Scanner 3D per reverse engineering: dalla scansione 3D al modello CAD
Una domanda che ci viene posta sempre più frequentemente è come ottenere un modello CAD da una scansione 3D il più velocemente possibile e in maniera affidabile.
Se anche tu vuoi conoscere la risposta, questo articolo fa al caso tuo.
Cercheremo di illustrare che cosa è il reverse engineering e come velocizzarlo e ottimizzarlo grazie alla scansione 3D.
Discuteremo le varie problematiche che possono sorgere durante una procedura di reverse engineering e come risolverle con successo, grazie a strumenti di scansione 3D e software di modellazione efficienti.
Partiamo dall’inizio.
Cosa è il reverse engineering e a cosa serve?
Un modello CAD è uno strumento di vitale importanza per molte attività quali la manifattura, il design, la meccanica.
Il reverse engineering è il procedimento che permette di ottenere un modello CAD di un oggetto o componente a partire da misure acquisite mediante rilievi sull’oggetto stesso.
Questa procedura può essere indispensabile in molti casi, come ad esempio:
- quando di un componente fisico non sono più disponibili i progetti originali CAD;
- quando si vuole progettare un nuovo componente a partire da uno già esistente;
- quando si vogliono aggiornare componenti già in produzione, ridisegnarli senza eventuali difetti di produzione e ottimizzarne il processo di produzione.
I rilievi sul componente da ricostruire possono essere effettuati con diverse tecniche, a seconda degli strumenti di misura che si hanno a disposizione.
Tradizionalmente si è abituati a pensare di ricostruire un oggetto a partire da misure prese con strumenti come calibro e metro, ma questa tecnica può risultare scomoda, lenta e inefficace, soprattutto per componenti caratterizzati da geometrie complesse.
Può infatti essere applicata solo a componenti con geometrie regolari come piani e cilindri. Inoltre conduce ad un elevato grado di incertezza della misura e quindi a risultati non sempre affidabili.
L’affidabilità del risultato in tal caso dipende dall’esperienza dell’operatore, che deve essere in grado di intuire gli intenti del progettista del componente. Allo stato attuale della tecnologia, possiamo definire questa tecnica come obsoleta.
Un’altra tecnica per la misurazione di oggetti prevede l’utilizzo di macchine di misura a coordinate: le cosiddette CMM o coordinate measuring machines. Questi macchinari permettono l’acquisizione delle superfici per punti, mediante l’utilizzo di sonde a contatto (tastatori).
Il vantaggio dell’utilizzo di queste macchine risiede nel fatto che garantiscono ottime precisioni e accuratezze e permettono di misurare zone anche poco accessibili. Gli svantaggi principali sono l’impossibilità di rilevare geometrie complesse e la bassa velocità di scansione in continuo. La velocità di misura di una CMM è sicuramente più elevata rispetto a quella raggiungibile con tecniche manuali ma non confrontabile con quella di uno scanner 3D ottico.
La tecnica attualmente più performante per la misurazione di un oggetto è la scansione 3D mediante scanner 3D ottici non a contatto.
Esistono una vasta gamma di scanner 3D professionali e non.
È evidente che migliore è la qualità dello scanner 3D e più affidabili saranno le misure ottenute.
Uno scanner 3D ottico è uno strumento in grado di ricostruire qualunque oggetto reale sotto forma di un modello digitale poligonale.
Nella maggior parte dei casi il modello in output da uno scanner è una mesh triangolare, oppure una nuvola di punti che rappresentano i punti della superficie dell’oggetto scansionato.
Alcuni scanner 3D permettono l’acquisizione dell’oggetto nella sua interezza in maniera del tutto automatizzata, oppure in real-time mediante strumenti portatili. Questi strumenti offrono il notevole vantaggio di essere super veloci e di consentire acquisizioni complete dell’oggetto in tutte le sue parti.
I valori di precisione e accuratezza degli scanner 3D ottici possono essere lievemente peggiori rispetto a quelli esibiti da una CMM ma nessuno strumento può eguagliarli dal punto di vista dell’efficienza e dell’efficacia.
L’utilizzo di uno scanner 3D per la ricostruzione di oggetti
Come abbiamo detto, la tecnica attualmente più efficiente e efficace per la misurazione di un componente ai fini di ricreare un modello CAD è la scansione 3D.
Questa tecnica, a seconda dello scanner 3D che si utilizza, permette di ottenere un modello 3D digitale dell’oggetto sotto forma di nuvola di punti o di mesh poligonale, generalmente triangolare.
L’utilizzo di questi strumenti di scansione 3D è sempre più frequente in tantissimi settori, come l’industria, la manifattura, la medicina e l’arte e in qualsiasi applicazione in cui si ha a disposizione un oggetto fisico del quale è necessario ricreare un modello 3D digitale.
Si possono ad esempio rilevare in 3D le forme esatte di parti di auto, pezzi meccanici, oggetti d’arte, ma anche mobili, arredi, sculture o gioielli, altre minuterie o ogni tipologia di componente. Di interesse sempre più frequente è anche la scansione del corpo umano, o body scanning, per applicazioni mediche o per la grafica computerizzata.
Gli scanner 3D possono funzionare con differenti principi di rilevazione ottica.
I principali sistemi di acquisizione sono laser, a luce strutturata o a fotogrammetria. I primi due sistemi ricostruiscono le superfici degli oggetti proiettando pattern luminosi sulla scena e elaborando i dati acquisiti dalle telecamere medianti algoritmi di triangolazione. I sistemi a fotogrammetria non proiettano alcuna luce sulla scena e sono in grado di ricostruire le geometrie degli oggetti, elaborando grandi quantità di immagini 2D acquisite con telecamere a elevata risoluzione.
Alcuni scanner 3D sono portatili, cioè permettono l’acquisizione degli oggetti, muovendo manualmente lo strumento attorno all’oggetto. Questo procedimento consente acquisizioni complete in realtime e con estrema facilità.
Altri strumenti di scansione possono essere montati su treppiede oppure essere strumenti da tavolo. Alcuni scanner da tavolo hanno sistemi di posizionamento automatici degli oggetti, in modo da consentire acquisizioni 3D senza l’intervento dell’operatore.
Altri ancora sono montati su braccio articolato da muovere manualmente o in maniera robotizzata.
Formati provenienti da scansione 3D e software CAD
I più comuni formati di output dei dati 3D provenienti da scansione sono: STl, OBJ, PLY e possono essere modificati da software di modellazione mesh/poligonale come ad esempio:
Se si prova ad aprire questo tipo di file importandolo in software CAD che non abbia strumenti per il reverse engineering, il risultato sarà la visualizzazione di un oggetto completo, ma che non si potrà né modificare né modellare, perché importato come oggetto grafico oppure come un insieme di superfici ritagliate a forma di triangolo, in numero pari al numero di triangoli che compongono la mesh.
La soluzione in questo caso potrebbe essere aggiungere al CAD un apposito plug-in per il reverse engineering e quindi la ricostruzione di entità CAD (curve, superfici e solidi) dalla mesh, come ad esempio ScanTo3D o Polyga per SolidWorks.
Ma come può essere utilizzato il dato 3D derivante da scansione 3D per effettuare un reverse engineering?
Molti pensano che uno scanner 3D generi automaticamente un modello CAD, ma ciò non corrisponde a verità, neppure con gli scanner più costosi.
Pertanto esistono varie procedure e tecniche per ricostruire un modello CAD a partire da una mesh.
Vediamole tutte.
Dalla scansione 3D al modello CAD: tecniche di Reverse Engineering
Come abbiamo già anticipato, nessuno scanner 3D, per quanto sia costoso e performante, è in grado di generare automaticamente un modello CAD.
Uno sistema di scansione 3D infatti, restituisce in output un modello 3D sotto forma di mesh poligonale o di nuvola di punti, in formato STL, OBJ, PLY, o altri formati simili.
Le entità CAD invece sono entità matematiche come curve, superfici e solidi, all’interno di files CAD, i cui formati di interscambio più comuni sono STEP, IGES, PARASOLID.
Alcuni software CAD consentono modellazioni parametriche, per cui le varie entità matematiche sono modificabili attraverso parametri numerici: è la modellazione che più spesso viene utilizzata in ingegneria meccanica. Altri CAD sono freeform, cioè consentono una modellazione libera, senza vincoli parametrici.
Esistono varie procedure e tecniche per ricostruire un modello CAD a partire da una mesh.
- Reverse engineering per autosurfacing
- Reverse engineering per estrazione di entità
- Reverse engineering integrato o completo
Eccole di seguito spiegate più nel dettaglio:
1. Reverse engineering per autosurfacing
La prima tecnica, forse la più ambita, consiste nell’utilizzo di strumenti per il fitting automatico di superfici, il cosiddetto autosurfacing.
Questi strumenti sono disponibili nei migliori software di scansione e di modellazione di mesh come Geomagic Design X, Geomagic Wrap.
Il vantaggio di questa tecnica è che è spesso sufficiente effettuare piccole ottimizzazioni della mesh e premere un bottone per ottenere un modello CAD completo.
Il risultato finale però non è esattamente ciò che verrebbe fuori se il componente fosse progettato da zero, ma è semplicemente un modello costituito da tante superfici ritagliate, che approssimano la superficie rilevata dallo scanner 3D.
In tal caso quindi non si ha un vero e proprio progetto originale del componente ma solo una sorta di pelle che racchiude il solido generato.
Questa tecnica è consigliata soltanto per oggetti freeform.
Reverse Engineering per estrazione entità
2. Reverse engineering per estrazione di entità
La seconda tecnica consiste nell’utilizzo di software di elaborazione mesh con almeno funzioni di estrazione di entità matematiche dalla mesh.
Tra i software di questo tipo ricordiamo Geomagic Wrap, mediante il quale è possibile selezionare la mesh per regioni e trasformare ogni regione in una specifica superficie che interpoli i dati risultanti dalla scansione.
Possono essere selezionati vari gradi di precisione dell’interpolazione.
In questo modo, tutte le entità matematiche create per interpolazione della mesh possono essere successivamente esportate in un qualsiasi software CAD, anche sprovvisto di strumenti di reverse engineering, per essere lavorato.
La modellazione CAD a questo punto consiste nel ritagliare le superfici (il cosidetto “trim”) per ottenere il modello 3D completo.
Tutti le più comuni funzioni di modellazione CAD possono poi essere utilizzate sul modello risultante.
Questa tecnica è sicuramente più efficace della precedente perché il modello CAD può essere ricostruito effettuando una vera e propria riprogettazione, intuendo gli intenti del progettista originale.
Ovviamente l’efficacia del risultato dipende dall’abilità e dall’esperienza dell’operatore e inoltre la tecnica può essere applicata solo per oggetti di geometria non troppo complessa.
3. Reverse engineering integrato o completo
La terza tecnica è quella più efficace e consiste nell’utilizzo di software CAD che integrino al loro interno strumenti di elaborazione mesh e reverse engineering.
Questa tecnica sarà tanto più efficace quanto più il software utilizzato è performante e quante più sono le funzioni che mette a disposizione. Software di questo tipo sono ad esempio Geomagic Design X, SolidWorks+Polyga.
Mediante questi software è possibile modellare direttamente sulla mesh mediante creazione di curve, superfici e solidi che interpolino il risultato della scansione.
Tutte le operazioni in tal caso possono essere fatte come se si fosse il progettista originale del componente, perché si hanno a disposizione tutti gli strumenti di modellazione. Per questo motivo l’utilizzo di questa tecnica richiede particolari competenze e abilità dell’operatore dalla cui esperienza dipende la qualità del risultato.
Sicuramente questa tecnica è la migliore per ottenere un risultato di qualità e soprattutto utilizzabile per qualsiasi scopo.
Con questa procedura è possibile effettuare il reverse di oggetti di qualsiasi forma, anche quelli particolarmente complessi.
Tramite questa tecnica è inoltre possibile ottenere anche superfici in classe A, a seconda del software che si utilizza.
Se si utilizza un software performante, il modello 3D risultante dal processo di reverse engineering, in questo caso, può essere fornito anche nel formato nativo dei più comuni CAD.
Ci sono scanner 3D e software 3D più consigliati per ottenere un reverse engineering di alta qualità?
In conclusione, possiamo dire che, nell’ampio panorama di scanner 3D presenti sul mercato oggi, i migliori da utilizzare per effettuare un reverse engineering di qualità sono quelli professionali e metrologici.
Infatti, quanto più il dato 3D derivante da scansione 3D è libero da errori e rumore, tanto più la mesh risultante sarà fedele all’effettiva forma e alle effettive dimensioni del componente misurato.
Per quanto riguarda i software per reverse engineering, la soluzione migliore è scegliere un software integrato che permetta di fare operazioni di elaborazione di mesh e nuvole di punti, che abbia strumenti per estrazione di entità matematiche dalle mesh e nuvole di punti e che disponga di tutti gli strumenti di modellazione CAD.
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