Sistemi di Scansione

Come anticipato i sistemi di scansione, sulla base di reticoli predefiniti, permettono il rilievo automatico di una superficie ignota e velocizzano il processo di acquisizione delle coordinate dei punti arrivando a memorizzare oltre 1000 punti al secondo. Sono classificabili in sistemi a contatto e senza contatto, i primi sono attualmente i più consolidati diffusi presso le aziende mentre i secondi solo ora iniziano a garantire le prestazioni in termini di tolleranze dimensionali richieste per le applicazioni più sofisticate della Reverse Engineering.

• Sistemi a contatto;
• Sistemi senza contatto.

Sistemi di scansione a contatto:

Sono nati per soddisfare le esigenze dell’officina che sulla base di un master doveva ricavare le parti maschio e femmina dello stampo e solo da pochi anni, grazie all’evoluzione dei sistemi CAD, coinvolgono anche le attività dei progettisti.
Utilizzano una sonda analogica di diametro noto per muoversi sulla superficie del pezzo e acquisire i punti della stessa sulla base della deflessione della stessa, rispetto ai sistemi senza contatto hanno alcuni punti di vantaggio:

• non sono richiesti trattamenti della superficie del pezzo per evitare riflessioni;
• possibilità di scandire superfici verticali;
• la densità dei dati non è fissa ma funzione della complessità della superficie;
• migliori precisioni e ripetibilità.

Per contro si hanno tempi di scansione più elevati e l’applicazione di una forza sulla superficie che può rovinare il pezzo nel caso di materiali delicati (cera, ...) o falsare la rilevazione nel caso di materiali flessibili (elastomeri, ..).
Sono attrezzature portatili e consistono di un sensore a contatto da installare sul mandrino di una fresatrice a controllo numerico o sulla testa di una macchina di misura e di un software di gestione che dialoga in modo automatico con l’unità di governo della macchina. Richiedono un tempo di installazione ridotto e inferiore ai 60 minuti.
In abbinamento alla sonda sono anche disponibili applicativi software che permettono, sulla base dei punti acquisiti, di effettuare numerose elaborazioni di cui le più comuni sono:

• variazioni di scala sui tre assi;
• traslazioni e rotazioni;
• elaborazioni maschio femmina;
• generazioni divisione stampo;
• combinazione di modelli per stampi multipli;
• creazione di programmi CNC per la fresatura dello stampo;
• generazioni di output per sistemi CAD/CAM.

Le tolleranze e ripetibilità sono inferiori 0.01 mm e le forze applicate variano dai 100 a 300 g; il limite di questi sistemi è quello di richiedere l’impiego delle fresatrici e macchine di misura per compiti diversi a quelli per cui sono state acquistate sottraendo tempo all’attività produttiva.

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Sono sistemi, nati espressamente come ausilio alle attività progettuali, che permettono il rilievo dei punti sulle superfici del pezzo senza la necessità di un contatto fisico e associano questo vantaggio ad una velocità di scansione superiore a quella dei sistemi a contatto. Le precisioni e ripetibilità sono migliorate considerevolmente nel corso degli ultimi anni e ci si spinge sino al centesimo di millimetro.

Sono macchine dedicate e vista la loro limitata diffusione presentano ancora costi elevati, i principi seguiti per lo sviluppo dei sistemi sono i seguenti:

• triangolazione laser;
• interferometria Moiré;
• fotogrammetria;
• olografia conoscopica;
• scanner ottico;
• tomografia computerizzata.

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Sistemi basati sulla triangolazione laser:

Il principio di lavoro consiste nella lettura della riflessione del raggio laser da due sensori posti ai lati dell’emettitore laser, sono costituiti da una testa che emette un fascio laser che viene trasformato con un’ottica opportuna in una linea dello spessore di pochi decimi di millimetro e da una o due telecamere con sensore CCD allo stato solido che rilevano la posizione del raggio sull’oggetto. Le superfici dell’oggetto da copiare devono assicurare la riflessione del fascio laser ed in alcuni casi è necessario procedere al trattamento con spray opacizzanti. Sul mercato sono disponibili numerose proposte che si differenziano sostanzialmente per le dimensioni del campo di lavoro, per la precisione e la tipologia di installazione.

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Sistemi basati sulla interferometria Moiré:

Il principio di funzionamento sfrutta l’interferenza meccanica della luce che si genera quando due reticoli angolarmente sfasati e costituiti da linee chiaro scure equispaziate vengono sovrapposti. Nascono le cosiddette frange di Moiré che hanno la proprietà di adagiarsi sulle superfici e permettono, tramite una sofisticata elaborazione di immagini, la determinazione delle coordinate dei punti appartenenti alla superficie stessa. Il vantaggio rispetto alla scansione laser consiste nella maggior velocità di digitalizzazione del modello dal momento che è disponibile per l’elaborazione l’intero campo visivo della telecamera.

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Sistemi basati sulla fotogrammetria:

Le metrologie topometriche e fotogrammometriche rappresentano delle tecniche ottiche molto potenti per l’elaborazione delle immagini tridimensionali, le scene o gli oggetti da misurare vengono infatti registrati ed analizzati sulle tre dimensioni. Si basano sulla triangolazione ottica: la fotogrammetria impiega le immagini stereoscopiche ottenute con diverse posizioni della telecamera, mentre quelle topometriche utilizzano l’illuminazione con luce strutturata.

Il sensore del sistema può coprire volumi di misurazione che variano da alcuni millimetri quadrati ad alcuni metri quadrati. Le configurazioni dei sistemi con sensori a campi multipli o telecamere a colori consentono un’acquisizione adattativa dei dati oltre che alla combinazione della digitalizzazione 3D con l’elaborazione di immagini a colori.

Per l’integrazione su macchine di misura a coordinate e fresatrici sono stati sviluppati dispositivi di calibrazione e routine di programmi di semplice utilizzo che permettono un adattamento veloce ed affidabile dei sistemi di coordinate del sensore rispetto al sistema di posizionamento.

Nel caso di sensori liberi l’adattamento e la combinazione delle viste parziali è ottenuto grazie a elementi di riferimento (tipicamente sfere calibrate) e non è necessaria la misurazione della posizione dei punti di riferimento con altri tipi di metrologia.

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  Sistemi basati sull'olografia conoscopica:

Il metodo di scansione è stato applicato inizialmente come strumento per la misura delle dimensioni con elevata precisione per distanze variabili da 0.04 micron a molti metri, successivamente sono stati realizzati alcuni moduli che consentono l’utilizzo del metodo conoscopico per un’estesa varietà di applicazioni industriali inclusa la reverse engineering.

Il beneficio chiave dell’olografia conoscopica è l’indipendenza da una fonte di luce coerente, questa proprietà supera i vincoli pratici di stabilità e sensibilità di cui soffrono gli strumenti interferometrici laser di tipo convenzionale.
Un ulteriore vantaggio è che questi sistemi ottici sono intrinsecamente collineari, il che significa una relativa immunità a vibrazioni meccaniche, rumore ottico e variazioni di temperatura.

La base fisica è l’interferenza ottica prodotta da cristalli birifrangenti illuminati con raggi convergenti di luce polarizzata. Un raggio di luce puntiforme monocromatico incoerente incide su di un cristallo monoassiale (birinfrangente), all’interno di questo il raggio viene diviso in due raggi separati (ordinario e straordinario) che si propagano a velocità differenti lungo percorsi geometrici identici. I due raggi sono caratterizzati da fronti d’onda separati che emergono dal cristallo con distinti angoli di polarizzazione e di fase. Le grandezze di queste quantità sono determinate dall’angolo di incidenza del singolo raggio rispetto al cristallo. L’impiego di filtri polarizzatori consente l’allineamento delle direzioni delle componenti elettriche dei raggi, che sono successivamente divisi e ricombinati per generare una frangia di interferenza all’uscita. Come nell’interferometria classica, la spaziatura delle frange è proporzionale alla distanza dal punto della riflessione.

Il vantaggio forse più importante è la capacità di rilievo delle distanze di superfici metalliche nude e non preparate, il sistema inoltre grazie alla sua struttura collineare è in grado di risolvere topologie complesse con pendenze sino a 85°.

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Scanner ottico:

Definito anche sistema di cattura della geometria interna, consente assieme alla tomografia il rilievo delle parti interne del modello fisico ma ne prevede la sua distruzione. Il sistema esegue la scansione simultanea della superficie interne ed esterna del pezzo. Rispetto ai tomografi ha un prezzo di acquisto dell’80% inferiore e risulta più preciso in termini di tolleranze dimensionali. Il pezzo di cui si vuole recuperare la matematica viene inglobato con l’ausilio di un’opportuna resina di riempimento, si ottiene in tal modo un parallelepipedo che viene disposto sulla tavola di lavoro della macchina.
Una fresa provvede all’asportazione di uno strato di materiale, a questo punto il parallelepipedo viene portato al di sotto di uno scanner ottico che rileva il profilo della sezione successivamente il pezzo viene riportato sotto la stazione di fresatura ed il processo riprende fino al completamento della scansione.

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Tomografia computerizzata:

Visti gli elevati costi richiesti per l’investimento è impiegata soprattutto nel settore metodo come strumento di indagine. Un dispositivo rotante proietta un raggio X attraverso l’oggetto e ne rileva la struttura mediante una successione di piani paralleli, che contengono anche la geometria interna del solido. In uscita si dispone una serie di immagini a livelli di grigio che rappresentano le varie sezioni effettuate. Con pacchetti software dedicati è possibile risalire al modello matematico tridimensionale utile per pianificare gli interventi chirurgici.

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