A novel shape display for physical interaction with virtual surfaces

Development of brand new products is a process on which companies focus the majority of their resources in order to maximize customers satisfaction, and the capability of thinking up new products tailored on user desires relies on the experience of industrial designers which spend a lot of time in routine-based tasks. These design processes are based on the creation of 3D digital models, strictly related to the visual aspect, and finally evaluated after the construction of a mockup. Whether the concept doesn't fit the project requirements, product designers have to go back to the modeling phase and adapt the digital model entailing a new physical prototype for further evaluations. This iterative process leads to an overall increase of development costs. To improve companies competitiveness would be suitable to move backward the tactile evaluation and perform it at the same time of the modeling phase. Hence, this thesis aims to develop a new device based on the idea of shape-shifting surfaces, able of rendering virtual surfaces in order to reduce losses of time and costs related to several concept construction. First of all, this work propose a rigorous mathematical model to predict the deformation of a physical surface needed to approximate the virtual one. An innovative modular approach based on points and curvatures control has been used. One of the most critical issue of this research field regards the choice of the physical surface. A finite element model has been used to predict the warping of the physical surface and to build an error function between virtual surface characteristics and physical ones that can ensure the maximum accuracy of the representation. A simplified prototype has been built to test basic shape features commonly used in industrial design field. Moreover a numerical test on a real industrial application case has been performed. The case is related to the approximation of a car bonnet by the means of an extended variables set problem.

Lo sviluppo di nuovi prodotti è un processo a cui le aziende dedicano la maggior parte delle proprie risorse con l'unico scopo di massimizzare la soddisfazione del cliente, e il compito di reinventare prodotti fatti su misura dell'utente è affidata all'esperienza dei progettisti, i quali utilizzano gran parte del tempo a disposizione per creare modelli digitali tridimensionali, strettamente legati ad un aspetto visivo, per poi valutarli a valle della fase di realizzazione di un prototipo fisico. Qualora il concept non dovesse soddisfare i requisiti del progetto, i progettisti devono tornare alla fase di modellazione e adattare il modello digitale tenendo conto dei feedback, per poi costruire nuovamente un prototipo necessario per le valutazioni. Questo processo iterativo causa un eccessivo incremento dei tempi e costi di sviluppo del prodotto. Per migliorare la competitività delle aziende sarebbe conveniente spostare la fase di valutazione ed effettuarla simultaneamente con la fase di modellazione. Pertanto, questa tesi mira a sviluppare un nuovo dispositivo, basato sull'idea di superfici in grado di cambiare la propria forma, e quindi capace di rappresentare varie superfici virtuali in modo tale da ridurre perdite di tempo e soldi legate alla costruzione di diversi prototipi. Come prima cosa, questo lavoro propone una trattazione matematica rigorosa per prevedere come una superficie fisica si possa deformare per adeguarsi ad una virtuale. È stato utilizzato quindi un approccio modulare innovativo basato sul concetto di punti e curvature di controllo. Uno degli aspetti più critici di questa ricerca è stata la scelta di una adeguata tipologia di materiale per la superficie fisica. È stato introdotto un modello ad elementi finiti adatto alla previsione della deformazione della superficie fisica, necessaria per costruire una funzione d'errore atta a minimizzare la differenza tra le componenti delle superfici virtuali e quelle fisiche, massimizzando quindi l'accuratezza della rappresentazione. La fase di valutazione sperimentale è stata coadiuvata dalla costruzione di un prototipo semplificato del dispositivo progettato, utilizzato per confrontare il modello su forme semplici largamente utilizzate nel design di prodotto. Inoltre è stato affrontato un test numerico su una applicazione industriale reale. Il caso applicativo fa riferimento alla rappresentazione di un cofano d'automobile attraverso l'utilizzo di una formulazione con ampio insieme di variabili.