Un’università tecnologica e una multinazionale del divertimento hanno collaborato allo sviluppo di un metodo per produrre oggetti unici e personalizzati con una decorazione superficiale. Si chiama “termoformatura computazionale” ed è stata creata dal Politecnico Federale (ETH) di Zurigo e Disney Research Zurich, attraverso un progetto di studio condotto dal dottorando Christian Schuller con la collaborazione di Daniele Panozzo, Evgeni Sorkine, Olga Sorkine-Hornung (ETH), Anselm Grundhofer e Henning Zimmer (Disney Research). Il processo è la combinazione intelligente di una tecnica di produzione industriale consolidata – la termoformatura – e un nuovo software di simulazione, che permette di realizzare, in modo rapido ed economico, pezzi singoli o piccoli lotti di oggetti con superfici strutturalmente complesse e colorate con grande accuratezza di dettaglio.
La ricerca è stata presentata in occasione della mostra-conferenza ACM SIGGRAPH 2016, dedicata alla computer graphic e alle tecnologie interattive, che si è tenuta lo scorso luglio ad Anaheim (California).
Deformazione calcolata
La termoformatura, come è noto, plasma una lastra di materiale plastico tramite riscaldamento per portarla allo stato viscoso e farla aderire allo stampo per effetto del vuoto; per ottenere un oggetto decorato è necessario che il soggetto sia stampato sulla lastra prima di modellarla. Fin qui niente di nuovo. L’unico problema è che per realizzare con precisione questi oggetti sono necessarie delle attrezzature industriali, dal costo insostenibile per la produzione di piccoli lotti o addirittura pezzi unici. Il team di ricercatori, quindi, ha sviluppato un metodo basato su attrezzature facilmente accessibili e materiali poco costosi, e che non richiede competenze tecniche specialistiche.Â
La chiave sta nel calcolare l’immagine deformata in modo che colori e modelli siano perfettamente allineati con i dati geometrici dello stampo.
La soluzione proposta da ETH Zurich e Disney Research ha il suo fulcro in un software di simulazione, che permette di generare la texture decorativa con una deformazione calcolata, affinché ogni minimo dettaglio dell’immagine si posizioni nel punto desiderato sulla forma tridimensionale che verrà ottenuta con la termoformatura. I ricercatori hanno sviluppato un algoritmo che simula la deformazione e la inverte, trasformando un modello 3D texturizzato nell’immagine bidimensionale da imprimere sulla lastra prima di deformarla. L’immagine così ottenuta viene stampata su una carta a trasferimento termico per mezzo di una stampante laser da ufficio, e quindi trasferita sulla lastra di materiale plastico con una normale pressa a caldo, che incolla le particelle di toner sulla superficie della lastra, più o meno come avviene nella personalizzazione di una T-shirt con la foto delle vacanze, del gatto di casa, e così via. La stampa risultante ha colori vividi, ricchezza di dettaglio ed è sufficientemente resistente al calore e alla deformazione per allungamento provocati dalla termoformatura.
Stampo in 3D print
Per sostituire con un’alternativa a basso costo lo stampo per termoformatura, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di 3D printing e casting. Tramite operazioni booleane hanno sviluppato un modello in negativo dello stampo della forma da replicare, e quindi l’hanno realizzato in PLA mediante una stampante 3D a deposizione di filamento fuso. Il calco così ottenuto è stato riempito con una miscela di gesso e acqua per ottenere il positivo. Per estrarre incolume lo stampo in gesso, il calco in PLA è stato fuso con una pistola a caldo.
Una volta collocato nella termoformatrice, sullo stampo in gesso viene applicata una lastra di plastica decorata come illustrato in precedenza, riscaldata fino alla temperatura di rammollimento e plasmata tramite vacuum casting. Al termine del processo si scopre se l’immagine è stata stampata correttamente: infatti, la deformazione della lastra in plastica durante la termoformatura tende a cambiare l’immagine stampata. Il software sviluppato dal team svizzero, comunque, riesce anche a calcolare con accuratezza la deformazione e quindi a compensarla.
Il solo limite (o quasi) è la fantasia
Il team ha confrontato i manufatti ottenuti applicando il proprio metodo con oggetti decorati mediante trasferimento ad acqua oppure fabbricati tramite 3D printing. La tecnica sviluppata si è dimostrata qualitativamente superiore, e anche notevolmente più rapida ed economica. Dall’analisi è inoltre emerso che i modelli ottenuti non presentano appiattimenti nella resa dell’immagine come avviene con la stampa a trasferimento ad acqua e la loro risoluzione è migliore rispetto ai modelli realizzati con stampanti 3D.
Il principale limite del metodo è la messa a registro dello stampo con la lastra di materiale plastico da termoformare, comunque tramite applicazione di marker e posizionamento manuale è possibile contenere l’errore di allineamento entro 2 millimetri. «La soluzione ideale sarebbe la creazione di una termoformatrice su misura ma, in linea con i presupposti della ricerca, preferiremmo una soluzione low-cost che non richieda attrezzature speciali. Allo stato attuale la nostra soluzione è adatta per materiali monostrato e geometria aperte», conclude Christian Schuller.
