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Applicazioni - Hardware
 

19/09/2014

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Come si 'cattura' il formato digitale di un oggetto

Dal reverse engineering alle applicazioni medicali, dall’architettura al controllo qualità, dalla prototipazione alla stampa 3D. Sempre più ambiti scoprono utile ricostruire un modello numerico di un oggetto che può essere poi trasformato per le proprie esigenze.

Tutti i giorni, migliaia di persone utilizzano gli scanner 3D e il relativo software per creare modelli CAD di oggetti di cui non si ha la documentazione di progetto (reverse engineering), aggiornare prodotti esistenti e/o realizzarne di nuovi, verificare la qualità dei prodotti confrontando le parti prodotte con i progetti CAD, realizzare prodotti di massa personalizzati per applicazioni mediche, dentistiche e di moda, scansionare interi edifici per creare accurati modelli 3D e molto altro ancora. Uno scanner 3D consente di rilevare qualsiasi forma fisica esistente e di importarla nel computer in formato numerico. Con i termini scansione 3D, 3D scanning, fotografia 3D, acquisizione automatica 3D si fa riferimento infatti alla creazione di un modello digitale tridimensionale che rappresenti fedelmente le caratteristiche di forma e colore di un oggetto. In pratica, il modello digitale 3D è una descrizione accurata della superficie dell’oggetto in esame. La creazione del modello digitale 3D consiste nell’acquisire da più punti di vista, descrizioni parziali dell’oggetto (rangemap) e nel fondere le informazioni in un unico modello digitale costituito da una nuvola di punti o da un insieme di triangoli. L’oggetto o lo scanner sono spostati liberamente e il sistema di riferimento coerente è recuperato tramite tecniche automatiche di elaborazione 3D. I modelli digitali 3D così creati non sono immagini o sequenze di immagini: il modello descrive in modo fedele e misurabile la superficie tridimensionale dell’oggetto reale rappresentato. La maggior parte degli scanner commerciali solo oggi inizia a essere dotata di un corredo software che produce direttamente file nei formati utilizzabili dai software CAD e per la stampa 3D. Se però manca questo elemento, ci si può procurare sul mercato un software che prende i dati acquisiti e genera il formato file desiderato. Per misurare il mondo fisico possono essere utilizzati sensori meccanici, oppure sistemi che emettono laser, luce strutturata, raggi infrarossi, onde radio, ultrasuoni, raggi x o raggi gamma. In output vengono generati o nuvole di punti (point cloud) o maglie di poligoni (polygon mesh). Il fattore che accomuna tutti questi dispositivi è che catturano la geometria degli oggetti fisici con una serie di misure. Alcune tecnologie sono ideali per la scansione a distanza ravvicinata, mentre altre sono più indicate per distanze medie o lunghe.


Scanner 3D professionali
Gli scanner 3D professionali sono usati per creare modelli 3D altamente complessi, con molte opzioni e un elevato livello di dettaglio e precisione. Arrivarono negli Anni ‘60 per permettere alle imprese di misurare le proprietà relative alle forme dei prodotti e praticare il reverse engineering. Oggi sono molto utilizzati anche dall’industria dell’intrattenimento

per la produzione di film e videogiochi, dal design industriale, dalla prototipazione e dalla documentazione di opere d’arte. E molto altro ancora. La loro generalizzazione è una diretta conseguenza della digitalizzazione del processo di progettazione. Gli scanner 3D di livello industriale possono essere classificati in tre categorie principali: scanner meccanici (bracci di misura e CMM), scanner portatili alimentati da batterie, con cui si possono acquisire molteplici prospettive molto dettagliate di oggetti anche in ambienti piccoli, e macchine fisse, ovvero desktop. In questo ambito esistono dispositivi che contengono l’oggetto da scansionare, se le misure di questo lo consentono, oppure scanner che riflettono all’esterno fasci di luce per catturare l’immagine 3D di grandi oggetti (e questi sono dotati di braccia direzionabili), o grandi ambienti chiusi o aperti.
Gli scanner professionali utilizzano diversi metodi di scansione, che dipendono dalla categoria dello scanner (mobile, portatile o fisso). Gli scanner 3D mobili di livello professionale usano luci lampeggianti a varie lunghezze d’onda e più telecamere per garantire che tutti gli angoli dell’oggetto sottoposto a scansione vengano ‘visti’. Le immagini acquisite sono ‘cucite’ insieme da un software 3D per costruire un modello digitale. Gli scanner professionali desktop, o fissi, si basano su una tecnologia a raggi laser per catturare i dettagli dell’oggetto sottoposto a scansione. Lo scanner emette un raggio laser che ‘striscia’ sulla superficie dell’oggetto per leggerne le dimensioni. Anche in questo caso, le informazioni e le immagini sono trattate da un software che crea la rappresentazione digitale completa dell’oggetto. Gli scanner industriali sono notevolmente costosi, ma è possibile trovare modelli di fascia bassa con prezzi anche inferiori a 1.000 dollari. Per ottenere risultati migliori bisogna spendere da 3.000 a 10.000 dollari, mentre se serve maggiore precisione, prestazioni e opzioni, bisogna orientarsi nella fascia di prezzo da 20.000 a 45.000 dollari. Gli scanner 3D professionali 
high-end più costosi vanno oltre 100.000 dollari. Alcuni produttori provengono dal campo della metrologia classica (Aicon, Faro Technologies, Gom, MicroScribe, Renishaw) o all’ottica/strumentazione (Konica Minolta, Leica Geosystems, Nikon, Roland, Trimble). Molti sono specializzati nella sola produzione di scanner 3D (Artec, Creaform, HDI Advance). Tra le aziende italiane: Scanny3d, Open Technologies e Age Solutions che offrono prodotti allo stato dell’arte a prezzi competitivi.

Gli scanner prosumer o semi-professionali sono offerti da alcune grandi produttori di stampanti 3D come 3D Systems o MakerBot o da piccole aziende startup o community di maker (David, Fuel3D e Lynx Laboratories). Una delle idee più innovative del momento però viene dall’Italia con Fabtotum, una piccola ‘fabbrica personale da tavolo’ che estende

alle stampanti 3D il concetto di stampante multifunzione (MFP) poiché è in grado di scansionare, stampare e fresare/tagliare. Lavora con tutti i materiali per la prototipazione, come balsa, schiume poliuretaniche, legno e alluminio leggeri o PCB. Scansione 3D da smartphone e tablet Le app di scansione 3D sono strumenti di base per produrre modelli 3D di oggetti di tutte le dimensioni e trasformano un dispositivo mobile o un accessorio per videogame come Kinect in uno scanner 3D. Le app per la scansione 3D sono economiche, a volte anche gratuite, e possono produrre modelli colorati di un oggetto. Le app costruiscono un modello 3D raccogliendo i dati dell’oggetto attraverso una serie di fotografie e producono una nuvola di punti o una mesh, a volte anche colorata. Le app richiedono in ingresso alcune immagini di qualità dell’oggetto 3D che si desidera scansionare (circa venti), elaborano le immagini localmente o nel cloud e producono il modello 3D che può essere manipolato con le funzioni messe a disposizione dalla app. La scansione 3D è il più delle volte una mesh colorata che può essere facilmente convertita in un file STL pronto per la stampa 3D e per modificare il modello serve un software di modellazione 3D. La maggior parte delle app non offrono la stampa diretta dei file e possono richiedere ulteriori passi di conversione prima di stampare. La qualità che si vuole ottenere dipende in modo determinante dalla qualità delle immagini, che a sua volta dipende dalla qualità dei sensori (almeno 8 megapixel) e delle ottiche del dispositivo. La gratuità e/o il basso costo delle app ne consigliano l’utilizzo a chi privilegia la velocità e l’economicità rispetto alla qualità e sono una buona soluzione per iniziare.

Scelta di uno scanner 3D
Nella scelta di uno scanner 3D entrano in gioco molti fattori: dimensione del modello che solitamente bisognerà scansionare, grado di dettaglio dei particolari, tipologia della forma (organica, geometrica, scenario), materiale e colore dell’oggetto, destinazione della scansione (mesh, reverse engineering, stampa 3D), qualità e accuratezza dimensionale
necessarie, esigenza o meno di acquisire texture, tempi di scansione e postprocessing, tecnologia di scansione, competenza tecnica necessaria per utilizzare il sistema (ovviamente i sistemi destinati a chirurghi plastici, dentisti e orafi devono essere più semplici rispetto a quelli destinati ai progettisti) e budget disponibile. Per motivi di carattere meccanico e ottico, la maggior parte dei modelli in commercio ha una gamma di applicazioni molto specifica e limitata e spesso sono forniti pacchetti hardware e software specializzati. Per evitare di orientarsi su un modello che poi si può rivelare sbagliato è meglio richiedere direttamente al potenziale fornitore di uno scanner 3D una dimostrazione pratica sulla tipologia di oggetti che si intendono acquisire per verificarne: le modalità di utilizzo, i tempi di acquisizione 
e la qualità dei risultati ottenuti. 

Il mercato dell’imaging e della scansione 3D
Il mercato della scansione 3D e dell’imaging è in evoluzione sinergica molto rapida con la diffusione delle stampanti 3D. Infatti, gli oggetti che si possono produrre con una stampante 3D e di cui non si hanno i file CAD sono molti di più di quelli per cui questi modelli digitali sono disponibili. Secondo un rapporto di ricerca di Markets&Markets del 2013, il mercato imaging e scansione 3D è destinato a crescere dai 3,01 miliardi dollari del 2013 a 9,82 miliardi entro il 2018, con un tasso di crescita composto medio annuo (Cagr) del 26,7%. 

 

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