Appunti Ingegneria inversa e produzione additiva

Ingegneria inversa e produzione additiva

Ingegneria inversa (Reverse Engineering)

Introduzione

Il Reverse Engineering è l’inverso della classica ingegneria diretta in cui si parte da un concept design e attraverso modelli CAD e CAM ottengo l’oggetto. Qui, invece, si parte dall’oggetto fisico e attraverso scansioni si ottiene la nuvola di punti attraverso la quale si può ricostruire il modello CAD dell’oggetto. L’Additive Manufacturing, invece, permette, attraverso macchine e procedimenti opportuni, di velocizzare il passaggio da modello CAD all’oggetto reale.

Le applicazioni del reverse engineering sono molteplici ed in diversi campi applicativi, come l’architettura, la re-ingegnerizzazione, la cartografia, il design estetico, le verifiche di produzione e la medicina.

È molto utile anche nei casi in cui si voglia ottenere il modello digitale di un prodotto artigianale o di un pezzo senza progetto realizzato direttamente a macchina utensile, oppure nei casi non sia possibile ottenere il modello CAD direttamente dalla casa produttrice del pezzo. Perciò il processo si svolge seguendo questo procedimento:

• Acquisizione dei dati: usando tecniche di acquisizione con o senza contatto da cui solitamente si ottengono le coordinate tridimensionali di una serie di punti.
• Pre-processing: filtrare e semplificare i dati acquisiti ed elaborarli per ottenere alcune proprietà geometriche.
• Modellazione matematica: trasformazione dei punti in geometrie più complesse, triangoli, mesh, nurbs, ecc., o interpolazione con superfici CAD.
• Definizione di modelli alto livello: creazione di un CAD parametrico, ed eventualmente, anche di un modello CAM.

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Tecnologie di acquisizione dei dati

Le tecnologie di acquisizione sono tecnologie per la digitalizzazione tramite uno strumento di scansione che rileva la forma con una risoluzione ed un’accuratezza adeguate, vedi dopo la definizione di queste due caratteristiche.

I sistemi di acquisizione si dividono in due grandi famiglie:

• Sistemi a contatto: come il braccio articolato e il CMM.
• Sistemi senza contatto: ottici, triangolazione, immagini, TAC = metodo basato sulla trasmissione di raggi X; magnetici, Risonanza magnetica = metodo basato sull’applicazione di opportuni campi che provocano l’allineamento degli spin dei protoni al campo magnetico esterno; acustici, Ecografia ed ecoscandaglio = metodo basato sulla misurazione del tempo di ritorno di un impulso sonoro inviato in un mezzo.

Con il termine acquisizione dati si intende la scansione 3D dell’oggetto da ricostruire, che porta ad ottenere una o più nuvole di punti, con le relative coordinate tridimensionali, che giacciono sulla superficie dell’oggetto da acquisire e che ne definiscono la forma.

Definizione di alcuni termini

Definiamo adesso alcuni termini, trattazione non rigorosa:

• Accuratezza: l’errore di accuratezza è la differenza tra la misura vera e quella fornita dallo strumento. Uno strumento è tanto più accurato quanto la media delle misure che fornisce si avvicina alla misura vera. Nel caso della scansione 3D, la scelta di una tipologia di strumento, tecnologia, rispetto ad un’altra si ripercuote generalmente sull’accuratezza. L’accuratezza deve essere compatibile con la misura che si deve eseguire.
• Precisione: misura la ripetibilità di una misura, cioè quanto la distribuzione di una serie di misure ripetute è dispersa rispetto al valore medio. Uno strumento può essere preciso ma non accurato e viceversa.

Ovviamente, lo strumento ottimale è preciso e accurato, cioè fornisce in modo ripetibile misure ben sovrapposte alla grandezza reale.

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• Rumore: misura fittizia che si sovrappone a quella effettuata dallo strumento. È quantificato dal SNR, Signal Noise Rate, cioè il rapporto tra segnale utile ed il rumore.

Ad esempio, il rumore sovrapposto al segnale misurato è responsabile del fatto che, effettuando la scansione 3D di una superficie perfettamente piana e levigata, ideale, si ottiene una superficie con una certa rugosità, tanto maggiore quanto più alto è il rumore. Generalmente il SNR impatta sulla precisione dello strumento.

• Risoluzione spaziale: variazione minima della coordinate spaziali apprezzabile dallo strumento. Si può pensare alla risoluzione spaziale come alla quantità di divisioni che lo strumento vede su una lunghezza di riferimento. Per risoluzione di uno scanner 3D ci si riferisce a quanto sono vicini i punti 3D rilevati sulla superficie dello strumento, piano x-y, e NON la minima variazione di z apprezzabile.
• Calibrazione dello strumento: consiste nella misurazione di un oggetto noto secondo un procedimento ben definito e in una successiva re-impostazione dello strumento affinché riproduca in modo più accurato possibile la misura nota. Solitamente la calibrazione deve essere effettuata su base periodica e, comunque, ogni volta in cui ci possa essere il dubbio che lo strumento abbia subito modifiche.

La calibrazione non deve essere confusa con la taratura che, invece, non prevede la modifica dei settaggi dello strumento ma, semplicemente, esamina la capacità dello strumento di riprodurre una misura nota.

• Accessibilità oggetto: alcune regioni dell’oggetto, a causa della forma o delle dimensioni dell’oggetto stesso, potrebbero non essere fisicamente raggiungibili dallo scanner, ad esempio l’interno di un vaso.
• Fissaggio della parte per la digitalizzazione: l’oggetto da scansionare deve essere sorretto in qualche modo, e di conseguenza la regione che si interfaccia con il dispositivo che la supporta non può essere scansionata, ma andrà ricostruita a posteriori, oppure devo acquisire l’oggetto in altre posizioni.
• Finitura superficiale oggetto: alcune finiture superficiali hanno profonda influenza sul tipo di tecnologia da usare, ad esempio le tecnologie ottiche riscontrano problemi con superfici speculari o troppo texturizzate. In questo caso l’ottimo si ottiene con una superficie chiara ed opaca, infatti, quando possibile si spruzza uno spray che vernicia l’oggetto.

Tipologie di superfici: opaca, lucida, speculare, texturizzata, ecc.

• Sistema di riferimento: i punti 3D acquisiti dagli scanner sono espressi nel sistema di coordinate dello scanner stesso. Ovviamente, è possibile roto-traslare il sistema di riferimento in modo arbitrario in modo da riportare i punti in un sistema di riferimento opportuno. Se la geometria dell’oggetto non consente di risalire ad un sistema di riferimento utile, è necessario scansionare anche un secondo oggetto, ad esempio un parallelepipedo, solidale al primo, che possa servire alla definizione del sistema di riferimento.

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Sistemi a contatto

In linea generale i sistemi a contatto sono caratterizzati da un’elevata accuratezza e precisione, con un controllo completo sul rilievo, in quanto è possibile scegliere le parti di interesse, e con un elevato rapporto S/R, potendo compensare le condizioni ambientali. Di contro però sono molto lenti, in quanto si devono acquisire singolarmente tanti punti, e sono caratterizzati da problemi di accessibilità dovuti alla geometria.

Tastatori, touch probe: parte a contatto con l’oggetto, in particolare una sferetta, solitamente di rubino sintetico, perché deve essere molto dura e non usurarsi e deformarsi. Nel caso di sferette più grandi si usano acciai induriti, perché i materiali più duri costano troppo per dimensioni elevate. Ne esistono due tipologie di tastatori:

• Tastatori con sensori di contatto: produce un segnale elettrico quando è a contatto con l’oggetto da misurare. Utilizzato per CMM e, raramente, braccio articolato.

Il tipo Renishaw è il funzionamento più comune per i tastatori con sensore di contatto: si ha uno stelo con la sfera di rubino da una parte e dall’altra è incastrato su un equipaggio dotato di tre barrette disposte a 120° tra loro in un piano perpendicolare all’asse dello stelo. Ogni asticella, realizzate in un materiale conduttore poggia su due sferette e tenute premute da una molla. Quando viene a contatto con l’oggetto da misurare, una delle aste si alza e si apre il circuito elettrico, funzione on-off.

Oltre ai tastatori a contatto on/off, esistono tastatori che rilevano anche la deflessione dello stelo permettendo di mantenere in contatto la sferetta durante il programma di controllo. Questi dispositivi possono funzionare ad anello aperto, per pezzi la cui geometria di massima è nota, per cui la traiettoria della testa è fissata a priori dal programma in base alla forma approssimativa del pezzo che è nota; oppure ad anello chiuso, per pezzi con geometria completamente incognita, per cui la traiettoria della testa viene via via aggiustata per mantenerla sempre in contatto con la superficie da acquisire in base alla posizione degli ultimi punti acquisiti. Queste teste sono sensibilmente più costose di quelle a trigger ma permettono di acquisire un numero di punti per unità di tempo da 10 a 100 volte superiore.

• Tastatori senza sensore di contatto: non produce segnali elettrici e serve a riferire il centro della sfera a tutto ciò che sta a monte.

Il problema più grande è che non tutto viene acquisito per problemi di accessibilità, dovuti ad esempio al diametro della sfera o allo stelo troppo corto, a questo punto ci potrebbe essere la voglia di allungare lo stelo, ma bisogna stare attenti perché questo provocherebbe deformazioni plastiche maggiori a causa del braccio più lungo.

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Vediamo ora le varie tipologie di sistemi a contatto:

Braccio articolato

Braccio articolato, portable CMM: sono sistemi passivi, costituiti da una serie di tratti incernierati l’uno all’altro. Esistono varianti da 4 a 7 gradi di libertà, quelli a 7 assi solitamente ospitano anche una testa di scansione ottica.

Quello che fanno questi strumenti è riferire dove si trova il centro della sfera rispetto al sistema di riferimento, che posto all’intersezione tra l’asse di rotazione della prima cerniera e il piano che sta allabase. Si può fare ciò perché nelle cerniere ci sono degli encoder, dispositivo elettromeccanico in grado di convertire la posizione in moto angolare in un codice digitale, con i quali è possibile misurare gli angoli, risalire la catena cinematica con le matrici di trasferimento, e conoscere la posizione della sferetta rispetto al sistema di riferimento.

Le condizioni ambientali influiscono sull’accuratezza delle misure effettuate, e per tenerne conto si possono impiegare materiali poco sensibili alle variazioni termiche, come fibra di carbonio o INVAR, oppure usare sensori di temperatura compensando poi a livello software. Come si può vedere dalle tabelle, anche le dimensioni del dispositivo e del volume di lavoro influiscono sull’accuratezza in modo negativo.

I dispositivi a braccio articolato devono essere bilanciati nel miglior modo possibile, tanto che ci sono numerosi brevetti, altrimenti è molto difficile sostenere il braccio durante la misura.

La calibrazione del dispositivo dello strumento avviene su base periodica, al fine di incrementare l’accuratezza. Per verificare che il dispositivo sia calibrato si usano barre calibrate di INVAR.

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Nel caso si debbano effettuare più scansioni spostando reciprocamente pezzo e scanner è necessaria la definizione di una terna principale, per tracciare lo spostamento dello strumento e comporre le diverse acquisizioni utilizzando uno stesso sistema di riferimento. In alternativa si possono comporre, allineare, le varie scansioni tramite best fit.

I metodi di acquisizione per bracci articolati sono:

• Scanning mode, modalità scansione: il tastatore striscia sul pezzo e i punti sono acquisiti a passo temporale, Δt costante, o a passo spaziale, ΔS costante.
• Point mode, modalità punto singolo: scansiono un punto singolo alla volta, individuando i punti prima di iniziare l’acquisizione. Utile nel caso di superfici regolari, in cui si richiedono pochi punti per ricostruire la forma dell’oggetto.

Linea di scansione: “Successione, geometricamente e temporalmente, ordinata di punti, tutti giacenti su un piano”. Se fatta bene rappresenta una sezione del pezzo, le quali possono essere sfruttate per ricostruire la superficie del pezzo con loft, per fare ciò si può usare una lama di luce laser da seguire.

Tuttavia con lo scanner a braccio articolato non si ottiene una vera e propria linea di scansione, ma, se possibile, si possono bloccare alcuni gradi di libertà del braccio, per ottenere una scansione esatta. Nel caso in cui i punti non giacciano esattamente sulla sezione, si può individuare il piano di best-fit e proiettarceli.

CMM, coordinate measuring machine

CMM, coordinate measuring machine: possono essere di due tipi:

• Struttura a portale.
• Struttura a sbalzo.

Sono macchine attive, ovvero motorizzate, e quindi il tastatore deve essere con sensore di contatto, altrimenti la macchina continuerebbe a toccare il pezzo, fino a rottura o del pezzo o del tastatore.

I metodi di acquisizione utilizzati sono due:

• Manuale: attraverso un joystick. Equivalente al point mode.
• Programmi di controllo: per la verifica dimensionale di pezzi di geometria nota.
• Programmi di scansione per geometrie incognite a priori: ci sono molte strategie, di cui tante danno risultati simili allo scanning mode, ma in questo caso si ottengono vere e proprie linee di sezione. Simile, non uguale, allo scanning mode per il braccio articolato, anche se il tastatore non è sempre in contatto.

Quando si ha a che fare con funzione di scanner 3D, geometria incognita, bisogna per forza usare l’ultima modalità. Il metodo più comune consiste nel poggiare il pezzo da acquisire sul piano di lavoro della macchina, piano x-y, e definire una quota lungo z definita di sicurezza sopra la quale il tastatore può muoversi senza toccare il pezzo, successivamente si procede come in figura.

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1. Si parte ad una certa x, e alla quota z di sicurezza, poi lo si fa scendere fino a che il tastatore non tocca.
2. Dopodiché si torna su e ci si sposta lungo x di un passo impostato, dall’utente.
3. Si ripete l’operazione fino ad aver coperto tutta l’estensione del pezzo.
4. Ci si sposta di un certo passo sull’asse y ed il processo si ripete dal primo punto.

La strategia di ricerca dei contatti più semplice prevede un passo orizzontale costante; tuttavia, questo comporta il rilievo di punti con distanze gli uni dagli altri molto diverse a seconda dell’inclinazione della superficie del pezzo; quindi, non ho una densità di punti omogenea sul pezzo. Una possibile soluzione potrebbe essere usare un passo variabile orizzontalmente.

Supponendo di volere punti distanti D l’uno dall’altro, si può scegliere la seguente legge: = 1 − −1(arctan ( )) = ∗ cos⁡ −1

Dove si indica con P il passo n-esimo, con z la quota del punto n-esimo e con z la quota del punto n-1-esimo, ovvero del punto prima.

Così facendo il passo si aggiorna in base all’inclinazione rispetto all’orizzontale della congiungente degli ultimi due punti toccati, e risultano equidistanti tra loro indipendentemente dall’inclinazione della superficie del pezzo.

Perciò, in generale, i metodi di acquisizione dei sistemi a contatto, sia CMM che braccio articolato, sono i soliti due:

• Point mode: usato per oggetti grandi con bassa densità di punti in posizioni ben precise o per superfici semplici come piani o primitive. Così facendo si ha un’elevata precisione di rilievo, legata allo strumento, ma i tempi di rilevazione si allungano e di conseguenza devo decidere cosa acquisire e cosa no.
• Scanning mode: usato per oggetti contenuti, con orientamento spaziale prevalente, ovvero per cui è semplice realizzare un loft, e monoconnessi, permettendo di avere un’elevata precisione, un’elevata densità di punti e tempi di preparazione brevi, con CMM occorre definire la strategia di ricerca contatti e ricordare che il contatto è intermittente. Il limite principale dei sistemi a contatto sta nel fatto che non si possono acquisire sottosquadri rispetto alle direzione z della macchina, o anche una parete perfettamente verticale. Per ovviare a questo problema si possono utilizzare tastatori a stelo più lungo o meno inclinato rispetto alla direzione z.

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A causa della dimensione finita dei tastatori, si produce sempre un errore sistematico di offset, dovuto alla differenza di posizione fra un punto rilevato e il reale punto di contatto. Si definisce errore sistematico perché è sempre presente. Dato che è legato alla geometria, sappiamo anche quanto vale, in modulo, ovvero sarà uguale al raggio della sfera; perciò, per geometrie note a priori è facilmente compensabile, in quanto è possibile conoscere la direzione ed il verso di contatto.

In scanning mode, la curva, spezzata, ottenuta è quella che passa per i centri della sfera nelle varie posizioni di contatto. Per ricondursi alla vera curva giacente sulla superficie del pezzo è necessario considerare la curva di offset, tale errore esiste anche in point mode, ma non si può parlare di una curva descritta dalla successione di punti.

• Per geometrie note: la curva di offset si può costruire muovendosi lungo la normale alla superficie nota di una distanza data dal raggio della sfera.
• Per geometrie non note: si può