metodiche3D

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 2½-
dimensionali, 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].
Laser
Ottica
Sistema di
posizionamento X-Y
Membrane
tagliate
Rullo di laminazione
Membrane
Pila di 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].
Sistema scanner
Laser
Letto di
polvere
Pistone di
fabricazione
Sistema di
rilascio della
polvere
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
Riscaldatore
Testina
FDM
Asse X-Y
Ugello
Asse z
Piattaforma
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 11111117
[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