Konstnärligt utvecklingsarbete
Konsthögskolan Valand /projekt 226092
Jim Berggren & Göran Boardy
Rapport
Tredimensionell modellering genom användning av dator, industrirobot, NC-maskin (Numeriskt kontrollerad fräs/ svarv) och FriFormframställnings system (FFF).
Frågeställningar: På vilket sätt kan en dator befrämja en konstnärs arbete med plastisk form?
Hur kan den numeriska representationen av form, som dagens CAD-teknik tillhandahåller, utnyttjas för att materialicera konstnärliga visioner i det verkliga rummet?
Genomförande: Genom att kombinera grafiskt uttryckt 3D from i dator med ett system som utifrån numerisk representation bygger eller reducerar fram en verklig form i ett material kan följande arbetsform skapas:
-
1. Konstnären beskriver en tredimensionell form med grafiskt program i dator.
2. Programmering av dom nämnda systemens rörelse och funktionsmönster för att arbeta fram önskad form i det aktuella materialet.
3. Överföra programmet till systemet och kalibrera detaljen med styrprogrammet.
4. Bearbeta materialet.
5. Eventuell manuell bearbetning av detaljen.
Till vilken nytta:
-
- Större frihet att realisera idéer från dator till bearbetat material.
- visualiseringsmodeller kan tas fram snabbt, t.ex i en förminskad skala.
- Möjligheter till reproducerbart arbete (jämför t. ex grafik).
- Möjligheter till variationer.
- Kunskaper om olika materials egenskaper och lämplighet att bearbetas på det avsedda sättet.
- Formframställning / underlag för nya och traditionella gjuttekniker.
Undersökta metoder för modellering och prototypframställning:
1. FFF (friform framställning) försök A: FDM (fused deposition modelling) metoden.2. FFF (friform framställning) försök B: Barfotametod med spånplatta, bandsåg och lim.3. Tredimensionell modellering av material genom användning av dator och NC-maskin.4. Numeriskt styrd laserskärning i rostfri plåt.5. Industrirobot6. PlotterTeknisk genomgång
Det kan vara på sin plats att inleda redovisningen med följande intressanta artikel som är skriven av Prof. T. Smith, Univ. of Leicester et al. Han tecknar här en bild av de fem viktigaste rapid prototypingmetoderna och dess läge idag. När vi kontaktade honom om tillstånd att använda denna artikel visade det sig att det just nu görs ansträngningar för att på allvar introducera dessa nya tekniker för konstnärer och designers inom de Engelska universiteten.
Layer Manufacture
En ny slags tredimensionell visualisering för konstnärer
Bakgrund
Fri formframställning började på allvar 1988 när det amerikanska företaget 3D Systems tillverkade sin första apparat ³Stereo Lithography². Denna framställde tunna materialskikt genom härdning av ljuskänslig harts med ultraviolett laser (en mera detaljerad redogörelse finns längre fram).
Sedan dess har mer än 500 utrustningar sålts över hela världen, fem nya framställningsprocesser har uppfunnits och 10 olika företag är nu verksamma på detta fält.Tillverkare Det finns fem kommersiella metoder för framställning av skiktade objekt.
Stereo lithography dominerar marknaden och 3D Systems, den ursprunglige tillverkaren, har den största marknadsandelen. Inkomsterna från försäljning av dessa utrustningar har i genomsnitt ökat med 30% sedan 1988 och förutses framgent öka med 35 - 40 % per år. Försäljningen uppgick 1993 till mer än 400 miloner kronor. Kostnaderna för utrustning minskar, och datortillverkare som IBM och Hewlett Packard utvecklar desktop-utrustningar. Det verkar troligt att vissa typer av utrustning på sikt blir överkomliga för bredare grupper av användare.Typer av utrustning Detta är en tillverkningsprocess som snabbt vinner i popularitet och tekniken utvecklas raskt. Av tillgängliga system är följande tekniker väl utprovade och mogna:
-
[A] Stereo lithography - SLA (tredimensionell reproduktion)
[B] Selective laser sintering - SLS (selektiv laser-pulvrisering)
[C] Laminar object manufacture - LOM (skiktad objekframställning)
[D] Fusion deposition modelling - FDM (smältnings-modellering)
Stereo Lithography
(Tredimensionell "litografering")
I denna process ³ritar² en laser ett tvärsnitt på ytan av ett ljuskänsligt hartsbad. Laserstrålen härdar delvis hartsen och åstadkommer på så vis ett tunt skikt av solitt material.
Processen inleds med positionering av arbetsbordet alldeles under hartsytan, så att det första skiktet fäster vid bordet. Efter att varje skikt blir färdigt sänks arbetsbordet ett litet stycke så att ett nytt lager harts exponeras och kan härdas. På så vis byggs långsamt en solid model i hartsbadet, som visas i fig. 1.
För att modellen skall kunna avlägsnas från arbetsbordet består det första skiktet av ett fint trådgaller av harts. Allteftersom modellen byggs upp i hartsbadet kan överlappande sektioner ställa till med betydande problem. För att undvika att strukturen faller samman måste skikten förstärkas med stöd i form av trådgaller, och även dessa måste tas bort från föremålet efter den slutliga härdningen.
Efter färdigställandet tas modellen ut ur badet och härdningen fullföljes genom att överflödig harts tas bort från den och den placeras i en ultraviolett ugn. Efter denna process skall trådgallret tas bort och modellen slutligt göras ren.
Processen innefattar således:
-
[A] Ett ³ritstadium²
[B] Ett rengörings- och efterhärdningsstadium
[C] Ett slutbehandlingsstadium
Selektiv sintring med laser
Denna metod använder istället för harts ett pulver som kan smältas vid hetta. Fig. 3 åskådliggör processen.
Modellen byggs upp på en plattform som är positionerad vid en horisontell tryckplatta. Plattformen är nedsänkt ett litet stycke så att det bildas en mycket grund urholkning mellan denna och tryckplattan. En vals sprider så pulvret över tryckplattan och fyller urholkningen över den nedsänkta plattformen. En laser som riktas över pulvret med en rörlig spegel ritar tvärsnittets form och smälter (sintrar) därvid pulvret. Plattformen sänks därefter ett litet stycke, valsen fördelar mera pulver, lasern sveper ytan, och processen upprepas.
Det behövs i allmänhet inga extra förstärkningar för överlappande delar eftersom det osmälta pulvret fyller denna funktion. Ingen ytterligare process erfordras, och mycket lite slutbehandling av modellen krävs. Pulver av polykarbonat, nylon och vax finns för närvarande tillgängliga, metallpulver är under utveckling. Modellerna kan slipas, mejslas, målas eller sprutas .Laminar Object Manufacture
(Laminär modell-framställning)
I denna process skär lasern skivor från ett pappersark, skivorna fogas sedan till tidigare skurna skikt. I motsats till andra processer är det bara konturen av formen som behöver tillskäras, medan områden som skall bli tomma i den färdiga modellen görs fint kryss-skurna av lasern vilket resulterar i en uppsättning små kuber i den färdiga modellen. Dessa blir stöd för det material som kan läggas ovanpå, och kan vanligen borttagas i slutet av processen. Emellanåt kan de oönskade kuberna bli helt och hållet inneslutna i modellen, och då måste processen avbrytas så att det överflödiga materialet kan avlägsnas innan inneslutning sker.
När lamineringen är genomförd känns modellen som (och är i själva verket) trä. Modellen måste slutbehandlas för att avlägsna stöd-kuber och därefter poleras. Den kan sedan behandlas som trä, men varsamhet måste iakttagas för att undvika delaminering .
Fused Deposition Modelling
(Smält-deponering)
I denna process tillförs ett upphettat munstycke ett trådämne av vax eller plast. Munstycket förs över ytan och bygger upp tvärsnittet i smält vax eller plast som snabbt stelnar. Ingenytterligare härdning erfordras och materialet är så starkt att ingen förstärkning behövs för de flesta överlappningar.
När en utfyllning eller ett överlappningsstöd krävs kan ett andra munstycke användas för att lägga ett trådgaller av plast eller vax som medger enkelt borttagande efter tillverkningen.
Egenskaper
Varje process har sina särskilda egenskaper. De som är mest relevanta för konstnärer listas i Tabell 3. Kostnaden för att modellera ett mindre föremål, som exempelvis en mugg, anges i tabellen och är ungefär densamma - c:a 2000 kronor. Kostnadskalkylen baseras på ett flertal föremål som tillverkas vid samma tillfälle. Precis som i modeindustrin, där ett minimum av materialslöseri eftersträvas med hjälp av omsorgsfull kombinering av mallar, så kan modelltillverkning göras mycket produktiv om så många objekt som möjligt packas i samma omgång. Detta åstadkommes med hjälp av bra programvara till modelleringsutrustningen, och inbegriper till och med packande av objekt inuti andra objekt för att minska materialåtgången.
Aspekter på programvaran
Programvara för modellering
Skikttillverkning är en datorkontrollerad tillverkningsprocess som fordrar detaljerade tillverkningsdata ( en STL-fil ), på samma vis som numeriskt styrda maskinverktyg fordrar noggrant definierade spår som skärverktygen skall följa.
Datorbaserade tillverknings- och designsystem definierar noggranna tredimensionella modeller, och kan användas för att generera användbara data för skikttillverkning (Layer Manufacture). Gränssnitten i industriella CAD-system är emellertid i allmänhet inte lämpliga för konstnärer. Denna grupp föredrar system för yt-rendering av fria former ( Free Form Surface Modelling) vars huvudändamål är att åstadkomma visuellt attraktiva återgivningar på skärm.
Sådana system är huvudsakligen gjorda för att visuellt återge tvådimensionella representationer av tredimensionella objekt. När dessa system används vid skikttillverkning (Layer Manufacture) skapar de ofta modeller vars ytor inte är slutna (det vill säga ytans olika sidor möts inte), vars sidor överlappar eller modeller vars väggar saknar tjocklek.
Därför krävs programvara med ett för konstnären lämpligt gränssnitt, men som också innehåller noggranna underliggande geometriska data, så att bra modeller kan åstadkommas med skikt-tillverkning.
Från Formgivning till Tillverkning
Processen som åskådliggörs i fig. 6 är den som är nödvändig för att överföra en produkt från formgivningsstadiet hela vägen till lyckad tillverkning. För att minimera misslyckanden, minska kostnader och lyckas åstadkomma sådana föremål som formgivaren föreställt sig måste ett antal steg beaktas:
Utbildning
Formgivare behöver utbildning så att dehelt omfattar tillverkningsprocessen och så att de kan:
-
a/ undvika misstag och
b/ till fullo utnyttja mediets möjligheter
När väl objektet är formgivet och datafilen lagrad i värddatorn måste en STL-fil genereras. Även om sådana är lätt tillgängliga i många industriella system så är situationen mindre självklar inom konst / skulpturområdet.
Det är klart att DeskArtes och Alias för närvarande används av formgivare, och de kan skapa rejäla STL-filer. Användare har emellertid alltid preferenser för särskilda system, och en ytterligare inventering krävs för att identifiera lämpliga sådana, och möjligen måste en del programvara för slutbearbetningen skrivas.
Dataöverföring och verifiering
Skaparen av modellen kan sända data på diskett, men överföring i nätverk är mera effektiv. Väl framme på tillverkningsorten kan data kontrolleras för att verifiera att ytor är slutna och så vidare. Om felaktigheter uppdagas på detta stadium måste formgivaren åter kontaktas.
Det är viktigt att formgivaren är införstådd med tillverkarens problemställningar, så att formgivarens alla intentioner kan tillgodoses. Detta understryker behovet av lämplig utbildning för formgivaren, men också en förståelse hos tillverkaren för formgivarens särskilda önskemål (som inte sällan är annorlunda mot en ingenörs önskemål).
--- Prof. T. Smith, Univ. of Leicester et al.
Senast uppdaterad 98-01-25, 19.55
html & design,
av
Göran Boardy