Appunti di Ingegneria Inversa

Ingegneria inversa

Introduzione al reverse engineering

L’ingegneria inversa nasce dall’elettronica per copiare le schede elettroniche:

servivano metodi digitali per copiare la concorrenza. Vedremo i motivi che

spingono a usare l’ingegneria inversa e le sue applicazioni, le tecnologie

relative all’acquisizione dati (scansione 3D principalmente) e poi vedremo

come usare questi dati per ricostruire gli oggetti perché la scansione 3D è solo

il primo passo dell’ingegneria inversa perché essa dà solo coordinate di punti:

ottengo una nuvola di punti nello spazio che rappresenta i punti campionati

sulla superficie dell’oggetto. C’è una serie di operazioni da fare per ottenere

quello che vogliamo, e infine vedremo come a partire da dati pre-processati e

puliti si arriva ad un modello CAD digitale (parametrico associativo) che ricalchi

le intenzioni di chi ha progettato l’oggetto, cosa che è la massima espressione

dell’ingegneria inversa.

Motivazioni e campi di interesse

Questo è il flusso progettuale dell’ingegneria diretta e di quella inversa. In

quella diretta si parte da un’idea (ci sono varie fasi per risolvere problemi e

farsi venire in mente l’idea), poi si realizza il modello CAD dell’oggetto che si

vuole produrre, poi si fa il modello CAM, poi selezionato il processo produttivo

grazie al CAM si fa l’oggetto fisico, che in questo caso è una sella Piaggio.

L’ingegneria inversa prescinde da tutto quello che c’è prima e deve risalire

dall’oggetto fisico in linea teorica all’ idea concettuale, in ogni caso almeno al

modello 3D (CAD). L’oggetto poi viene scansionato e si ottiene una nuvola di

punti (un insieme fatto da un numero elevato di punti che hanno le coordinate

sulla superficie dell’oggetto fisico scansionato). Da ciò si fa una prima

ricostruzione (modello poligonale, mesh) e poi da qui si arriva al modello CAD.

questo permette di risalire anche all’intento del progettista che ha realizzato

l’oggetto. L’additive manufacturing si occupa di velocizzare il più possibile il

passaggio dal modello CAD all’oggetto reale. Si chiama così perché prende

sempre più campo nella produzione industriale dato che le tecnologie di

additive manufacturing sono avanzate oggi; prima si chiamava rapid

prototyping (prototipazione rapida) perché si usava prevalentemente per fare i

prototipi, anche se tutt’oggi l’80% dell’uso rimane quello.

Applicazioni del reverse engineering

In pratica il reverse engineering tratta la scansione 3D e la ricostruzione di

modelli 3D numerici di oggetti di varie dimensioni.

Verifiche di produzione: se l’oggetto è complesso gli strumenti di misura

classici non sono adatti perciò uso uno scanner 3D per acquisire la geometria

dell’oggetto e vedere se è conforme al modello CAD che avevo fatto. In figura

in alto a destra c’è il modello CAD di un pezzo meccanico (corona dentata) su

cui ho sovrapposto la scansione 3D. La mappa colorata è la mappa di

deviazione dell’oggetto scansionato dal modello CAD. Verificare quindi quanto

le dimensioni del pezzo fisico differiscano dal CAD diventa semplice. Le

verifiche sono di solito fatte a campione ma per alcuni settori (automotive e

automotive di lusso) si devono verificare tuti i componenti. Si verificano oggetti

di media-grande dimensione dato che gli scanner ottici sono sensibili al

centesimo di millimetro.

Architettura e restauro: la scansione 3D la fa da padrona (tutti i monumenti più

importanti sono stati scansionati). I palazzi antichi possono essere acquisiti per

avere una copia digitale e poterli ricostruire in caso di crollo o monitorare la

loro salute (faccio una scansione alla facciata di un palazzo e la rifaccio dopo

tre anni ad esempio e se qualcosa è cambiato allora vuol dire che si è

deformato), o per costruire ambienti virtuali.

Re-ingegnerizzazione del prodotto: ho un oggetto esistente e voglio migliorarlo,

quindi mi serve il modello digitale per cambiare il processo produttivo, o il

design, o passare a delle simulazioni. La sella in figura è stata scansionata

perché era poco comoda, dunque si doveva acquisire la sua geometria dato

che non c’era il CAD e da questo poi doveva essere fatta una valutazione FEM

per capire come mai era scomoda e capire come modificare la forma per

uniformare la distribuzione delle pressioni. Perciò questo è il caso di un oggetto

che deve essere scansionato e poi modificato per aumentare le prestazioni o

differenziarsi dalla concorrenza.

Cartografia del territorio: tutte le mappe di Google Maps sono fatte con la

scansione aerea. È molto utile per la pianificazione urbanistica, la pianificazione

a lungo raggio (frane e smottamenti).

Ergonomia: per simulare l’interfaccia tra uomo e macchina è utile avere un

modello geometrico digitale del corpo umano e del sistema stesso (vedere

l’ergonomia di un materasso, la comodità di seduta di un sedile di un’auto).

Design estetico: nella gran parte dei casi (automotive, moda), anche se ci sono

molti software per gli sketch di design, il modello iniziale è fatto da un artista

che lo scolpisce in scala in materiali come creta, e poi questo modello deve

essere digitalizzato per vedere come applicare ad esempio una verniciatura o

vedere come modificarlo per renderlo più bello. Ciò serve anche per il processo

produttivo: posso veder come montare il telaio nella carrozzeria.

Medicina: è il campo di applicazione più importante che ha più impatto sulla

vita quotidiana, non solo per la stampa 3D di organi, ma anche per le più

importanti tecniche di diagnostiche come la TAC, l’ecografia, la risonanza

magnetica che non sono altro che scanner 3D. Questi strumenti hanno

rivoluzionato la medicina e hanno fatto fare grandi passi alla diagnostica

perché con la scansione 3D del corpo umano si possono fare cose incredibili:

simulazioni di interventi chirurgici, adattamento di protesi all’anatomia del

paziente, trattamenti specifici, stampa di organi 3D, ricostruzioni di pezzi di

osso in titanio fatte con la stampa 3D.

In figura c’è un prodotto artigianale fatto da un artista e se voglio produrlo creo

una stampa attraverso il modello 3D dell’oggetto ottenuto dalla sua scansione.

Si possono fare anche simulazioni sulla prima stampa prima di fare la

produzione. Nel CAD si possono anche aggiungere dettagli che mancano.

Inoltre il modello digitale non si deteriora nel tempo a differenza della stampa

fatta fisicamente a partire dall’oggetto.

In figura ci sono diversi colori che corrispondono a diverse nuvole di punti e

quindi a diverse scansioni. Infatti non è possibile quasi mai acquisire la forma

dell’oggetto con un piazzamento dello scanner, bisogna che gli scanner si

muovano tra loro reciprocamente. L’ombreggiatura sull’oggetto è una tecnica

di rendering che regola la luminosità di un punto in base a come è inclinato

questo rispetto alla luce.

Fare la scansione di un manichino potrebbe essere utile per creare un modello

3D per creare un catalogo virtuale on-line.

L’oggetto in figura è stato realizzato off design (senza progetto) ed è stato

modificato con una macchina utensile fino ad ottenere uno scasso. Questo

processo di modifica con un utensile per arrivare alla configurazione corretta è

comune e prevede poi la scansione per creare il modello CAD e quindi le tavole

del pezzo modificato per dare il via al processo produttivo.

Il pezzo in figura è stato fatto per SLS (Selective Laser Sintering), una tecnica

additiva che può portare a errori dimensionali o geometrici, e la scansione 3D

può essere utile per confrontare l’oggetto fatto con la SLS e il modello CAD di

partenza.

Ho un campione di questo oggetto ma non il CAD; se volessi fare una verifica

sarebbe comodo avere il modello CAD da cui si crea quello FEM per fare una

verifica numerica invece che una prova sperimentale (ho solo un campione e

potrei romperlo). Il colore è diverso a seconda del tipo di superficie (modello

segmentato).

Siamo nel campo automotive: il primo prototipo è scolpito da un designer in

materiali come cera, creta, gesso, e poi viene scansionato (si vedono al centro

le lame di luce proiettate) per fare il modello CAD per metterci le cose

necessarie alla valutazione estetica o iniziare a lavorare sulla meccanica.

Quello a destra è un modello detto poligonale.

Con il modello virtuale CAD si possono fare anche verifiche fluidodinamiche

CFD, verifiche e poi la progettazione in dettaglio.

Qui abbiamo un modello di torace ottenuto con TAC o risonanza. Il dato che

acquisisce la macchina è 3D anche se viene affettato e si generano delle

immagini (quelle che vengono fuori come risultato della TAC) perché i medici

leggono bene quelle. Costruire in 3D le parti anatomiche è utile per scopi

diagnostici, realizzare pezzi su misura, realizzare navigatori endoscopici,

oppure pianificare ed eseguire interventi chirurgici. La scansione 3D permette

anche di fare simulazioni: la scansione 3D del sistema circolatorio può essere

utile per fare simulazioni CFD per vedere se ci sono zone con eccessiva

pressione ad esempio.

Nel campo dei beni culturali e dell’architettura è estremamente utile disporre di

un modello numerico 3D: musei virtuali, restauro di opere d’arte, archiviazione

3D, monitoraggio edifici e grandi opere d’arte...

Una delle prime scansioni 3D è stata fatta sul David di Michelangelo.

In ingegneria ambientale è utile avere delle mappe 3D: per pianificare e

simulare interventi sul territorio (progettare un viadotto ad esempio),

monitorare i movimenti (vedere ad esempio se una montagna sta franando),

prevenzione, archiviazione e documentazione. Esempi: quando si progetta una

strada si parte dal modello 3D del territorio, per vedere se c’è uno

smottamento si fanno scansioni 3D a distanza di minuti e si confrontano i due

modelli per vedere se qualcosa si è deformato o mosso.

In conclusione la scansione 3D e la ricostruzione di modelli CAD è applicabile in

un sacco di settori.

Processo del reverse engineering

Scansione 3D (acquisizione dati): è il primo passo e ci sono varie tecniche di

vari tipi per farla: con e senza contatto e ognuna ha svantaggi e vantaggi.

Pre-processing: il secondo passo è il pre-processamento dei dati del modello

grezzo che è la nuvola di punti fino ad arrivare al modello digitale dell’oggetto

attraverso varie operazioni. Il pre-processamento infatti può essere fatto da

due passaggi: il filtraggio che prevede di buttare via dati inutili, come eliminare

il rumore bianco, correggere i punti, e l’analisi per estrarre le proprietà

geometriche dell’insieme di punti (questa parte ha a che fare con

l’elaborazione matematica).

Modellazione matematica: prevede di creare il modello a superfici sui punti

scansionati. Nel caso più semplice abbiamo un algoritmo che fa la

triangolazione della nuvola di punti creando un modello poligonale a

“triangolini” (mesh), oppure con algoritmi di interpolazione/approssimazione

con superfici matematiche, o superfici primitive, o superfici di tipo spline (free-

form).

Definizione di modelli di alto livello: la modellazione matematica mi dà una

superficie che non posso toccare, mentre la modellazione di alto livello consiste

nella creazione del modello CAD parametrico come se fosse stato fatto con le

features del progettista (questo a volte è contestuale alla modellazione

matematica, a volte si fa dopo) e si arriva poi al modello CAM. Questo lo si fa

per reingegnerizzare il prodotto.

Tecnologie di acquisizione dati

Sono tecnologie per la digitalizzazione tramite uno strumento che rileva la

forma con una risoluzione ed una accuratezza appropriate.

Gli scanner 3D sono strumenti di misura e si possono dividere in varie tipologie.

La distinzione fondamentale è tra sistemi a contatto (lo strumento tocca

l’oggetto in varie posizioni e con una certa strategia) e senza contatto.

A contatto: ci sono due classi di meccanismi, il braccio articolato che è uno

strumento movimentato dall’operatore a mano e la CMM, cioè la macchina di

misura a coordinate (funzionano con un tastatore ma il primo è passivo e il

secondo è attivo).

Senza contatto: ce ne sono vari che funzionano con principi fisici diversi: ottici,

magnetici, acustici.

Noi studieremo soprattutto quelli ottici che si basano su:

triangolazione stereoscopica (simile al nostro sistema visivo);

 elaborazione di immagini;

 TAC (tomografia assiale computerizzata): discende dalla radiografia

 infatti funziona con i raggi X (ottica di trasmissione).

Quelli magnetici, come la risonanza, sfruttano un fenomeno diverso, e quelli

acustici sono ad esempio l’ecoscandaglio e l’ecografia. Ci sono anche dei

sistemi ottici che sfruttano il principio dell’ecoscandaglio e dell’ecografia.

Noi ci concentreremo sui sistemi che hanno maggior impatto nei campi

ingegneristici.

TAC

La TAC, o più propriamente TC (non è detto che sia assiale) è basata sulla

trasmissione dei raggi X. Nella radiografia il raggio X colpisce il tessuto del

paziente e va a impressionare la tavola che sta sotto. Nella TC ho un emettitore

di raggi X e un ricevitore posti all’estremo di un anello. I raggi attraversano il

paziente e sono recepiti dal ricevitore. L’anello si muove attorno al paziente. Il

principio è l’assorbimento dei raggi X da parte dei tessuti. Gli algoritmi che

permettono la ricostruzione 3D sono complessi. La TC non si usa solo in campo

medico ma anche per uso industriale. La differenza sta nel volume di lavoro e

nella potenza della sorgente radiogena. In Italia ci sono circa 15 tomografi

industriali e il centro ricerche FIAT l’ha usato per degli studi sul filtro

antiparticolato dei motori diesel (elimina le microparticelle di particolato), che

dopo un po’ si ottura.

Esempio di filtro: entrano i gas di scarico ricchi di particolato che resta nel

cilindro. Il filtro è fatto a setti che costituiscono una maglia e questi sono aperti

e chiusi in maniera alternata (aperti da una parte e chiusi dall’altra).

Attraversando questa membrana i gas di scarico depositano il particolato, ma

dopo un po’ il filtro si rompe. La forma e le dimensioni di questi setti possono

essere variabili e alla FIAT hanno studiato la dimensione dei setti per

ottimizzare la distribuzione delle polveri. Per capire come si distribuivano

serviva la TC e non era possibile usare un sistema a contatto perché a toccare il

filtro le polveri si staccavano.

Risonanza magnetica

Si basa sull’applicazione di campi magnetici (innocui per la salute umana a

differenza della TAC). Quando sottopongo un tessuto ad un campo magnetico i

momenti di spin delle molecole delle cellule si orientano con il campo

magnetico esterno. Se tolgo il campo magnetico questi si riorientano come

prima rilasciando energia con frequenza e ampiezza dipendenti dal materiale.

Se riesco a triangolare questo segnale nello spazio posso capire che materiale

è e dove è. La risonanza magnetica misura i tessuti in base al loro contenuto

d’acqua. La TAC misura i tessuti in base alla loro densità.

Ecografia e ecoscandaglio

Una sonda emette un’onda acustica nel campo degli ultrasuoni e poi questa

misura l’onda acustica riflessa, da cui trovo la distanza della sonda

dall’oggetto. Se poi questo è applicato al 3D ho anche la posizione (onda

acustica in tre dimensioni).

Si usa uno o l’altro esame in base a quale tessuto si vuole vedere.

Questa è la TAC su un cilindro di un motore di un Liberty 500 per vedere se le

sezioni sono conformi al progetto. È in alluminio quindi si è potuto farla con la

TAC biomedicale. Così però non apprezzo il millimetro; se fosse stato di acciaio

avrei visto tutto come sulla destra: artefatto da retroimmagine dovuto al

parziale attraversamento dei raggi X.

Questo è il risultato di un ecoscandaglio 3D (detto in questo caso 4D perché è

in tempo reale). L’ecoscandaglio 3D si usa nella maggior parte dei casi con un

liquido perché negli aeriformi gli ultrasuoni si disperdono velocemente.

Una tipica applicazione è la scansione dei fondali marini.

Acquisizione dati nel reverse engineering

È la scansione 3D dell’oggetto da ricostruire. Si parte da una o più nuvole di

punti che sono quindi un insieme di coordinate. Le nuvole di punti giacciono

sulla superficie dell’oggetto e ne definiscono la forma quindi (quanto giacciono

sulla superficie dell’oggetto dipende dalla metrologia dello scanner).

Questa è la nuvola di punti di una pistola di uno scanner utile per studiare un

sistema di afferraggi della manopola. Il dato grezzo che esce non è continuo, è

un insieme di punti con coordinate (x, y, z). Questi punti vengono rappresentati

con una certa dimensione e danno solo l’impressione di avere la geometria

effettiva dell’oggetto. In figura è rappresentato anche lo shading, cioè

l’ombreggiatura, cioè come la luce si riflette sulla superficie. Questo è stato

rappresentato colorando i punti con colori diversi. Per rendere lo shading si

deve a priori sapere in che direzione la superficie riflette la luce e ciò dipende

dalla sua curvatura. Qui quindi questi punti danno un’informazione in più

rispetto alla posizione: danno un’informazione sul versore normale alla

superficie su cui i punti giacciono. Il problema inverso è risalire dallo shading

alla forma dell’oggetto.

Aspetti che caratterizzano i sistemi di acquisizione dati

Accuratezza

L’errore di accuratezza è la differenza tra la misura vera e quella fornita dallo

strumento. Per lo scanner &eg