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Strumenti e sistemi di progettazione per la stampa 3D

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Nel 2006 è scaduto il brevetto della tecnologia FDM – Fused deposition modeling (Modellazione a deposizione fusa) per le stampanti 3D.
Nel febbraio 2014 è scaduto il brevetto della tecnologia di sinterizzazione, (Selective Laser Sintering o SLS)
Ora stanno arrivando le stampanti 3D SLS che sono più veloci e più precise.
"Italiani, scatenate la vostra creatività" Bre Pettis CEO di Makerbot

Dal mio intervento "Strumenti e sistemi di progettazione per la stampa 3D"
al SAIE Academy 2014 Bologna 25/10/2014
"Italians, unleash your creativity!" Bre Pettis CEO di Makerbot

Published in: Design
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Strumenti e sistemi di progettazione per la stampa 3D

  1. 1. Arch. Claudio Gasparini Strumenti e sistemi di progettazione per la stampa 3D 25 /10/2014 SAIE Academy - Bologna
  2. 2. Strumenti di disegno e progetto Nel passato è sempre esistita una stretta relazione fra i vari sistemi di rappresentazione ed il sistema costruttivo. In particolare fra il disegno, il progetto e l’oggetto prodotto. Nei Quattro libri sono indicate regole sistematiche del costruire ed esempi di progetti in cui le regole erano applicate. Andrea Palladio, I quattro libri dell’architettura, 1570, Fregi
  3. 3. Gli strumenti di disegno possono condizionare il progetto?
  4. 4. Compasso geometrico di Galileo Il compasso geometrico militare di Galileo è stato inventato a Padova nel 1597 e consentiva di effettuare operazioni aritmetiche e geometriche complesse per l’epoca.
  5. 5. Compasso geometrico di Galileo Il compasso geometrico militare, come lo chiamò Galilei, permetteva di compiere in modo più rapido e semplice complesse operazioni matematiche e geometriche per usi civili e militari. Col suo compasso si misuravano distanze, altezze, profondità e pendenze; si calcolava la balistica dei tiri d'artiglieria; si poteva ridisegnare una mappa con una scala diversa; si calcolavano cambi di monete e interessi.
  6. 6. Progettazione integrata Non ci sono piu' distinzioni fra disegno artistico, disegno tecnico, tavola costruita con i codici della Geometria descrittiva, disegno automatico, modello informatico e modello fisico. Sgabello Mezzadro, Achille e Pier Giacomo Castiglioni, 1957, prod. Zanotta
  7. 7. Tipologie di modellazione La modellazione 3D può rientrare in due tipologie: • Modellazione geometrica • Modellazione organica Tecniche di modellazione geometrica • Modellazione Procedurale (automatica e semi-automatica) • Modellazione Manuale • Da dati provenienti da modelli reali (scansione tridimensionale)
  8. 8. Tipologie di modellazione • Modellazione Solida - dove l'oggetto risultante è considerato come formato da un volume pieno. • Modellazione Volumetrica - determina delle entità generanti una superficie implicita. • Modellazione di superfici - l'oggetto in questo caso è determinato dalle sue superfici esterne.
  9. 9. Modellazione solida parametrica Uno dei principali vantaggi associati all’uso dei sistemi CAD è quello di poter costruire dei modelli con variabili (tipicamente dimensioni) che possono essere successivamente variate senza dover ricostruire l’intero modello
  10. 10. Modellazione NURBS La modellazione NURBS è una modellazione basata sulle curve che permette un controllo perfetto di quanto si va a creare. La tecnologia NURBS (Non Uniform Rational B-Splines - B-Spline razionali non uniformi) permette la creazione di curve e superfici definite accuratamente nella forma. SW: Rhino, Maya, Blender Pro: molto preciso, simulazioni e calcoli, prototipazione Applicazioni: settori del design, architettura, industria.
  11. 11. Modellazione Poligonale La modellazione poligonale genera superfici organizzate in maglie di facce poligonali con diversi livelli di dettaglio. Queste superfici di suddivisione possono solo approssimare l'oggetto finale se con un basso livello di poligoni (in questo caso caso l'oggetto viene detto Low Poly). SW: 3DS Max Pro: flessibile, adattabile Applicazioni: video giochi, Film e TV, video professionali, simulazione. Pixar, Lucas Film
  12. 12. Modellazione sculpting La modellazione sculpting si avvicina molto al procedimento della scultura con plastilina perché interattiva e graduale. SW: ZBrush, Blender, 123D Sculpt Pro: facile, plastico, approssimato. Non preciso Applicazioni: facce, corpi, sculture digitali
  13. 13. Modellazione procedurale La modellazione procedurale genera superfici mesh di facce poligonali con livelli di dettaglio variabili. Queste superfici di suddivisione possono approssimare l'oggetto finale con un basso livello di poligoni (Low-Poly) o alto (High-Poly). Procedural texturing: texture calcolata, es. legno SW: Blender, Pro: automatica, semi automatica, algoritmica, variabile Applicazioni: casualità, autosimiliarità, ripetizione elementi, frattali, terreni, simulatori fluidodinamici, vegetazione, capelli
  14. 14. Scansione 3D La scansione tridimensionale mediante strumenti. • Fotogrammetria - è un sistema abbastanza semplice e economico,[36] che permette di acquisire forme a basso dettaglio. Si utilizzano delle fotografie del soggetto prese da varie angolature ed il software ricostruisce il modello. • Sonda 3D a contatto (Tastatore) Usa un braccio meccanico snodato che va a "tastare" il modello negli incroci di una griglia segnata sulla sua superficie. • Scansione Laser: il laser scanner 3D fornisce le coordinate spaziali di una nuvola di punti appartenenti all'oggetto del rilievo.
  15. 15. Principi di corretta modellazione Quale software usare ? Sgabello per la mungitura, designer sconosciuto, produzione Italia
  16. 16. Principi di corretta modellazione Esiste • un Modello 3D corretto e • un Modello 3D non corretto nella progettazione? Teiera doppia per un tè a due. Doppia teiera del masochista.
  17. 17. Principi di corretta modellazione Si deve spostare l'attenzione dall'aspetto tecnico della modellazione all’analisi attenta del modello da realizzare. Teiera doppia per un tè a due. Doppia teiera del masochista. Il processo di modellazione deriva essenzialmente dalla tipologia del modello.
  18. 18. Principi di corretta modellazione Modello 3D da realizzare: SEDIA ▼ Tipologia di Modellazione: Solidi, Superfici e NURBS ▼ Utilizzo del Modello: Videogame Realtime Produzione stampa in Stereolitografia SISTEMA DI MODELLAZIONE Modellazione poligonale Low Poly SISTEMA DI MODELLAZIONE Modellazione NURBS SISTEMA DI MODELLAZIONE Modellazione poligonale + Scultura 3D + Conversione STL ▼ ▼ ▼ CARATTERISTICHE DEL MODELLO numero minimo di poligoni mesh molto leggera CARATTERISTICHE DEL MODELLO superficie ottimizzata per il calcolo CARATTERISTICHE DEL MODELLO altissimo numero di poligoni mesh molto pesante
  19. 19. Progettazione con CATIA Progettato con CATIA di Dassault Systémes programma di progettazione nato in ambiente aerospaziale ed applicato soprattutto nei settori meccanici e automotive. Frank O. Gehry, Museo Guggenheim, Bilbao, 1997
  20. 20. Progettazione con CATIA Attribuito al movimento del decostruttivismo, quest’opera di Frank Gehry è definita "senza geometria" ( senza geometria euclidea) per la mancanza di strutture e particolari architettonici sempre presenti nella storia dell’arte. Frank O. Gehry, Museo Guggenheim, Bilbao, 1997
  21. 21. Courtesy AIA/ CRC Progettazione BIM con Revit Progetto integrato in tutti gli aspetti costruttivi, dalla tipologia, ai calcoli fino al rendering finale nel costruito reale.
  22. 22. Progettazione con Alias Autodesk Visualizzazione interattiva, Alias Autodesk
  23. 23. Progettazione con Rhino Superficie generata con Rhino e Grasshopper (parametrico)
  24. 24. Storia della stampa 3D
  25. 25. Nel 1983 Chuck Hull stava sperimentando dei rivestimenti per superfici a contatto con raggi ultravioletti Storia della stampa 3D Chuck Hull.inventore della stampa 3D e presidente di 3D Systems Usando una classe di materiali definiti fotopolimeri riuscì a solidificare degli strati attraverso il processo di stereolitografia Ha brevettato il processo nel marzo 1986 con il titolo: “Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography”
  26. 26. Brevetti scaduti “E’ la scadenza dei brevetti che fa muovere il mondo” Confucio Nel 2006 (20 anni dopo) è scaduto il brevetto di FDM – Fused deposition modeling (Modellazione a deposizione fusa ) Nel febbraio 2014 è scaduto il brevetto della tecnica della sinterizzazione, (Selective Laser Sintering o SLS) Come successo con le stampanti FDM, ora c’è da aspettarsi un grande impulso nella produzione di stampanti SLS.
  27. 27. Le sfide della stampa 3D Chuck Hull inventore della stampa 3D “La grande sfida di questa tecnologia è stato quello di stimolare la creatività e trasformarla in progettazione e produzione. A livello individuale penso ci sia una sorta di grande necessità repressa: nell'era del computer tutto è visibile solo su uno schermo o in rete e col tempo abbiamo perso il senso del risultato tangibile. La stampa 3D permette di convertire i modelli virtuali in oggetti fisici in un maniera molto semplice.” Intervista di Chuck Hull alla CNN nel 2014
  28. 28. Tecnologia della stampa 3D La Stampa 3D è una tecnologia additiva cioè aggiunge il materiale con procedimenti differenti , mentre la tecnologia sottrattiva è tipica delle macchine utensili. Storicamente definita anche prototipazione rapida è indirizzata alla creazione di prototipi cioè “primo elemento di una serie” Le funzioni di un prototipo possono essere: concettuali, funzionali, tecnici, preserie, valutativi, prestazionali, usabilità.
  29. 29. Tecnologie SLA, SLS, DMSL • Stereolitografia (SLA o fusione selettiva) • Selective Laser Sintering (SLS) • Direct Metal Laser Sintering (DMSL) e Direct Metal Printing (DMP) SLA: il materiale è un fotopolimero liquido SLS: il materiale è una resina in polvere. DMSL: il materiale di lavorazione è una polvere metallica http://bulatov.org/metal/index.html
  30. 30. Fused Deposition Modeling - FDM Fused Deposition Modeling – FDM La Modellazione a deposizione fusa fu sviluppata da S. Scott Crump alla fine anni ‘80 e fu commercializzata da Stratasys fondata dallo stesso Crump.
  31. 31. Laminated Object Manufacturing LOM Laminated Object Manufacturing – LOM La tecnologia LOM riguarda la produzione di oggetti laminati mediante il taglio di fogli di carta o di materiale plastico (es. PVC) per slices cioè sovrapponendo diversi strati tagliati dal soft.ware 1 Rullo alimentazione. 2 Rullo riscaldato 3 Raggio Laser 4. Prisma di scansione 5 Laser 6 Layers 7 Carrello 8 Scarti
  32. 32. Dal modello CAD al modello STL Il modello CAD viene creato da un sistema CAD ed esportato nel formato STL (Standard Triangulation Language) che converte il modello in mesh (rete) triangolare di intensità variabile. Da solido a mesh. Il file STL può essere ottimizzato o corretto per la stampa 3D (approssimato).
  33. 33. Dal modello CAD al modello STL STL deve essere processato per generare i supporti e per essere ottimizzato rispetto anche della risoluzione della stampante. Slicing: sezionamento del file secondo la tipologia della stampante. Il modello viene scomposto layer-by-layer per passare le istruzioni alòla stampante.
  34. 34. Il file STL generato da sistemi CAD può contenere degli errori che possono compromettere la realizzazione fisica. Inoltre il modello STL prima di essere processato deve contenere i supporti e una orientazione ottimale. Programmi per il controllo dei file STL: • MiniMagics versione gratuita di Magics di Materialise • Meshmixer app gratuita della suite 123D di Autodesk • MeshLab programma OpenSource sviluppato dall’Università di Pisa CNR che utilizza il sistema di mesh processing per sviluppare e modificare modelli 3D, e quindi ottimizzare anche i file STL per la stampa. • Netfabb utilizzato anche Microsoft 3D Model Repair service per la verifica di file STL Come correggere un STL
  35. 35. In Meshmixer di Autodesk la funzione Analysis / Inspector visualizza in un modello le mesh non chiuse e quelle interrotte oppure le superfici non-manifold. Permette quindi di fare una correzione automatica. Come correggere un STL
  36. 36. Come produrre un file di stampa Ogni stampante utilizza un set di istruzioni per la realizzazione fisica del modello. In genere questo codice è proprietario e viene fornito con la stampante. Il formato G-code è stato sviluppato al MIT agli inizi degli anno ’50 ed è un linguaggio standard ISO 6983 e DIN Nato per pilotare le macchine a controllo numerico CNC è stato implementato anche per le stampanti 3D Programmi che generano G-code: Slic3r: software nato per le stampanti RepRap e scritto da Alessamdro Ranellucci Skeinforge: scritto in Pyton per le RepRap Cura: distribuito dal produttore delle stampanti Ultimaker è molto utilizzato dai makers.
  37. 37. Ambienti e aggregatori Alcuni programmi, che possiamo definire aggregatori, offrono in un unico ambiente molte funzioni forniti da vari programmi di stampa. Citiamo i principali: • PrintRun: è una collezione di strumenti che permettono di produrre il G-code generato da Slic3r e inviarlo alla stampante. E' stato il primo di questa categoria. • ReplicatorG : viene fornito con le stampanti Makerbot ma viene utilizzato anche su altri tipi di stampanti. • Repetier-Host: fornisce un’interfaccia molto intuitiva con una vasta gamma di opzioni di stampa.
  38. 38. Struttura del file G-code Esempio di codice G-Code ; intestazione e settaggi ; generated by Slic3r 1.0.1 on 2014-10-03 at 12:46:31; QUALITA' BASSA; layer_height = 0.3; perimeters = 3; top_solid_layers = 6; bottom_solid_layers = 3; fill_density = 0.1; perimeter_speed = 90; infill_speed = 90; travel_speed = 150; nozzle_diameter = 0.4; filament_diameter = 2.90; extrusion_multiplier = 0.90; perimeters extrusion width = 0.40mm; infill extrusion width = 0.42mm; solid infill extrusion width = 0.39mm; top infill extrusion width = 0.36mm; support material extrusion width = 0.40mm; first layer extrusion width = 0.45mmG21 ; set units to millimetersM107M190 S110 ; wait for bed temperature to be reachedM104 S230 ; set temperatureG28 ; posizione home su tutti gli assiG1 Z5 F5000 ; alza l'estrusore a 5mmM109 S230 ; wait for temperature to be reachedG90 ; use absolute coordinatesG92 E0M82 ; use absolute distances for extrusionG1 F1200.000 E-1.00000G92 E0G1 Z0.300 F9000.000G1 X46.041 Y61.418 F9000.000G1 E1.00000 F1200.000G1 X47.111 Y60.208 E1.02900 F1800G1 X48.721 Y58.578 E1.07014G1 X50.491 Y57.138 ; seguono le coordinate geometriche X,Y E1.11111G1 X51.851 Y56.188 E1.14090G1 X53.931 Y54.828 …
  39. 39. Alcune regole per la stampa 3D • Cerca di otimizzare lo spazio. Il tempo non è tutto uguale. • crea un corretto numero di poligoni • Less is More • cerca di risparmiare materiale e tempo Claudio Gasparini, Tazzine nubili • crea superfici con uno spessore maggiore di 0.5 mm • tutte le facce devono essere chiuse e le normali corrette • crea spigoli che non siano in condivisione con molti altri
  40. 40. Italian, unleash your creativity Intervista a Bre Pettis CEO di Makerbot produttore di stampanti 3D http://youtu.be/V_SSktcb680
  41. 41. Italian, unleash your creativity In che modo questa tecnologia può essere utile all’Italia? Gli artigiani e i designer sono una parte essenziale dell’identità italiana. Molti giovani talenti italiani realizzano qualcosa e cercano un’azienda che produca le loro idee. Ma non sarà questo il futuro. Bisogna creare un’azienda sulle proprie idee e oggi non è mai stato così facile, anche perché si può andare su un sito di crowdfunding per trovare le risorse. Nei prossimi anni sarà sempre più diffuso un nuovo modello: creare il proprio prodotto e andare direttamente sul mercato.
  42. 42. Italian, unleash your creativity Gartner's 2013 Hype Cycle for Emerging Technologies Maps
  43. 43. Progetto provocatorio di stampante 3D per stampare cibo in paesi del Terzo mondo. Le materie prime sono alla base del processo che si attiva con la scelta del tipo di utente: neonato, bambino, anziano e malato. Il cibo viene stampato nella forma tipica del luogo con i principi nutritivi corretti. Stampante 3D del cibo
  44. 44. Progettazione collaborativa 3D Printed Community Recycle Bins – www.urbanhubs.co Esempio di progettazione collaborativa internazionale
  45. 45. Opera d’arte collettiva di makers
  46. 46. Opera d’arte collettiva di makers
  47. 47. Grazie per l’attenzione Claudio Gasparini claudio.gasparini@cad-tutor.com www.cad-tutor.com/gasparini

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