Rapid Prototyping. 1.1 Introduzione. 1.2 Rapid Prototyping

Rapid Prototyping 1.1 Introduzione Il termine Rapid Prototyping (RP) designa un insieme di tecnologie che permettono la realizzazione automatica di modelli fisici in base ai dati di progettazione, il tutto tramite l ausilio di un elaboratore. Questi "stampatori tridimensionali" permettono ai progettisti di generare rapidamente i prototipi definiti dei loro disegni, piuttosto che delle semplici immagini bidimensionali. Tali prototipi così realizzati forniscono dei validi sussidi visivi, utili nella fase sia di progettazione che di comunicazione con i colleghi o i clienti. Per la produzione di oggetti compliessi, il Rapid Prototyping è tuttora il processo di manufacturing migliore disponibile. Naturalmente, "veloce" è un termine relativo. La maggior parte dei prototipi richiedono dalle tre alle settantadue ore per la loro realizzazione, in base al formato ed alla complessità dell'oggetto. Ciò può sembrare una lavorazione lenta, ma è molto più veloce delle settimane o dei mesi richiesti per la realizzazione di un prototipo attraverso i mezzi tradizionali. Poiché le tecnologie di RP sono sempre più utlizzate in applicazioni non-prototyping, tali tecniche sonoa nche spesso definte come Solid Free-Form Modelling or CAD/CAM Manufacturing. La presenza di un sistema CAD/CAM permette in un cenrto senso di "affettare" il modello in un numero definito di strati sottili (~0.1 millimetro), che ins seguito vengono riprodotti come sezionati uno sopra l altro. Il Rapid Prototyping è un processo "cumulativo", che permette l unione di strati di carta, cera, o la plastica per generare un oggetto solido tridimensionale dalla geometrai complessa ben definita. All opposto, la maggior parte dei processi lavorativi (tornitura, fresatura, ecc.) sono processi "sottrattivi" che rimuovono il materiale in eccesso partendo da un blocco solido. La natura cumulativa del RP permette la realizzazione di oggetti con caratteristiche interne complesse, cosa di difficile produzione con i metodi classici. Naturalmente, IL RP non è perfetto, l altezza delle sezioni CAD da riprodurre è legata alla risoluzione della macchina, i prototipi metallici sono di difficile realizzazione, benchè questo dovrebbe cambiare nell'immediato futuro [1]. 1.2 Rapid Prototyping 1

Il Rapid Prototyping (RP) è un aspetto economico cruciale per soppravire all interno di un'economia globale competitiva; infatti, la riduzione dei tempi di sviluppo del prodotto e la crescente complessità richiedono di realizzare nuove metodologie che permettano di sviluppare in tempi brevi idee innovarici [2]. In risposta a queste sfide, l'industria e la ricerca hanno inventato una gamma di tecnologie che contribuiscono a sviluppare i nuovi prodotti ed ad estendere il numero di alternative del prodotto. Negli ultimi anni, un nuovo concetto di RP ha guadagnato la popolarità in tutto il mondo e cioè il Solid Free Form Solidification (SFF) [3]. L'idea chiave di questa nuova tecnologia di RP è basata sulla decomposizione dei modelli 3-D del calcolatore negli strati a sezione trasversale sottili, seguita fisicamente formando gli strati ed impilandoli "strato per strato." La generazione di oggetti 3D in tal guisa è un'idea quasi vecchia quanto la civilizzazione umana. Le costruzioni fin dalle piramidi egiziane erano probabilmente a blocchi sviluppate strato per strato [4]. La tecnologia attuale del rapid prototyping può essere fatta discendere da due principali settori tecnici: la topografia e la fotoscultura. La topografia fin da 1890 ha proposto il metodo di sovrapposizione di strati per generare mappe topografiche di rilievo [1]. Il metodo consiste nell impressionare le linee topografiche di profilo su una serie di piastre di cera, tagliare le piastre, allinearle sul profilo ed impilarle, in modo da produrre delle superfici del terreno indicato dalle linee di profilo. In 1974, Di Matteo riconobbe che tale tecnica d'impilamento poteva essere usata per la produzione di superfici che sono particolarmente difficili da fabbricare tramite le normali operazioni di lavorazione. La Fotoscultura ha presentato nel diciannovesimo secolo il principale tentativo di generare repliche tridimensionali esatte degli oggetti, compreso le forme umane, vedi Bogart. Una realizzazione in qualche modo riuscita di questa tecnologia è stata progettata da Frenchman François Willème in 1860 [1]. Nel suo metodo, un oggetto viene disposto in una stanza circolare e simultaneamente è fotografato da 24 macchine fotografiche disposte lungo la circonferenza della stanza. Ogni foto che quindi forniva 1/24 dell oggetto è stata poi realizzata da un artigiano e poi assemblata in modo da ottenere una copia fedele dell oggetto fotografato. Partendo da questi due principi, con la disponibilità di modelli 3D tramite calcolatore, nochè lo sviluppo di nuovo quali i sistemi laser, i materiali fotosensibili e personal computer potenti hanno contribuito a diffondere l antesigana delle tecniche del RP, cioè la stereo-litografia [5]. Tale metodologia fu proposta poco più di due decadi fa dalla 3D Systems Inc.[6]. Questa tecnologia oggi è capace di produrre strutture 3D altamente complesse con poco o nessun intervento umano. In parallelo con l'avanzamento dello stereolitografia si sono sviluppati poi sistemi alternativi di manufacturing, quali la laminazione successiva di strati, porposto dalla Helisys [7] o la fusione di strati o grani polimerici, proposti dalla DTM [8] e dalla Stratasys [9]. Questi processi hanno 2

aggiunto una gamma di nuovi materiali che vanno oltre quelli dei polimeri fotosensibili usati normalmente nella stereolitografia. L'obiettivo del RP (RP) è di potere fabbricare rapidamente strutture tridimensionali complesse direttamente dai modelli di cad. Un metodo per l'effettuazione di ciò deve usare i processi di Solid freeform Fabrication (SFF) [10]. Le metodologie di SFF possono sviluppare arbitrariamente geometrie complesse 2D e 3D la progettazione trattata è automatica, basandosi su un modello CAD ed utilizzando una macchina generica di montaggio. Ciò richiede un minimo o nessun intervento umano e si basa sul paradigma della produzione strato per strato. In questo metodo, un modello solido di 3D CAD dell'oggetto in primo luogo è decomposto nelle rappresentazioni a sezione trasversale strato per strato. Una volta fatto ciò, viene generata la traiettoria per guidare i processi cumulativi per sviluppare fisicamente questi strati in una macchina automatizzata di montaggio per formare l'oggetto reale. In pratica, il modello in primo luogo è decomposto in strati 2½dimensionali, cioè, strati che possono essere rappresentati da una sezione trasversale planare con uno spessore uniforme collegato [2]. Ogni strato fisico, è composto della sezione trasversale reale dell oggeto e di uno strato sacrificale, che svolge due ruoli primari: in primo luogo, serve dalla supporto alla strattura da realizzare,; in secondo luogo, serve da substrato su cui "le regioni disgiunte" e le sporgenze possono essere depositate. Le regioni disgiunte richiedono questo supporto poiché non si uniscono con la parte principale fino a quando gli strati successivi non sono depositati, inoltre permette la realizzazione di cavità cieche all intermo del modello 3D. Queste strutture di sostegno esplicite sono depositate come il prototipo che si vuole realizzare, ma vengono lasciate in forma semisolida in modo da poterle in seguito completamente rimuovere, una volta ultimato il prototipo. Il processo base del RP, indipendentemente dalla tecnica utilizzata si basa su 5 fasi [1]: 1. Generazione di un modello CAD del prototipo; 2. Conversione del modello CAD in un modello STL, che descrivee strato per strato l oggetto da costruire. In genere,l oggetto da costruire è modellato usando un pacchetto di programmi di progettazione assistita da elaboratore (CAD), quali Pro/ENGINEER o AutoCAD. La convenzione adottata dalle teniche di RP di convertire I modelli CAD in immagini STL, è stata adottata in onore della stereolitografia (STL), che è stata la prima tecnica di RP. La conversione diel modello CAD in una strutture STL consiste nella rappresentazione della superficie tridimensionale come composta da triangoli planari, "come le sfaccettature di un gioiello dopo il taglio". Poiché tale codicia utlizza elementi planari, le superfici curve non possono essere rappresentate esattamente, per sopperire a ciò si aumentano il numero dei triangoli in modo da migliorare l'approssimazione 3

3. Un programma di pre-processing consente la preparazione del modello STL e la definizione della sua posizione e del suo orientamento. L'orientamento del modello è importante per parecchi motivi. In primo luogo, le proprietà dei prototipi variano in base alla coordinate, per esempio, i prototipi sono solitamente più deboli e meno esatti nel senso (verticale) di z che nello spazio x-y. Inoltre, l'orientamento determina il tempo richiesto per sviluppare il modello. Disponendo, infatti, la dimensione più corta nel senso delle z si riduce il numero di strati, quindi si riduce il tempo di configurazione. Il software di pre-processing affetta il modello STL in un certo numero di strati da 0,01 millimetri a 0,7 millimetri spesso, secondo la tecnica di configurazione. Il programma può anche generare una struttura ausiliaria per sostenere il modello durante la configurazione. I supporti sono utili per le parti fragili quali le sporgenze, le cavità interne e le sezioni con pareti sottili. 4. Realizzazione del prototipo. Utilizzando una delle tecniche di RP si sviluppa strato per strato il modello desiderato utilizzando o polimeri, o carta, o metallo in polvere. La maggior parte delle macchine sono ragionevolmente autonome, avendo bisogno di poco intervento umano. 5. Pulizia e rifinitura, detto anche post-processing. Tale fase prevede la rimozione del prototipo dalla macchina e l eliminazione dei supporti aggiuntivi. I prototipi possono anche richiedere il trattamento secondario della superficie, cioè la pulizia, la smeriglitatura, la sigillatura e/o la verniciatura. 1.3 Realizzazione geometrica del prototipo Il sistema di RP, oltre la macchina del SFF in sé include anche i suoi pre-funzionamenti, quale la preparazione dei dati della geometria da realizzare ed i suoi azionamenti come il trattamento, la rimozione e la pulizia del campione [11]. Il sistema di preparazione dei dati permette sia la rappresentazione geometrica del prototipo tramite approssimazioni successive con la tecnica dei triangoli, nonché il suo orientamento, lo scaling, la compensazione delle distorsioi e lo sviluppo di strutture di sostegno, in modo da ottenere uan serie di passi processuali continua e coordinata. Questo modello una volta preparato è usato per generare i segnali di controllo adatti al movimento delle parti meccaniche del dispostivo che guidano il processo fisico di montaggio [12]. Lo sviluppo del modello prevde cinque elementi, cioè: 1) la creazione dei dati; 2) il sistema di scambio dei dati; 4

3) la validazione e la modifica del modello; 4) la compensazione degli errori; 5) lo sviluppo delle strutture di sostegno. La creazione di dati utlizza una stazione di lavoro CAD, che affetta la struttura in modelli geometrici 2D validi, cioè strutture che includono un volume limitato e definito di spazio e che non prevedano la formazione di fori sulla superficie del campione Il modello è valido se per ogni punto nello spazio 3D il calcolatore può determinare unicamente se quel punto e la regione intorno ad esso si trovi all'interno o all esterno della superficie di contorno del modello. Il sistema di scambio dei dati varia a seconda del dispositivo che si utilizza, tuttavia i fornitori di sistemi CAD sono responsabili di fornire dei postprocessori CAD che traducono le loro rappresentazioni interne in un formato comune valido per ogni macchina [13]. La validazione del modello e la sua modifica, varia a seconda del sistema CAD utilizzato e consiste nella approssimazione più fedele della struttura da realizzare con geometrie semplici tipo triangoli, che a sua volta è espressa in una disposizione di dati specificata: STL. Purtroppo, questo funzionamento d'approssimazione, se non fatto precisamente, a volte introduce le anomalie geometriche indesiderabili, quali fori o parti di sovrapposizione nel contorno. Di conseguenza, la maggior parte delle macchine di SFF sono dotate di software per il controllo della validità del modello in ingresso. Se questo non è valido il processo riparte in modo da ottenere uno valido [14]. Dato un modello valido, vengono preparati tutti i funzionamenti della macchina in modo che il prototipo realizzato risponda alle specifiche dell'input. Per esempio, il modello deve essere orientato e regolato in modo da adattarsi al piano di lavoro della macchina. Per tale motivo la struttura può avere bisogno di essere alterata per compensare le anomalie fisiche introdotte durante il montaggio, quali il restringimento, la distorsione, l'arricciatura e la deformazione. La maggior parte della azione di compensazione oggi è per la maggior parte affidata all'intuizione dell'operatore, e maturata dopo una serie di prove e di errori [15]. Lo sviluppo di strutture di sostegno è necessario nei processi dove sono presenti delle sporgenze sia interne che esterne al prototipo. La creazione di supporti prevede anche la creazione di fori di scolo per l eliminazione del materiale stesso che compone il sostegno. Il software genralmente individua e genera automaticamente le strutture di sostegno, tentando di usare la minor quantità possibile di materiale. I processi basati su foglio o polvere usano il materiale non trattato circostante per supporto. Un buona progettazione delle strutture di supporto riduce di circa due terzi il costo della preparazione e del post-processing di dati. 5

Per ottenere il movimento necessario al controllo della traiettoria che guida il meccanismo reale di solidificazione, il modello geometrico preparato è affettato in strati dagli spessori diversi e le fette sono esplorate in modo da verificarne la consistenza strato per strato. Si stanno sviluppando anche strumenti che sfruttano la realtà virtuale per modificare il modello prima della sua realizzazione,il professor Fukuda dell'istituto di tecnologia di Tokyo sta sviluppando un sistema di realtà virtuale, dove la struttura una volta prodotta con un classico sistema CAD, viene vista e maneggiata virtualmente dal progettista e tramite un sistema di sensori se ne può non solo valutare la consistenza ma anche modificarla in modo da adattarla alle specifiche volute [16]. 1.4 Stereolitografia La Stereolitografia è stata brevettata nel1986, e si può dire che abbia dato inizio alla rivoluzione del RP [5,17,18]. La tecnica sviluppa i modelli tridimensionali partendo da polimeri fotosensibili liquidi che si solidificano una volta esposti a luce ultravioletta. Il modello è sviluppato su una piattaforma situata appena sotto la superficie in un contenitore pieno di resina liquida di acrilato o resina epossidica (fig.1). Un laser UV a bassa potenza e con alto potere focalizzante irradia il materiale fotosensibile secondo la geometria desiderata, permetto così la sua solidificazione e lasciando liquido quello non compreso all intreno della geometria. In seguito, un elevatore abbassa all interno del contenitore pieno di polimero liquido la piattaforma su cui è stato realizzato il primo strato della struttura e ripete la procedura su detta e permette la realizzazione del secondo strato[19,20,21]. Questo processo è ripetuto fino a che il prototipo non sia completo. In seguito, la parte solida è rimossa dal contenitore, è pulita e risciacquata del liquido eccedente. In seguito il prototipo è disposto in un forno ultravioletto per il trattamento completo. Poiché la stereolitografia è stata la prima tecnica, essa può essere presa come riferimento per valutare le altre tecnologie [22,23,24]. I fotopolimeri utilizzati sono relativamente viscosi, semplicemente abbassando il substrato di deposizione il liquido non ricopre uniformemente la superficie superiore. Un meccanismo di rivestimento quindi è richiesto per facilitare questo processo. Per esempio, una metodologia normalmente utilizzata è di abbassare il substrato di un tratto dz maggiore rispetto a quello previsto per il normale strato,in modo che il liquido interamente circoli sulla superficie superiore. Il substrato è poi riportato all'altezza voluta e poi un braccio su cui è montata una lamierina attraversa la superficie per livellare rapidamente il materiale viscoso eccedente [25,26]. 6

1 - Sorgente laser 2 Ottica 3 - Oggetto solidificato 4 - Fotopolimero liquido 5 - Supporto 6 - Piattaforma mobile Figura 1. Schema di principio del sistema di stereolitografia 1.5 Laminazione di membrane La laminazione di membrane è una metodologia sviluppata da Helisys di Torrance. Tale tecnica è basata sulla realizzazione del prototipo per adesione di strati successivi di fogli polimerici [27,28]. Il materiale originale consiste in carta laminata con colla attivata dal calore e avvolta su bobine (fig.2). Un meccanismo di feeder/collector permette l avanzamento del foglio di carta sopra la piattaforma di realizzazione, una volta steso il foglio, un rullo riscaldato applica la pressione per legare la carta alla base. Un laser poi taglia il profilo del primo strato secondo al geometria desiderata permettendo la rimozione delle parti in eccesso durante la fasze di post-processing. Durante la fase realizzativa, il materiale eccedente fornisce il supporto per le sporgenze e le sezioni a pareti sottili. Dopo che il primo strato è stato tagliato, la piattaforma viene abbassata ed altro foglio di carta è sovrapposto al primo strato. Il rullo lega il secondo strato al primo ed il laser taglia il secondo strato. Questo processo è ripetuto tante volte quanti sono gli strati che compongono il prototipo da realizzare. Poiché i modelli sono fatti di carta, devono essere sigillati e rifiniti con vernice per impedire i danni dell'umidità [29,30]. La Helisys ha sviluppato fogli in nuovi materiali, compreso plastica, carta idrorepellente, nastri di coperti da polvere metallica o ceramica [7]. Tali 7

nastri, ricoperti da polverne, vengono prima sinterizzati per ottenere una resistenza massima ed in seguito tagliati. A partire dal 2001, Helisys non è più sul mercato[31]. Ottica Laser Sistema di posizionamento X-Y Membrane tagliate Rullo di laminazione Pila di membrane Membrane Piattaforma Fig.2 Schema di principio della laminazione di membrane 1.6 Sinterizzazione Laser La sinterizzazione laser selettiva, sviluppata da Carl Deckard durante la sua tesi di master all'università del Texas è stata brevettata nel 1989 [32,33,34]. Questa tecnica usa un fascio laser per fondere selettivamente i materiali in polvere, quali nylon, elastomero e metallo, in un oggetto solido. Le parti sono sviluppate su una piattaforma che viene ricoperta dalla polvere del materiale di utilizzo (fig.3). Un laser segue il modello del primo strato, sinterizzando insieme i grani del materiale prescelto. La piattaforma, poi, è abbassata di un tratto dz ed un nuovo strato di polvere è riapplicata. Questo processo continua fino a che il prototipo non è completo. La polvere eccedente in ogni strato contribuisce a sostenere la parte durante la configurazione [35,36,37]. Le principali macchine di SLS sono prodotte da DTM di Austin, TX [8]. L'istituto per lo sviluppo di tecnologia da produzione di Fraunhofer (IPT) inoltre ha prodotto un'unità sperimentale di laser sintering per la sinterizzazione diretta del metallo. In questo sistema, uno strato di materiale metallico in polvere è sparso e livellato sopra la superficie di deposizione e 8

poi sugli strati successivi, mentre un laser a CO2 esplora selettivamente lo strato per fondere quelle zone definite dalla geometria della sezione trasversale. L'energia del laser inoltre fonde insieme gli strati. Il materiale non fuso rimane sul posto come la struttura di sostegno. Dopo che ogni strato sia depositato, una piattaforma dell'elevatore abbassa la parte dallo spessore dello strato e lo strato seguente di polvere è depositato. Quando la figura è completamente sviluppata, la parte è ripulita dalla polvere di sostegno e pornta per il suo uso [38]. Laser Sistema scanner Letto di polvere Sistema di rilascio della polvere Pistone di fabricazione Fig.3 Schema di principio del laser sintering 1.7 Fused Depostion Modelling La Fused Depositino Modelling permette di realizzare prototipi tramite l estruzione di filamenti termoplastici riscaldati da un augello movimentanto nel piano x-y (fig.4). Come un panettiere che decora una torta, la testa di tale sistema controlla l'estrusione dei filamenti di materiale sulla piattaforma di deposizione per formare il primo strato [39,40,41]. La piattaforma è posta ad una temperatura inferiore a quella della testina di estrusione in modo che il termoplastico si indurisca rapidamente. Una volta realizzato il primo strato, la piattaforma è abbassata di un tratto dz e la 9

testina di estrusione deposita il secondo strato. Il processo si ripete finchè il prototipo non è realizzato, a volte come materiale di supporto si ultizza un secondo materiale, rimovibile in un solvente in cui il primo non è solubile [42,43]. I materiali normalmente utilizzati i tale tecnica sono il policarbonato, il polifenilsulfonato o la cera. Filamento Rulli Testina FDM Riscaldatore Asse X-Y Ugello Piattaforma Asse z Fig.4 Schema di principio del fused deposition system 1.8 Solid Ground Curing Questa tecnica è molto simile al laser selective sintering, in quanto si usano sempre materiali fotosensibili e la luce ultravioletta, solo che mentre nella SLA lo strato è realizzato punto per punto, questa metodologia permette di realizzare un intero strato alla volta [44]. In pratica, la resina fotosensibile è spruzzata sulla base di realizzazione, in seguito tramite una maschera, stampata su una lastra di vetro, lo strato fotosensibile viene esposto alla luce UV, che polimerizza in un unico momento tutto il piano. Dopo ciò, viene spruzzato con altra resina liquida ed il processo viene ripetuto fino alla realizzazione complessiva del prototipo. I dispositvi di SGC sono distribuite negli USA da Cubital America Inc [45]. Tali dispositivi sono abbastanza grandi e servono per produrre per lo più prototipi dalle grandi dimensioni. 10

1.9 3D Ink-Jet Printing Col termine 3d Ink-Jet Printing ci si riferisce ad un intera gamma di teniche che impiegano la tecnologia del getto di inchiostro per la realizzazione di prototipi tridimensionali [45]. Il primo dispositivo basato su questa tecnica è stata sviluppata al MIT. le parti sono sviluppate su una piattaforma situata in uno scomparto in pieno del materiale della polvere. Il getto di inchiostro, che è in realtà un solvente del materiale che si utilizza per realizzare il prototipo, spruzzato sulla base di deposizione, dove è stata deposita la polvere di materiale fonde selettivamente la polvere nelle zone volute [46]. La polvere non legata rimane a sostenere il prototipo. Una volta realizzato il primo strato, la piattaforma viene abbassata, ed altra polvere viene aggiunta e livellata ed il processo è ripetuto. Una volta terminato il processo, la polvere non legata eccedente è eliminata. Gli spessori tipici di ogni strato sono dell'ordine di 0,1 millimetri. Questo processo è molto veloce, anche se i prototipi presentano uan superficie un po'granulare [47]. Esistono anche sistemi, che prevedono un allineamento lineare delle teste di stampa per produrre velocemente i modelli termoplastici. Se il prototipo è abbastanza piccolo, la testa di stampa può depositare un intero strato in un unico passaggio [48]. Altrimenti, la testa esegue parecchi passaggi. Il prototipo delle sabbiatrici di Wilton usa una tecnica differente del getto di inchiostro per la realizzazione del prototipo. Il modello prevede due testine, una che eroga il materiale termoplastico in cui si vuole realizzare il prototipo e l altra estrude cera, che serve a costituire i supporti della struttura. Dopo ogni strato, un utensile da taglio macina leviga la superficie superiore in modo da renderla uniforme. Tale dispositivo è utilizzato per lo più nell industria dei monili [49]. 1.10 Applicazioni del Rapid Prototyping Il RP è ampiamente utilizzato nelle industrie dei prodotti automobilistici, aerospaziali, medici e di consumo. La sua grande ricaduta commerciale è dovuta alla rapidità con cui si riescono a realizzare i prototipi sia a scopo di prova che di comunicazione. I prototipi migliorano drammaticamente la comunicazione perché la maggior parte della gente, compreso gli assistenti tecnici, trova gli oggetti tridimensionali più facili da capire rispetto alle illustrazioni bidimensionali [50]. Tali metodologie hanno in tal modo permettono inoltre di ridurre i tempi di progettazione con un notele risparmio economico. La comunicazione efficace è particolarmente importante in questa era dell ingegneria simultanea, infatti lo scambio dei prototipi ottenuti per RP, permette sia di definire meglio il 11

prodotto che di attivare anche fasi parallele di produzione, come la progettazione dell imballaggio e del marketing, che nel classico processo di sviluppo di un prodotto sono processi seriali [51,52] Il RP permette di attivare il processo di prova iterativa: cioè sviluppo un prototipo, verifica, riprogettazione, realizzazione di un nuovo prototipo, verifica e così via fino all ottenimento del prodotto desiderato. Un tal metodo impiegherebbe troppo tempo utilizzando le tradizionali tecnologie di lavorazione e risulterebbe spesso antieconomico. Oltre che essere veloci, i modelli di RP permettono di realizzare funzioni che i classici prototipi in metallo non possono sviluppare. Per esempio, la Porsche ha realizzato un prototipo trasparente tramite stereolitografia della trasmissione della GTI 911, per studiare visivamente il flusso dell'olio. In pratica tali metodologie oltre a fornire informazioni sulla realizzabilità del pezzo, permettono anche di vedere come esso funzioni realmente. Tali tecniche hanno permesso inoltre anche lo sviluppo di di strumenti sempre più precisi e sviluppati ad hoc. La lavorazione con utensili è uno dei punti più lenti e più costosi nel processo di manufacturing, a causa della qualità estremamente alta richiesta. Gli attrezzi hanno spesso geometrie complesse, tuttavia devono essere dimensionalmente esatti all'interno di un centesimo di un millimetro. In più, gli attrezzi devono essere duri, resistenti all'uso ed hanno rugosità di superficie molto bassa (circa 0,5 micrometri sradicano il quadrato medio). Per fare fronte a queste richieste, in genere occorre lavorare con strumenti a controllo numerico o lavorare per elterroerosione o a mano. Tutti questi porcessi sono costosi e che richiedeno tempo, per tale motivo ci si è indirizzati verso il RP, che portano ad u risparmio dei costi di produzione di circa il 75% [53]. Ovviamente l idea base è quella di sviluppare un Rapid Manufacturing (RM), cioè la produzione automatizzata dei prodotti vendibili direttamente dai dati CAD. Attualmente soltanto alcuni prodotti finali sono prodotti dalle macchine del RP, ma il loro numero aumenterà non appena la gamma dei materiali utilizzabili si espanderà. Tuttavia, la RM non potrà mai completamente sostituire le altre tecniche di fabbricazione, particolarmente nelle grandi produzioni, anche se essa non richiede la lavorazione con utensili. RM è inoltre ideale per produrre le parti su ordinazione adeguate alle specifiche dei clienti. Ad esempio, la NASA sta sperimentando le tecniche di RP per produrre i guanti della stazione orbitnate spaziale su misura per ogni astronauta [54]. 1.11 Le applicazioni mediche Il Rapid Prototyping sta avendo un grosso sviluppo anche nel settore biomedicale, basti pensare alla progettazione chirurgica ed alla lavorazione delle protesi [55,56]. 12

I sistemi di RP stanno assumendo anche un grande impatto nello sviluppo di microsistemi per il rilascio controllato dei farmaci. Tutto ha inizio negli anni 70, quando si diffonde un nuovo metodo di informazione medica basato sui raggi X, cioè l'esame tomografico o tomografia automatizzata (CT). Questa modalità differisce dai tradizionali raggi X in quanto le immagini sono prese non più da un piano fisso ma da un insiem di posizioni poste ad angoli diversi. Le informazioni raccolte da ogni sezione sono analizzate numericamente per ottenere la distribuzione spaziale delle densità dei raggi X all'interno dello spazio analizzato. Le informazioni ottenute da ogni sezione possono allora essere unite per fornire un'immagine volumetrica della struttura [57,58]. I dispositivi di CT permettono di ottenere immagini con una risoluzione di 512 x 512 elementi all'interno di uno stesso strato. Queste immagini possono allora essere composte in modo da ottenre una presentazione stereoscopica dell organo o del tessuto in esame e poiché già sequenza di strati possono essere passate ai macchinari di RP per la ricostruzione di parti o di interi organi in materiale biocompatibile su cui seminare le cellule e con questo rigenerare o riparare il sito biologico lesionato o malato [59,60]. Questa metodologia di lavoro ha, infatti, dato vita ad un nuovo settore della ricerca noto come Ingegneria Tissutale. 1.12 Sviluppi futuri Il RP sta cominciando a cambiare il modo in cui le aziende progettano e realizzano i prodotti. All'orizzonte, si intravedono parecchi sviluppi nel settore del RP, che contribuiranno a rivoluzionare il manufacturing come lo conosciamo attualmente. Il principale miglioramento è l aumento di velocità dei vari dispositivi di RP, che affiancati da calcolatori più veloci, da sistemi di controllo più complessi ed da materiali nuovi e migliori, permetteranno di ottenre prototipi o direttamnet prodotti finiti in tempi brevi. In tal modo riduzioni continue del tempo di ptotipizzazione renderanno il manufacturing veloce ed economico per una più ampia varietà di prodotti. Un altro sviluppo futuro è quello di ottenere una finitura delle superfici migliore, e questo si pensa avverrà grazie all ausilio di una migliore ottica di focalizzazione del laser e nel controllo dei motori di posizionamento delle testine e del substrato, portando ad un aumento di precisione nei tre assi. In più, le aziende di RP stanno sviluppando nuovi polimeri che saranno meno inclini alla distorsione indotta dalla temperatura,quali metalli, ceramica e composti. Quale sia il processo di RP migliore dipende dall'applicazione ed è una funzione di parecchi fattori e vincoli, compreso costo, velocità di costruzione, esattezza, condizioni di funzionamento e del tipo e delle proprietà dei materiali 13

[1] Prinz, F. B., ed. JTEC/WTEC panel report on rapid prototyping in Europe and Japan. Vol. II. Site reports. Baltimore, MD: Loyola College. NTIS Report #PB96-199583.1 [2] D.T. Pham, S.S. Dimov, K.L., Rapid manufacturing the technologies and applications of rapid prototyping and rapid tooling,, Springer-Verlag, 2001. ISBN: 1-85233-360 [3] Choi, S.H., Chan, A.M.M., A virtual prototyping system for rapid product development Computer-Aided Design, p. 401-412, Apr 2004 [4] Metal Powder Report Volume 59, Issue 2, p. 33-39, February 2004. [5] Paul F. Jacobs, Ph.D. Rapid prototyping & manufacturing: Fundementals of stereolithography, Dearborn, Mi: Society of manufacturing Engineers, Journal of Product Innovation Management, Volume 11, Issue 1, p. 91-92, January 1994. [6] http://www.3dsystems.com/ [7] http://www.helisys.com [8] http://www.dtm.com [9] http://www.stratasys.com [10] Aubin, Richard F., A world wide assessment of rapid prototyping technologies. In Proc., Solid Freeform Fabrication Symposium. Austin, TX. 1994. [11] D. Tudhope,, P. Beynon-Davies, H. Mackay, and R. Slack, Time and representational Devices in Rapid Application Development, Interacting with Computers,Volume 13, Issue 4, p.447-4661, April 2001. [12] Rosochowski, A., Matuszak, A., Rapid tooling: the state of the art, Journal of Materials Processing Technology, Journal of Materials Processing Technology, Volume 106, Issues 1-3, p.191-198, 31 October 2000. [13] Broek, J.J. / Horvath, I. / de Smit, B. / Lennings, A.F. / Rusak, Z. / Vergeest, J.S.M., Free-form thick layer object manufacturing technology for large-sized physical models, Automation in Construction, Volume 11, Issue 3, p. 335-347, Apr 2002. [14] Pham, D.T., Gault, R.S., A comparison of rapid prototyping technologies, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 38, Issues 10-11, p. 1257-1287,October 1998. [15] Cooling, J.E., Hughes, T.S., Animation prototyping of real-time embedded systems, Microprocessors and Microsystems, Volume 17, Issue 6, p. 315-324, Jan 1993. [16] Nomura, J., Sawada, K., Virtual reality technology and its industrial applications Control Engineering Practice, Volume 7, Issue 11, p. 1381-1394, November 1999. [17] You-Min Huang and Cho-Pei Jiang,On-line force monitoring of platform ascending rapid prototyping system, Journal of Materials Processing Technology, Volume 159, Issue 2, 30 January 2005, Pages 257-264 [18] J. Giannatsis, V. Dedoussis and L. Laios, A study of the build-time estimation problem for Stereolithography systems, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 17, Issue 4, August 2001, Pages 295-304 [19] H. Müller and J. Sladojevic, Rapid tooling approaches for small lot production of sheet-metal parts, Journal of Materials Processing Technology, Volume 115, Issue 1, 22 August 2001, Pages 97-103 14

[20] Y. G. Im, S. I. Chung, J. H. Son, Y. D. Jung, J. G. Jo and H. D. Jeong, Functional prototype development: inner visible multi-color prototype fabrication process using stereo lithography, Journal of Materials Processing Technology, Volumes 130-131, 20 December 2002, Pages 372-377 [21] A. Y. C. Nee, J. Y. H. Fuh and T. Miyazawa, On the improvement of the stereolithography (SL) process,journal of Materials Processing Technology, Volume 113, Issues 1-3, 15 June 2001, Pages 262-268 [22] B. Luan, M. Yeung, W. Wells and X. Liu, Chemical surface preparation for metallization of stereolithography polymers,applied Surface Science, Volume 156, Issues 1-4, 2 February 2000, Pages 26-38 [23] Jack G. Zhou, Daniel Herscovici and Calvin C. Chen, Parametric process optimization to improve the accuracy of rapid prototyped stereolithography parts, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 40, Issue 3, February 2000, Pages 363-379 [24] Hiroyuki Noguchi and Takeo Nakagawa, Manufacturing of high precision forming tool transferred from laser stereolithography models by powder casting method, Computers in Industry, Volume 39, Issue 1, June 1999, Pages 55-60 [25] S. Huang, M. I. Heywood, R. C. D. Young, M. Farsari and C. R. Chatwin, Systems control for a micro-stereolithography prototype, Microprocessors and Microsystems, Volume 22, Issue 2, 30 June 1998, Pages 67-77 [26] R. E. Williams, S. N. Komaragiri, V. L. Melton and R. R. Bishu, Investigation of the effect of various build methods on the performance of rapid prototyping (stereolithography), Journal of Materials Processing Technology, Volume 61, Issues 1-2, August 1996, Pages 173-178 [27] Guoxing Yu, Yucheng Ding, Dichen Li and Yiping Tang, A low cost cutter-based paper lamination rapid prototyping system,international Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 43, Issue 11, September 2003, Pages 1079-1086 [28] S. H. Lee, D. G. Ahn and D. Y. Yang, Surface reconstruction for mid-slice generation on variable lamination manufacturing,journal of Materials Processing Technology, Volumes 130-131, 20 December 2002, Pages 384-389 [29] D. G. Ahn, S. H. Lee and D. Y. Yang, Development of transfer type variable lamination manufacturing (VLM-) process,international Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 42, Issue 14, November 2002, Pages 1577-1587 [30] D. G. Ahn, S. H. Lee and D. Y. Yang, Investigation into thermal characteristics of linear hotwire cutting system for variable lamination manufacturing (VLM) process by using expandable polystyrene foam, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 42, Issue 4, March 2002, Pages 427-439 [31] T. Himmer, T. Nakagawa and M. Anzai, Lamination of metal sheets, Computers in Industry, Volume 39, Issue 1, June 1999, Pages 27-33 [32] J. C. Ferreira, Rapid tooling of die DMLS inserts for shoot-squeeze moulding (DISA) system, Journal of Materials Processing Technology, Volumes 155-156, 30 November 2004, Pages 1111-1117 [33] A. Simchi and H. Pohl, Direct laser sintering of iron graphite powder mixture, Materials Science and Engineering A, Volume 383, Issue 2, 15 October 2004, Pages 191-200 [34] A. Simchi, F. Petzoldt and H. Pohl, On the development of direct metal laser sintering for rapid tooling, Journal of Materials Processing Technology, Volume 141, Issue 3, 1 November 2003, Pages 319-328 [35] Y. Tang, H. T. Loh, Y. S. Wong, J. Y. H. Fuh, L. Lu and X. Wang, Direct laser sintering of a copper-based alloy for creating three-dimensional metal parts, Journal of Materials Processing Technology, Volume 140, Issues 1-3, 22 September 2003, Pages 368-372 [36] Kai Cai, Dong Guo, Yong Huang and Jinlong Yang, Solid freeform fabrication of alumina ceramic parts through a lost mould method, Journal of the European Ceramic Society, Volume 23, Issue 6, May 2003, Pages 921-925 15

[37] D. King and T. Tansey, Rapid tooling: selective laser sintering injection tooling, Journal of Materials Processing Technology, Volume 132, Issues 1-3, 10 January 2003, Pages 42-48 [38] Hiroyuki Noguchi and Takeo Nakagawa, Manufacturing of high precision forming tool transferred from laser stereolithography models by powder casting method, Computers in Industry, Volume 39, Issue 1, June 1999, Pages 55-60 [39] Weihong Zhong, Fan Li, Zuoguang Zhang, Lulu Song and Zhimin Li, Short fiber reinforced composites for fused deposition modeling,materials Science and Engineering A, Volume 301, Issue 2, 31 March 2001, Pages 125-130 [40] R. Anitha, S. Arunachalam and P. Radhakrishnan, Critical parameters influencing the quality of prototypes in fused deposition modelling, Journal of Materials Processing Technology, Volume 118, Issues 1-3, 3 December 2001, Pages 385-388 [41] Guohua Wu, Noshir A. Langrana, Rajendra Sadanji and Stephen Danforth, Solid freeform fabrication of metal components using fused deposition of metals, Materials & Design, Volume 23, Issue 1, February 2002, Pages 97-105 [42] Iwan Zein, Dietmar W. Hutmacher, Kim Cheng Tan and Swee Hin Teoh, Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications, Biomaterials, Volume 23, Issue 4, 15 February 2002, Pages 1169-1185 [43] P. M. Pandey, N. V. Reddy and S. G. Dhande, Real time adaptive slicing for fused deposition modelling, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 43, Issue 1, January 2003, Pages 61-71 [44] X. Zhang, B. Zhou, Y. Zeng and P. Gu, Model layout optimization for solid ground curing rapid prototyping processes,robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 18, Issue 1, February 2002, Pages 41-51 [45] http://www.cubital.com/ [46] Patrick Cooley, David Wallace and Bogdan Antohe, Applicatons of Ink-Jet Printing Technology to BioMEMS and Microfluidic Systems, Journal of the Association for Laboratory Automation, Volume 7, Issue 5, 1 October 2002, Pages 33-39 [47] R. Danzebrink and M. A. Aegerter, Deposition of micropatterned coating using an ink-jet technique,thin Solid Films, Volume 351, Issues 1-2, 30 August 1999, Pages 115-118 [48] D. Pede, G. Serra and D. De Rossi, Microfabrication of conducting polymer devices by ink-jet stereolithography, Materials Science and Engineering: C, Volume 5, Issues 3-4, February 1998, Pages 289-291 [49] JL Williams and M Macleod, Microcomputer-controlled instrumentation for ink-jet printing, Microprocessors and Microsystems, Volume 4, Issue 2, March 1980, Pages 43-48 [50] Yonghua Chen, Zhengyi Yang and Lili Lian, On the development of a haptic system for rapid product development, Computer-Aided Design, In Press, Corrected Proof, Available online 27 September 2004 [51] Jürgen Stampfl, Hao-Chih Liu, Seo Woo Nam, Katsuhiko Sakamoto, Hideaki Tsuru, Sangkyun Kang, Alexander G. Cooper, Alexander Nickel and Fritz B. Prinz, Rapid prototyping and manufacturing by gelcasting of metallic and ceramic slurries,materials Science and Engineering A, Volume 334, Issues 1-2, 1 September 2002, Pages 187-192 [52] M. Y. Yang and S. G. Ryu, Development of a composite suitable for rapid prototype machining, Journal of Materials Processing Technology, Volume 113, Issues 1-3, 15 June 2001, Pages 280-284 [53] Denis Cormier and James Taylor, A process for solvent welded rapid prototype tooling, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 17, Issues 1-2, February 2001, Pages 151-157 [54] J. W. Schultz and R. P. Chartoff, Photopolymerization of nematic liquid crystal monomers for structural applications: molecular order and orientation dynamics, Polymer, Volume 39, Issue 2, 1998, Pages 319-325 16

[55] Rüdiger Landers, Ute Hübner, Rainer Schmelzeisen and Rolf Mülhaupt, Rapid prototyping of scaffolds derived from thermoreversible hydrogels and tailored for applications in tissue engineering, Biomaterials, Volume 23, Issue 23, December 2002, Pages 4437-4447 [56] N. K. Vail, L. D. Swain, W. C. Fox, T. B. Aufdlemorte, G. Lee and J. W. Barlow, Materials for biomedical applications, Materials & Design, Volume 20, Issues 2-3, 1 June 1999, Pages 123-132 [57] Wei Sun and Pallavi Lal, Recent development on computer aided tissue engineering a review, Computer Methods and Programs in Biomedicine, Volume 67, Issue 2, February 2002, Pages 85-103 [58] R. Petzold, H. -F. Zeilhofer and W. A. Kalender, Rapid prototyping technology in medicine basics and applications, Computerized Medical Imaging and Graphics, Volume 23, Issue 5, September-October 1999, Pages 277-284 [59] E. Berry, J. M. Brown, M. Connell, C. M. Craven, N. D. Efford, A. Radjenovic and M. A. Smith, Preliminary experience with medical applications of rapid prototyping by selective laser sintering, Medical Engineering & Physics, Volume 19, Issue 1, January 1997, Pages 90-96 [60] R. E. Williams, S. N. Komaragiri, V. L. Melton and R. R. Bishu, Investigation of the effect of various build methods on the performance of rapid prototyping (stereolithography), Journal of Materials Processing Technology, Volume 61, Issues 1-2, August 1996, Pages 173-178 17