Il CAD come fase progettuale

Quando nel capitolo precedente abbiamo parlato di fase matura delle applicazioni CAD si è fatto riferimento da un lato ad usi sempre più "intelligenti" ed appropriati delle effettive potenzialità di generazione e manipolazione di forme e dati, e dall'altro alle nuovissime possibilità di mettere in relazione diretta il prodotto sotto forma di bit frutto della nostra attività progettuale con la propria controparte fisica ovvero la materializzazione di quei bit in atomi aggregati a costituire la struttura tattile ed operativa del processo. Attraverso sistemi CAM (Computer Aided Manifacturing) e CAE (Computer Aided Engineering) si stanno sviluppando cioè rapporti e connessioni tra modelli digitali ed elementi fisici che hanno aperto tutta una nuova serie di possibilità e potenzialità nel campo della progettazione.
La novità è più generale. E' possibile utilizzare la progettazione CAD non più soltanto come strumento di visualizzazione di immagini o di produzione di elaborati grafici da trasmettere a figure professionali appartenenti allo stesso ciclo produttivo ma operanti in maniera disgiunta dal'attività progettuale, ma come una vera e propria fase di un percorso in cui le varie parti sono strettamente connesse attraverso un feedback continuo pluridirezionale. L'idea stessa di modellazione, nella sua accezzione più completa, è basata sul concetto di modello progettuale come insieme di relazioni di dati che già all'interno della fase CAD sono strutturati, a loro volta, in specifici momenti prgettuali ad ognuno dei quali è demandata una precisa funzione, ma sempre strettamente connessi in rapporti reciproci all'interno di un processo unico. Queste connessioni permettono una serie di verifiche e di scelte progettuali fino a pochi anni fa impensabili, e indispensabili oggi all'interno di molti cicli produttivi per assicurare qualità del prodotto e concorrenzialità in termini di mercato. Il diffondersi di tecnologie parametriche nei sistemi CAD, come illustrato nel primo capitolo, ne è un esempio. La tecnologia parametrica permette di ottimizzare la progettazione CAD mettendo in stretta relazione le varie fasi
progettuali trasformando la progettazione digitale per mezzo della modellazione in un percorso altamente interattivo.
Così come all'interno della fase progettuale CAD anche all'interno dell'intero processo di progettazione sono di fondamentale importanza le relazioni sotto forma di reciproche trasmissioni di informazioni. In questo contesto si inseriscono le nuove tecniche che ci permettono di stabilire un collegamento ed un confronto diretto tra modelli digitali ed oggetti reali sempre nell'ottica di una ottimizzazione della produzione e ricerca di nuove opportunità, processo che prende il nome di Ingegnerizzazione del prodotto. La controparte in atomi dei modelli digitali è il prototipo e costituisce esso stesso in diversi modi una delle fasi del processo progettuale.
Il passaggio da una fase ad un'altra, CAD ed ambiente fisico, può essere biunivoco, cioè da un lato è possibile ottenere riproduzioni fisiche accurate di modelli digitali, dall'altro si può trasferire qualsiasi geometria anche complessa di un oggetto fisico all'interno di un calcolatore. In questo modo il prototipo può avere una doppia funzione: nel primo caso è il riscontro finale dell'oggetto progettato con il compito di fornire il feedback necessario per compiere eventuali modifiche in fase progettuale e conseguentemente essere la matrice del processo di produzione; nel secondo caso costituisce la fase iniziale del percorso progettuale e quindi regola con una serie di informazioni topologiche il ciclo produttivo.
La prima procedura, quella che ci permette di ottenere riproduzioni fisiche di modelli digitali attraverso il Computer Aided Manufacturing, si attua per mezzo di macchine di due tipi principali ed il relativo software che gestisce l'esportazione dei dati dal modellatore solido alla macchina e organizza ed ottimizza le fasi della lavorazione. I due tipi di macchine e quindi di lavorazioni sono il sistema CNC (Computer Numeric Control) per asporto di materiale attraverso frese e la Prorotipazione Rapida che, all'opposto, lavora per aggiunta di materiale.
La seconda procedura , afferente al mondo CAE e nota con il nome di Reverse Engineering, permette, attraverso sofisticati sistemi di scansione, di acquisire i dati di superficie di topologie anche complesse di prototipi artigianali e di restituirli sotto forma di modelli di superfici all'interno dell'ambiente di lavoro digitale. Una procedura particolare di acquisizione di dati dal mondo fisico e la relativa trasmissione in ambiente informatico è il Motion Capture, prevalentemente utilizzato nel campo dell'entarteinement per la produzione di film d'animazione, che permette di trasferire il movimento, il comportamento e la mimica in generale da una persona ad un personaggio digitale.

La produzione per sottrazione

Il sistema CNC (Computer Numeric Control) utilizza un processo di asporto o sottrazione di materiale per mezzo di fresatura di pani di diverse dimensioni costituiti da schiume, poliuretani o metalli leggeri.
Questo sistema già in uso da parecchio tempo e quindi molto sperimentato, presenta il vantaggio di poter produrre elementi di notevoli dimensioni, utilizzando fresatrici di diversi metri per lato, ma lo svantaggio di poter generare oggetti dalla complessità limitata. Per questi motivi questo sistema, più largamente utilizzato nella produzione di oggettistica, sta già producendo risultati nel campo dell'architettura con realizzazioni di particolare spirito innovativo come il Zollhof Complex a Dusseldorf e il DG Bank Building a Berlino entrambi di Frank O. Gehry, o a più piccola scala il padiglione "Solar Cloud" di Bernhard Franken e l'O/K Apartments di Kolatan/MacDonald Studio. La complessità è limitata per le caratteristiche stesse del processo di asportazione. Questo avviene per mezzo di una punta, la fresa, che ruotando sul proprio asse e muovendosi nello spazio letteralmente scava il pezzo producendo la forma finale. Il movimento della fresa, inserito in una unità scorrevole su binari, è vincolato all'asse della punta stessa e ai due a questo perpendicalari, la terna cartesiana XYZ, (frese a 3 assi) ovvero può ulteriormente ruotare su due di questi assi , l'X e l' Y in quanto intorno allo Z avviene il movimento stesso che permette di scavare, (frese a 5 assi). In questo modo è possibile produrre oggetti pieni che presentano superfici continue senza sottosquadri (rientranze del profilo).
Una volta importato il File il software della macchina a controllo numerico, le versioni più recenti aprono direttamente i File dei formati 3D degli applicativi più diffusi, imposta il lavoro di fresatura scegliendo gli utensili appropriati da apposite librerie, impostando la direzione di fresatura, generando la visualizzazione del percorso utensile e in ultimo attraverso la visualizzazione del prodotto finito e la stima dei tempi di lavorazione. Dopo questa fase il software trasmette i dati elaborati alla macchina che attraverso la procedura di asportazione "scolpisce" l'oggetto.

Come esposto ad inizio capitolo questa tecnica permette un controllo diretto da parte del progettista della costruzione in quanto il flusso del lavoro non è più diviso fra diverse entità separate ognuna con le proprie conoscenze specifiche, ma tutte le figure del processo devono collaborare in stretto contatto condividendo esperienze ed obiettivi. In questo modo la figura dell'architetto, torna ad essere centrale all'interno del processo progettazione-costruzione.

Dalla forma generata all'oggetto

Il percorso dalla forma generata per mezzo di software di modellazione all'oggetto fisico comincia, in ambiente digitale, con la trasformazione ed esportazione dei dati di superficie del modello tridimensionale. Una volta progettato il modello attraverso l'utilizzazione di solidi parametrici di tipo Mesh o superfici NURBS questo viene tradotto comunque in una superficie costituita, anche nel caso di topologie particolarmente complesse, da una griglia di poligoni triangolari o superficie Mesh (Reticolo). Questo sistema è una sorta di approssimazione della geometria dell'oggetto soprattutto in corrispondenza di superfici curve. In questo caso l'errore, fattore endemico soprattutto nel momento in cui si trasforma una curva determinata da punti di tangenza in una spezzata, può essere ridotto attraverso il sistema della tassellazione, cioè aumantando quanto necessario la densità degli elementi piani (le facce della Mesh) in corrispondenza di superfici curve. La Mesh così generata viene esportata (salvataggio del File o di parte di esso in altri formati diversi da quello originario del software di modellazione) in diversi formati, fra cui i più utilizzati sono il DXF (Drawing Exchange Format) ed il formato STL (StereoLithography per la prototipazione rapida) di tipo ASCII (coordinate X, Y, Z in formato testo) o binario. In seguito sarà compito del software di gestione della macchina di acquisire il modello ed utilizzarlo per l'organizzazione della produzione del pezzo.
Come accennato nel paragrafo precedente sono due i sistemi utilizzati per produrre prototipi fisici direttamente da modelli digitali.