digital to physical

Esistono diversi approcci per la realizzazione di circuiti stampati (printed circuit board - PCB):

incisione con acido: è il metodo più utilizzato sia per grandi lotti di produzione che per circuiti prodotti a livello amatoriale in pochi esemplari. Si tratta di una tecnica sottrattiva: l'acido è usato per rimuovere le porzioni di rame indesiderato da una lastra prefabbricata. Applicando una maschera temporanea sulla lastra, alcune parti vengono protette dall'attacco dell'acido, lasciando intatto lo strato di rame necessario al circuito. Esistono due tecniche: col trasferimento diretto del toner il tracciato del circuito viene stampato da una stampante laser su carta disposto capovolto sulla lastra. Passando sopra i due elementi un ferro da stiro, si trasferisce così il toner dalla carta al rame. La laminazione tramite fotoresist prevede invece che la maschera venga stampata su un foglio trasparente o lucido, per essere poi esposto ad una lampada UV, sviluppandosi sulla lastra.

rimozione selettiva di rame: è simile al processo di incisione. Esistono più tecniche per rimuovere il rame da una basetta rivestita: le più comuni sono l'instradamento delle piste (trace routing) tramite fresatura controllata (CNC milling) e l'ablazione del rame con potenti laser.

deposizione: esiste una grande varietà di tecniche che aggiungono rame sulla basetta. Alcune sono basate sulla tecnica della galvanizzazione (electroplating), altre utilizzano inchiostri conduttivi per definire le piste del circuito. 

Considerata la complessità esecutiva dell'electroplating, ma pure la rapida deperibilità delle vernici conduttive utilizzate come alternativa, è sconsigliabile praticare scelte produttive orientate sull'approccio additivo. 

A partire da un generico circuito disegnato con Fritzing ho dedotto alcuni tracciati vettoriali che sono stati la base di un preliminare lavoro di fresatura con la Roland iModela iM-01 , gentilmente messa a disposizione da MakeInBo.

La iModela iM-01 è un fresa desktop a 3 assi. Permette di lavorare la cera, la resina, il legno chimico e le materie plastiche più diffuse. Possono essere utilizzati diversi tipi di mini frese per fare tagli, per forare, modellare. Con questa macchina a disposizione, è stata naturalmente scelta la tecnica di rimozione selettiva del rame, come descritto, tramite fresature controllata.

Su basette di plexiglass (PMMA) di 86x55 mm spesse 1mm sono stati effettuati alcuni test del processo di fresatura: pur senza un effettivo progetto delle piste da isolare si sono valutati qualitativamente gli effetti della variazione di parametri come la profondità di incisione in funzione della lame montate (punta a V 45° e 30°), incremento di profondità passo-passo (taglio, incisione, foratura sono processi che la fresa svolge in più iterazioni - modalità detta multi-passing -, evitando che la lama venga sollecitata in modo eccessivo).

Composto è il termine con cui in Chimica si intente un insieme di più elementi. Il sale da cucina, o cloruro di sodio, ad esempio, è costituito da atomi di sodio e di cloro. Quando il composto contiene sia un metallo che un non metallo -secondo la classificazione della tavola periodica degli elementi-  si ha a che fare con un composto ‘ionico’. Alcuni composti ionici si dissolvono in acqua e durante tale processo il metallo caricato positivamente - catione - si separa dal non metallo di carica negativa - anione. Il fenomeno detto precipitazione è dunque il processo inverso: catione ed anione si combinano reciprocamente a formare cristalli solidi nella soluzione.

L’abilità di un composto nel dissolversi in acqua è definita solubilità. Convenzionalmente, il composto presente in minor quantità è detto soluto, quello presente in maggiore quantità solvente. Nel caso di un solido disciolto in un liquido, quest’ultimo si dice solvente. La saturazione avviene quando la massima quantità di soluto è stata disciolta in una data quantità di solvente. Alcuni composti mostrano una tendenza alla solubilità più spiccata di altre, ma per tutti la solubilità  varia con la temperatura. Temperature elevate permettono di disciogliere maggiori quantità di soluto in una certa quantità di solvente. Il processo della sovrasaturazione, o supersaturazione di soluzioni è dunque legata a processi di trasformazione di temperatura.  Si ha fenomeno della supersaturazione quando la quantità del soluto disciolto in una data quantità di solvente eccede il punto di saturazione. 

Perché si abbia precipitazione deve formarsi nella soluzione un cristallo solido (nucleazione). Una volta formato il cristallo, il processo della crescita aumenta la formazione dei cristalli alla scala macroscopica dunque il fenomeno sarà visibile. Non può esserci crescita senza nucleazione sebbene in alcune condizioni parte del soluto possa opporsi a tale processo. Perché tale processo abbia inizio occorre solitamente una superficie con qualche irregolarità: può trattarsi di un’impurità come ad esempio pulviscolo o polvere o una micro-fessura del contenitore di vetro in cui si trova la soluzione. Allo stesso modo, è possibile avviare intenzionalmente la nucleazione aggiungendo una piccola quantità di cristalli già precipitati della medesima sostanza.

L’acetato di sodio (CH3COONa)  è un composto ionico costituito da cationi di Sodio (Na+) e ioni acetato ( C2H3O2(-) ). Come molti acetati, è facilmente solubile in acqua: 76 g si dissolvono in 100 ml di acqua a 0°C. La solubilità aumenta notevolmente a temperature elevate. Nel realizzare il ghiaccio caldo, si satura una soluzione di acetato di sodio con acqua calda e successivamente la si raffredda. In questo modo la concentrazione di acetato di sodio rimane superiore a 76 g per 100 ml, dunque la soluzione si supersatura. 

Beautiful Reactions: Crystallization di L2 Molecule su Vimeo. A 0:22 la cristallizzazione dei sali di acetato in una soluzione supersatura.

Tra le numerose tipologie di materiali da utilizzare nel processo di costruzione robotica, si è deciso di ricercare un possibile candidato tra i materiali termoplastici. 

Se da un lato è consolidato l'utilizzo di polimeri termoplastici nell'ambito delle tecniche di modellazione a deposizione fusa, è fatto ancor più noto che gli stessi materiali richiedano temperature piuttosto elevate per poter essere disciolti ed estrusi. Alcuni esempi tra i più noti ed utilizzati: l'Acrilonitrile Butadiene Stirene (ABS) comincia a rammollire a partire dai 105 °C, l'Acido Polilattico (PLA) fonde invece in un intervallo di temperature più elevato, tra i 150-160 °C. Il raggiungimento di temperature simili è normalmente consentito disponendo di prese di corrente dalla rete elettrica. Perseguendo l'obiettivo di azionare le unità robot in simultanea, si è evitato l'utilizzo di connessioni o cavi che potessero rivelarsi di intralcio alle operazioni di costruzione e agli stessi spostamenti: l'elettronica è stata dunque alimentata installando a bordo di ciascuna unità batterie dimensionate secondo i carichi energetici previsti.  

Questa scelta, tuttavia, ha reso chiaro fin da subito l'impossibilità di raggiungere le temperature utili alla fusione di polimeri come il PLA o l'ABS. Discutendo di questo vincolo con l'Ing. Martino Colonna (Ricercatore presso il DICASM, Facoltà di Ingegneria di Bologna), è stato così suggerito di testare il polimero Polycaprolactone che si caratterizza per una temperatura di fusione di 60 °C, di gran lunga inferiore a quella degli altri polimeri.

Il Polycaprolactone (PCL)  è un polimero semicristallino sintetico e biodegradabile. Essendo dotato di buone caratteristiche di biocompatibilità e di un'elevata stabilità termica, è molto utilizzato nel campo delle applicazioni biomedicali; ha inoltre una buona resistenza nei confronti del cloro, dell'olio, dell'acqua e dei solventi in genere.

fonte: Wikipedia 

E' stato così possibile valutare presso i laboratori del DICASM la viscosità dei fusi di PCL per temperature crescenti della camera di estrusione di un estrusore a vite azionato manualmente. 

Si è potuto consatatare che:

una maggiore temperatura della camera di estrusione determina una minore viscosità del fuso, e dunque minori resistenze all'estrusione;

già a 80 °C il fuso diventa facilmente estrudibile, confermando un importante risparmio energetico necessario per una alimentazione di tipo wireless;

Uno dei primi livelli di coscienza di cui dotare un certo tipo di Robotica "intelligente" è quello che permette a ciascun individuo di collocare sé stesso all'interno di un ambiente costituito di oggetti, alcuni coi quali interagire, altri da evitare. Rispetto questi ultimi, gli algoritmi di collision avoidance permettono alle unità robotizzate di muoversi ed operare senza che queste vengano a urtarsi reciprocamente. 

Dotando questo piccolo rover di una coppia di sensori Sharp GP2Y0A21YK si è potuto cominciare a lavorare con algoritmi di questo tipo, utili ad incorporare una primitiva forma di visione - essenziale per una esplorazione priva di rotta e di controllo diretto da operatore.

Lo Sharp GP2Y0A21YK0F è un sensore che permette la misurazione di distanze, costituito di combinazione integrata PSD (rilevatore sensibile di posizione), IRED (diodo ad emissione IR) e di un circuito per processare il segnale. Il grado di riflessione delle superfici, la temperatura ambientale e la durata dell'operatività possono alterare la rilevazione a causa del metodo di triangolazione adottato dal sensore. Il segnale di output (analogico) restiuito dal sensore è un voltaggio che esprime la distanza rilevata: 3.1 V corrispondono a 10 cm, mentre 0.4V corrispondono a 80 cm.

E' così piuttosto semplice combinare i due segnali provenienti dalla coppia di sensori simulando una primitiva forma di visione binoculare. 

Si sono definite due soglie di distanze rilevabili, una minThresholdDistance al disotto della quale reagire con movimenti rapidi per evitare collisioni imminenti con oggetti vicini, ed una maxThresholdDistance che permetta correzioni delle traiettorie più morbide trattandosi di ostacoli più lontani. Il numero delle permutazioni possibili dai tre stati della variabile measuredDistance :  

measuredDistance<minThresholdDistance

minThresholdDistance<measuredDistance<maxThresholdDistance

measuredDistance<maxThresholdDistance

è pari a 3 fattoriale, ovvero 3! = 3x2x1 = 6 .

Ciascuna delle sei possibili coppie di letture rilevabili, attueranno nel robot una risposta motoria coerente con la minore o maggiore urgenza di modifica del proprio percorso, evitando così collisioni ed urti con oggetti fissi o in movimento. 

Una seconda modalità di simulazione di materiale fluido-viscoso si è proposta ricorrendo alla classe VolumetricBrush delle librerie sviluppate da Karsten "toxi" Schmidt per Processing. In questo caso il modello prevede la discretizzazione del piano di deposito in una matrice bidimensionale che raccoglie le deposizioni rilasciate dall'alto. Per ogni cella della matrice si stabilisce una corrispondenza tra numero di deposizioni cadute in corrispondenza di quella e il valore di dimensione con cui il VolumetricBrush interverrà localmente nello spazio voxel.

Alle strategie di deposizione per dropping viste in precedenza, si è valutata parallelamente la possibilità di una modalità costruttiva basata su rilascio di materiale fibroso. 

Prendendo in prestito alcune modalità operative proprie delle tecnologie FDM ne è emerso un modello per alcuni aspetti differente. Il primo fondamento a saltare è stato quello che impone per queste tecnologie una crescita per layering della forma di riferimento che si vuole convenzionalmente replicare (un modello digitale). Ho ipotizzato in tal senso di lasciare lavorare in modo non predeterminato gli individui di una popolazione di robot (punti neri in movimento), vincolati a muoversi su di un piano (il piano orizzontale superiore del parallelepipedo) senza un percorso stabilito a priori. 

La squadra di robot-costruttori è pensata in grado di rilasciare un materiale filamentoso che ha consistenza plastica. Riprendendo l'analogia con le tecniche FDM, possiamo pensare queste unità robot come numerosi terminali estrusori in movimento. Man mano che il singolo filamento estruso si raffredda perde la sua capacità di saldarsi reciprocamente con altri filamenti, creando connessioni non prevedibili che realizzano strutture spaziali fibrose e complesse.   

Non vi è in questa prima esplorazione una precisa ricerca di soluzioni ottimali, dal momento che non è formulato un obiettivo che stabilisca il criterio rispetto il quale valutare il beneficio generato dalla specifica soluzione adottata dal robot. Lavorando già dalle prime fasi con questa libertà è possibile cogliere le potenzialità in termini morfologiche conseguenti ai distinti approcci materiali: la strategia qui proposta rimanda ai ben noti esperimenti di bundling condotti da Frei Otto. Si tratta di un sistema auto-organizzante in cui è il materiale a negoziare le diverse forze in gioco (gravità, tensioni interne al materiale) senza che venga imposta su di questo alcuna forma a priori. 

D2P - digital to physical - è il diario di bordo che registrerà progressi e fallimenti definendo così le tappe di un personale percorso di ricerca per la Tesi di Laurea. La volontà, condensata nell'acronimo che dà il titolo a questo Tumblr, è quella di esplorare il territorio che collega simulazione e realtà fisica, modello e prototipo, consapevole che la distanza che separa ha cominciato da tempo a contrarsi, offrendo occasioni di riflessione importanti sulle mutue influenze tra il digitale e processi di materializzazione. 

TESTA/WEISER