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Le tecniche di Rapid Prototyping
Prima di parlare di prototipazione rapida è opportuno ricordare che
per prototipo si intende il primo elemento di una serie.
Durante la fase di sviluppo di un prodotto vengono realizzate le seguenti
tipologie di prototipi:
- concettuali
- funzionali
- tecnici
- preserie
Gli obiettivi di ciascuna tipologia di prototipo sono ovviamente differenti,
così come il materiale e la metodologia impiegati per la sua costruzione.
La tecnologia tradizionale della fabbricazione dei prototipi è affidata
ai modellisti che, sulla base delle indicazioni di grafici e progettisti,
li realizzano con operazioni soprattutto manuali. Costi e tempi di questa
operazione stanno diventando incompatibili con le esigenze delle aziende
di ridurre drasticamente i tempi di immissione di nuovi prodotti sul mercato.
E’ quindi diventato imperativo lo sviluppo di una nuova tecnica che permetta
la compressione dei tempi e dei costi per la fabbricazione dei prototipi,
avendo come punto di partenza il modello matematico dell’oggetto da realizzare:
la prototipazione rapida. Questa filosofia innovativa rende possibile
la produzione, in poche ore e senza l’uso di utensili, di oggetti di geometria
comunque complessa, direttamente dal modello matematico dell’oggetto realizzato
su di un sistema CAD tridimensionale.
Con il termine Rapid Prototyping si intende un insieme di processi che realizzano modelli e componenti per addizione di materiale layer by layer a partire da un modello matematico tridimensionale. Diversamente da tutte le macchine tradizionali, che funzionano per sottrazione successiva di materiale da un blocco nel quale è contenuta la forma che si vuole ricavare, i sistemi di RP fabbricano strati successivi di materiali costituiti di volta in volta da liquidi, polveri, fili o laminati. Strato dopo strato, queste macchine ricostruiscono l'oggetto che rappresenta il modello matematico di partenza. Per questa ragione tale tecnologia produttiva è anche nota come Layer Manufacturing.
Le fasi del processo di Rapid Prototyping
Il prototipo deve essere disegnato al CAD utilizzando un modellatore tridimensionale solido o superficiale. Soprattutto nel caso dei modellatori superficiali, bisogna porre particolare attenzione alla chiusura e alla connessione di tutte le superfici, onde evitare che siano presenti gap o sovrapposizioni che vadano a inficiare il risultato del lavoro di modellazione.
Successivamente, il modello CAD viene elaborato in un formato compatibile con il software di gestione della macchina RP. Lo standard grafico attualmente accettato da tutti i costruttori è l'STL (solid to layer), introdotto dalla società 3D Systems. Tale formato prevede la tassellizzazione (o mesh) delle superfici interna ed esterna del pezzo attraverso elementi triangolari. L'approssimazione di superfici curve attraverso facce triangolari introduce inevitabilmente un errore, valutato misurando la distanza tra il baricentro del triangolo e la superficie originaria. E' possibile infittire il numero dei triangoli in presenza di una superficie curva del modello per raggiungere l'approssimazione richiesta.
L'STL è un formato molto banale e ridondante, nel quale sono indicati per ogni triangolo le tre coordinate spaziali dei tre vertici ed i tre coseni direttori della normale esterna alla superficie così definita.
La triangolarizzazione dovrebbe essere sempre effettuata all'interno dell'ambiente CAD: quando questo non è possibile (per la mancanza nel sistema del modulo di salvataggio in formato STL) è necessario utilizzare dei formati di interscambio (quali IGES, VDA o altri) e convertire il file in STL con dei CAD o dei convertitori software creati appositamente per questo scopo. È necessario ridurre al minimo questi passaggi intermedi, per evitare il deterioramento della "matematica" del modello e la necessità di riparare i files STL in uscita per la presenza di superfici non connesse o con incoerenze, che non possono essere trattate da un sistema RP.
Spesso, però, può capitare che anche senza utilizzo di formati di dati intermedi, il file STL creato sia di scarsa qualità o comunque debba essere "riparato": è quindi necessario che la workstation dedicata al RP sia equipaggiata con software adeguato.
Il file STL viene poi elaborato dalla macchina per le successive fasi di orientamento del pezzo, generazione dei supporti e slicing. La prima fase consente di selezionare la direzione di "crescita" ottimale del prodotto, che influenza notevolmente precisione dimensionale, finitura superficiale e tempi e costi di produzione. La seconda fase è necessaria per alcune tecniche, per sostenere eventuali parti a sbalzo. Il file deve poi subire una ulteriore elaborazione, ovvero deve essere sezionato con una serie di piani ortogonali alla direzione di "crescita", per ottenere le coordinate del contorno di ciascuna sezione.
Lo slicing è un'operazione critica, perché condiziona in modo determinante la precisione del prototipo. Può essere uniforme, dando origine a strati di spessore costante, oppure adattativo ed in tal caso lo spessore verrà scelto in funzione della curvatura superficiale, per limitare al massimo l'aspetto a gradini della superficie esterna (effetto staircase). In questo secondo caso, quindi, la precisione del modello è sostanzialmente migliore, senza aver appesantimenti del file inviato al sistema di prototipazione. Le sezioni, che vengono costruite in successione dalla macchina RP, hanno spessori che variano da 0.05 a 0.5 mm, in dipendenza dalla tecnologia utilizzata.
Una volta ultimate queste operazioni preliminari, il prototipo viene generato dalla macchina, gli eventuali supporti vengono rimossi e il pezzo viene finito manualmente e, in certi casi, sottoposto a post-trattamenti per migliorarne le caratteristiche.
