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; così strato dopo strato, queste macchine ricostruiscono l’oggetto che rappresenta il modello matematico di partenza.

Prima però di parlare specificamente dei diversi processi costruttivi, occupiamoci del collegamento che deve esistere fra CAD e sistema RP per poter generare il modello desiderato.

Interfacciamento tra i sistemi CAD e RP

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 secondo il metodo introdotto dalla 3D Systems, che per il momento è l’unico standard ed è accettato da tutti i costruttori. Questo metodo prevede la tassellizzazione (o mesh) della geometria definita utilizzando elementi triangolari. Questo procedimento si realizza approssimando tutte le superfici a una distesa di triangoli, l’uno accostato all’altro. Inevitabilmente questo passaggio introduce un errore che viene valutato misurando la distanza tra il baricentro del triangolo e la superficie (solitamente una calotta). Questa scelta permette di infittire il numero dei triangoli in presenza di una superficie curva del modello e di conseguenza di raggiungere una approssimazione migliore.

La meshatura generata viene salvata in un file detto STL (da STereoLithography) di tipo ASCII o binario. Nel primo caso, l’aspetto è di questo genere:

solid ascii
facet normal 1.000000e+00 -0.000000e+00 0.000000e+00
outer loop
vertex 5.750587e+01 4.543194e+01 -2.884441e+01
vertex 5.750587e+01 3.943194e+01 -2.884441e+01
vertex 5.750587e+01 4.243194e+01 -2.900000e+01
endloop
endfacet
...
facet normal 1.000000e+00 0.000000e+00 0.000000e+00
outer loop
vertex 5.750587e+01 3.943194e+01 2.884441e+01
vertex 5.750587e+01 4.543194e+01 2.884441e+01
vertex 5.750587e+01 4.243194e+01 2.900000e+01
endloop
endfacet
end solid

Come si può vedere 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 andare a riparare i file 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 che rappresenta il modello discretizzato, deve essere poi sezionato con piani paralleli per ottenere le coordinate del contorno di ciascuna sezione. L’operazione (detta slicing) viene generalmente eseguita dal calcolatore che controlla la macchina di prototipazione, anche se la tendenza attuale è quella di trasferirla nell’ambiente CAD per alleggerire il software di gestione della macchina.

Lo slicing è un’operazione critica perché condiziona in modo determinante la precisione del prototipo. In alcune tecnologie può essere uniforme, dando origine a strati di spessore costante oppure adattivo ed in tal caso lo spessore verrà scelto in funzione della curvatura superficiale, per limitare al massimo l’aspetto a gradini della superficie esterna. In questo secondo caso, quindi, la precisione del modello è sostanzialmente migliore, senza aver appesantito il file contenente i punti del contorno delle sezioni.

Le problematiche ancora aperte sull’interfacciamento fra CAD e sistemi RP riguardano principalmente la verifica delle connessioni tra superfici e la scelta della migliore strategia per la triangolarizzazione e lo slicing

Diverse tecniche per diversi materiali

Ora presenteremo alcune delle più note e diffuse tecniche di RP disponibili sul mercato, evidenziandone le particolarità e le problematiche. L’idea della produzione per piani sovrapposti accomuna tutte le tecniche che si differenziano l’una dall’altra sostanzialmente per i materiali impiegati e per il principio fisico sfruttato. Per ciascun materiale sono inoltre possibili tecnologie differenti per la realizzazione e l’unione delle sezioni. I materiali utilizzati sono classificabili nei seguenti gruppi:

- Fotopolimeri
- Sabbie e polveri di metallo, di cera, di ceramica, di termoplastici
- Fogli di carta termoadesiva
- Fili di cera e termoplastici
- Altri materiali