La fabbricazione digitale: tecniche, processi e opportunità per il design

La fabbricazione digitale: tecniche, processi e opportunità per il design

“Un paio di anni fa, la fabbricazione digitale faceva regolarmente notizia, promettendo di cambiare drasticamente la pratica dell’architettura. La rivoluzione in architettura potrebbe non essere ancora arrivata, ma progetti di ricerca, esperimenti e la dedizione di diversi architetti e centri di ricerca hanno già aperto un nuovo regno di possibilità per l’espressione architettonica.“, così scrive Andrea Cutieru in un articolo su archdaily fornendo una panoramica dell’impatto che la tecnologia della stampa 3D ha avuto finora nel campo dell’architettura e del design.

Qual è il potenziale architettonico della fabbricazione digitale? Scopriamolo insieme in questa carrellata che alterna architetture visionarie, progetti internazionali e alcuni lavori che grazie al team di architetti e designer, noi di Medaarch abbiamo realizzato in questi anni.

First of all: cos’è la digital fabrication e quanti metodi conosce?

Per dirla in parole semplici, la digital fabrication è un processo di produzione digitale controllato da un computer, per costruire oggetti solidi e tridimensionali partendo da disegni digitali, con tecniche di fabbricazione innovative.
Sebbene le tecnologie siano in continua evoluzione, quattro  sono le tecniche di fabbricazione digitale: produzione additiva, produzione sottrattiva, produzione deformante e produzione ibrida.

La discriminante è l’atteggiamento che queste diverse tecniche hanno nei confronti del materiale e, quindi, l’approccio allo strumento da parte del progettista. 

La produzione additiva

L’additive manufacturing, comunemente nota come stampa 3D, è il processo di deposizione controllata di materiale per creare oggetti a partire da modelli 3D, di solito con approccio strato su strato, in opposizione ai metodi produttivi di tipo sottrattivo tradizionale.
La tecnologia è emersa nel 1983, utilizzando la stereolitografia (SLA), un processo che prevede la ripresa di un raggio laser ultravioletto in una massa di materiale fotopolimerico, che poi si trasforma in plastica solida.

Oggi sia processi che tecnologie si stanno evolvendo a ritmi serrati. La gamma di materiali si è espansa oltre la plastica per includere metalli, vetro, argilla, nanocompositi e persino tessuti umani. La ricerca in questo settore è impegnata quotidianamente anche per sviluppare stampanti 3D multimateriali sempre più affidabili.

3D parametric chair designed by Amleto Picerno Ceraso

Chaise short di Medaarch è stata progettata con l’obiettivo di avere una seduta di grandi dimensioni e ampie caratteristiche di comfort cercando di minimizzare l’utilizzo del materiale e il conseguente peso.

Il risultato è stato modellato con software di design computazionale quale Grasshopper, plug di Rhinoceros 3D, che ha permesso di incresparne la morfologia per aumentare la capacità resistente delle superfici più sottoposte a stress.

In questo modo è stato possibile realizzare un oggetto stampato in 3D con una sola parete di materiale PLA che assorbe gli sforzi al suo utilizzo, senza pregiudicarne comodità e flessibilità. 

Chaise short fa parte della linea di arredi prodotta da Medaarch e realizzata attraverso un processo di manifattura additiva, grazie all’utilizzo della stampa 3D.

La linea è stata progettata con un approccio computazionale al design, attraverso l’uso di software 3D di modellazione parametrica. Il materiale impiegato è il PLA (Acido Polilattico) con addizione di colorante naturale. Il PLA è un’innovativa bioplastica derivata dalla trasformazione di zuccheri presenti nel mais ed altri materiali naturali, rinnovabili e non derivati dal petrolio. È biodegradabile, compostabile e si degrada rapidamente nel terreno. 

Digital Clay for furniture

La gamma di materiali utilizzati nella manifattura additiva si è ampliata notevolmente, inglobando materiali usati nella tradizione manifatturiera artigianale come l’argilla. Ne è un esempio il progetto di ricerca e sviluppo “Unique” sviluppato da Medaarch.
Il progetto si basa sulla scrittura di un algoritmo di design computazionale capace di generare oggetti che verranno stampati con tecniche additive in materiale ceramico e che abbiano una morfologia unica rientrante in differenti famiglie tipologiche.

L’obiettivo del progetto Unique è di indagare le potenzialità del design computazionale per la generazione di una famiglia di manufatti ceramici “fenotipi”, appartenente morfologicamente ad un unico “genotipo”, che possano essere realizzati attraverso tecniche di fabbricazione digitale additiva.

La linea di vasi “Unique” è progettata con un approccio computazionale al design, che rappresenta l’evoluzione del computer Aided Design (CAD) verso una logica di progettazione molto più complessa e dove la progettazione è sostituita dalla simulazione e dalla generazione di sistemi integrati.

Il processo di produzione individuato per la realizzazione degli elementi è il processo di additive manufacturing con l’impiego della metodologia Contour Crafting per la deposizione dell’impasto ceramico layer by layer.

Il Contour crafting è un processo tecnologico che utilizza un braccio robotico meccanico in grado di rilasciare materiale ed arrivare alla realizzazione dell’oggetto layer by layer. I principali vantaggi del processo CC rispetto alle tecnologie esistenti sono la buona finitura superficiale e la notevole velocità di fabbricazione. Lo stesso processo, ma in una scala ridotta, viene utilizzato nella stampante 3D per la ceramica. 

Interessante è stato verificare come l’utilizzo di queste tecnologie è stato costantemente accompagnato da un approccio artigiano che ha lavorato con le più classiche, ma altrettanto efficaci, tecnologie per la realizzazione di prodotti di design.

Prima di essere inserita nella macchina infatti, l’argilla viene ammorbidita con l’aggiunta di acqua. questa è la fase più importante all’interno del processo di realizzazione: infatti un impasto troppo liquido porterebbe al collasso della struttura mentre un impasto poco umido non permetterebbe l’adesione dei differenti layer.

Lo scenario di possibilità che possono emergere dalla ricerca è molto interessante, se come sostengono gran parte dei manager degli studi di architettura e design i computer sono già in grado di sviluppare autonomamente progetti architettonici e di design in grado di soddisfare la maggior parte dei criteri oggetto di progettazione.

I risultati della ricerca potrebbero essere sorprendenti anche in termini economici, e non andranno a discapito della validità e bellezza di un progetto, perché i programmi digitali saranno in grado di rispettare non solo criteri oggettivi, parametri tecnici, costi dei materiali, etc, ma anche esigenze di stile e di forma.

La produzione sottrattiva

Quando si parla di manifattura sottrattiva, in genere vengono subito in mente le frese CNC, in quanto la fresatura rappresenta il processo più comune di questa tecnica. Nella produzione sottrattiva, infatti, gli oggetti vengono ricavati a partire da blocchi solidi, barre di metallo, plastica o altri materiali che vengono modellati tramite rimozione con taglio, foratura e smerigliatura.
L’introduzione dei bracci robotici ha ampliato le possibilità di fresatura CNC, poiché maggiore è il numero di assi di movimento, maggiori sono le potenzialità dello strumento di fabbricazione. Anche il taglio laser e il filo caldo, tecniche di modellismo convenzionali, rientrano nella categoria di produzione sottrattiva.

Enneper Pavilion, un esempio concreto di approccio alla digital fabrication

Nella sperimentazione che la Medaarch ed il Mediterranean FabLab portano avanti, è proprio la fabbricazione digitale che tenta di creare un loop tra la tensione progettuale ed i limiti della materia. Una delle ultime realizzazioni portare avanti dal primo fablab del Sud Italia è l’Enneper Pavilion, un padiglione commissionato da Artigiancassa Gruppo BNP Paribas in occasione della Maker Faire Rome 2016.

La superficie di Enneper, in geometria e in matematica, è una superficie che può essere descritta in forma parametrica e la sua peculiarità è quella di avere, in ogni suo punto, una curvatura media pari a zero. Essa, pertanto, rientra nella famiglia delle Superfici Minime. In architettura le superfici minime sono state utilizzate per realizzare opere mirabili, basti pensare ad Eero Saarinen per il  TWA Terminal, o Sergio Musmeci per il Ponte sul Basento. Grazie agli spazi articolati dalle superfici minime, gli architetti hanno potuto lavorare sulla sperimentazione di membrane portanti capaci di risolvere in uno “spazio minimo” la connessione di forme libere. 

Per la realizzazione dell’Enneper Pavilion, la Medaarch ha progettato e creato un’area espositiva che si sviluppa come connessione interna tra una curva di bordo chiusa nello spazio. Una superficie minima che potesse dare risposta, nella sua continuità geometrica, sia agli spazi di accoglienza, sia alle zone riservate per incontri privati, così come indicato dalla committenza. Le esigenze espresse dal cliente hanno portato, quindi, all’individuazione di uno schema funzionale racchiuso in una curva circolare, che contiene 3 zone per gli incontri privati e 3 ingressi al padiglione. La stessa curva è stata, poi, dimensionata ottenendo un cerchio piano di 9m di diametro. 

Per il disegno della curva perimetrale chiusa nello spazio, sulla quale sviluppare la superficie minima, è stato diviso il suddetto cerchio in 6 parti uguali spostando una metà delle stesse di 2,5m verso l’alto e l’altra metà di ulteriori 2,5m verso il basso. Le parti sono state, poi, raccordate in modo da ricrearne la continuità geometrica. La curva, infine, è stata rastremata verso l’alto, per aumentarne la tensione verticale. Su tale curva è stata sviluppata una superficie minima. Una volta individuata la superficie minima, questa è stata discretizzata e planarizzata in 600 pannelli triangolari. 

Le dimensioni ed il conseguente numero dei pannelli triangolari che compongono la superficie, tengono conto sia di fattori estetici, utili per conferire morbidezza all’intera forma, sia di fattori strutturali, relativi al possibile sbandamento planare delle superfici, sia di fattori costruttivi,  inerenti le dimensioni massime delle comuni macchine di fresatura CNC.

Il materiale scelto per la costruzione del padiglione è il Dibond, un sandwich di alluminio-plastica-alluminio dello spessore totale di 3mm. Il Dibond conferisce alla struttura leggerezza e, al contempo, rigidità planare. Inoltre, la capacità di questo materiale di mantenere la forma una volta piegato, è stata utilizzata per realizzare un sistema di alettatura perimetrale che ha fatto da alloggio per la bulleria di fissaggio dei diversi pannelli. La fase di lavorazione ha visto l’utilizzo di 60mq di Dibond e più di 100 ore di utilizzo macchina. 

Dato l’esiguo spessore del materiale, è stata progettata una struttura di sostegno in acciaio che ha un solo punto di aggancio a terra, nella parte centrale della superficie, e 3 stralli che si ancorano alle parti del padiglione che ne configurano l’ingresso.

Ciascun pannello triangolare è stato alleggerito al suo interno per aumentare il senso di leggerezza e trasparenza dell’intera struttura espositiva. Il padiglione è stato, poi, implementato di un sistema domotico capace di movimentare le alette interne ricavate grazie alla suddetta azione di alleggerimento di ciascun pannello triangolare. 

L’utilizzo di schede per la prototipazione elettronica, di sensoristica e di attuatori lineari, ha permesso la movimentazione di alcune parti della struttura che avveniva in relazione alla presenza dei visitatori.

Gli arredi, anch’essi progettati per essere realizzati in Dibond, seguono la stessa logica della progettazione per piegatura, che ricava l’oggetto partendo da una lastra piana di materiale per poi arrivare alla forma finale attraverso successive piegature. 

Gli strumenti per la progettazione, la verifica e la lavorazione della struttura del padiglione realizzato per Artigiancassa Gruppo BNP Paribas, fanno parte di quella famiglia di software utilizzati per un approccio computazionale al design.

Interessante è stato verificare come l’utilizzo di questi tools è stato costantemente accompagnato da un approccio artigiano che ha lavorato con le più classiche, ma altrettanto efficaci, tecnologie per la realizzazione di apparati architettonici. Gli arredi e la struttura del Padiglione Enneper hanno dato vita ad un’esperienza espositiva innovativa ed unica, che il pubblico e la committenza hanno potuto godere all’interno di uno spazio elegante, leggero e dalle forme ardite. 

La produzione deformante 

Molti materiali, ad esempio i metalli, si deformano plasticamente: sotto l’effetto di una sollecitazione esterna, cambiano irreversibilmente la propria forma, come avviene quando pieghiamo il fil di ferro. Nella produzione deformante viene sfruttata proprio questa capacità plastica, particolarmente utile perché consente di ottenere facilmente oggetti della forma desiderata. 

Esistono differenti tecnologie in commercio che consentono di deformare i materiali in modi differenti tra cui la calandra che rappresenta la tecnologia più avanzata ricercabile sul mercato nella curvatura a freddo delle lamina di piccoli e medi spessori.

Wave Pavilion – Macdowell, Tomova  

La storia dell’architettura rinascimentale  è stata da sempre condizionata dalla teoria secondo cui la linea potesse rappresentare lo spazio. Negli ultimi anni tuttavia questa convinzione è stata affiancata da nuove teorie. La modellazione computazionale infatti ha sostituito al potere della linea quello della superficie.

Il tutto viene reso ancora più forte dalla sempre maggiore diffusione delle tecnologie di fabbricazione digitale per la realizzazione di elementi architettonici.Un esempio di progettazione architettonica realizzata con tecniche di design computazionale e sulla produzione deformante è rappresentato da padiglione Wave Pavilion, progettato  da un team di giovani designer guidati da Parke MacDowell, Diana Tomova e Boriana Tomova.

Situato nel campus della University of Michigan Taubman College of Architecture e Urban Planning, il padiglione funge da spazio di raccolta e funge anche da strumento didattico nel dialogo della fabbricazione digitale. Costruito con barre d’acciaio, il padiglione intende illustrare come la linea possa essere “esplicitamente sfruttata verso la descrizione sfumata dello spazio”.

Il progetto si basa sulla precisa fabbricazione e assemblaggio dei suoi elementi costitutivi. a tal fine, gli architetti hanno progettato e realizzato un dispositivo di piegatura dell’asta a controllo numerico che opera in tandem con un braccio robotico multiuso a 7 assi per modellare i componenti del padiglione.

La produzione ibrida

La produzione ibrida è una combinazione di due o più tecniche viste in precedenza. I singoli processi da soli hanno capacità notevoli, ma se combinati, aprono un nuovo livello di progettazione e produzione. 

Instant Stand Pavilion. By Medaarch

Un esempio di produzione ibrida che unisce manifattura deformante e manifattura sottrattiva è rappresentato dal padiglione Instant Stand progettato dalla Medaarch in occasione di innovation Village 2019. Il padiglione è composto da differenti moduli progettati per consentire all’utente di assemblarlo in innumerevoli composizioni, differenti tra loro per forma e per dimensioni. 

Il materiale scelto per la costruzione del padiglione è l’Alucobond, un materiale composito costituito da due lamine in lega di alluminio e da un nucleo in polietilene nero ad alta densità accoppiati con procedimento di fabbricazione in continuo che ne consente il taglio a misura. L’alucobond conferisce alla struttura leggerezza e, al contempo, rigidità strutturale.

Dai test condotti sui campioni di Alucobond si è riscontrato che il materiale può essere sottoposto a due tipi di lavorazioni differenti: 

• Taglio, con l’impiego di fresatrici a controllo numerico
• Deformazione (curvatura), con l’impiego di calandre.

Sono questi infatti i due tipi di lavorazione impiegati per realizzare Instant Stand. ù

Il particolare design dei moduli che caratterizza Instant Stand, permette di fare uno straordinario passo avanti rispetto ai vecchi sistemi fieristici.  Infatti, con lo stesso numero di moduli è possibile assemblare innumerevoli composizioni, differenti tra loro per forma e per dimensioni. In questo modo Instant Stand permette di adattarsi e rispondere appieno alle necessità aziendali e alle differenti esigenze di spazio offerto dalle organizzazioni fieristiche, senza chiedere al cliente ulteriori spese per la progettazione di nuove soluzioni.

La grande versatilità di colori e di forme degli elementi compositivi, l’elevato grado di personalizzazione delle componenti grazie alla possibilità di incidere logo e grafica aziendale e la facilità di assemblaggio rendono Instant Stand un prodotto innovativo e accessibile a tutti.

Instant stand non è solo un elemento espositivo ma anche e soprattutto un luogo di comunicazione pensato per favorire relazioni e interazioni in eventi artistici così come di occasioni di business.

…e poi c’è la Robotic manufacturing 

La manipolazione robotica si riferisce al modo in cui i robot interagiscono con gli oggetti che li circondano: afferrare un oggetto, aprire una porta, imballare un ordine in una scatola, piegare il bucato, etc. Tutte queste azioni richiedono che i robot pianifichino e controllino il movimento delle mani e delle braccia in modo modo intelligente. Ci concentriamo sui robot che manipolano oggetti in un ambiente umano non strutturato, come le nostre case, nonché sui robot che lavorano su attività di produzione e assemblaggio.

La manipolazione robotica, comprende qualsiasi altra forma di produzione digitale come piegatura e tessitura. Presenta il vantaggio che, equipaggiati con gli strumenti giusti, i robot possono essere utilizzati successivamente per una varietà di compiti e le possibilità sono infinite. Uno di questi esempi è il progetto Fiberbots del MIT, un processo di produzione robotica cooperativa, progettato per la fabbricazione digitale di oggetti ed elementi strutturali su larga scala, che utilizza la tessitura e la stampa a forma libera. La ricerca intendeva allontanarsi dalla fabbricazione monoassiale e creare un quadro applicabile su tutte le scale.