Arch. Francesco De Luca - caad_2003 - tecniche digitali e progettazione architettonica

La produzione per addizione

La Prototipazione Rapida (PR) è l'altro sistema per produrre oggetti fisici direttamente da modelli tridimensionali CAD. Questo sistema utilizza un processo di aggiunta o addizione di materiale di molti tipi, dalla cera alle polveri di metallo e alla ceramica, dai fotopolimeri alla carta e ai termoplastici, con un sistema layer by layer. Si tratta di una sorta di "plottaggio" tridimensionale perché come la testina del plotter scorrendo deposita inchiostro sul supporto cartaceo che si sposta di volta in volta, così uno strumento, in genere la sorgente di un raggio laser, muovendosi disegna sezioni dell'oggetto da generare solidificando con diverse tecniche porzioni di strati di materiale che viene aggiunto di volta in volta. A differenza del sistema CNC la PR presenta il vantaggio di poter ottenere prototipi dall'elevata complessità topologica e in tempi brevi ma lo svantaggio delle ridotte dimensioni dei pezzi producibili (poche decine di centimetri) dovute alle dimensioni delle macchine che presentano una tecnologia e sofisticazione molto superiori rispetto a qulle dele fresatrici.

Alla base della scansione o digitalizzazione 3D ottico-topometrica vi sono due tecniche importanti: la triangolazione, che determina la distanza di un oggetto e il tempo di ritorno delle onde di un raggio laser. Le immagini prodotte dal digitalizzatore 3D vengono elaborate dal software di gestione che genera una nuvola di punti, cioè una rappresentazione 3D dell'oggetto rilevato. La completa digitalizzazione di un oggetto, della sua superficie più esterna e anche dei sottosquadri, avviene attraverso una serie di rilievi digitali fotografici da vari punti di vista, che vengono poi rimontati insieme grazie all'ausilio di una serie di bollini che applicati sull'oggetto da scansire rappresentano i riferimenti comuni. A questo punto il risultato digitale della scansione è la cosiddetta nuvola di punti che deve essere aquisita da un apposito software che la trasforma in un modello digitale 3D, processo chiamato anche matematizzazione.
La matematizzazione quindi è la ricostruzione digitale delle superfici rilevate. Il programma che compie questa operazione, fra i più utilizzati Geomagic, Paraform o Surface Studio, apre la nuvola di punti, e compie su di qusta alcune operazioni, ne permette cioè un determinato livello di editing. E' possibile per esempio operare la giunzione delle varie superfici derivate dalla scansione, mettere in tengenza le superfici stesse, diminuire percentualemente la quantità degli stessi punti in aree selezionabili dove il livello di dettaglio è basso, correggere irregolarità. Alla fine delle verie operazioni la nuvola di punti viene trasformata in un modello mesh o patch.

Il primo è definito da poligoni adiacenti il secondo da superfici continue (NURBS). Per poter essere esportato il modello finale viene salvato in formati adeguati. Per punti ASCII - XYZ - DXF - IGES - VDA, per Mesh STL - DXF - OBJ - 3DS - VRML, per curve IGES, per superfici IGES - VDA - OBJ - STL.
Il modello finale derivante da una scansione 3D può avere diverse applicazioni. Essendo un documento inalterabile nel tempo si potrà più e più volte utilizzare per ricavare la forma degli stampi da utilizzare in produzione senza rischiarne il deterioramento come nel caso del prototipo fisico. Altra applicazione è la reintroduzione del modello all'interno delle fasi di progettazione. E' possibile riutilizzare il modello come punto di partenza per la progettazione di oggetti da questo derivati previa delle modifiche sia a livello di superfici che di componentistica. In architettura è sempre Frank O. Gehry a sperimentare questa procedura come parte del processo progettuale come nei progetti per l'EMP di Seattle, ricalcando con il convertitore linee di quota e curve notevoli del modello, e la fontana a forma di fore del Disney Concert Hall, digitalizzata con una macchina TAC (Tomografia Assiale Computerizzata) che esegue sezioni a raggi X estremamente ravvicinate (si veda "Ghery digitale" di Bruce Lindsey della medesima collana).

Per questo motivo l'utilizzo della PR in architettura è tuttora, per la maggior parte, limitata alla produzione di modelli in scala o di dettagli tecnologici 1:1. L'uso maggiore della PR è nell'industria aerospaziale, automobilistica e dei prodotti di consumo. In questi settori produttivi dopo che i prototipi sono stati approvati, viene fuso uno stampo basato sul prototipo, da cui vengono fabbricati i prodotti e i pezzi definitivi..
Anche in questo caso, per poter utilizzare i modelli tridimensionali della superficie Mesh generata all'interno di un modellatore 3D, questi devono essere convertiti in file di interscambio in formato STL. Una volta aquisito il file STL dalla macchina per la prototipazione il software di gestione opera una serie di sezioni parallele (slicing) e registra le coordinate dei punti lungo la sezione. Queste coordinate sono utilizzate per ricostruire le sezioni all'interno della macchina sul materiale, sezione dopo sezione, fino alla costruzione totale del pezzo. Il sezionamento può essere uniforme, dove lo spessore degli strati è costante e non tiene conto della geometria dell'oggetto, o adattivo, cioè che varia dimensione (quindi quantità delle sezioni) in funzione della curvatura superficiale .
Le tecniche principali sono la Stereolitografia (SL) e la Sinterizzazione Laser (LS) che utilizzano la stessa procedura ma materiali diversi, mentre fra le più nuove il 3D Printig.
All'interno di una macchina, una vasca, il fondo della quale è costituito da una piattaforma mobile lungo la verticale, contiene il materiale da solidificare. Monomero epossidico (resina) per la SL, polveri di metallo, di cera, di ceramica e di termoplastici per la LS. Un fascio laser viene riflesso da apposite ottiche e indirizzato sulla superficie della vasca, secondo i dati provenienti dal software, polimerizzando una porzione dello strato di resina (SL) o sinterizzandone uno di polvere (LS), corrispondente alla relativa sezione dell'oggetto da produrre. Dopo ogni passaggio del laser la piattaforma si abbassa della quantità corrispondente alla successiva sezione e altro materiale viene immesso a colmare la misura mancante. Il processo riparte e si ripete per tutte le sezioni generate dal software di gestione. Fra queste due tecniche la LS presenta potenzialità maggiori in quanto lavorando polveri di metallo può produrre pezzi funzionanti e non solo prototipi funzionali.

Dall'oggetto alla forma da generare

Il Reverse Engineering costituisce il processo di progettazione e produzione di un determinato oggetto partendo dall'acquisizione digitale dei dati riguardanti la topologia di un prototipo artigianale, passando per la definizione di un modello progettuale CAD e terminando con l'ingegnerizzazione e la produzione attraverso sistemi CAM.
La ricostruzione della forma all'interno del mezzo digitale si ottiene con due procedure consequenziali: la digitalizzazione e la matematizzazione. La digitalizzazione avviene per mezzo di sensori di posizione che registrano le coordinate di una serie di punti appartenenti alla superficie da rilevare, con due tecniche opposte: a contatto e non a contatto. Quella a contatto è attuata tramite pantografi digitali costituiti da un braccio snodato la cui punta, passando sulla superficie dell'oggetto da scansionare trasmette le coordinate dei punti della superficie al calcolatore. Quella non a contatto, detta anche ottico-topometrica è attuata per mezzo di particolari rilievi fotografici 3D, dove dei sensori ottici rilevano i riflessi di luce generati da un raggio laser che rimbalza sulla superficie. La proiezione laser può essere per punti, per linee o griglie.