Quali sono i principali tipi di scansione 3D?

Tecnologia di scansione 3D

La tecnologia di scansione 3D può essere suddivisa in metodi a contatto, senza contatto e distruttivi. È ampiamente utilizzata nella misurazione, nell'ingegneria inversa, nel controllo qualità e in applicazioni correlate.

Metodi di misura a contatto

Scansione a contatto: macchine di misura a coordinate

Le macchine di misura a coordinate (CMMs) sono strumenti di misura efficienti e di precisione sviluppati negli anni ’60. La loro comparsa è stata determinata dalla necessità di disporre di apparecchiature di misura affidabili a supporto della lavorazione efficiente di pezzi sempre più complessi su macchine utensili automatiche e CNC. I progressi nell’elettronica, nell’informatica, nel controllo numerico e nella lavorazione di precisione hanno inoltre fornito le basi tecniche per le CMM.

Nel 1960, la Ferranti nel Regno Unito sviluppò con successo il primo CMM al mondo. Entro la fine degli anni ’60, oltre 30 aziende in quasi 10 paesi producevano CMM, sebbene i prodotti fossero ancora in una fase iniziale. A partire dagli anni ’80, aziende quali ZEISS, Leitz, DEA, LK, Mitutoyo, Ferranti e Moore hanno continuato a introdurre nuovi prodotti, determinando un rapido sviluppo delle CMM. I moderni CMM sono in grado di eseguire misurazioni complesse sotto il controllo di un computer, scambiare informazioni con le macchine utensili CNC per controllarne la lavorazione e supportare il reverse engineering sulla base dei dati di misurazione.

Oggi, i dispositivi CMM sono ampiamente utilizzati nei settori della produzione meccanica, automobilistico, elettronico, aerospaziale e della difesa. Sono diventati strumenti indispensabili per le moderne attività di ispezione industriale e controllo qualità.

Componenti e principio di funzionamento del CMM

Un CMM è un tipico sistema meccatronico costituito principalmente da sistemi meccanici ed elettronici.

1. Sistema meccanico: Questo sistema è generalmente costituito da tre assi ortogonali a movimento lineare. In una struttura tipica, il sistema di guida dell’asse X è montato sul piano di lavoro, la trave mobile del ponte costituisce il sistema di guida dell’asse Y, mentre il sistema di guida dell’asse Z è installato nella slitta centrale. Ciascun asse è dotato di una scala per la misurazione dello spostamento. I volantini manuali e gli azionamenti motorizzati, sia alimentati che controllati da CNC, sono generalmente situati in prossimità degli assi. La sonda utilizzata per entrare in contatto con la superficie del pezzo ispezionato è montata all’estremità dell’asse Z.
2. Sistema elettronico: Questo sistema comprende generalmente un sistema di conteggio delle scale, un'interfaccia per il segnale della sonda e un computer. Acquisisce i dati relativi alle coordinate dei punti dal pezzo misurato e li elabora.

Il principio di funzionamento di un CMM consiste nel convertire la misurazione delle caratteristiche geometriche nella misurazione delle coordinate di una serie di punti su tali caratteristiche. Una volta ottenute le coordinate dei punti, i calcoli matematici determinano le dimensioni e le tolleranze geometriche. Ad esempio, quando si misura un foro cilindrico, è possibile rilevare diversi punti su un piano perpendicolare all’asse del foro. Le loro coordinate spaziali possono quindi essere utilizzate per calcolare il diametro del foro, le coordinate del centro, l’errore di rotondità, l’errore di cilindricità e la relazione posizionale dell’asse del foro. Ciò dimostra l’elevata versatilità e flessibilità di un CMM: in linea di principio, è in grado di misurare qualsiasi caratteristica geometrica e parametro di qualsiasi pezzo.

Il ruolo complementare delle macchine di misura a braccio articolato

Anche una macchina di misura a braccio articolato è un dispositivo di misura a contatto. A differenza di un modello CMM, non utilizza un piano di lavoro di precisione, una colonna o guide di scorrimento. Utilizza invece un braccio articolato con più gradi di libertà e può fungere da macchina di misura a coordinate flessibile.

All'estremità del braccio è possibile installare un sensore. Gli encoder rotativi registrano l'angolo di rotazione di ciascuna articolazione e le coordinate spaziali del sensore vengono calcolate utilizzando i principi della cinematica. Durante l’utilizzo, un operatore tiene il braccio di misura e porta la sonda a contatto con la superficie da ispezionare. Premendo un pulsante si registrano le coordinate e la direzione dell’impugnatura della sonda, che vengono poi trasmesse tramite un cavo seriale al software di misura. Questo tipo di macchina non ha praticamente limiti di direzione e può effettuare misurazioni in qualsiasi orientamento all’interno del proprio campo di lavoro. Viene generalmente utilizzata per la misurazione di reverse engineering di grandi stampi per lamiera, compresi i bracci manuali di CIM-CORE e FARO.

Rispetto alle CMM, le macchine di misura a braccio articolato presentano una precisione leggermente inferiore, ma un campo di misura più ampio e minori limitazioni relative alle dimensioni e alla forma dei pezzi. Sono compatte, flessibili nell'uso e adatte alla misurazione in corso di lavorazione. Sotto altri aspetti, sono simili alle CMM.

Metodi senza contatto

La misurazione senza contatto si avvale principalmente di principi ottici per l'acquisizione dei dati. Tra i metodi più diffusi figurano la telemetria laser, la triangolazione laser, la luce strutturata, l'analisi delle immagini e la misurazione interferometrica. Le apparecchiature di misurazione ottica offrono un'elevata velocità di misurazione e un alto grado di automazione. Poiché non vi è alcuna pressione di contatto né attrito, è possibile evitare errori di misurazione causati dalla deformazione del pezzo sottoposto a forza, rendendole particolarmente adatte all'acquisizione rapida e su larga scala di dati da modelli complessi.

Il principio fondamentale della misurazione ottica consiste nel convertire una grandezza fisica analogica in dati di coordinate relativi alla superficie del pezzo, mediante algoritmi appropriati.

Misurazione della distanza con il laser

La telemetria laser calcola la distanza tra un punto misurato e un piano di riferimento sulla base del tempo di volo del raggio laser, della velocità della luce e dell'indice di rifrazione atmosferico. Poiché la misurazione diretta del tempo risulta difficile, nei telemetri basati sulla fase si ricorre comunemente alla misurazione di fase a onda continua. Questo metodo consente di misurare distanze di diverse centinaia di metri con una precisione tipica dell’ordine dei millimetri.

Triangolazione laser

La triangolazione laser utilizza la posizione e l'angolo tra una sorgente luminosa e un sensore di imaging, come una telecamera, per calcolare le coordinate spaziali dei punti. Può essere utilizzata per la misurazione di punti, linee o superfici.

1. Ha una lunga distanza di lavoro ed è in grado di misurare un pezzo anche quando si trova relativamente lontano dalla superficie del pezzo stesso.
2. Dispone di un ampio intervallo di misura. Gli errori non lineari causati da un intervallo così ampio possono essere calibrati e corretti tramite software.
3. La sonda non entra in contatto con l'oggetto da misurare, pertanto è in grado di acquisire dati dalle superfici dei materiali morbidi e di misurare efficacemente spigoli vivi, avvallamenti e altri contorni complessi.
4. L'acquisizione dei dati è rapida. Nel caso di superfici estese, i dati possono essere acquisiti rapidamente su una macchina utensile CMM o CNC senza compensazione della sonda.
5. È relativamente costoso e i riflessi parassiti e le caratteristiche della superficie, come le pareti verticali, possono influire sulla precisione dell'acquisizione.
6. È sensibile al materiale misurato, alla rugosità superficiale e alla riflettività, e la sua precisione è generalmente leggermente inferiore a quella di un CMM.

Tecnologia della luce strutturata e del codice Gray

I metodi basati sulla luce strutturata proiettano un motivo luminoso specifico, come strisce o griglie, sulla superficie di un oggetto. Le coordinate tridimensionali della superficie vengono calcolate rilevando il modo in cui il motivo riflesso viene deformato dalla superficie curva. Un approccio tipico è quello dei reticoli proiettati, che ricavano le informazioni relative all’altezza dalla deformazione delle strisce del reticolo causata dalle variazioni di elevazione della superficie.

A differenza dell'analisi passiva delle immagini, la luce strutturata richiede la proiezione attiva di una sorgente luminosa artificiale. La visione stereo passiva utilizza una o più telecamere per riprendere un oggetto da diverse angolazioni e calcola la profondità in base alla disparità delle immagini. I sistemi binoculari a luce strutturata combinano i vantaggi di entrambi gli approcci e possono migliorare ulteriormente l'efficienza delle misurazioni.

La misurazione binoculare a luce strutturata consente di acquisire una grande quantità di dati in un'unica operazione ed è adatta alla misurazione efficiente di superfici complesse. Tuttavia, i risultati sono influenzati dalle proprietà ottiche della superficie dell'oggetto, rendendo più difficile la misurazione di superfici trasparenti o nere. La precisione è generalmente leggermente inferiore rispetto alla misurazione a contatto.

Lo scanner ottico ATOS della tedesca GOM è un tipico sistema di misurazione a luce strutturata. Proietta strisce reticolari sulla superficie di un oggetto, utilizza due telecamere ad alta risoluzione per acquisire le immagini delle strisce deformate e calcola le coordinate tridimensionali della superficie. È in grado di acquisire dati completi di nuvole di punti per strutture complesse in tempi molto brevi. L’ATOS II ha un’area di misurazione singola di circa 280 mm per 350 mm, è in grado di acquisire fino a 1,3 milioni di punti di scansione e raggiunge una precisione di misurazione singola pari a più o meno 0,03 mm. Per oggetti di dimensioni maggiori, è possibile creare modelli completi combinando misurazioni effettuate da più angolazioni, con una precisione di assemblaggio di circa 0,1 mm/m.

Il codice Gray, combinato con lo sfasamento sinusoidale, è un metodo di codifica comunemente utilizzato nella tecnologia della luce strutturata. Il codice Gray suddivide innanzitutto lo spazio di misura in regioni per determinare la posizione approssimativa di ciascun punto. Lo sfasamento viene poi utilizzato per il posizionamento preciso all’interno di ciascuna regione.

La caratteristica fondamentale del codice Gray è che i codici adiacenti differiscono solo per un bit. Ciò consente di evitare gli errori che possono verificarsi quando più bit cambiano contemporaneamente, garantendo un’elevata affidabilità e un basso tasso di errore di decodifica nelle misurazioni su ampio intervallo. Le sue caratteristiche principali includono:

1. Codifica affidabile con un basso tasso di errore.
2. Si tratta di un codice ponderato. I diversi codici di Gray non possono essere confrontati direttamente e devono essere prima convertiti in codice binario per poter essere elaborati.
3. Il numero di 1 presenti in una parola di codice può essere utilizzato per determinare se il valore corrispondente è dispari o pari.

La tecnologia a reticolo di fase eterodina multifrequenza utilizza un proiettore DLP per proiettare reticoli digitali generati al computer sulla superficie di un oggetto. Due telecamere acquisiscono in modo sincrono le strisce deformate e i calcoli di fase producono quindi dati tridimensionali sotto forma di nuvola di punti relativi alla superficie dell'oggetto. Questo approccio consente una regolazione flessibile della frequenza del reticolo, mantenendo al contempo un'elevata precisione di proiezione.

Analisi delle immagini

L'analisi delle immagini utilizza la posizione relativa dello stesso punto in più immagini per calcolare la distanza tramite la disparità e ottenere così le coordinate spaziali del punto. Inoltre, viene comunemente combinata con altri metodi ottici per migliorare l'efficienza e l'applicabilità delle misurazioni.

Metodi distruttivi

Limiti di applicazione della scansione distruttiva

Uno scanner automatico a sezioni seriali combina la rimozione del materiale strato per strato con la scansione strato per strato per acquisire i dati relativi ai contorni interni ed esterni di un modello. In primo luogo, il pezzo da misurare viene completamente incapsulato in una resina speciale contenente polvere di grafite o pigmento. Una volta indurita, la resina viene fissata a una fresatrice e lavorata con una profondità di taglio molto ridotta per creare una sezione trasversale che includa sia il pezzo che la resina. La sezione viene quindi spostata sotto una telecamera digitale CCD per il campionamento digitale. Poiché esiste un confine ben definito tra il materiale di incapsulamento e il pezzo, tecniche di elaborazione digitale delle immagini quali il filtraggio, l’estrazione dei bordi, l’analisi della texture e la binarizzazione consentono di estrarre il contorno del confine e ottenere i valori delle coordinate del contorno. Il taglio e l’analisi vengono ripetuti fino all’ottenimento dei dati di coordinate per tutte le sezioni del modello.

Rispetto alla tomografia computerizzata industriale, gli scanner automatici a sezioni seriali presentano costi di attrezzatura e di esercizio inferiori. Poiché si basano sull’estrazione dei pixel, sono inoltre in grado di acquisire una grande quantità di dati in ogni strato. Il loro evidente svantaggio è che distruggono l’oggetto misurato. Uno scanner automatico per sezioni seriali relativamente maturo presente sul mercato è il RE1000 della CGI negli Stati Uniti.

Tomografia computerizzata industriale

La tomografia computerizzata industriale (ICT) offre un metodo tomografico digitale non distruttivo per riprodurre strutture interne ed esterne complesse e le forme dei materiali. Dopo che un campione fisico è stato sottoposto a scansione tomografica, l’ICT produce una serie di sezioni trasversali e dati. Queste sezioni e questi dati contengono informazioni complete sui contorni della sezione trasversale del pezzo e sulla sua struttura interna.

L'ICT estende il successo dell'applicazione della TAC medica al settore industriale. Può essere utilizzata per la modellazione inversa e il controllo qualità di pezzi stampati di piccole, medie e grandi dimensioni con strutture complesse, nonché per l'analisi tecnica, la diagnosi non distruttiva dei guasti dei prodotti e della loro affidabilità, e l'analisi delle strutture di assemblaggio.