Reverse engineering e i sistemi di acquisizione con scanner 3D

Sistema di scansione 3D a tecnologia white light. [Credit: Hexagon Metrology]

Il disassemblaggio del prodotto di un’azienda concorrente e la necessità di dover rimisurare o recuperare informazioni da un prodotto oppure un processo già esistente per far fronte ad informazioni che si sono perse in fasi precedenti la messa in produzione, sono attività storicamente comuni ai progettisti industriali. Come appena detto sotto la propulsione delle novità tecnologiche degli ultimi quindici anni e l’esigenza delle aziende moderne di strutturare a 360° le attività di product development si è arrivati a dare forma a quello che oggi è una vera e propria materia di studio: il reverse engineering.

Reverse engineering

Ma cosa si intende per reverse engineering o nella sua versione italiana, ingegneria inversa? Il reverse engineering, nell’industria meccanica, è il processo di estrazione di informazioni progettuali o più in generale di conoscenze ingegneristiche da un qualsiasi prodotto manufatto e l’impiego diretto di queste conoscenze o informazioni o l’impiego per una qualsiasi cosa basata sulle suddette.

Il processo è comunemente basato sulle attività di disassemblaggio e analisi. È interessante sottolineare come il cuore di questo processo sia proprio la fase di analisi deduttiva nella quale si cerca di dedurre dal prodotto soluzioni progettuali, geometrie 3D ma anche i processi di produzione senza ulteriori informazioni se non il prodotto stesso. Ma quali sono le ragioni per cui un’azienda decide di investire nel processo di reverse engineering di un prodotto o in generale in quali ambiti si può tornare utile? In realtà ci possono essere diverse motivazioni, tra le tante quelle principali sono la competitor analysis, la carenza di documentazione interna e scopi didattico-accademici.

Sicuramente quando si parla di aziende con il focus sul prodotto al primo posto c’è la competitor analysis. Il reverse engineering nell’ambito della competitor analyis dà luogo ad un’ampia varietà di campi d’indagine. Dalla più immediata acquisizione delle superfici del competitor per confronti e studi su CAD, all’analisi delle soluzioni tecnologiche e di produzione per stimarne i costi e la capability in termini di manufacturing. Un reverse engineering su di un competitor può essere anche volto a studiarne il prodotto in termini di proprietà intellettuale al fine di “copiarne”, aggirarne o provarne l’infringment di una soluzione brevettata. Anche la carenza di documentazione su un prodotto o un macchinario, magari motivato dall’obsolescenza di un’attrezzatura che necessita di essere aggiornata può essere affrontata con approcci di reverse engineering.

Infine il reverse engineering può essere molto utile anche dal punto di vista didattico come analisi guidata per comprendere soluzioni progettuali e tecnologiche di un prodotto. Aggiungiamo un’ulteriore applicazione a questa panoramica, molto diffusa quando si intende come reverse engineering l’insieme delle tecnologie che permettono di acquisire un modello digitalizzato a partire da un modello finito, quella per il controllo qualità nella grande produzione. Sono sempre più, infatti, le aziende che lavorano nel settore della produzione di massa, che fanno ricorso a sistemi di acquisizione 3D per avere un controllo qualità tempestivo sia nel controllo campione che nell’identificazione di un problema.

Le due fasi di un flusso procedurale

Processo di reverse engineering. Le fasi del processo di acquisizione in formato CAD di un prodotto finito. [Credit: EscWorks].
Entriamo ora nello specifico. Anzitutto quando si parla di reverse engineering è possibile evidenziare un flusso procedurale in due fasi. La prima fase è quella del disassembly che serve per separare le componenti dalle quali è formato il prodotto finito. La seconda fase è quella di acquisizione delle forme che è il cuore di questa disciplina e consiste in quattro operazioni: acquisizione dei dati, preprocessing, adattamento delle superfici e esportazione del modello CAD. L’acquisizione dei dati è una fase fortemente dipendente dalla tecnologia che si usa per la scansione 3D. Esistono infatti diverse tecnologie che permettono l’acquisizione digitalizzata di un corpo 3D.

È interessante far notare come al momento non esista a priori una tecnologia che a livello industriale abbia preso il sopravvento sulle altre. Questo permette di trarre delle conclusioni importanti. Da un lato significa che non esiste una tecnologia che sia nettamente superiore sia dal punto di vista del costo che prestazionale, dall’altro che l’industria stessa per la molteplicità d’uso della scansione 3D considera ancora diverse tecnologie che possono fornire risultati diversi a seconda delle applicazioni. Più avanti andremo a considerare nel dettaglio diverse tecnologie, che possono essere divise secondo diversi approcci di clusterizzazione. Sicuramente la tecnologia di acquisizione è la divisione più immediata. Si possono identificare metodi a contatto o non a contatto. I metodi a contatto seguono un approccio di tipo CMM mentre quelli non a contatto sfruttano principi magnetici, acustici o, in forma maggiore, ottici. Tra gli ottici le tecnologie principe sono la fotogrammetria e la scansione laser. Nelle specificità della soluzione, però, entreremo dopo.

L’acquisizione dei dati

Braccio laser equipaggiato per la scansione di telai di biciclette sportive. [Credit: Hexagon Metrology]
Andiamo a vedere cosa segue la fase di acquisizione dei dati. Qualunque sia la tecnologia il prodotto dell’acquisizione sarà una nuvola di punti che segue la specifica angolazione o posizionamento del device per la scansione. Per ottenere un 3D completo è quindi necessario avere una serie di acquisizioni che descrivano l’oggetto secondo tutte le angolazioni opportune. È in questa fase che quindi il software che ha eseguito l’acquisizione va a sovrapporre secondo dei riferimenti fisici o ottici le varie immagini per avere una nuvola di punti completa.

Lo step successivo consiste nel pre processing vero e proprio con eventuale riduzione dei dati della nuvola di punti, taglio delle superfici non appartenenti al pezzo e miglioramento/completamento di errori di acquisizione. Il terzo e il quarto step sono quelli che ci permettono di passare da una nuvola di punti ad un modello CAD. Il primo passo è rappresentato dal formato stl stereo lithography interface format, un linguaggio concepito originariamente per la stampa 3D. L’stl è un formato molto facile da generare e da processare, ha però come svantaggio quello di rappresentare le geometrie in modo approssimato. Da un punto di vista operativo un file stl rappresenta un solido come una superficie discretizzata in triangoli. Per passare al CAD è necessario processare questa superficie composta da una mesh di figure piane per ottenere formati più facilmente sfruttabili come le NURBS. NURBS è un acronimo per descrivere una classe di curve geometriche usate nei sistemi CAD per rappresentare curve e superfici. Abbiamo definito l’insieme di passaggi che permettono di avere una matematica CAD a partire da un prodotto finito. Andiamo ora a capire quali siano le tecnologie oggi presenti sul mercato a disposizione per la scansione 3D.

Laser scanner 3D

Braccio per la scansione laser equipaggiato con device per la misurazione/acquisizione 3D di tubi. [Credit: Hexagon Metrology]
La tecnologia laser per la scansione 3D trova largo uso nell’industria. Da i più tradizionali scanner 3D fissi fino a più moderni bracci portatili per la scansione in loco, la tecnologia negli anni si è evoluta e differenziata. Il principio di funzionamento degli scanner 3D segue il fenomeno fisico della triangolazione. Il laser emette una radiazione che viene captata da un sensore dopo che questa viene riflessa sull’oggetto da scannerizzare. A seconda di dove il punto emesso viene trasmesso sull’area sensibile del sensore, l’apparecchio è in grado di determinare la distanza della parte di oggetto misurato. È interessante come questa non sia l’unica fisica impiegabile quanto si sfrutta la misurazione laser. Un’altra fisica classica è quella del time-to-flight, che nota la velocità della luce determina la distanza di un punto misurando il tempo di “rimbalzo” di una radiazione laser emessa.

Per quanto riguarda la scansione laser 3D la tecnologia impiegata è quella della triangolazione perché permette un’accuratezza della misura molto maggiore. Le applicazioni più moderne, per quanto riguarda la scansione 3D con laser coinvolgo bracci portatili. Il braccio portatile è un sistema  che permette l’alloggio di strumentazione per l’acquisizione di materiale 3D, facilmente trasportabile e facilmente smontabile e rimontabile. È composto da un basamento più un sistema di due bracci svincolati con encoder incorporato. Questa soluzione permette tempi di warm up praticamente nulli. Il dispositivo viene posizionato e una volta accesso è pronto per acquisire senza bisogno di ulteriori ricalibrazioni. Il volume misurabile non è un problema, questo genere di strumenti sono prodotti in diverse misure, da 1 fino a 5 m di sbraccio. Il braccio però non è che un supporto (anche se in realtà è un qualcosa di più, in quanto con il suo sistema di encoder e con la sua sonda tastatrice permette di localizzare la nuvola dei punti che viene acquisita dal fascio laser in uno spazio 3D coerente), quello che i produttori più aggiornati offrono di più innovativo è l’apparecchio per l’acquisizione laser. Anche in questo campo le novità non mancano.

Le novità più ricche da questo punto di vista rappresentano la riduzione del tempo di warm up e il potenziamento delle caratteristiche tecniche della macchina, in particolare, infittimento della nuvola di punti con conseguente miglioramento della accuratezza della misura. Un altro filone di innovazione è legato ad applicazioni specifiche per prodotto come lo scanner 3D ottimizzato per la scansione di telai per biciclette o il device specifico per la scansione di tubi. Il laser 3D rappresenta una realtà importante nel mondo della misurazione. La sua velocità, la sua capacità di descrizione realistica di un oggetto sono impressionanti. È importante comunque sottolineare che il livello di accuratezza di una scansione 3D è almeno un ordine di grandezza superiore a quello ottenibile con una macchina CMM a sonda tastatrice, quindi, come sempre è importante capire la destinazione al fine di ottimizzarne gli usi.

Scanner a luce bianca – White Light

Un’altra tecnologia di scansione molto diffusa è quella che impiega luce bianca (o più recentemente luce LED) e fotocamere di rilevamento. Sul mercato è possibile trovare diverse soluzioni. Una grande differenza è creata dal ricorso di fisiche passive o attive. Una fisica attiva è una fisica che, per effettuare la misura, produce una radiazione che poi rileva. La fisica laser, precedentemente descritta è un esempio di fisica attiva. Per quanto riguarda la luce bianca un esempio di fisica attiva è quella degli scanner 3D a luce strutturata in cui un proiettore proietta un pattern sull’oggetto da scansionare, la luce viene riflessa e catturata da fotocamere che analizzando la distorsione del pattern iniziale causato dalla riflessione quantificano la distanza e la forma di cioè che viene illuminato. Esistono poi metodi a fisica passiva, in cui le fotocamere si limitano a rilevare le radiazioni che spontaneamente illuminano il prodotto, come la stereo visione. La stereo visione è concettualmente l’uso combinato di due fotocamere e di un riferimento per localizzare l’oggetto da raffigurare l’una nell’immagine dell’altra al fine di avere una quantificazione dello spazio.

Le soluzioni che vengono offerte attualmente dai maggiori produttori di scanner tridimensionali puntano a integrare le due tecnologie ottenendo prodotti che offrono rapidità d’uso, possibilità di acquisire l’oggetto senza bisogno di aggiungere riferimenti o trattamenti superficiali, possibilità di ottenere dettagli di elevata qualità. Un altro aspetto verso il quali si sta concentrando l’innovazione è la portabilità e la riduzione degli ingombri. Le tecnologie white light si sono evolute in parallelo a quelle laser. Il white light nelle soluzioni più moderne è in grado di fornire scansioni di buona qualità in un tempo ridotto. All’aumentare del tempo e quindi dell’angolazione dalla quale vengono effettuate le acquisizioni la qualità della nuvola di punti aumenta. Una direzione di sviluppo è proprio quella di rendere più veloce l’acquisizione di immagini. La white light in alcuni casi riesce ad essere più veloce del concorrente laser, c’è comunque da dire che per la definizione di bordi, fori o soluzioni geometriche complesse il laser, per la sua maggiore flessibilità riesce a fornire scansioni di maggiore qualità.

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