From metallic powder to the object. Digital aesthetic of new products obtained by Selective Laser Melting process

With the most recent technological developments, rapid prototyping technologies evolved into additive manufacturing (AM) technologies. Several methods have been developed allowing the production of functional components, leading from simple and creative prototypes to final products personalised with peculiar functions in an actual industrial production. Customized products, complex geometries, and use of new materials with interesting properties are some of the improvements the AM processes introduced, but there’s still much more to investigate, to test and to develop in this particular field, especially under an aesthetic point of view. Compared to conventional production methods, the peculiar characteristics of AM processes are, as a matter of fact, really interesting options. AM processes involve different methods of fabrications for different material families, among which the most important are polymers, ceramics and metallic solutions. The development of reliable technologies able to provide functional components with acceptable mechanical properties has polarized much interest on metals, due to their importance on many strategic fields as automotive, aerospace, medical/dental and energetics. The highly complex geometries and extreme precision of these new techniques lead to a widespread industrial support of powder bed-fusion processes, such as selective laser melting (SLM), which guarantees great detail and acceptable surface finish. SLM is based on a digital design and manufacturing environment, as all the AM technologies; this feature proved very successful for customized manufacturing of mechanical and biomedical parts. On the other hand, the chance of designing and manufacturing in a completely digital environment has not been widely explored from a designer’s perspective yet, and, more importantly, the perception of AM produced objects by the users is still to be investigated. The manufacturing constraints of conventional manufacturing methods mirror in equal constraints in product design. This is valid also for unconventional processes, such as AM, even if the nature of this limits is completely new. The digital design tools can provide new solutions in shapes, functions and assembly, combined with the geometrical capabilities of the AM processes, in particular SLM. The use of conventional surface finishing can also provide an increased number of possibilities for designers to alter the users’ perception of the finished objects. All these aspects require a methodological study. A greater understanding of how SLM produced components are perceived can be eventually useful at predicting geometrical and surface variations in a digital environment, that can be later considered during the design process. Accordingly, this Ph.D. thesis aims to investigate the perception of SLM produced shapes, finished using conventional surface post processes. This thesis provides a methodological overview on icon design to test different shapes and surface finishes. These icons were produced using SLM and steel powders (18Ni300 Maraging steel), and their perception was studied through a specific survey submitted at several exhibitions to 646 participants regarding shapes and 158 participants judging surfaces. At the end, is introduced an “aesthetic tool” concept. This ideal tool provides the designer with a set of aesthetic rules, recommending shape and surface finishes to convey a desired user perception as suggested by the statistical models acquired.

Con i più recenti sviluppi tecnologici, le tecnologie di prototipazione rapida si sono evolute in tecnologie di produzione additiva (AM). Sono stati sviluppati diversi metodi che consentono la produzione di componenti funzionali, che portano da prototipi semplici e creativi a prodotti finali personalizzati con funzioni specifiche in un contesto di produzione industriale. Prodotti personalizzati, geometrie complesse e l'uso di nuovi materiali con proprietà ad hoc sono alcuni dei miglioramenti introdotti dai processi additivi, ma c'è ancora molto da esplorare, da testare e sviluppare in questo campo, soprattutto sotto il profilo estetico. Rispetto ai metodi di produzione convenzionali, le caratteristiche peculiari dei processi AM sono, di fatto, opzioni davvero interessanti e valide alternative di produzione. I processi AM coinvolgono diversi metodi di fabbricazione per diverse famiglie di materiali, tra i quali i più importanti sono i polimeri, le ceramiche e i materiali metallici. Lo sviluppo di tecnologie affidabili in grado di fornire componenti funzionali con proprietà meccaniche accettabili ha focalizzato l'interesse sui materiali metallici, a causa della loro importanza in molti campi strategici come automotive, aerospaziale, biomedicale/dentistico ed energetico. Le geometrie estremamente complesse e la precisione di queste nuove tecniche portano ad uno sviluppo industriale dei processi di fusione a letto di polvere, come la Selective Laser Melting (SLM), che garantisce grandi dettagli e una finitura superficiale accettabile. La tecnologia SLM si basa su un ambiente di progettazione e produzione digitale, come tutte le tecnologie AM; questa caratteristica si è rivelata di grande successo per la produzione personalizzata di parti meccaniche e biomedicali. D'altro canto, la possibilità di progettare e produrre in un ambiente completamente digitale non è stata ancora ampiamente esplorata dal punto di vista del designer e, cosa ancora più importante, la percezione dei prodotti additivi da parte degli utenti è ancora da investigare. I vincoli di fabbricazione dei metodi di produzione convenzionali si rispecchiano nei vincoli della progettazione del prodotto. Ciò vale anche per i processi non convenzionali, come ad esempio la SLM, anche se la natura di questi limiti è completamente nuova. Gli strumenti di progettazione digitale possono fornire nuove soluzioni di forme, funzioni e assemblaggi, combinati con le capacità geometriche dei processi AM, in particolare della SLM. L'uso della finitura superficiale convenzionale può anche fornire un numero maggiore di possibilità per i progettisti di alterare la percezione degli oggetti finiti. Tutti questi aspetti richiedono uno studio metodologico. Una maggiore comprensione di come vengono percepiti i prodotti SLM può infine essere utile per prevedere le variazioni formali e di superficie in un ambiente digitale, che possono essere successivamente considerate durante il processo di progettazione. Di conseguenza, questo dottorato di ricerca ha lo scopo di indagare la percezione delle forme prodotte mediante SLM, e finite usando i tradizionali processi di finitura superficiale. Questa tesi fornisce una panoramica metodologica sulla progettazione di icone per testare diverse forme e finiture superficiali. Queste icone sono state prodotte usando la tecnologia SLM e polvere d'acciaio (18Ni300 Maraging steel). La loro percezione è stata studiata attraverso uno specifico sondaggio presentato in diversi eventi. 646 partecipanti hanno valutato le forme, mentre 158 partecipanti hanno giudicato le superfici. Alla fine, è stato introdotto un concept di "tool estetico". Questo tool fornisce al progettista una serie di regole estetiche, raccomandando forme e finiture superficiali per trasmettere la percezione desiderata dell'utente finale, come suggerito dai modelli statistici acquisiti.