Concept Project Robot

Dipartimento di Arti Visive

Corso di Grafica T.S. Prof. Federico Martino Tesi in Tecniche di modellazione digitale al computer 3D

“Concept project robot�

Progettazione di un giocattolo in stampa digitale 3d

Candidato

Leandro Calculli

Relatore

Prof. Fabio Lanzillotta

Anno accademico 2013/2014

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Indice

Cos’è una stampante 3d e come nasce p.5 1.

2.

3.

4.

5.

6.

Il dispositivo Open source e Open hardware Cenni storici Come è fatta Usi Materiali

Dal bozzetto alla terza dimensione 1. L’idea di partenza 2. Lo studio dei movimenti 3. Acquisizione multimediale dei componenti 4. Il supporto del vettoriale 5. La questione dei materiali 6. I software utilizzabili 7. Modelli 3d dal web 8. La terza dimensione 9. L’idea del busto e degli occhi 10. Dal busto al resto del corpo

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p.31

Processi di stampa e tecniche

p.53

1. Prototipazione rapida 2. Stl 3. Slicing 4. G-code 5. Stampanti utilizzate 6. Tecniche 7. Prove sperimetali 8. Risultato finale 9. Problemi frequenti 10.Trattamenti post-stampa Conclusioni Bibliografia Sitografia Ringraziamenti

p.76 p.77 p.78 p.79

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Premessa Questo progetto è partito con l’idea di sviluppare una tesi sul concept di un giocattolo, partendo ovviamente dal bozzetto per arrivare alla stampa vera e propria.

Dato che il settore della stampa 3d è ancora poco conosciuto ho pensato di ripercorrere innanzitutto le fasi della realizzazione del robot, e di inserire in queste pagine delle nozioni fondamentali descritte in maniera tale da rendere di facile comprensione il processo anche a chi si sta affacciando o si vuole affacciare a questo mondo, in continuo sviluppo.

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Cos’è una stampante 3d e come nasce

All’interno di questo capitolo andrò in breve a documentare le mie scoperte sul dispositivo che intendo utilizzare e su come è nato.

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Primo articolo sulla stampa 3d

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1. Il dispositivo Come per il computer, la naturale evoluzione tecnologica, ha rivoluzionato anche il settore della stampa.

Il tutto è nato dalla necessità delle aziende di sviluppare prototipi in maniera più economica e semplice per questo è stato sviluppato un dispositivo denominato stampante 3d che è in grado di rendere reale l’oggetto precedentemente modellato al computer.

La prima stampante 3d

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2. Open source e Open hardware Il concetto di Open source è fondamentale da affrontare in questo contesto semplicemente perché la maggior parte dei programmi utili alla conversione, apertura e configurazione dei nostri file fa parte di questa filosofia di scrittura.

Un software che possa definirsi open source deve avere una caratteristica fondamentale quale la possibilità di distribuire in maniera “aperta” quindi in libera condivisione, il codice sorgente dello stesso.

Il software diventerà quindi di dominio pubblico grazie a due tipi di licenze che lo definiscono in base a diversi livelli di libertà d’uso che l’utente finale potrà avere, esse sono la GNU e la Creative Commons.

Un esempio di GNU (General Public License) tra i più famosi è il sistema operativo Linux al quale, è possibile apportare delle modifiche, rispettando però delle minime restrizioni derivanti dagli accordi di licenza sottoscritti nel momento del download.

La CC, invece, riguarda prevalentemente opere come, articoli, siti web ecc. ed è, seppur flessibile, vincolata da delle condizioni tra l’autore originale, e chi invece intende acquisirne delle parti o il tutto, che obbligano quest’ultimo a citarne la fonte o limitarne in parte la distribuzione e/o la modifica.

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Scrivania di Linux

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Con Open Hardware intendo riferirmi a tutti quei componenti che, avendo le stesse caratteristiche riguardo la distribuzione e la modifica dei software Open Source, possono far parte dei nostri dispositivi come ad esempio Arduino.

I componenti definiti “Open” possono subire delle modifiche a patto che queste possano contribuire allo sviluppo e alla condivisione della tecnologia che gli informatici e gli utenti stanno sviluppando.

Un pratico esempio di Open Hardware può essere Arduino, in altre parole una scheda sviluppata presso l’Interactive Design Institute di Ivrea, in Italia quindi, da un team di cinque ingegneri ed è composta di diversi circuiti sottoposti ad un microcontrollore, che permettono una reazione ad ogni ingresso proposto dall’utente. In breve è una scheda di controllo che permette una supervisione ed una reazione a diversi stimoli di natura informatica ed elettronica.

Arduino Uno

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3. Cenni storici Dovendo documentare il progresso tecnologico avvenuto nell’ultimo ventennio non si può non notare come il processo di stampa 3d abbia influenzato positivamente un ampia gamma di settori che, giorno dopo giorno, va ampliandosi ed è grazie a questa cronostoria che proverò a documentare le tappe fondamentali di questa rivoluzione, tutt’ora in corso.

1984-Charles Hull sviluppa la prima tecnologia che ha permesso la stampa 3d di un oggetto a partire da un file digitale 1986-La tecnica appena inventata assume il nome di stereolitografia e viene brevettata.

Nello stesso anno Hull fa partire 3d systems, progetto grazie al quale viene sviluppata la prima stampante 3d industriale.

1988-Scott Crump inventa la tecnologia Fused Deposition Modeling (FDM).

1989-Un anno dopo lo stesso Crump fonda Stratasys.

1991-La Stratasys distribuisce la prima stampante basata sul metodo “FDM”.

1992-Viene sviluppato dalla DTM il metodo SLS ovvero selective laser sintering, processo tramite il quale un laser va a solidificare cera liquida per ottenere la forma desiderata dall’utente.

1993-Il MIT (Massachusetts Institute of Technology) brevetta il metodo di stampa denominato 3DP, processo di stampa simile a quello usato dalle stampanti 2d a getto d’inchiostro.

1995- La Z corporation ottiene l’esclusivo brevetto dal MIT per iniziare a produrre stampanti basate ovviamente sul metodo 3DP. 11

1996- Le tre principali aziende produttrici nate finora distribuiscono sul mercato i modelli di punta come la “Genisys” della Stratasys o la “Z402” della Z corporation.

2006-Nasce RepRap progetto rivoluzionario partito dalle idee di Adrian Bowyer che ha come caratteristica principale quella di essere Open Source, tipo di licenza che ha permesso anche l’effettiva riproducibilità e distribuzione degli stessi componenti della stampante in maniera più semplice e libera.

2009-Adam Mayer, Bre Pettis e Zack Smith fondano MakerBot Industries progetto che, sulla scia di Rep Rap si propone di portare, a prezzi abbordabili, la stampante 3d in tutte le case.

2011- Ricercatori della Cornell University inziano a costruire la prima stampante alimentare 3d.

2012- Anno importante perché, mentre la MakerBot cerca di produrre e vendere una stampante completamente assemblata, nascono su Kickstarter progetti sempre più all’avanguardia in grado quindi di creare nuova concorrenza e competizione.

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2014- Nasce Filaflex, progetto che mira a creare la prima scarpa stampata in 3d.

PubblicitĂ del progetto Filaflex

La USS Essex, la prima nave equipaggiata di una stampante 3d per la ripro duzione veloce di componenti di ricambio.

La USS Essex

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4. Come è fatta A primo impatto ciò che stupisce i profani è proprio la sproporzione fra la versatilità d’uso e quantità di componentistica.

Accennerò in questo capitolo alla composizione dei principali dispositivi di stampa usando delle immagini, che purtroppo in italiano è attualmente difficile reperire, che credo possano esemplificare la mia spiegazione.

Stampanti con tecnica FDM Nella Tecnica FDM (acronimo di Fused deposition modeling) il dispositivo è composto, come si può intuire dall’immagine che segue, da un ugello/estrusore che, depositando materiale semiliquido che può essere Pla (plastico) o Abs (resinoso) su di un piatto riscaldato (definito “print bed”, ovvero “letto di stampa” ) da forma al nostro modello.

Esempio Illustrato della tecnica FDM

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Stampanti con tecnica laser In questo caso abbiamo un ugello che, invece di depositare liquido deposita polvere, che, grazie ad un laser che si trova sulla parte superiore del dispositivo, compatta il tutto dando forma al nostro oggetto.

Esempio illustrato del processo laser

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Stereolitografia Anche in questa tecnica, che successivamente andrò ad approfondire, è presente un laser che, diversamente dalla tecnica precedente, va a solidificare della resina liquida dando forma all’oggetto 3d (che inizialmente è sommerso interamente in una vasca di resina) con l’aiuto del piatto che si eleva gradualmente facendo assumere al materiale la forma desiderata.

Esempio illustrato della stereolitografia

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5. Usi Come tutte le tecnologie anche la stampa 3d è in continua evoluzione tanto da rendere impossibile una stima sulle future applicazioni ad oggi soltanto approssimativa.

Spaziale: Amaze.

Progetto partito dall’Esa (Agenzia Spaziale Europea) con l’intento di ridurre i costi di produzione e di ricercare nuovi metodi e tecniche che possano coadiuvare la produzione di nuovi metalli.

Anteprima del progetto amaze

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Domestico: Rep Rap e Makerbot È stato, ed è tutt’ora, il progetto che ha permesso lo sviluppo e la distribuzione in proporzione maggiore, e per primo, di componenti necessari all’assemblaggio di una stampante 3d avvantaggiandosi di un brevetto Gnu (General Public License), ovvero Open Source.

Esempio di stampante RepRap

Un altro progetto degno di nota è sicuramente quello intrapreso dalla Makerbot Industries che ha sviluppato una stampante denominata thing o matic in grado di essere assemblata dall’utente/cliente grazie ad un kit che la stessa Makerbot distribuisce.

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Makerbot thing o matic

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Edilizio:Contour Crafting e D-shape.

Contour Crafting è una nuova tecnica edilizia inventata dal Dr.Behrokh Khoshnevis (University of Southern California’s Information Sciences Institute) il quale, ridestinandone l’uso, ha sfruttato una stampante in grado di generare con rapidità materiale edilizio diretta da una gru e da un computer per ricostruire, o costruire da zero , abitazioni tramite il rilascio, grazie ad una presa rapida strato dopo strato di sabbia e materiale inorganico che solidificandosi da origine al progetto inizialmente sviluppato al computer.

Tutto questo processo però è realizzabile solo grazie all’idea di un italiano, Enrico Dini, il quale, tramite la sua invenzione rivoluzionaria denominata D-shape, ovvero, una stampante in grado di rilasciare sostanze riciclabili che, solidificandosi, possono dare origine ad una struttura in scala 1:1, completamente ecocompatibile, che riuscirà a dare un grosso contributo alle ricostruzioni, specialmente dopo disastri naturali come terremoti o alluvioni.

Contour Crafting

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Medicale:Settore in continua evoluzione.

Fino ad oggi abbiamo ottenuto in campo medico, grazie ad una tecnologia in fase di evoluzione e sviluppo qual’ è quella della stampa 3d, un grosso contributo, infatti possiamo documentare sino ad oggi un trapianto di cranio avvenuto in Olanda dove si è utilizzata una calotta cranica interamente stampata in resina, e una prima ricostruzione 3d di un cuore ad un bambino di soli 14 anni, soluzioni impensabili prima dell’avvento di questa nuova tecnica rivoluzionaria. Si sta pian piano sviluppando in campo medico una rete di progresso riguardante lo sviluppo e la riproduzione in 3d di organi umani necessari per trapianti e operazioni di emergenza.

In Connecticut, grazie al Oxford Performance Materials, un uomo statunitense ha ricevuto l’impianto di una protesi artificiale che ha rimpiazzato ben il 75 per cento del proprio cranio. Prima, la testa è stata scansionata per poi sfornare la protesi su misura. E non è un caso singolo: la tecnica è già stata battezzata (e approvata dalle autorità competenti Usa) OsteoFab Patient Specific Cranial Device.*

Esempio di applicazione medicale

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Artistico ed informatico Laika utilizza il 3d printing nei suoi film di animazione Laika è oggi considerato uno dei più importanti studi di animazioni e non solo perchè sono i migliori nella tecnica dello stop motion.

Lo studio americano con base in Oregon è riuscito nel corso degli anni ad affinare le proprie tecniche e prodotti grazie all’’utilizzo delle più recenti tecnologie.

Lo stop motion è quella tecncia di animazione che consiste nel ricreare fisicamente scenari e personaggi utilizzando plastilina ed altri metriali. Una volta ricreata la scena questa viene fotografata. Mettendo in sequenza tutte le foto scattate si animano i personaggi, un pò come avviene per i cartoni animati tradizionali.

Oggi la Laika intergra questa tecnica di animazioni con sistemi di computer grafica e, più recentemente con il 3d printing. Durante la realizzazione di The Boxtrolls sono state utilizzate anche le stampanti 3D per realizzare le scene da fotografare.

Sono state utilizzare delle stampanti a 5 colori per ricreare i volti dei personaggi permettendo di ridurre i tempi di realizzazione. Integrare il 3d printing nel workflow del progetto non è stato semplice ed immediato, trovare la stampante ed i materiali giusti ha richiesto impegno e sacrificio che però, visti i risultati, sta ripagando gli animatori. Nessun dettaglio è stato sacrificato e la resa finale è sempre di altissimo livello.*

Scena tratta dal film “the boxtroll”

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Scena tratta dal film “the boxtroll”

Adobe aggiunge nuove funzionalità per la stampa 3D in Photoshop CC Adobe ha annunciato il supporto per la stampa 3D a gennaio per consentire agli utenti di creare e modificare i disegni per la stampa 3D. I nuovi aggiornamenti rappresentano la terza serie di nuove ed avanzate funzioni per la stampa 3D in Photoshop negli ultimi 6 mesi. Questa ultima versione estende il supporto per le nuove stampanti 3D e servizi di stampa 3D, amplia la gamma di formati di file che possono essere letti e scritti, e offre aggiornamenti che aggiungono efficienza al vostro flusso di lavoro.

“Il nostro obiettivo è quello di aiutarvi a prendere le vostre idee di progettazione 3D al livello successivo, e portarli nel mondo fisico”, dice la società nel post del blog.

Le nuove caratteristiche includono più opzioni per la stampa 3D: •Il supporto per la stampante desktop MakerBot Replicator 5th Generation e servizio di stampa 3D DMM.com •Il supporto per altri formati di file, tra cui 3D VRML, U3D, PLY, e IGES •Pittura 3D semplificata, permette di dipingere i tuoi modelli 3D in modo più semplice e veloce •Possibilità di combinare facilmente più processi di stampa in un unico letto di stampa Aggiungere profondità e consistenza alle superfici più facilmente con le mappe normali e bump maps fatte da immagini. Ottieni anteprime più precise e maggiore fedeltà di riparazione mesh.* 23

Cibo La stampante 3D per il cioccolato Quante volte avresti voluto decorare la tua torta con una bella scritta di cioccolato ma la vostra scarsa manualità non ve l’ha permesso? A noi è successo più di qualche volta purtroppo, ma ora il problema sembra essere risolto.

La Choc Creator Version 1, la nuova stampante 3D della Choc Edge, permette di stampare con la cioccolata. Questa nuova versione è disponibile per 90 persone ad un prezzo di circa 3,500 $. Purtroppo il prezzo della stampante è destinato a salire a 4.500$ dopo queste prime 90 unità.

Stando al sito del produttore la macchina usa delle siringhe che possono essere riempite di cioccolato di differenti varietà un modo da ottenere decorazioni davvero uniche.

Choc creator v1

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6. Materiali Nel progettare bisogna definire la scelta del materiale di cui l’oggetto deve essere composto per un’ adeguata destinazione d’uso. Se ne deduce che, colui che stampa, deve essere a conoscenza della composizione fisico-chimica e strutturale del materiale che va ad utilizzare.

Pla Il Pla, ovvero acido polilattico, è un polimero di origine naturale, completamente riciclabile e biodegradabile, nonché uno dei materiali che la stampante 3d (o meglio l’estrusore) sarà in grado di convertire da solido a liquido per permettere poi all’oggetto desiderato di prendere forma strato dopo strato.

Derivante dalla fermentazione del destrosio (zucchero naturale), ed ovviamente naturale al 100%, si ottiene da piante di mais o barbabietola e viene solitamente fornito (come materiale di stampa) sotto forma di bobine avvolte di filamenti che vanno dai 1,75 ai 3 mm di diametro che nel processo denominato “a filamento fuso” si liquefano e vanno poi a solidificarsi nuovamente grazie all’aiuto del piatto riscaldato che può andare dai 195 ai 230 gradi.

Come si comporta il Pla* Preferito da molti rispetto all’Abs, anche se è più fragile, si rammollisce a temperature anche di soli 60 gradi e pertanto non può essere usato per creare parti meccaniche soggette ad una certa usura e al riscaldamento.

Rispetto all’Abs è più “green” e non emette quasi alcun odore durante la stampa.

*Manuale d’uso- Sharebot Next Generation-2013

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Esempio risultato stampa in pla

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Abs L’Abs o acrilonitrile-butadiene-stirene è un polimero termoplastico considerato come plastica durevole per usi ingegneristici. Ha un basso grado di assorbimento di umidità ed è facilmente stampabile per iniziezione ed estrusione.

Come si comporta l’Abs* Resiste a temperature elevate prima di ammorbidirsi e quindi perdere la sua resistenza meccanica e stabilità dimensionale, ma come difetto ha una temperatura di stampa elevata, di 240 o più gradi centigradi e durante il raffreddamento si riduce apprezzabilmente, portando spesso alla deformazione dei primi strati stampati e al conseguente distacco dal piatto di stampa.

Esempio filamento in abs

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Hdpe Hdpe o high density polyethylene, è come dice la stessa definizione, un polimero termoplastico (o meglio polietilene ad alta densità), usato raramente per la stampa per via della difficoltà che può portare in fase di estrusione.

Temperatura di stampa che varia tra i 225 e i 230 gradi.

Pc Il Pc o policarbonato è una plastica durevole che garantisce un elevato grado di prestazioni, soprattutto per via della sua resistenza alle alte temperature, utilizzato prevalentemente in ambito industriale con macchine Stratasys, ed ultimamente usato come materiale per stampanti domestiche con l’intento, da parte dei produttori, di ridurre i costi e migliorare la qualità.

Pc-Abs Miscelando il policarbonato con l’abs, si possono ottenere prodotti con la resistenza del primo e la flessibilità dei secondo.

Pva Pva o polyvinyl alcohol. Materiale plastico utilizzato specialmente per la stampa di supporti. Avendo però un alto grado di assorbimento di acqua viene raramente scelto per la stampa in ambienti particolarmente umidi.

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Metalli In questo caso il vero e proprio materiale non è altro che polvere. Andremo infatti ad affrontare ,successivamente in maniera più approfondita, due metodi di stampa. Il primo si basa su uno spargimento, sul piatto di stampa, di strati di polvere d’acciaio che, grazie ad un legante, vanno a solidificarsi e ad unirsi l’uno con l’altro. Il secondo invece si avvale di un laser, o di fascio di elettroni, per unire gli strati in questo caso di polvere di titanio.

Polvere di metallo

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Pellet Di più recente formulazione è la soluzione elaborata dal progetto denominato Sculpify, grazie al quale è stata proposta una soluzione di stampa che potrebbe far risparmiare molto denaro, proponendo infatti, la stampa tramite grumi di materiale non raffinati definiti grossolanamente pellet, che permettono la realizzazione di oggetti molto flessibili e gommosi investendo un terzo della spesa che saremmo costretti ad affrontare utilizzando i soliti materiali.

Ceramica La tecnica di stampa in ceramica è una delle possibili soluzioni esistenti sul mercato, primi a svilupparla sono stati gli studenti del progetto WASP che ha sede in italia e che, oltre alla ceramica, sviluppa e ricerca di continuo nuove tecniche di stampa e fresatura dei metalli.

Cibo Stentereste a crederci ma non è un errore, la stampante 3d ad oggi è in grado anche di stampare cibo, come ad esempio il cioccolato, tanto da attirare l’attenzione addirittura della Nasa che vorrebbe utilizzare questi metodi ultimamente sviluppati per “stampare” letteralmente del cibo nello spazio.

Cemento Come accennato in precedenza, grazie a delle stampanti di grosse dimensioni, il progetto D-shape sviluppato dall’italiano Enrico Dini , ci renderà in grado di ottenere dei muri in cemento semplificando cosi il lavoro delle imprese edili.

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Dal bozzetto alla terza dimensione

In questo capitolo introduttivo descriverò le fasi che mi hanno portato dall’idea all’effettiva realizzazione del modello sviluppato in maniera tale da poter essere stampato ed assemblato con molta semplicità.

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1. L’idea di partenza

Bozzetto iniziale creato con Photoshop

Alla base della mia ricerca progettuale c’è stato l’obiettivo di delineare, tramite delle forme minimali, un personaggio, poi sviluppato come robot, che potesse risultare assemblabile grazie a dei meccanismi e degli ingranaggi che possono permettere anche un leggero movimento al giocattolo in questione. La scelta di dare al robot delle forme semplici è partita, anche grazie al supporto del professore, dalla possibilità di distribuire e quindi vendere il prodotto finale e di attirare l’attenzione e la simpatia dei bambini.

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2. Lo studio dei movimenti Per poter comprendere come le grandi aziende produttrici di giocattoli riescono a dare ai loro modelli diverse possibilitĂ di movimento, sono andato letteralmente a studiare tutti gli ingranaggi smontando ogni singola parte del giocattolo.

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3. Acquisizione multimediale dei componenti Dopo averne capito il meccanismo ho convertito, tramite delle scannerizzazioni, ogni singolo componente in immagine.

Ho potuto quindi procedere al disegno del mio robot, usando come sfondo l’immagine appena trasferita, avvalendomi dell’utilizzo di programmi, che utilizzando dei file vettoriali riescono a generare delle forme di alta qualità (caratteristica comune del vettoriale), tipo Adobe Illustrator.

Interfaccia di Adobe Illustrator

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Concept

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4. Il supporto del vettoriale

Software come Illustrator offrono al modellatore un supporto fondamentale per garantire maggiore precisione, rispetto anche ad altri software simili, quando egli deve andare a preparare le diverse prospettive del modello da sviluppare poi in programmi 3d.

Grazie quindi al fondamentale supporto del software da me menzionato sono andato a determinare la visione “side” (laterale o di profilo) e la visione “front” (frontale) del robot, molto utili quando poi, come andremo a vedere in seguito, si passa alla definizione della terza dimensione.

Definite le forme principali, non mi è restato altro che scegliere la colorazione da dare al personaggio tenendo conto, sia delle caratteristiche del materiale con cui sarebbe stato stampato, sia della tonalità che esso poteva assumere.

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ROBOT FRONT AND SIDE

Robot vettoriale,vista di profilo e frontale colorato

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INGRANAGGI

Progetto ingranaggi in vettoriale

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5. La questione dei materiali Uno dei primi problemi da affrontare in sede di sperimentazione, come nel mio caso, è quello di scegliere il materiale e provare in fase preliminare a tenere in considerazione i diversi comportamenti, come ad esempio quello che può assumere il materiale scelto sottoposto a determinate temperature.

Ma questo è un fattore che andrò ad approfondire nel capitolo riguardante ogni singolo materiale e le sue caratteristiche.

Esempio di materiali

6. I software utilizzabili Sono presenti sul mercato diversi software in grado di soddisfare le nostre esigenze riguardo la stampa 3d, bisogna soltanto precisare alcune differenze da comprendere prima di affrontare la fase della modellazione vera e propria.

Qualora dovessero chiedermi quali siano questi programmi e che funzioni abbiano, ma soprattutto, quali consiglierei di utilizzare per realizzare e stampare oggetti come il mio, senza dubbio andrei a descrivere loro Autodesk Maya.

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Interfaccia di Maya con robot in diverse prospettive

Interfaccia di Maya

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Interfaccia di 3ds Max 1

Interfaccia di 3ds Max 2

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La scelta è ricaduta su questo programma semplicemente perché fa parte delle poche soluzioni esistenti in grado di garantire dei risultati professionali, almeno secondo il mio modesto parere.

Certo sarebbe da ipocriti non considerare che esistano programmi e soluzioni simili, vedi 3ds Max, che può essere utilizzato al pari di Maya per modellare, ma che in più ha al suo interno un plug-in che supporta e verifica i modelli nella fase della prestampa e che ha la funzione di esportazione direttamente in .stl (formato di stampa supportato dalla maggior parte delle stampanti, argomento che approfondirò nel capitolo dedicato ai formati).

Interfaccia di brush Interfaccia di Zbrush

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Collega, anzi direi dipendente per usare un eufemismo di Zbrush è Sculptris che offre la possibilità, in proporzioni ridotte perché molto meno costoso rispetto al fratello maggiore, di scolpire e di definire nei dettagli il nostro modello e di ottenere comunque, ma con molti meno strumenti, un risultato funzionale al nostro scopo.

Questi che in breve ho introdotto sono programmi indicati per la modellazione organica, ma se dovessi descrivere dei software con cui si possa lavorare a una modellazione di tipo solido –parametrica di certo andrei a parlare, in prima istanza, di Autodesk Autocad che offre grosse possibilità a professionisti di diversi settori come architetti e/o modellatori di qualsiasi genere di ottenere dei risultati più che soddisfacenti in fase di stampa.

Interfaccia di Sculptris

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Modellando con Autocad si possono ottenere dei formati di tipo CAD (Computer-Aided Design) che nel campo della computer grafica vengono utilizzati soprattutto per progetti di tipo ingegneristico, di strutture architettoniche, di oggetti di design e componenti meccanici per uso industriale.

Cosi come per Maya anche Autocad ha le sue alternative per chi non può permettersi a volte di acquistare licenze e pacchetti o per chi si affaccia per la prima volta a questo settore e non ha intenzione di sborsare discrete somme di denaro, dipende tutto fondamentalmente dalle esigenze di ogni utente.

Sarebbe dunque inutile aggiungere che, dopo aver analizzato diverse soluzioni, in questo campo di sviluppo spuntano giorno dopo giorno nuovi programmi e app per modellare e stampare ed è quindi mio dovere documentare quantomeno la maggior parte delle possibilità per chiunque avesse una minima intenzione, da profano, di affrontare questo fantastico mondo.

Interfaccia di Autocad 2014

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Andrò quindi a descrivere le possibili alternative: SketchUp

software elaborato da Google, open source, caratterizzato da un utilizzo molto semplice ma da una risoluzione molto bassa in fase di rendering.

Supportato da una vasta comunitĂ di utenti e da una discreta quantitĂ di tutorial per apprenderne le tecniche di base.

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FreeCad

molto meno conosciuto rispetto ad Autocad, come si può facilmente intuire dal nome, si tratta dell’alternativa gratuita al sopracitato e piÚ conosciuto programma di modellazione. Disponibile per i tre principali sistemi operativi (Windows/Mac/Linux) e gode di un discreto supporto on-line.

Autodesk 123D Design

disponibile anche per tablet, ricco di funzioni e molto facile da utilizzare.

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7. Modelli 3d dal web Per chi invece non desidera modellare o non possiede le giuste competenze e capacità, come in molti altri campi, c’è il mondo di internet che offre innumerevoli soluzioni.

Mi sembra dunque il caso di offrire ulteriori nozioni al lettore, che non ritiene opportuno modellare ma che desidera comunque stampare, sulle utili fonti via web per scaricare modelli già pronti per essere stampati, con la caratteristica non poco rilevante di essere, per la maggior parte dei casi, gratuiti.

Ecco di seguito un elenco con le relative caratteristiche dei più frequentati siti web offerto da un manuale denominato “stampa 3d di basso costo” che meglio di me saprà documentare ogni dettaglio: -Thingiverse: repository utilizzato dalla maggior parte degli appassionati della stampa 3D di basso costo per ottenere e condividere le proprie creazioni. Offre più di 50.000 modelli 3D generati dagli utenti, per lo più progettati per la stampa 3D, ma a volte anche per il taglio laser o altre tecniche di lavorazione più tradizionali. Tutti i contenuti possono essere scaricati liberamente e la maggior parte di essi possono essere stampati facilmente.

-Autodesk 123D: un sito web con molti oggetti che è possibile scaricare gratuitamente dopo la registrazione. I file sono già in formato STL. -3D CAD browser: risorsa di scambio online di modelli 3D per grafici CGI e per ingegneri CAD / CAM / CAE. Sono presenti molti modelli di automobili, animali, architettura e altro ancora. Come sempre, dopo la registrazione è possibile il download gratuito in molti formati diversi.

-GrabCAD: Per scaricare i file da questo enorme sito web non c’è bisogno di registrarsi. Ci sono molti oggetti digitali 3D di tipo diverso: dai piccoli dadi e bulloni alle macchine da corsa complete, con migliaia di parti meccaniche perfettamente progettate. In realtà, solo una piccola parte dei modelli potrebbero essere stampati in formato 3D: infatti, si tratta per la maggior parte di meravigliosi e complessi esercizi di rendering 3D fotorealistico.

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-Shapeways: Sito che offre molti disegni meravigliosi caricati dagli utenti, ma quasi nulla è gratuito. Per scaricare alcuni dei modelli è possibile pagare o chiedere semplicemente a Shapeways di stamparli in plastica o metallo (alluminio, ottone, acciaio, oro o argento placcato) e di spedirli a voi ad un prezzo ragionevole, con la garanzia di un risultato perfetto.

-3D warehouse: Il repository di SketchUp, con centinaia di modelli di oggetti di tutti i tipi. Per trovare quelli stampabili, occorre però eseguire la ricerca con attenzione.

-3D via: Un piccolo repository di modelli 3D, dov’è possibile scaricare gratuitamente dopo la registrazione.

8. La terza dimensione Terminato il processo in fase bidimensionale ed affrontate e superate tutte le precedenti tappe, gli step successivi richiedono una preventiva conoscenza di base del mondo della modellazione tridimensionale e della stampa che ne può derivare.

Per definire delle forme che possano risultare funzionali ai movimenti che voglio ottenere, devo comprendere innanzitutto che non tutti i progetti possono rispecchiare quello che ho modellato sul mio pc, per il semplice motivo che il dispositivo di stampa 3d non consente ad oggi la corretta riproduzione fisica di modelli con parti sospese nel vuoto superiori ai 45 gradi e che, qualora siano presenti nel mio oggetto degli spazi vuoti o forme che non rispecchiano i parametri di base della stampa, potrei rischiare di rimanere deluso dai risultati e di incorrere in spese inutili.

Valutate tutte queste condizioni, sono passato alla fase di modellazione partendo innanzitutto con l’inserimento dell’immagine in diverse prospettive, sullo sfondo del software 3d, precedentemente creata in vettoriale.

Per una questione di proporzioni ho deciso di costruire sin dal principio il modello nella sua totalità per poi all’occorrenza suddividerlo e ottenere le singole parti che andranno a formare gli ingranaggi necessari al successivo assemblaggio.

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Con una base adeguata sulla forma da realizzare ho inserito nella mia scena un solido di base tra i tanti disponibili sul programma denominato “polygon primitive” (es. cubo, sfera, etc.).

Tra le diverse opzioni ho scelto il piano (denominato “plane” su maya) impostandolo con meno suddivisioni di quelle che invece il programma propone, per rendere più comodo l’inizio della modellazione.

Un altro utile accorgimento che ho usato è stato quello di iniziare con il modellare la prima metà del modello per poi, successivamente, riprodurre la stessa geometria semplicemente “specchiandola” dalla parte opposta, comando denominato mirror geometry che più avanti in questo testo tornerà e che quindi mi toccherà approfondire in seguito.

A partire dalla metà del busto dunque ho iniziato a seguire un percorso logico da dare alle facce in modo tale da poter inserire gli ingranaggi concavi ai quali sarebbero dovute corrispondere delle forme molto simili, ma convesse, originate dalle spalle del mio robot simili a dei cilindri leggermente arrotondati per permettere il minimo movimento grazie agli scatti che avrebbero dovuto permettere gli ingranaggi studiati a tavolino.

Componenti Wireframe

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Robot intero

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9. L’idea degli occhi

Esempio degli occhi

Durante la fase di modellazione, pensavo a cosa potesse dare al mio modello un tocco di originalità, rispettando sempre però le forme corrette per la stampa, e mi è venuto in mente di creare degli occhi che leggermente bombati, con l’aiuto delle sfere, avessero avuto la possibilità di venir all’occorrenza sostituiti con altri , di altre forme.

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10. Dal busto al resto del corpo

Robot intero

Finito il lavoro di fusione, ho notato come le forme modellate fossero troppo poco definite per questo ho pensato di dare loro una smussatura per ogni componente usando il tasto “3� per ottenere un anteprima e successivamente, dopo aver soddisfatto le mie aspettative, una conversione finale,dalla forma che vedevo in anteprima, allo smooth convertito e completo.

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Processi di stampa e tecniche

Nel capitolo che segue andrò a esporre le ultime fasi della stampa, dopo aver eseguito una necessaria spiegazione preliminare sulla tecnologia in uso e su come quest’ultima lavora.

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1. Prototipazione rapida Arrivato a questo punto, dopo aver scelto il materiale tra quelli disponibili (nel mio caso il Pla), non mi è restato che affrontare il problema della scelta di una tecnica da utilizzare e di come convertire il mio file, modellato in maya, in un formato stampabile.

Affrontando il discorso sulle tecniche mi sono imbattuto, leggendo diversi manuali, nella prototipazione rapida.

Questa è una tecnica che rende possibile la rapida riproduzione di un file, anche di geometria complessa, a partire dal modello matematico precedentemente realizzato con sistemi, prevalentemente di tipo .cad.

2. Stl Il punto di partenza necessario alla stampa 3d è la modellazione di un file virtuale che definisca la geometria di un oggetto, denominato comunemente modello 3d. Il formato (più utilizzato) del suddetto file deve essere Stl (Solid to Layer o Stereolithography) ovvero una rappresentazione triangolare di una geometria superficiale 3d. Perché possa avvenire un processo corretto di stampa, bisogna sempre controllare le direzioni delle “normali” della forma appena modellata ovvero la corretta posizione delle facce del modello che dovrebbero trovarsi verso l’esterno.

Anteprima della testa del robot in formato .stl

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Anteprima del busto del robot in formato .stl

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Anteprima del robot in formato .stl

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Sono quindi le facce a determinare la superficie di tale oggetto per questo è sempre opportuno tenere sotto controllo dei fattori che adesso andrò ad affrontare: -La direzione (come accennato prima) corretta delle normali che deve essere verso l’esterno della forma del nostro modello 3d. Problema facile da affrontare con i moderni programmi di modellazione che possiedono di default la funzione “inverti normali” le quali, in caso di direzione errata, verranno evidenziate di un colore diverso rispetto a quello del materiale di base del modello.

-La condivisione dei vertici: ogni triangolo deve condividere due vertici con i triangoli adiacenti, come dimostrato nell’esempio che segue:

scorretto

corretto

-Le facce che si intersecano: è un tipo di errore molto comune dato da algoritmi operatori solidi booleani di bassa qualità, usati per generare l’stl.

Bisogna infine cercare di creare delle forme che non siano in alcun modo “discontinue” per far in modo che la stampante non compia degli errori nel momento in cui deve andare a dar forma al nostro modello reale, per discontinuo si intende senza buchi e/o vertici non fusi tra loro in maniera corretta.

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Per cercare di risolvere questi piccoli problemi sono nati ultimamente dei software che ovviamente si dedicheranno all’individuazione dei difetti della nostra forma 3d per non rischiare di incorrere in investimenti e costi inutili derivanti da stampe non eseguite in maniera corretta.

Un ultimo consiglio utile, in sede di modellazione, potrebbe essere quello di non dare un riempimento, quando possibile, ai nostri modelli semplicemente perché, andando a stampare oggetti “pieni” si rischia una spesa maggiore per il materiale.

3. Slicing Una volta terminato con soddisfazione il processo di modellazione è necessario trasmettere alla stampante delle istruzioni, tramite dei software adeguati, che andrò di seguito a descrivere.

La funzione di questi software non è altro che di “divisione in livelli orizzontali” dei file (in formato stl) appena modellati, processo che viene comunemente definito “slicing”.

Cura Semplice da utilizzare ma offre meno possibilità, rispetto ad altri software simili, in termini di modifica dei parametri di stampa.

Repetier host Consente un posizionamento adeguato del file modellato sul piatto di stampa e garantisce un buon processo di slicing. Compatibile con quasi tutti i firmware, disponibile per tutti i sistemi operativi.

Slic3r Si tratta di un software open source di facile utilizzo, si avvale di un forum di supporto sul sito del progetto RepRap. Software scritto da un italiano, Alessandro Ranellucci.

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Replicator g Usato dalla maggior parte dei produttori di stampanti 3d, anch’esso open source e disponibile per tutti i sistemi operativi.

Printrun Pacchetto caratterizzato, a differenza dei precedenti software qui descritti, da una composizione grafica molto poco elaborata e da una semplice linea di codice. Composto da una serie di programmi e disponibile per sistemi Windows, Linux e Mac. Skeinforge Scritto in python, consente la conversione di modelli in g-code, ma risulta disponibile solo per Linux.

Interfaccia Repetier host

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4. G-code Il risultato ultimo del processo di “slicing” consiste nella generazione automatica di un file di testo denominato g-code. Questo file contiene tutte le istruzioni sul movimento che l’ugello addetto alla stampa deve compiere per generare fisicamente il modello 3d.

La trasmissione di tali istruzioni alla stampante può avvenire tramite due modalità, il collegamento diretto, via usb, tra computer e dispositivo stampante o tramite una scheda sd che, inserita nell’apposito lettore di schede (delle stampanti che lo posseggono), darà senza l’utilizzo del pc , le necessarie istruzioni sul movimento da compiere.

Risulta superfluo quindi aggiungere che, l’ugello , lavorando come si è detto in precedenza su tre assi diverse (x,y,z) va a compiere dei movimenti predeterminati dal g-code.

Se lo si esplora attentamente, si possono notare determinate caratteristiche che andremo qui, in breve, a documentare tramite degli esempi.

Il g-code si presenta così G1 f 1650 G2 x 80.7 y 45.5 e 33.8 f 4000 G3 x 75.4 y 44.8 i 5 j 20 e 35 G=ordine dei livelli da stampare. f= avanzamento in mm per minuto/ velocità della testina di stampa. x,y,z= assi lungo le quali l’ugello dovrà muoversi. e= rappresenta la lunghezza del filamento da estrudere.

I e j= distanza dal punto centrale.

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5. Stampanti utilizzate Dopo aver ottenuto le istruzioni di stampa ho avuto la possibilitĂ di decidere quale dispositivo utilizzare tra i due a mia disposizione (che hanno ovviamente delle diverse caratteristiche).

3Ddrag

Stampante 3d drag

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La 3d drag è una stampante appartenente alla categoria Rep Rap infatti, come si può notare dall’immagine della pagina precedente, ha dei componenti che sono stati stampati direttamente dallo stesso dispositivo.

Ha un piatto riscaldato, e può stampare filamenti di materiale che vanno da 1mm ai 3mm di spessore.

Con questa stampante non è possibile, a meno che non venga integrata con altri componenti, stampare direttamente da un micro sd, sarà necessario quindi collegarla al nostro computer per dare il via al processo.

Dettaglio Ugello e piatto della 3d drag

In questo caso la stampante stava lavorando alla produzione del busto del robot, di colore bianco, che avendo gli ingranaggi delle gambe nella parte inferiore, è stato sviluppato con dei supporti (appositamente creati dal software di slicing) che si possono facilmente notare nella parte inferiore dell’oggetto bianco che stavo andando a creare nella precedente immagine.

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La Witbox

Stampante Witbox

La Witbox è un dispositivo prodotto in Spagna caratterizzato dalla forma “a cabina” (come si può notare dall’immagine) e dalla possibiltà di accesso, quando non è in funzione, tramite degli sportellini presenti sui lati (tra i quattro quello frontale è richiudibile grazie ad una chiave).

Cè anche un pratico schermino che indica la percentuale di completamento della stampa, il tempo trascorso e altre funzioni necessarie alle stampa come ad esempio il riscaldamento dell’ugello.

Diversamente dalla 3d drag ha la possibilità di stampa tramite micro sd, che in questo modello, è inseribile tramite un apposita fessura posta dietro lo schermino a led.

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Un altra grossa differenza è la mancanza in quest’ultimo dispositivo, del piatto riscaldato, che può essere un vantaggio come uno svantaggio per l’utente.

Riesce a garantire però, rispetto al dispositivo illustrato prima, maggiore qualità di stampa.

Dettaglio Witbox

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6. Tecniche Tra le tecniche maggiormente utilizzate ho dovuto effettuare una prima classificazione in base allo stato originario dei materiali. Quindi ho pensato di suddividerle in polveri, sostanze liquide e solide.

Polvere -Selective laser sintering Questo metodo viene sviluppato, come tutti i metodi con logica additiva, attraverso la lavorazione, strato dopo strato, di polveri che attraverso l’utilizzo di un laser, diretto da dei processi computerizzati, va a fondere “selettivamente” i polimeri per dare origine al modello.

Esempio della tecnica SLS

-Direct metal laser sintering Stesso metodo utilizzato dalla sls, l’unica differenza riguarda il materiale utilizzato, in questo caso polvere di metallo. Si possono realizzare oggetti in titanio, alluminio, acciaio e acciaio inossidabile. Garantisce un alto grado di precisione, per questo motivo viene utilizzata anche nel settore dell’oreficeria.

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-Selective laser melting Questa tecnica non si differenzia molto dalla sls ad esclusione di due punti fondamentali ovvero, l’utilizzo di un laser molto più potente e la fusione del materiale che avviene nella sua totalità, senza quindi alcun processo di sinterizzazione.

-Electron beam melting Tecnica molto funzionale ed utilizzabile in diversi campi di sviluppo in quanto utilizza dei fasci di elettroni di elevatissima potenza per fondere polveri molto resistenti quali, ad esempio, quelle di titanio. Tutto questo processo può avvenire esclusivamente in ambienti tenuti “sottovuoto” per evitare eventuali reazioni indesiderate dei materiali. Il metodo è stato inventato da un’azienda svedese l’Arcam e viene utilizzato per produrre soprattutto protesi ad alta resistenza adatte ad un utilizzo in campo medico.

Liquido Stampa a getto -Multi jet modeling Trattasi di un processo molto simile a quello delle classiche stampanti a getto di inchiostro. Abbiamo quindi una testina che, contenendo resina termoplastica, si muove inizialmente sulle assi x e y depositando materiale su una piattaforma che, abbassandosi gradualmente, favorisce la formazione strato dopo strato, del nostro modello 3d.

Il principale svantaggio riguarda il basso livello di resistenza che la resina utilizzata possiede ma si possono comunque ottenere dei modelli di un grado elevato di dettaglio.

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-Drop on demand Consiste nel depositare il materiale termoplastico di colore verde per il modello, e una cera di tonalità rossastra per la realizzazione dei supporti.

Caratterizzato dall’aggiunta di una fresa che ha la funzione di “spianare” ogni singolo strato (metodo quindi sottrattivo oltre che additivo).

Il drop on demand garantisce massima precisione.

Fotopolimerizzazione -Polijet (si serve di una lampada uv) Utilizzato per la costruzione di modelli 3d complessi.

Processo che avviene, anche questo, tramite deposito di fotopolimeri da parte della testina che, strato dopo strato, grazie all’interazione di lampade u.v. danno forma al modello solidificandolo.

Ogni strato ha una risoluzione di 20 micron.

Tecnica Polijet

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-Stereolitography ( si serve di un laser) Processo inventato da Chuck Hull (nel 1986) che utilizza un laser che va a solidificare la resina liquida.

Gli svantaggi sono rappresentati dalla tossicità dei materiali, dalla loro scarsa reperibilità e dal fatto che possano subire una rapida deformazione.

Nascendo nel 1986, è stata la prima tecnica di stampa utilizzata.

Solido -Laminated object manifacturing Si realizza attraverso una semplice sovrapposizione di strati di materiale (simile alla carta).

Processo utilizzato sin dagli anni ’90, non sono previsti supporti di alcun tipo nel processo di stampa e le parti del modello considerate superflue vengono eliminate da un laser.

Esempio tecnica LOM

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-Fused deposition modeling Quest’ultima è la tecnica che ho utilizzato per stampare il mio robot perchè sono riuscito ad ottenere un ottimo risultato in termini di rapporto qualità-prezzo.

L’ FDM si realizza tramite il deposito da parte dell’ugello/estrusore di materiale plastico fuso su di un piatto riscaldato che, permettendo la solidificazione a determinate temperature, da origine al modello 3d.

Processo denominato per estrusione perché il materiale, fornito in rotoli di filamento allo stato solido che può avere dagli 1,7 ai 3 mm di diametro di spessore, viene fuso tramite (come si è già detto in precedenza), uno strumento denominato testina che può muoversi lungo tutte e tre le assi.

Esempio tecnica FDM

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7. Prove sperimetali Sfruttando entrambi i dispositivi utilizzabili la tecnica FDM, ho pensato di stampare diversi componenti del mio modello con diversi colori e diversi spessori del filamento ed ecco qui alcuni dei risultati:

Risultato esperimento

In questa immagine il risultato sembrava soddisfare le mie aspettative, ma come si può vedere nella foto che segue, essendo il modello troppo piccolo, le gambe non hanno retto la struttura del busto, la stessa cosa come si può notare da entrambe le immagini è successa per il collo.

Nelle stampe successive ho cercato di stampare il robot aumentandone la dimensione garantendo cosi maggiore stabilitĂ e robustezza.

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Risultato deludente della prima prova

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8. Risultato finale

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9. Problemi frequenti Anche quando la stampa presenta un buon risultato in termini di resa, ho imparato che realizzando parti sospese con angoli superiori ai 45°, la stampante può creare da sé dei supporti che alla fine del processo potrebbero risultare difficili da rimuovere dato che la rimozione di questi ultimi va fatta manualmente.

Un altro problema frequente deriva dal grado di resistenza, a determinate temperature, che ogni materiale possiede.

Di conseguenza utilizzando un materiale come il PLA bisogna anche considerare che, trattandosi fondamentalmente di plastica, si rischia una eventuale, ma impercettibile, deformazione di alcune parti del nostro modello.

10. Trattamenti post-stampa Avrei potuto utilizzare, per dare una forma più levigata al mio robot, dei trattamenti di ultima invenzione effettuati semplicemente con dell’acetone che avrebbe reso il mio modello più “lucido” ma ho deciso sin dal principio di lasciare il materiale in forma grezza proprio per rendere visibile ogni caratteristica, mostrandolo infine nella sua naturalità.

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Conclusioni Concludendo il progetto non mi resta che considerare il fatto che alla fine mancherebbero ancora moltissime altre cose da poter aggiungere riguardo quest’argomento ma essendo, il campo della stampa 3d, un settore in continua evoluzione non mi sarebbero bastate migliaia di pagine per descrivere tutti i nuovi processi, nuovi materiali e nuove tecniche.

Mi ritengo comunque piÚ che soddisfatto, quantomeno per aver fornito al lettore un bagaglio di nozioni adeguate per poter iniziare un percorso di collaborazione e condivisione, per far quindi crescere ulteriormente questo settore e per cercare di attivare nuovi campi di applicazione Spero di essere stato abbastanza esaustivo e preciso nell’andare a descrivere il progetto e ringrazio chiunque abbia intenzione di leggere la mia tesi e di scoprire il mio progetto.

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Bibliografia Enrique Canessa, Carlo Fonda e Marco Zennaro 2013, “Stampa 3D di basso costo per la Scienza, l’Educazione e lo Sviluppo Sostenibile” ICTP - Centro Internazionale Abdus Salam per la Fisica Teorica, pp.68-72

2013,Manuale Sharebot Aquarius Edizioni Srl, pp.47-48

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Sitografia OsteoFab Patient Specific Cranial Device http://www.stamparein3d.it/alcune-applicazioni-mediche-della-stampa-3d-oreccio-tescio-protesi-ossa-staminali/ Laika utilizza il 3d printing nei suoi film di animazione http://www.stampa-3d.com/1534/laika-utilizza-3d-printing-suoi-film-animazione/ Adobe aggiunge nuove funzionalitĂ per la stampa 3D in Photoshop CC http://www.stampalo3d.com/2014/08/08/adobe-aggiunge-nuove-funzionalita-per-la-stampa-3d-in-photoshop-cc/ La stampante 3D per il cioccolato http://www.stampa-3d.com/204/la-stampante-3d-per-il-cioccolato/

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Ringraziamenti Ringrazio innanzitutto tutta la mia famiglia che mi ha sempre supportato durante il percorso di studi, e incoraggiato nei momenti di difficoltà, in particolare mia sorella, che mi ha introdotto nel mondo dell’arte.

Senza di loro non avrei mai potuto raggiungere questo obiettivo.

Ci tengo a ringraziare anche il Prof. Lanzillotta e Matteo Toriello che hanno reso realizzabile il progetto e che mi hanno fornito i supporti necessari affinchè potessi realizzare questo percorso sperimentale andando ad unire entrambe le competenze.

Un importante ringraziamento va anche al Prof. Martino, coordinatore del corso, nonchè una figura di riferimento nell’arco del triennio trascorso a Bari.

Infine ringrazio tutte le persone che in questi anni ho potuto conoscere e che mi hanno fatto compagnia e sopportato durante i tre anni di studio, in particolare i miei ex coinquilini, i colleghi d’accademia, di collegio e tutti gli altri amici con cui ho avuto la possibilità di trascorrere il mio tempo libero.

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