle tradizionali? Tutti i metodi sono simili tra loro e si basano su una produzione incrementale (senza sprechi) del modello. Pertanto, esse sono completamente diverse dai metodi classici di produzione di un modello fisico (tornitura, fresatura, ecc), dove la formazione di oggetti avviene attraverso la rimozione meccanica del materiale (lavorazione con residui). La creazione di modelli con tecniche RP, dove ogni strato successivo è un riflesso esatto della sezione del modello in un certo piano, si basa su una aggiunta di materiale laminato. 19. Quali sono le principali applicazioni di modelli realizzati con tecnologie di Rapid Prototyping? I modelli prototipali hanno lo scopo di condurre i primi test per la resistenza, la sicurezza, l'assemblaggio, il trasporto, ecc. Essi non solo sono utili campioni commerciali, nelle negoziazioni tecniche e di marketing, ma essi tendono anche ad essere molto più graditi e facilmente percepiti dalla gente rispetto ai disegni standard 2D. Una migliore comprensione di un concetto porta ad un risparmio di tempo e denaro.

124 20. Come vengono utilizzati i prototipi nella progettazione convenzionale? In un design tradizionale, un prototipo è costruito nell ultima fase di sviluppo del prodotto, subito dopo sono impostate le soluzioni, selezionati e analizzati i materiali e selezionate le varianti finali di prodotto. Tale prototipo è di solito una foto del prodotto finale, che viene quindi sottoposta ad esami funzionali che sono tenuti a fornire informazioni sulle possibili correzioni tecniche e tecnologiche, nonché sulla finalità dei parametri esplorati e su come il prodotto dovrebbe essere usato. 21. Come vengono utilizzati i prototipi nel Concurrent engineering? Progettazione e sviluppo di prodotti secondo il concetto del Concurrent Engineering non comporta alcun condizione speciale per quanto riguarda la fase di creazione del primo prototipo. E possibile solo risparmiare tempo nella fase di progettazione utilizzando questo metodo possedendo un progetto simultaneo di sviluppo del prodotto fatto da un team interdisciplinare di progettisti, che agisce in un ambiente integrato di sistemi di CAx. Un prodotto è sviluppato contemporaneamente nei diversi settori delle costruzioni, della tecnologia, dei processo di pianificazione della produzione e della fornitura di materiali o semilavorati. Il lavoro di un team di designer è basato su attività ed è fatto secondo il calendario di realizzazione progettuale stabilito. Tale team è anche responsabile delle consultazioni riguardanti le modifiche e le correzioni nella documentazione di progettazione. Il primo prototipo è stato creato allo stesso modo di un processo tradizionale - dopo aver selezionato la soluzione definitiva di costruzione.

125 22. Come sono utilizzati i prototipi nell ingegneria rapida? Il Rapid Engineering consente a un designer di creare diversi tipi di modelli fisici, che hanno le caratteristiche di un prototipo, in base alle loro esigenze. Tale modo di progettare permette la produzione di prototipi in tutte le fasi di sviluppo del prodotto, a partire dall idea e dal concept, attraverso le varie fasi fino alla soluzione finale. Un modello geometrico CAD è la condizione necessaria per la produzione di un prototipo. 23. Come sono divisi i metodi di creazione di prototipi? Attualmente, i metodi applicati nella creazione di un prototipo possono essere suddivisi per quanto riguarda il modo in cui viene creato un modello, la precisione di realizzazione, lo stato di aggregazione dei materiali applicati o, infine, l'utilizzo futuro del modello. I modelli possono essere divisi in relazione alla loro applicazione, quali: quelli che riflettono circa la forma del prodotto finale e garantiscono la verifica preliminare di forma o dimensione prototipi funzionali - che consistono di alcuni parametri simili o identici ai parametri del prodotto finale e consentendo la sua presentazi

126 prodotti finiti ottenuti con metodi di RP come una serie che ha tutti i parametri tipici del prodotto 24. Che cosa deve essere considerato quando si decide l applicazione di un modello prototipale? Mentre si determina l'applicazione del nostro modello, dovrebbe essere selezionato uno dei metodi disponibili e dovrebbe essere considerato il materiale (plastica, carta, metallo, ceramica), le dimensioni, la precisione di realizzazione, la realizzazione del modello e i costi di produzione. 25. Classificare le tecnologie RP per quanto riguarda i materiali e i processi applicati. 26. Che cos è il Rapid Tooling? Rapid Tooling significa fabbricazione veloce di strumenti. Inoltre, le tecniche precedenti servono allo scopo di ulteriori sviluppi del prodotto (assegnando le caratteristiche di un prodotto finito, come ad esempio: l'applicazione corretta dei materiali, colore, texture, ecc, per modelli esemplari utilizzando metodi RP), e sono anche destinati a produrre un particolare tipo di attrezzi per la produzione di nuovi articoli in piccole serie.

127 27. Quali materiali possono essere utilizzati nelle tecnologie di Rapid Prototyping? Attualmente, l'aiuto dei metodi di prototipazione rapida possono essere sottoposti a trattamento i seguenti materiali polimeri, cere, materie plastiche, nylon, materiali ceramici, materiali legno-simili, di carta o anche polvere di metallo. 28. Quali sono I Vantaggi delle Tecnologie di prototipazione Rapida? creazione rapida di modelli fisici una parte modello è disponibile anche durante lo sviluppo di una costruzione sono particolarmente consigliabili nelle seguenti situazioni: parti di geometrie complessa (soprattutto per contorni interni); superfici con forme libere; bassi costi di realizzazione rispetto ad altri metodi (fresatura, tornitura, ecc), soprattutto se c'è un piccolo numero di articoli possibilità di applicare diversi metodi nella gamma di tutta la catena dei processi (ingegnerizzazione rapida) 29. Quali sono gli svantaggi della prototipazione rapida? dimensioni limitate degli oggetti costruiti limitata selezione del materiale le parti soddisfano i requisiti meccanici solo in un ambito limitato precisione limitata (circa 0,1 millimetri), mentre la qualità della superficie è condizionata dalla tecniche di produzione applicate molto spesso una lavorazione di finitura è necessaria 30. Come può essere caratterizzata la stereolitografia? La Stereolitografia comporta un indurimento della resina epossidica o acrilica con laser a bassa potenza. Anche se è prodotto un modello, il raggio laser viene spostato sulla superficie della resina liquida secondo il contorno di un livello particolare. La foto-polimerizzazione - in altre paroleappare in un luogo dove la resina è irradiata da una luce ultravioletta. Quando viene creato, il piano di lavoro è abbassato esattamente del valore di un determinato livello. In quel momento, la resina scorre sul modello abbassato e crea un altro livello necessario per la fotopolimerizzazione.

128 31. Come può essere caratterizzata la sinterizzazione mediante laser selettiva(sls)? Sinterizzazione laser selettiva - SLS, coinvolge strati di solidificazione di un materiale in polvere in luoghi particolari di una superficie attraverso sinterizzazione di grani di polvere che viene permessa da un fascio laser focalizzato. In una camera di lavoro, è posto un sottile strato di polvere (in genere dello spessore di 0,02-0,2 mm), con l'aiuto di un rullo, in un cilindro da una piattaforma traslante (asse Z). Poi, un raggio laser di una potenza relativamente alta, controllata da uno scanner in piano XY, fa un sinterizzazione selettiva di polvere in una determinata zona dalla geometria di una certa sezione di un modello costruito, a condizione che l'irradiazione del fascio laser è regolamentato in modo tale che lo scioglimento delle polveri avviene in un solo settore. 32. Come può essere caratterizzata fusione mediante laser selettiva (SLM)? La fusione laser (locale) coinvolge la fusione del metallo in polvere (anche in ceramica) mediante un raggio laser concentrato, strato dopo strato, fino a quando tutto il modello è completo. Gli strati del modello si ottengono livellando un sottile strato di polvere di metallo e poi dalla successiva fusione mediante un laser. La polvere di metallo è posata su di un contenitore mobile, che è alimentato dal raccoglitore di polvere principale. Dopo la fusione del primo strato del modello, una piattaforma è abbassata di una certa distanza (spessore dello strato), poi è prevista la posa dello strato di polvere successivo, il laser scioglie il livello e la piattaforma si abbassa nuovamente. 33. Cita almeno 3 tecnologie che utilizzano polveri metalliche come materia prima. Fusione selettiva mediante laser SLM Sinterizzazione diretta metallica mediante Laser DMLS Fusione mediante fascio elettronico EBM Sinterizzazione laser selettiva SLS 34. Quali differenze ci sono tra la tecnologia di fusione a fascio di elettroni e le altre tecnologie con polveri metalliche? Nella tecnologia EBM un fascio di elettroni viene utilizzato per la fusione in polvere. In altre tecnologie (ad esempio SLM) un laser è la fonte di energia.

129 35. Come può essere caratterizzata la produzione di oggetti mediante laminazione? LOM comporta l'applicazione di un materiale, che è in una forma di una lamina sottile, in una pila, incollandolo per mezzo di un rullo riscaldato e successivo taglio con il laser. Un materiale in entrata può essere srotolato da un rullo oppure può essere in una forma di fogli. È coperto (in basso) con la colla. Il primo strato di una lamina è posto su una piattaforma liscia. Poi, una forma adatta per un particolare spaccato di un prodotto è ritagliata in un certo strato di carta stagnola. È fatto per mezzo di un laser o, in alcune variazioni LOM - detto anche SAHP in breve - con l'aiuto di un cutter numericamente controllato. Dopo aver tagliato una forma, una pila è spostata verso il basso dallo spessore di un livello, e un altro strato è posto su quelli precedentemente accatastati. E 'premuto con l'aiuto di un rullo riscaldato, e nella successiva fase la forma di una sezione trasversale viene tagliata fuori nello strato superficiale, che questa volta è adatta per il nuovo livello del prodotto. Questo ciclo viene ripetuto fino a quando l'intero modello è stato creato. Il restante materiale è inciso essendo al di fuori del contorno della forma di una sezione trasversale. Questo facilita la sua rimozione dopo aver terminato la costruzione di un modello. Anche se un modello è stato creato, esso costituisce la costruzione di supporto per i livelli successivi. 36. Come può essere caratterizzato un modello a strati di un materiale fuso (FDM Modellazione mediante deposizione di materiale fuso)? FDM comporta l'applicazione di strati successivi di una fibra termoplastica posati da una testa termica. Nel caso in cui la costruzione di un modello richiede sostegno, in ogni strato, distanti dal contorno di un modello corretto, c'è un altro materiale fornito per la costruzione di tale sostegno. Tali materiali per la costruzione del modello e sostegno sono posti in forma di fibra piegata su una bobina nel retro di un dispositivo. Poi, le fibre sono srotolate e inviate alla testa; successivamente, sono scaldate alla temperatura di circa 1 C superiore alla temperatura di fusione del materiale in modo da ottenere uno strato semi-liquido e sono inserite in un modulo di un livello, che solidifica rapidamente e si combina con il livello precedente, diventando una base per tutti gli strati successivi. Le teste si muovono nel piano XY mentre il piano espanso, sul quale si trova un modello, si muove nella direzione dell'asse Z con un valore determinato al termine del quale viene creato un livello. 37. Come può essere caratterizzata la stampa a 3 dimensioni (3DP)? La stampa tridimensionale è, per principio, basata sulla costruzione di un prodotto con l'aggiunta di strati successivi di materiale. Per implementare

130 questo metodo è usata una macchina, la cui struttura contiene una unità di getti di stampa modificati simili a quelle usate nelle stampanti a getto d'inchiostro. Questi getti (ugelli) sono collegati ad un carrello mobile che si muove in assi X e Y e sono collegate ad un contenitore in cui è contenuto il liquido di lavoro. Inoltre, la struttura contiene due piattaforme mobili posti in una camera. Una sezione è utilizzata per la costruzione del modello e in un'altra il materiale da costruzione per il modello viene riposta in forma di polvere. Un rotolo mobile è utilizzato per spostare il materiale di costruzione dalla piattaforma della camera di stoccaggio alla piattaforma della camera di costruzione. La costruzione del modello consiste nella stampa del materiale su quello composto dallo strato del materiale da costruzione. Nella fase iniziale di costruzione di un prodotto, la piattaforma della camera di stoccaggio è avanzata verso il basso, e la piattaforma utilizzata per la costruzione del modello è avanzata verso l'alto. Nel corso della costruzione del prodotto le posizioni delle piattaforme cambieranno. Mentre si procede, il rotolo mobile fornisce il materiale di costruzione in polvere sulla superficie della piattaforma per il raggiungimento dello spessore adeguato e del livellamento delle sua superficie. Successivamente i getti di stampa iniettano uno strato di liquido legante sullo strato di polvere aggregato. Il materiale legato è dosato esattamente in quei luoghi, che corrispondono alla forma della sezione trasversale di un dato livello di prodotto. I leganti collimano col materiale di costruzione e quindi è ottenuto il primo strato del prodotto. La polvere disconnessa crea la costruzione di supporto, che è di una grande comodità, perché non c'è bisogno di costruire supporti artificiali. Inoltre, la piattaforma della camera su cui è costruito il prodotto è abbassata della distanza corrispondente allo spessore dello strato successivo e la piattaforma di stoccaggio del materiale fa parte della camera stessa, il che permette il dosaggio di un altra "porzione" di polvere. Il rullo mobile diffonde i livelli di polvere sulla superficie creata prima dagli strati. Nella fase successiva, i getti di stampa forniranno materiale legante in tutti i luoghi che lo necessitano. Affinchè si unisca la polvere con il legante, viene creato un altro livello, e contemporaneamente il legante provoca la fusione del nuovo livello di polvere con lo strato già creato. In modo simile, le seguenti fasi di costruzione del modello vengono realizzati fino a quando è ottenuto tutto il prodotto. 38. Come deve essere intesa l ingegnerizzazione inversa? L ingegnerizzazione inversa (RE) è una tecnologia tale da riscoprire le regole di costruzione di un oggetto già esistente. E 'utilizzato per individuare le ipotesi secondo la quale l'oggetto è stato progettato e realizzato. Nell'industria manifatturiera, di solito comporta la ricostruzione della geometria di un prodotto, il suo principio di funzionamento e, talvolta, anche i materiali che sono stati utilizzati per crearlo.

131 39. Dare 2 esempi di applicazione dell ingegnerizzazione inversa nel settore. l'introduzione di rettifiche per prototipi o elementi già prodotti recupero o rigenerazione di documentazione per un determinato prodotto fabbricazione di prodotti personalizzati Pacchetto di produzione installati mediante forma con il prodotto controllo della qualità geometrica 40. In che modo l ingegnerizzazione inversa aiuta lo sviluppo di un prodotto disegnato da uno stilista? Il modello di prodotto è stato creato in creta, gesso o di legno. Nella fase successiva il modello è digitalizzato in un modello di computer che può essere utilizzato nello sviluppo del prodotto e il suo passaggio alla produzione. 41. E 'possibile per un nuovo prodotto seguire la geometria di un oggetto esistente? Spiegare. Sì, con l ingegnerizzazione inversa siamo in grado di digitalizzare un oggetto fisico, e sulla base di tali dati, sviluppare un nuovo prodotto che seguirà quella forma. 42. Come può una valutazione di un prodotto di precisione geometrica essere fatto con metodi di ingegnerizzazione inversa? La valutazione della precisione geometrica di un prodotto con l ingegnerizzazione inversa prevede la digitalizzazione di un prodotto fabbricato e confrontando i dati ricevuti in questo modo con modello computerizzato del prodotto, 43. Quali sono i due metodi principali di classificazione dei metodi di digitalizzazione? A seconda dello stato dell'oggetto esaminato dopo il processo di digitalizzazione, i metodi di misurazione della forma sono classificati in distruttivi e non distruttivi. Per quanto riguarda il tipo di interazione tra il dispositivo di misura e l'oggetto, i metodi possono essere suddivisi in contatto (meccanico) e non-contatto.

132 44. Quando è ragionevole utilizzare un metodo distruttivo della digitalizzazione? La scansione distruttiva viene utilizzata quando si vuole venire a conoscenza dell interno della struttura ed è possibile distruggere l'oggetto misurato. 45. Quali metodi di ingegnerizzazione inversa consentono di riconoscere la struttura interna di un oggetto? La misurazione della struttura interna di un oggetto è possibile mediante: la scansione distruttiva e metodi che utilizzano i raggi X (tomografia computerizzata), le onde elettromagnetiche (risonanza magnetica) e ultrasuoni (ecografia). 46. Caratterizza il processo di scansione distruttivo. La scansione distruttiva si basa su un taglio ripetuto di un sottile strato di un oggetto dalla cima e scattando fotografie della superficie esposta. Prima di effettuare la scansione, un oggetto è immerso in una resina protettiva che lo protegge da eventuali danni durante il taglio e garantisce un contrasto appropriato alle fotografie. Il modello digitale dell'oggetto è fatto in base al set di fotografie di tutte le sezioni. 47. Qual è il contatto di scansione? Il contatto di scansione si basa sulla prosecuzione di un tastatore lungo la superficie di un oggetto e registrando le coordinate dei punti successivi, che sono distanti tra loro di un intervallo predefinito. In questo modo si crea un immagine digitale della superficie oggetto in forma di una nuvola di punti. 48. Quali sono gli svantaggi della scansione mediante contatto? La scansione mediante contatto ha uno svantaggio essenziale - l'incapacità di digitalizzare gli oggetti realizzati con materiali morbidi (gomma). 49. Quale metodo di digitalizzazione è il più veloce? La soluzione più efficiente, per quanto riguarda il tempo di scansione in questione,è una digitalizzazione simultanea di tutta la superficie

133 disponibile di un oggetto, il che è possibile con dispositivi che utilizzano la luce strutturale. 50. Qual è un tipico risultato della digitalizzazione con metodi di ingegnerizzazione inversa? Una nuvola di punti: 51. Nomi dei metodi basati su punti ottici Metodo di misurazione della distanza Laser Radar triangolazione laser basata su punti 52. Come ottenere un modello di superficie in una forma di maglia triangolare? E 'possibile mediante la poligonalizzazione di una nuvola di punti:

134 53. Caratterizzare le capacità di misurazione degli scanner di contatto. Gli scanner di contatto sono in grado di misurare le superfici in vari modi, a partire da semplici misure geometriche (lunghezza, diametro, angolo, ecc) attraverso la scansione 2D in una superficie scelta, fino alla scansione 3D realizzata in diversi modi (lungo l'asse X, lungo l'asse Y, in qualsiasi angolo o radiale). E 'anche possibile effettuare la digitalizzazione in modalità manuale guidando la sonda manualmente attraverso la superficie dell'oggetto. 54. Quali sono i vantaggi dei bracci di misura su altri dispositivi di digitalizzazione? Quando è giustificato l'uso dei bracci? Il vantaggio principale di misurare mediante bracci, a parte un prezzo relativamente basso rispetto ad altri sistemi, è la loro mobilità. Possono essere utilizzati in tutti i casi in cui il trasporto dell'oggetto al laboratorio di misura sarebbe impossibile. 55. Quali questioni devono essere considerate al momento di pianificare la digitalizzazione? Il primo passo nella digitalizzazione 3D riguarda il processo di pianificazione, il cui compito è quello di selezionare le apparecchiature di misurazione, il metodo di misura e la forma dei dati di output, elaborare le strategie di misurazione, nonché impostare i parametri di digitalizzazione. 56. Quando è sufficiente una maglia triangolare come risultato della ricostruzione? La maglia triangolare è una forma di dati che permette la visualizzazione dell oggetto, ad esempio, nei sistemi di realtà virtuale, e per la produzione di una replica di oggetti. 57. Cosa può essere oggetto della ricostruzione mediante un tipico processo di ingegnerizzazione inversa? In genere si tratta di un modello di superfici NURBS.