Appunti esame Tecnologie per il design di moda

Tecnologie per il design di moda

Introduzione al corso

Argomenti trattati

• Modellazione e progettazione: quadro di riferimento
• Tecniche per la modellazione geometrica
• (Design for) Additive Manufacturing
• Reverse engineering
• Motion Capture
• Digital Human Modelling: tutto quello che riguarda la progettazione o la risoluzione di problemi in ambito virtuale, mettendo al centro della progettazione l’uomo

Ciclo di vita del prodotto

• Avamprogetto: un prodotto nasce da un avamprogetto, cioè il prototipo, l’insieme di prove iniziali su carta o già sul digitale che ci permette di identificare cosa vogliamo ottenere;
• Progettazione: si inizia a capire se questo prodotto è fattibile nel dettaglio, per capire se il progetto possa essere realizzato;
• Produzione: produzione del prodotto;
• Distribuzione: se nella fase di produzione il prodotto ha tutte le caratteristiche definite nella fase dell’avamprogetto e della progettazione, si passa alla distribuzione;
• Servizio: la distribuzione crea un servizio, il prodotto offre un servizio;
• Smaltimento: quando la vita di distribuzione di tale prodotto termina, il prodotto va in fase di smaltimento.

Tutto questo processo può essere totalmente simulato, in tutte le sue fasi: si può cioè andare a capire la vita media che un determinato prodotto avrà.

I primi tre step (avamprogetto, progettazione e produzione) sono quelli relativi alla prototipazione virtuale, in cui vedremo degli esempi pratici, una serie di tools che permettono di creare un prototipo, valutare la sua progettazione e produrre il prodotto pronto per la distribuzione; molte volte i Computer-Aided Tools permettono anche di capire se a livello di conoscenza un prodotto può essere o meno progettato e distribuito.

Tra la famiglia dei Computer-Aided Tools ci sono tre principali categorie:

• CAD = Computer-Aided Design: computer che permette la creazione di modelli 3D del prodotto che vogliamo creare, e può essere utilizzato soprattutto nella fase di avamprogetto
• CAE: sistemi che permettono la simulazione tramite il calcolo numerico. Fatto il modello 3D, si prende questo modello, lo si importa in un sistema CAE per vedere ad esempio se una tazzina, bellissima esteticamente, regge ad esempio ad alte temperature; si va quindi a fare la simulazione dell’impatto di una bevanda calda, per vedere come reagisce la tazza
• CAM: sistemi che analizzano un modello geometrico virtuale, per produrlo attraverso delle macchine. Viene quindi passato il modello 3D a questo sistema CAM, vengono creati una serie di codici a basso livello che permettono agli utensili di cui una macchina è composta di seguire dei percorsi (chiamati percorsi utensile) per creare la forma dell’oggetto

Perché queste tecniche vengono impiegate? Ci sono quattro aspetti principali:

• Migliorare il time to market: voglio diminuire il più possibile l’avamprogetto al fine di distribuire il mio prodotto prima delle altre aziende, e queste tecnologie consentono di farlo in maniera piuttosto veloce anziché ad esempio disegnarlo su carta
• Migliorare la qualità e l’affidabilità del prodotto
• Fare analisi comparative su diverse possibili soluzioni
• Ridurre i costi di progettazione, sviluppo, fabbricazione e supporto

Tutto questo, quindi, viene fatto perché ci sono moltissimi vantaggi che sono utili all’azienda.

Modellazione nell’ambito virtuale

Il concetto di modellazione nell’ambito virtuale è un concetto che ha moltissimi anni, ed esistono molti modi per creare il modello virtuale, per modellare un prodotto.

Modellazione per solidi e feature-based

Dietro il concetto di modellazione, si ragiona in modo semplice: l’idea è quella di modellare un oggetto reale e vero, partendo da solidi semplici (un cubo, una piramide, un cilindro, una sfera), detti anche feature-based (cioè con delle caratteristiche base), che messi insieme creano un insieme di entità geometriche che permettono di creare qualcosa di complesso. La modellazione più semplice, quindi, è quella di partire ad esempio da un cilindro, all’interno del quale iniziare a rimuovere parti del materiale.

Il concetto di modellazione può partire da forme semplici che combinate tra di loro, rimuovendo ed aggiungendo feature, permettono di arrivare a forma complesse di oggetti realistici, fino a raggiungere alti livelli di complessità.

Modellazione di complessivi: modello ogni singola parte, le metto insieme secondo delle logiche funzionali, al fine di ottenere un complessivo che è l’intero macchinario. Si sviluppa quindi il modello 3D di ogni componente meccanica e poi le si assembla, per creare un modello 3D complesso. Una costruzione di questo tipo, quindi, permette di avere il modello di ogni parte, per la sua costruzione fisica.

Modellazione per superfici

In alcune situazioni, come ad esempio lo sviluppo di un’automobile, di una scocca di una macchina, può essere fatto per superfici, cioè il modello 3D viene realizzato per superfici, che permettono ad esempio di stabilire la silhouette, tutta la forma della macchina. Questo tipo di modellazione viene spesso utilizzata per la creazione 3D di automobili sportive.

Modellazione Physically-based

Si va a modellare ad esempio un capo, per capire come il tessuto si comporta quando il corpo umano si muove e avvengono dei cambiamenti di come il tessuto si comporta. In questo modo, il modo in cui i vestiti si muovono sull’avatar virtuale è molto preciso. Il fine, quindi, è quello di vedere il comportamento dell’abito quando ad esempio la persona cammina.

Modellazione e analisi multibody

Partendo dalla modellazione per complessivi, tra le simulazioni numeriche abbiamo l’analisi multibody, che consiste nel capire il funzionamento delle varie parti che compongono il complessivo, per vedere come tra di loro gli sforzi dinamici e cinematici impattano sulle varie parti del complesso.

Modellazione ed analisi FE

Sempre nell’ambito dell’analisi numerica, oltre al multibody un’altra analisi fondamentale è l’analisi degli elementi finiti (FE): dato un modello 3D, lo si va a riempire con delle strutture molto semplici, si riempie l’oggetto 3D, ad esempio si riempie di piccoli cubetti ai quali vengono associati delle proprietà fisiche, che possono essere:

• Analisi strutturale, cioè di struttura
• Analisi modale, dinamica
• Analisi termica
• Analisi fluidodinamica
• Interazione fluido-struttura

Queste proprietà vengono associate ad ogni elemento, viene creata una simulazione di un evento (come il contatto con un liquido o con una fonte di calore) e l’associazione fisica di ogni cubetto permette di capire il suo comportamento, al fine di studiare le sue caratteristiche meccaniche e fisiche, garantendo ad esempio che un prodotto oltre ad essere bello sia anche resistente.

Modellazione knowledge-based

Modellazione basata sulla conoscenza: vi sono vari complessivi che compongono ad esempio una macchina di Formula 1, si vanno a dare dei parametri esterni che conosco e so che sono correlati al mio modello 3D dell’auto. Si ottiene quindi un modello 3D in funzione dei parametri. Si ottiene quindi un modello 3D orientato alla conoscenza.

Rapid prototyping e reverse engineering

Prototipazione rapida = capacità di conferire determinate caratteristiche, caratteristiche geometriche di forma e caratteristiche fisiche (peso e materiale) ai fini di avere determinati costi, di avere un oggetto affidabile che permetta determinati investimenti e target. Sono tutte caratteristiche che si possono ottenere attraverso il rapid prototyping.

Per quanto riguarda il rapid prototyping diretto, noi possiamo sfruttare CAM e Additive Manufacturing partendo da un oggetto virtuale (da qualcosa che non esiste) al fine di ottenere un oggetto fisico. Per quanto riguarda il reverse engineering, invece, parto da un oggetto fisico che ha già determinate caratteristiche, al fine di ottenere un oggetto virtuale.

Tecnologie di rendering e visualizzazione realistica

Rendering = visualizzazione estetica dell’oggetto che abbiamo modellato. Io faccio il mio modello 3D con dei sistemi CAD, generalmente un modello molto scarno di caratteristiche stilistiche o di design, generalmente con dei colori basici, e voglio invece vederlo come si vedrebbe nella realtà. Tra i primi step, posso ad esempio stabilire il colore che desidero che il prodotto abbia: si può mettere una texture, cioè un’immagine che si ripete e che va a ricoprire la superficie del mio prodotto.

Per portare l’oggetto in una visualizzazione realistica, ad esempio inizio ad inserire l’ombra, inserendo degli effetti sullo sfondo. Avviare una tecnologia di rendering, quindi, significa avviare, dal punto di vista visivo, tutta una serie di condizioni per visualizzare il prodotto nel modo più realistico possibile. Per creare tutti questi effetti bisogna ad esempio creare uno sfondo, inserire delle luci.. Al fine di scattare una foto all’interno del nostro ambiente 3D.

Esempi di alcuni lavori d’anno sulle slide

Esempi sullo sviluppo e sulla modellazione attorno al corpo umano nell’ambito medicale: patient data management, dedicata alla gestione dei dati sul paziente, composta da 4 fasi.

Acquisizione del corpo umano in diversi modi:

• Morfologia per ricostruire il corpo umano attraverso ad esempio scanner 3D
• Movimento, utilizzando soprattutto soluzioni marker-less, per acquisire il movimento dell’intero corpo umano o di solo una parte
• Altri dati di altri sensori, come sensori di pressione o che ci consentono di misurare la forza
• O prendendo in considerazione delle conoscenze per definire delle regole di progettazione, che prendono in considerazione dei dati che possiamo acquisire

Modellazione:

• Modellazione umana: la modellazione del corpo umano non è solo un volume 3D fatto secondo i canoni del corpo umano, ma è anche un insieme di tessuti (muscolari, tendini ecc.) che hanno determinati comportamenti che possono essere simulati
• Device modelling: permette ad esempio di modellare una protesi, che significa spesso anche modellare in funzione non solo di una forma esterna ma anche di altri sensori, come il sensore di pressione, per capire ad esempio come la pressione si comporta durante una camminata

Simulazione:

• Human behaviour: simulazione del modo in cui il corpo si comporta, per capire se il materiale utilizzato è corretto. Ad esempio per simulare una protesi per il ginocchio si va a simulare il movimento, per capire come si comporta la protesi durante il movimento della persona
• Work procedure: è importante valutare anche le procedure di lavorazione, in cui ci sono sistemi come la realtà virtuale, al fine di migliorare la condizione di lavoro dei progettisti in quell’ambito

Applicazione:

• Protesi: per la progettazione della protesi
• Riabilitazione: si va ad analizzare la camminata o ad esempio l’analisi della spinta nel caso della carrozzina

Nell’ambito della moda, la prima fase è quella dell’acquisizione della persona, dati che vengono sfruttati per l’estrazione delle misure da acquisizione per confezionare un abito (misure cliente); è possibile simulare le misure del sarto. Grazie alle misure, si crea prima una modellazione in 2D e si realizza poi una modellazione e simulazione 3D del capo di abbigliamento.

Metodi e tecniche di Reverse Engineering

Che cos’è il Reverse Engineering? Dato un prodotto, un oggetto già esistente, andiamo a ricostruire la sua forma al fine di eseguire delle modellazioni o riprogettare il modello iniziale oppure a capire dei suoi comportamenti, al fine di scegliere come rimodellare l’oggetto. Dietro il Reverse Engineering ci sta il concetto di cattura 3D dei dati (3D data capture).

Un sistema di 3D data capture è un sistema di acquisizione 3D, cioè una serie di strumenti basati su specifiche tecnologie per l’acquisizione della forma da oggetti fisici.

Si tratta di un processo, e come tutti i processi è composto da tecnologie, sensori e hardware (tecnologie hardware = qualcosa di fisico), tecnologie che contengono una serie di sensori per ottenere un insieme di informazioni che vengono trasferite ad un software. Dietro il trasferimento ci sono una serie di algoritmi che trasformano le informazioni che l’hardware è in grado di recuperare in una serie di dati 3D che ci permettono di misurare quello che ci interessa (forma dell’oggetto, curvatura, caratteristiche morfologiche).

Ciò che alla fine si ottiene è un modello 3D virtuale, cioè una rappresentazione digitale di qualcosa già esistente.

Cosa vuol dire dato 3D?

Il dato 3D tridimensionale più semplice sono i punti risultanti (chiamati anche nuvola di punti), cioè l’hardware, il sensore restituiscono una nuvola 3D. Questo vuol dire che il mio oggetto è composto da una serie di coordinate, di tanti piccoli punti che nello spazio sono delle coordinate spaziali. I dati 3D sono tutta una serie di punti descritti da coordinate x, y e z, che creano una nuvola di punti che, se vista da lontano, rimodella e segue la forma del nostro oggetto scannerizzato.

Da lì susseguono poi tutta una serie di processi 3D che permettono di ottenere la mesh poligonale del prodotto industriale. Questa parte del reverse engineering è specificamente definita reverse modelling, ed è il primo step del reverse engineering.

Una delle applicazioni del reverse engineering può essere la riproduzione: è possibile ad esempio che un oggetto o una parte di esso sia molto usurato ma che non venga più prodotto. È quindi possibile realizzarne una riproduzione 3D al fine di ricostruire la parte danneggiata e poi utilizzare una tecnica per ricostruire il pezzo come deve essere, mantenendo le sue caratteristiche principali.

Le applicazioni che utilizzano i punti risultanti, o nuvola di punti, sono diverse:

• Reverse modelling (per prodotto industriale)
• Reverse engineering (per campo ingegneria)
• Riproduzione
• Archiviazione
• Ispezione
• Analisi
• Controllo qualità
• Medicina: si può ad esempio eseguire la riproduzione 3D degli organi interni, o la ricostruzione delle ossa, che può essere utile ad esempio per eseguire il pre-planning di un’operazione chirurgica, ad esempio per una protesi
• Campo forense
• Animazione

In cosa consiste il Reverse Engineering

L’obiettivo principale è ricavare il modello geometrico dal modello fisico, attraverso due fasi:

• Digitalizzazione tridimensionale del modello fisico: vuol dire che si ha un oggetto reale che si vuole acquisire, lo si digitalizza trasformandolo quindi in una nuvola di punti
• Realizzazione del suo modello geometrico digitale: la nuvola di punti viene presa da un insieme di software e di algoritmi che capiscono com'è fatta la nuvola di punti e iniziano a creare il modello geometrico digitale

La fase finale è infine l’applicazione finale: si crea un prototipo digitale per ottenere una modellazione orientata alla valutazione delle sue specifiche, ad esempio facendo un’analisi degli elementi finiti.

Ogni fase genera dei dati o flussi di dati: dalla digitalizzazione vengono creati dati che vengono passati al software e la realizzazione del modello geometrico genera dati o file di dati che attraverso ulteriori algoritmi permettono di trasformare la superficie del modello 3D in un modello geometrico di un prototipo per essere applicato per qualsiasi analisi.

Come si fa il Reverse Engineering?

Esistono tutta una serie di tecnologie hardware o software che negli anni si sono evolute fino ad oggi creando varie famiglie di tecnologie che permettono di ottenere il modello digitale del prodotto (cioè permettono di fare il reverse engineering). La scelta della tecnologia da utilizzare dipende dal problema: ci sono tecnologie più adatte all’acquisizione di oggetti piccoli, o di ambienti interni, o di persone. Ci sono tecnologie che permettono anche di acquisire spazi esterni molto ampi.

Perché integrare queste tecnologie nel processo di progettazione? Quando noi cerchiamo di introdurre nuovi prodotti sul mercato, dobbiamo farlo nel tempo più rapido possibile rispetto ai competitor, e partire da un modello di reverse engineering permette di progettare qualcosa di molto più utile. Ad esempio, se si sta realizzando la progettazione di interni per case antiche, se io riesco a costruire il modello 3D in maniera molto più agile rispetto ai competitor, ho un grande vantaggio. Queste tecnologie permettono di ottenere significative riduzioni dei tempi di ideazione, progettazione e ingegnerizzazione.

Le fasi del processo di Reverse Engineering

Input: prototipi fisici, pezzi esistenti, pezzi rotti o deteriorati, parti da ispezionare, mock-up.

Output: modello geometrico

Per passare dall’input all’output vi sono quattro fasi:

1. Acquisizione dati 3D: permette di ottenere una nuvola di punti
2. Ricostruzione mesh poligonale: serve un software per capire com'è fatta una nuvola di punti e che ricrea una mesh poligonale. La nuvola di punti è un insieme di punti in cui ogni spazio 3D è totalmente scorrelato dall’altro: prima di arrivare alla mesh poligonale, il nostro software non sa cosa c’è tra un punto e l’altro, quindi il software in maniera automatica conosce le correlazioni che ci sono tra i punti e va ad unire dei punti al fine di creare dei piccoli poligoni (superficie composta da vertici chiusa da un insieme di segmenti), generalmente dei triangoli, che forniscono la relazione tra i punti. Si chiude quindi la nuvola di punti e in questo modo si ottiene una mesh poligonale (poligonale perché prende i punti dalla nuvola di punti e unisce i punti in modo che non si creino dei buchi, al fine di creare la superficie)