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3D printing - Ricerca di base ed applicazioni

Lo scopo della prototipazione industriale è quello di creare delle rappresentazioni tangibili di forme o modelli digitali geometrici arbitrari. I processi di fabbricazione industriali sono di solito progettati per la creazione di uno specifico oggetto e comportano un elevato carico di lavoro e progettazione per la creazione del primo prototipo (o del processo di fabbricazione). In generale la complessità del processo di fabbricazione dipende in modo diretto dalla complessità geometrica dell'oggetto da fabbricare. Ovviamente, implementare un processo di produzione industriale per la produzione di un numero limitato di prototipi è chiaramente una strategia inefficiente.

Le tecnologie di 3D printing e digital fabrication permettono di ovviare a questa carenza delle metodologie di produzione industriale, consentendo la produzione su scala ridotta di forme arbitrariamente complesse. Infatti, il più grande vantaggio del 3D printing è che il la complessità del processo di fabbricazione non è legata alla complessità geometrica dell'oggetto da fabbricare. Questa possibilità riduce in maniera considerevole il divario temporale tra il design di forme e prototipi su piattaforma digitale e la loro riproduzione fisica, sia per test che per piccole produzioni.

Il Laboratorio Visual Computing di CNR-ISTI ha attivato una linea di ricerca sui temi del 3D printing, sperimentandone le potenzialità anche e non solo sul dominio delle applicazioni ai Beni Culturali. Tra i lavori recenti prodotti su questo tema possiamo segnalare: una tecnica per la produzione di repliche di grande formato mediante stampanti 3D a piccolo volume di lavoro; una metodologia per la produzione di riproduzioni estetiche e ludiche (brevettata nel 2015); ed un recente tutorial sulle potenzialità e le limitazioni delle tecnologie 3D printing per il settore dei Beni Culturali. Presentiamo un po' più in dettaglio nel seguito un solo recente ed importante risultato, rimandando per gli altri al nostro sito web: http://vcg.isti.cnr.it/Publications/

In realtà il potenziale applicativo delle tecnologie di 3D printing va ben oltre la riproduzione e la creazione di prototipi. La possibilità di fabbricare forme di arbitraria complessità geometrica, consente non solo di ridurre i costi di produzione, ma apre la strada a nuove possibilità, in particolare per la fabbricazione di oggetti deformabili. La possibilità di variare liberamente a scala ridotta la microstruttura di un materiale consente di progettare liberamente le sue caratteristiche meccaniche, come la sua elasticità o la sua permeabilità. In particolare questa tecnologia può consentire di variare queste proprietà meccaniche in maniera continua attraverso il volume dell'oggetto. Repliche di questo tipo sono impossibili da ottenere con i tradizionali processi di produzione. Chiaramente questa tecnologia può consentire la creazione di oggetti con un comportamento meccanico innovativo.

In un recentissimo lavoro (presentato al congresso Siggraph 2015 e pubblicato su ACM Trans. on Graphics) abbiamo proposto una metodologia denominata "Elastic Textures", un nuovo sistema per la progettazione di proprietà elastiche di oggetti riproducibili con le tecnologie correnti di stampa 3D. L'idea è quella di creare una libreria di micro-strutture a scala ridotta che possano attaccarsi fra di sé in modo solido, al fine di formare una struttura più complessa. La distribuzione di queste strutture consente la variazione delle proprietà elastico meccaniche dell'oggetto senza variare il materiale utilizzato. L'idea è quella di applicare queste strutture su una suddivisione esaedrale del volume interno dell'oggetto, distribuendo le proprietà elastiche nel volume come si farebbe col colore in una immagine bidimensionale.

In generale, tutte le proprietà fisiche dei materiali dipendono dalla loro struttura ad una scala infinitesimale, per esempio molecolare o di cristalli. L'idea principale della nanoscienza è quella di modificare le proprietà del materiale cambiando il design della struttura ad un livello di di dettaglio infinitesimale. Questa suggestione e' alla base della nostra metodologia.

Le Elastic Textures consentono di massimizzare il range delle proprietà elastiche che possono essere ottenute utilizzando un singolo materiale e variando la sua struttura interna.
Le Elastic Textures sono costruite come delle strutture tubolari formate da aste a spessore variabile che possono essere collegate tra di se in maniera diversa. Variando un numero di parametri relativamente basso, come le connessioni e lo spessore, e' possibile ottenere un ampio range di proprietà meccaniche con cui si costruisce un dizionario di strutture con proprietà meccaniche predefinite. Abbiamo reso queste strutture stampabili e assemblabili in maniera che si possa variare le proprietà del materiale in maniera continua.

Abbiamo applicato le nostre elastic textures in due domini applicativi: la definizione interattiva delle proprietà del materiale all'interno del volume e l'ottimizzazione delle proprietà del materiale, al fine di ottenere una replica che abbia un particolare comportamento meccanico quando sottoposta a alcune sollecitazioni esterne (come ad esempio generare una particolare torsione se sottoposto a compressione). Le repliche prodotte con la metodologia Elastic Textures sono state prodotte e testate mediante una stampante 3D commerciale a basso costo (5000 Euro).

Immagini: