Scanner 3D a proiezione di frange

Scanner 3D a proiezione di frange
Gli scanner 3D HDI Blitz e HDI Advance utilizzano la tecnologia di scansione 3D a luce bianca (nota anche come luce
strutturata); il sensore ottici, che utilizza telecamere ad alta risoluzione, cattura la forma digitale di un oggetto fisico in
meno di un secondo. I vantaggi che questa tecnolgia offre si possono riassumere nella tabella sottostante:





Tempi di scansione rapidissimi
Dati scansione ad alta risoluzione e dimensionalmente accurati
Livelli di dettaglio elevati
Aree di lavoro personalizzabili
Non invasività: possibilità di effettuare scansioni 3D su un volto anche a occhi aperti
Per ulteriori informazioni riguardo differenze tra uno scanner 3D laser e scanner a luce bianca potete fare riferimento a
questo articolo pubblicato nelle nostre FAQ.
Il processo di scansione 3D
Acquisizione della geometria
Fase 1
Lo scanner 3D dirige una serie di pattern di riferimento direttamente sulla superficie dell'oggetto da digitalizzare.
L'andamento in cui l'immagine proiettata andrà a deformarsi colpendo un oggetto permette al sensore ottico di calcolare
la profondità degli oggetti colpiti ed ottenere quindi le informazioni tridimensionali della superficie.
Fase2
Il programma fornito con lo scanner 3D elabora i dati ed effettua una triangolazione in tempo reale mostrando
immediatamente il risultato della scansione 3D.
L'allineamento delle misurazioni è automatizzato grazie a una serie di funzionalità che aiutano l'operatore a gestire
velocemente queste operazioni.
Post Processing
Fase 3
Per alcune attività, ad esempio per la ricostruzione di una matematica CAD o per avviare operazioni di Ispezione può essere
vantaggioso utilizzare un programma di reverse engineering dedicato. Ad esempio, Rapidform, offre tutti gli strumenti di
modellazione 3D per definire modelli CAD solidi e superfici (anche parametrici/associativi).
Per individuare meglio se questa tecnologia di scansione 3D è consona alle vostre esigenze vi suggeriamo di visitare
la galleria dei progetti svolti, all'interno della quale sono disponibili moltissimi esempi che illustrano le potenzialità dei nostri
sistemi di misura tridimensionali.
Introduzione
Fino a 8 anni la scansione 3D erano il regno esclusivo della “casta sacerdotale della scansione 3D” impiegata nei grandi
centri servizi dedicati al reverse engineering e alla prototipazione rapida. Tali aziende potevano vantare anni di
addestramento e pratica su attrezzature costosissime e altamente specializzate. Se si volevano riprodurre scansioni 3D di
parti fisiche si dovevano accettare I loro prezzi e seguire la loro pianificazione.
Oggi, si può acquistare il proprio sistema di scansione 3D a prezzi davvero bassi; si aggiunge poi il costo del software di
reverse engineering e di una stampante tridimensionale e si hanno tutti gli strumenti per far da sé le proprie scansioni.
Perché allora I centri servizi sono ancora in affari? Perché c'è una differenza tra avere gli strumenti e avere l'abilità, la
conoscenza tecnica e l'esperienza per usarli in modo corretto.
Se avere a disposizione gli strumenti non implica automaticamente l'abilità nell'utilizzarli, il loro impiego implica, invece, la
responsabilità del prodotto finale. Quando l'intero processo di digitalizzazione 3D era esclusivamente nelle mani di tecnici
esperti, che conoscevano bene gli strumenti hardware e software le responsabilità erano chiaramente definite; con
l'introduzione delle nuove tecnologie di scansione i ruoli e le responsabilità sono fluttuanti. Indipendentemente da come si
evolverà la situazione chiunque sarà coinvolto nel lato creativo e/o progettuale sarà sempre più responsabile anche sul
lato della produzione.
Se vi sentite delusi dai vostri primi approcci alla scansione 3D non scoraggiatevi. E' abbastanza facile fare fisicamente la
scansione di una parte reale, ma ottenere risultati soddisfacenti richiede conoscenza ed esperienza. La maggior parte degli
utenti che utilizzano un sistema di scansione 3D non aspirano a diventare operatori di scanner 3D a tempo pieno ma
vogliono solamente che il processo di scansione li aiuti a svolgere meglio, più velocemente, e a buon mercato, il loro
compito
principale.
La buona notizia è che nella maggior parte dei casi, per ottenere dei risultati soddisfacenti non è necessario essere un
operatore di scanner 3D professionista o utilizzare un'attrezzatura estremamente sofisticata. Con una discreta conoscenza
relativa la modellazione CAD dei processi di stampa 3D con un'attrezzatura poco costosa anche il neofita può produrre
delle scansioni 3D accettabili, di qualità professionale. Le chiavi del successo sono pazienza e la vostra volontà di
apprendere. Il tempo e lo sforzo che si investe nell'apprendimento verrà ripagato molte volte dal tempo e dal denaro
risparmiato, e vi darà un maggiore controllo sul vostro lavoro.
Chi fa da se fa per tre...
Il fascino della scansione 3D è innegabile. Uno scanner 3D ci promette di risparmiare tempo e denaro consentendoci di
controllare meglio il nostro lavoro. Attraverso la connessione internet i tempi per gestire i dati scansione sono minori dato
che, una volta effettuata la scansione, il risultato può essere trasmesso via FTP. I costi sono inferiori perché il lavoro può
essere svolto in modo autonomo utilizzando un'attrezzatura efficace e poco costosa e senza la necessità di pagare un
centro servizi. Produrre per proprio conto significa avere un controllo diretto sul risultato finale invece che sperare che
un'altra persona capisca esattamente quello che abbiamo in testa.
Sfortunatamente non sempre la realtà è l'altezza di questo ideale. Troppo spesso, anzi, quando ci si fa carico degli aspetti
concreti della produzione, qualità e produttività precipitano clamorosamente. Problemi tecnici inattesi rallentano la
produzione fino a farla strisciare, o addirittura la interrompono, e si finisce con lo spendere più soldi perché i problemi di
qualità e produttività ci schiacciano contro le scadenze costringendoci poi a pagare un sovrapprezzo al fornitore esterno
per un lavoro urgente. Non solo, ma il controllo che disperatamente abbiamo cercato di ottenere si trasforma in un disastro
quando, dopo ripetuti tentativi, la scansione 3D non sembra per nulla soddisfacente e il prototipo finale presenta evidenti
problemi di qualità.
In nessun altro settore nell'area delle applicazioni di misura 3D le promesso sono così allettanti e i risultati così scoraggianti,
come nel lavoro della scansione 3D. Fatta eccezione per il costo del prototipo non c'è una voce più costosa nel budget di
un progetto CAD di quella che riguarda la scansione di parti fisiche. Affidare il lavoro all'esterno significa anche allungare i
tempi complessivi di produzione. La flessibilità complessiva nell'organizzare tutto questo viene meno in quanto è necessario
organizzare tutto il materiale anticipatamente e questo rallenta inevitabilmente le prime fasi della produzione del lavoro
Inoltre, gli operatori esterni incaricati a digitalizzare il vostro lavoro avranno comunque una propria autonomia discrezionale
nel decidere di come approcciare il lavoro: ad esempio potranno decidere di non includere nella scansione un dato
particolare che per voi potrebbe essere significativo. Tutti questi fattori rendono quindi allettante l'opzione della scansione
realizzata con i propri mezzi.
Le sfide
La creazione di scansioni 3D professionali realizzate in proprio è una delle grandi sfide del mondo della progettazione
industriale in quanto le possibilità di insuccesso sono molte. Gli errori che si possono commettere comprendono ( ma non
solo questi) la scansione 3D realizzata utilizzando un sistema non calibrato; l'uso di impostazioni relativi la risoluzione non
adeguate, un'eccessiva o insufficiente nitidezza dell'immagine e un errata valutazione del soggetto da digitalizzare. Questi
pericoli esistono aldilà dei problemi tecnici che bisogna fronteggiare per impostare e utilizzare il computer, il software
dedicato alla scansione 3D e il software da utilizzare per effettuare la ricostruzione della matematica CAD (reverse
engineering).
Come se non bastasse, gestire i file complessi e di grandi dimensioni che sono il risultato delle scansioni, può rallentare la
produttività e dare luogo a problemi che riguardano la gestione e capacità di immagazzinamento dei dati digitalizzati. Se,
alla fine, la qualità delle scansioni 3D non è accettabile, non si sarà risparmiato né tempo né denaro.
Fino a qualche anno fa per effettuare la scansione 3D di una parte reale occorreva un operatore professionale con un
sistema di misura 3D estremamente costoso. Oggi, il prezzo di uno scanner 3D professionale ha un costo dieci volte
inferiore e chiunque abbia un certo gradi di familiarità con un computer può realizzare una scansione 3D. In entrambi i
casi viene fatta la digitalizzazione dell'oggetto, ma i risultati possono essere, e spesso lo sono, molto diversi.
Chiunque abbia accesso a uno scanner 3D può fisicamente fare la scansione ma ciò non garantisce che il prototipo o la
scansione stessa abbia il giusto grado di risoluzione e sia nello stesso tempo dimensionalmente accurata. A meno che non
si abbia una conoscenza di base di argomenti fondamentali come risoluzione, accuratezza e qualche nozione di fotografia
e modellazione CAD i risultati saranno inevitabilmente poco soddisfacenti. Le aziende che offrono un servizio di scansione
3D dispongono generalmente di scanner 3D ad alta risoluzione in grado di gestire molteplici situazioni. In questo caso però
quello che conta non è tanto lo scanner 3D quanto l'operatore che lo utilizza. Gli operatori di scanner 3D professionisti
hanno anni di addestramento alle spalle e grande esperienza che hanno sviluppato facendo una sola cosa; gestire progetti
e casistiche di ogni tipo; sono abili a valutare il modo in cui gestire la scansione e sono anche in grado di realizzare
matematiche CAD professionali adatte per essere impiegate in ogni settore di riferimento: meccanica, stampi e design
industriale. Si tratta di operatori ben pagati e rispettati. Anche il software più sofisticato non è in grado di sostituire
completamente questi professionisti della scansione 3D.
Per ottenere dei risultati soddisfacenti, non è necessario raggiungere il livello di conoscenza e di abilità di un operatore
professionista ma come per ogni altra abilità di valore, esiste una curva di apprendimento. Anche si si possono acquisire
velocemente i concetti base nulla potrà mai sostituire l'esperienza. Tentativi ed errori sono gli “ strumenti” di apprendimento
migliori. La chiave è procedere con metodo servirsi continuamente dei libri, dei manuali e dei normali canali di divulgazione
gratuiti come ad esempio Youtube all'interno del quale si possono trovare innumerevoli video tutorials.
Le ricompense
Anche se, come abbiamo visto, le cause di insuccesso possono essere molte, i vantaggi di effettuare la scansione 3D per
proprio conto sono significativi. Investire in uno scanner 3D e dedicare del tempo per imparare ad utilizzarlo correttamente
vi dà la possibilità di:



Risparmiare tempo
Risparmiare denaro
Controllare direttamente il vostro lavoro
I paragrafi che seguono esaminano in dettaglio questi tre vantaggi
Risparmiare denaro
L'invio del particolare da digitalizzare a una società specializzata in servizi di scansione 3D conto terzi ha, oltre al costo
della lavorazione in sé, altri costi aggiuntivi che devono essere presi in considerazione, come i costi di spedizione e, gli
eventuali sovrapprezzi per le urgenze. Anche la scansione in proprio ha dei costi aggiuntivi che si riducono essenzialmente
allo spazio dell'ufficio da dedicare al sistema di scansione 3D e all'elettricità consumata e al tempo per cui si occupa il
computer durante la scansione. Per calcolare esattamente il prezzo di una scansione occorre anche aggiungere il costo
degli eventuali accessori complementari che si possono sfruttare (markers per gli allineamenti, lenti con focali specifiche
ecc.).
Ciascun oggetto da digitalizzare ha le sue peculiarità pertanto è molto difficile standardizzare il tempo necessario per
effettuare una scansione 3D. Ponendo che per realizzare una scansione siano necessari circa 10 minuti bisogna poi
considerare anche il costo iniziale dell'attrezzatura. Questo abbassa notevolmente i costi di produzione lasciandovi più
denaro per il vostro budget. Con la scansione in proprio si possono effettuare innumerevole sequenze di scansioni e questo
permette di risparmiare ancora più soldi poiché non è necessario pagare il fornitore per ogni scansione aggiuntiva.
Risparmiare tempo
La scansione fatta in proprio rende il prodotto disponibile in un tempo minore e vi evita di pagare il sovrapprezzo che molte
aziende specializzate in scansioni richiedono per i lavori urgenti. In questo caso, si risparmia sui tempi di consegna del
pezzo originale e di ritiro per il ritorno in sede dello stesso. Se le scansioni vengono svolte in modo autonomo si accorciano
i tempi di produzione; c'è più tempo da dedicare al lavoro creativo e/o di progettazione tra la data di inizio del lavoro e la
data di consegna, e resta il tempo per affrontare gli imprevisti dell'ultimo momento. E' importante ricordare infatti che per
quanto sia buona una scansione 3D essa non servirà a nulla se non viene consegnata in tempo per effettuare un prototipo
a/o altra attività relativa alla produzione del componente.
Controllo sui risultati
Infine, se siete in grado di fare una scansione 3D accettabile per la qualità del lavoro che vi proponete, potete anche
controllare meglio come sarà la qualità dei dati una volta stampata attraverso una macchina a controllo numerico o una
stampante 3D stereolitografica. Con un buon software di reverse engineering e un pizzico di esperienza, è possibile
imparare come ritoccare e restaurare al meglio ciò che è stato digitalizzato. In alcune circostanze, a causa di occlusioni e
sottosquadri, scoprirete che qualsiasi scanner 3D in commercio è in grado di acquisire solo ciò che p in grado di “ vedere”.
Attraverso l'uso di un software di reverse engineering sarete in grado di porre rimedio a questo problema e quindi di
ricostruire le parti mancanti o digitalizzate solo parzialmente. L'operatore deve decidere quali sono gli elementi della parte
da acquisire da catturare e cercare di riprodurli al meglio. Le parti dell'oggetto che si considerano meno importanti, e non
necessarie, possono essere tralasciate in modo da velocizzare ulteriormente il tempo necessario per concludere la
scansione 3D. Anche se si cerca di comunicare all'operatore del fornitore esterno cosa è importante e cosa sarebbe meglio
acquisire, il metodo più sicuro per ottenere quello che si vuole è fare da sé la scansione. La scansioni 3D fatte in proprio,
possono farvi risparmiare tempo e denaro, e vi danno un maggior controllo sui risultati del vostro lavoro. Sfortunatamente
esiste anche la possibilità di sprecare tempo e denaro con dei risultati non all'altezza delle aspettative. Il primo passo per
raggiungere dei vantaggi significativi è quello di capire i problemi che la scansione 3D fatta in proprio comporta e dedicare
del tempo a imparare a superarli. La produzione di una manufatto è un processo produttivo di cui la scansione 3D è solo
uno dei passaggi. Sapere cosa accade prima e dopo una scansione ci da delle precise indicazioni su come ottenere dei
risultati soddisfacenti. In questo capitolo prenderemo in esame la scansione 3D nell'ambito dell'intero processo di
produzione.
La scansione 3D nel suo contesto
A meno di non compiere test o esperimenti, ogni oggetto fisico di cui si fa una scansione 3D ha un suo obiettivo preciso.
Mi riferisco qui alla forma fisica 3D che l'oggetto acquisterà una volta riprodotto, sia esso attraverso una macchina a
controllo numerico, prototipazione rapida o produzione diretta utilizzando uno stampo. La destinazione del file digitalizzato
è importante perché la scansione deve essere fatta tenendo presente quale è il metodo di riproduzione che verrà impiegato
nel prodotto finale. Dato che non esiste una cosa come la “ Scansione Ideale Universale”, una scansione 3D può essere
giudicata
solo
per
come
si
presenta
dopo
la
fase
di
produzione
del
prodotto
finale.
Nella scansione il contesto è tutto. E' impossibile capire come realizzare delle buone scansioni senza sapere qualche cosa
dell'intero processo di produzione. Seguendo i passaggi del processo produttivo e comprendendo come ognuno di essi
viene portato a termine, è possibile comprendere anche come viene confezionato il prodotto finale.
Partire dalla fine
Il principio “Partire dalla fine” è il fondamento di ogni processo di produzione: la progettazione meccanica, l'industrial
design e la produzione di stampi non fanno eccezione. “Partire dalla fine” è un piano che vi dice dove state andando, e chi
di volta in volta vi aiuterà in ogni fase della produzione, Quando si fa una scansione o si elaborano i dati 3D, si prendono
delle decisioni importanti che determinano come risulterà il prodotto finale. Se non conoscete la destinazione d'uso della
parte che dovete digitalizzare non avrete sufficienti informazioni per fare le giuste scelte durante il processo di produzione.
Ogni dispositivo di output ha le sue proprie caratteristiche che lo distinguono per la diversa tipologia di materiale che può
produrre, il grado di accuratezza e risoluzione e così via. Senza prendere in considerazione questo tipo di informazioni, le
vostre scansioni non saranno buone come potrebbero essere, anzi, potrebbero non esserlo affatto.
Macchine CNC
Il controllo numerico (comunemente chiamato anche CN) è una peculiarità delle macchine utensili. Si definisce “ Macchina
a Controllo Numerico” quelle particolari tipologie di macchine utensili la cui movimentazione viene gestita da un'elettronica
integrata nella macchina stessa; l'elettronica è in grado di gestire gli spostamenti e le funzioni secondo un ben definito
programma di lavoro (percorso utensile). Le machine a controllo numerico si limitano a eseguire un programma realizzato
attraverso l'uso di un software specifico (CAM). Attraverso l'uso di più encoder (disposti su ciascun asse) le macchine
utensili a controllo numerico sono in grado di effettuare le lavorazioni utilizzando una serie di gradi di libertà. Una fresatrice
a 3 assi è in grado di muovere il suo utensile in tre direzioni (x, y e z); dispone quindi tre "assi" controllati, cioè tre direzioni
di moto gestite dall'elettronica, dagli encooder e dai motori posizionati su ciascun asse.
Tipologie di fresatrici


2 assi: lo spostamento avviene solo su X e Y. Le parti da fresare sono limitate a strategie di
lavorazione piane senza variazione di profondità sull'asse Z.
2.5 assi (due assi e mezzo): si tratta di macchine CNC in gradi di effettuare le lavorazioni su tutti e
tre gli assi con la differenza che l'asse Z viene movimentato senza interpolazione, cosa che avviene
negli assi X e Y
4 e 5 assi: oltre al movimento sui tre assi X,Y e Z si aggiunge l'inclinazione (ed eventualmente la rotazione) del mandrino
o di una tavola basculante generalmente staffata sul piano di lavoro della macchina. Queste macchine sono in grado di
realizzare una vastissima tipologia di forme e sagome purché non vi siano sottosquadri particolari e/o occlusioni difficili da
raggiungere.
Stereolitografia
La stereolitografia è una tecnica utile per produrre prototipi in grado di produrre uno o più oggetti 3D partendo da dati
scansione e matematiche CAD realizzate attraverso l'uso di software di modellazione tridimensionale. La questa tecnologia
viene largamente impiegata per realizzare prototipi di qualità che richiedono un alto grado di accuratezza e risoluzione. Il
principio è semplice: attraverso un ugello una minima parte di materiale termoplastico viene fuso e conseguentemente a
questo estruso a strati in modo da ricomporre pian piano l'oggetto progettato attraverso il software CAD/CAM. Si tratta di
una tecnologia molto precisa ma allo stesso tempo ancora piuttosto costosa.
FDM
A partire da un file standard STLl a tecnologia FDM sfrutta un sistema di deposizione successiva di strati di materiale
termoplastico per realizzare prototipi estetici e funzionali. Il cuore dell'intero sistema è basato su una testa di estrusione
che fonde il materiale a una temperatura di circa 250°; il materiale fuso viene depositato i sottili strati attraverso un ugello
calibrato. Questi sistemi sono in grado di offrire una risoluzione pari a circa 0,1 mm. I materiali maggiormente impiegati
sono l'ABS, la cera e il metacrilato.
Sinterizzazione al laser
Le stampanti 3D che sfruttano la sinterizzazione al laser fanno uso polveri di materiali termoplastici, sabbia, nylon e metalli
che vengono opportunamente trattate attraverso un meccanismo che compatta il materiale di base. Il processo di
sinterizzazione avviene in una camera nella quale è contenuta una sergente al laser che, attraverso l'emissione di una
radiazione consolida la polvere fino a farle raggiungere uno stato solido e consistente.
La stampa 3D rappresenta oggi la naturale evoluzione della stampa 2D e consente di avere una riproduzione reale di un
modello tridimensionale realizzato con un software di modellazione CAD oppure attraverso l'uso di tecniche di scansione
3D. Grazie a questa tecnologia si possono realizzare prototipi di componenti, preserie di stampi e componenti meccanici
funzionali. Rispetto a una fresatrice CNC le stampanti 3D semplificano la fase di realizzazione del prototipo in quanto non
prevedono l'utilizzo di un software deputato a definire il percorso utensile (CAM). Sono in grado di realizzare innumerevoli
forme, anche laddove siano presenti sottosquadri e zone nascoste. Con l'abbassarsi dei prezzi sono in commercio da
qualche tempo stampanti 3D adatte anche per un uso domestico e semi professionale.
Video
Un oggetto digitalizzato tramite la scansione 3D può anche non essere stampato, ma utilizzato, invece, direttamente su
un monitor per una presentazione digitale, un gioco o per la creazione di archivi digitali fruibili in rete. La scansione digitale
finalizzata al video e/o multimediale è, in genere, pià semplice di quella destinata per la produzione di modelli industriali.
In genere non è richiesta un'accuratezza dimensionale particolarmente spinta e la risoluzione può essere in genere non
particolarmente eccessiva. Al contrario però, potrebbe essere richiesta una digitalizzazione 3D a colori con abbinate le
texture ad alta risoluzione. Uno scanner 3D a colori permette di catturare le informazioni RGB e applicare automaticamente
al modello 3D le texture.
Il processo di produzione dalla A alla Z
Produrre uno stampo, attraverso le tecniche di reverse engineering, è una procedura complessa che consiste in varie fasi.
Ogni fase ha una conseguenza diretta su tutte le altre fasi e, naturalmente sul prodotto finale; quindi, tutte le fasi devono
essere accuratamente coordinate. La scansione 3D non fa eccezione. Per produrre delle scansioni di qualità, bisogna capire
come ogni fase del processo è integrata con le altre. Senza questa conoscenza, è quasi impossibile fare delle scansioni di
qualità. Il flusso di lavoro e gli strumenti usati variano in relazione al tipo di progetti, al tipo di output finale, e alla
consistenza del budget.
Prima di cominciare
Prima di cominciare il lavoro di scansione, è necessario rispondere alle seguenti domande:
Su quale tipo di dispositivo verrà prodotto il componente? Questa informazione ci da delle indicazioni importanti. La prima
riguarda la risoluzione a cui verrà fatta la scansione. Generalmente gli scanner 3D effettuano la scansione 3D al massimo
della loro risoluzione ma alcuni di essi forniscono la possibilità di scegliere la densità dei punti. Ad ogni buon conto i dati
scansione possono essere manipolati successivamente in modo da ottimizzare il modello 3D per renderlo meglio fruibile.
La seconda indicazione riguarda il campo di misura da scegliere. Questa informazione è piuttosto importante perché la
risoluzione è correlata al campo di misura scelto. Il campo di misura va scelto generalmente in funzione delle dimensioni
dell'oggetto; dovendo acquisire la portiera di un'automobile è preferibile utilizzare un'area di lavoro abbastanza grande
mentre, per i particolari più piccoli si potrà scegliere di utilizzare un campo di misura ridotto. Se il frutto della scansione
3D dovrà essere riprodotto su una stampante 3D bisognerà realizzare un file 3D adatto per la stampa 3D. Le tecniche per
produrre un file 3D adatto per la stampa 3D verranno illustrate nei capitoli successivi a questo.
Le fasi della scansione
La prima fase della scansione 3D (dopo aver acquisito tutte le informazioni disponibili sull'output finale) consiste
naturalmente nello scegliere la parte da digitalizzare. Gli scanner 3D sono in gradi di catturare solo ciò che vedono pertanto
bisognerà analizzare attentamente l'oggetto al fine di evidenziarne le criticità: zone coperte da ombre, occlusioni, fori e
altri
particolari
sono
tutti
aspetti
da
tenere
bene
a
mente.
Si controlla prima di tutto la superficie dell'oggetto e se questa presenta problematiche legate all'acquisizione; superficie
translucenti, trasparenti e con alto grado di specularità, come vedremo più avanti, producono artefatti e superfici degeneri
pertanto è inevitabile correggere queste “anomalie” superficiali adottando varie strategie. Se non vi sono i problemi elencati
l'oggetto deve essere ripulito dalla polvere e/o da eventuali residui di grasso. Una volta posizionato su una superficie stabile
lo scanner 3D deve essere posto a una distanza consona rispetto alle dimensioni dell'oggetto da digitalizzare.
La fase successiva consiste nell'effettuare una scansione di prova in modo da controllare la qualità generale dei dati
digitalizzati. Se tutto è in ordine e la qualità è buona si procede con la scansione vera a propria; si sceglierà il metodi di
allineamento delle scansioni (markers fotogrammetrici o allineamento automatico) e si procederà in modo da acquisire
completamente l'oggetto in tutte le sue parti.
Il software di scansione 3D, abbinato allo scanner, permette di effettuare una serie di operazioni, a cominciare dalla
chiusura dei fori e dalla lisciatura della superficie. Si tratta di comandi di facile utilizzo che permettono di correggere
automaticamente eventuali zone mancanti. Nel caso di superfici particolarmente ruvide e/o rovinate i filtri di sfocatura
permettono di migliorare la qualità generale della superficie in modo da minimizzarne il rumore.
Infine, i dati scansione vengono salvati nel formato desiderato ( STL, OBJ, DXF ecc.). Il formato viene scelto in base alle
richieste (eventuali) dell'applicazione CAD/CAM che intende utilizzare. Generalmente i programmi che si occupano di gestire
la scansione 3D si limitano a triangolare le nuvole di punti prodotte dal sistema di scansione 3D e non offrono strumenti
per ricostruire una matematica CAD (reverse engineering).
Integrare i dati scansione
Se la scansione 3D è stata preparata con cura portare poi l'immagine verso un'applicazione esterna dedicata è questione
di un attimo. E' sufficiente salvare il documento in uno dei file suggeriti precedentemente e il gioco è fatto! Ma ricordatevi,
questo è solo l'inizio. Ancora oggi molti utenti pensano che acquistando uno scanner 3D il lavoro termini con la
digitalizzazione del pezzo; erroneamente si crede che lo scanner 3D produca una matematica CAD (Iges o Step) e che i
dati scansione possono essere importati in un modellatore CAD senza lavoro aggiuntivo. Purtroppo non è così. Triangoli e
Nurbs sono due entità molto diverse tra loro e non vi è correlazione. Se l'obiettivo è quello di acquistare uno scanner 3D
per effettuare un reverse engineering (ovvero una matematizzazione della parte digitalizzata) è necessario dotarsi di un
software che agevoli questa fase, ma in ogni caso, sarà necessario investire tempo perché la ricostruzione matematica di
uno stampo potrebbe portare via diverse ore di lavoro, in alcuni casi anche diversi giorni. Più fortunati sono invece tutte
quelle realtà che operano nei settori a carattere prevalentemente artistico. In questo caso la scansione 3D aiuta queste
aziende ad produrre la copia fisica di un oggetto; è possibile riprodurre i dati scansioni direttamente su una macchina a
controllo numerico evitando di effettuare una conversione matematica. Come vedremo più avanti, per questo genere di
oggetti dalle forme sculturate e molto spesso articolate, è decisamente suggerito l'utilizzo dei dati scansione STL.
Tipi di scanner
Tutti i tipi di scanner che si trovano in vendita ricadono in queste categorie:


Scanner di misura 3D a contatto
Scanner di misura 3D non a contatto
Gli strumenti di misura a contatto includono due diverse tipologie di attrezzature: Macchine CMM e bracci di misura
meccanici articolati
Macchine di misura a coordinate CMM
Le Macchine di Misura a Coordinate (CMM, dall'inglese coordinate measuring machine) hanno rivoluzionato ed innovato la
metrologia; precisione elevata, e semplicità di utilizzo ne hanno fatto uno strumento ancora oggi imprescindibile utile per
ricavare misure su una vasta gamma di oggetti. Una macchina di misura CMM è un dispositivo meccanico per misure
dimensionali (X,Y,Z) che sfrutta una sonda attraverso la quale è possibile rilevare coordinate di posizione all'interno del
suo spazio di lavoro. Strutturalmente si tratta di un'attrezzatura di misura 3D molto simile a una macchina utensile a 3
assi; l'utensile posto sul mandrino viene sostituito da una sonda in grado di rilevare punti nello spazio. Vengono utilizzate
prevalentemente per il controllo dimensionale, l'ispezione ottica, la ricostruzione di superfici e per alcune applicazioni legate
al reverse engineering. In termini di accuratezza dimensionale forniscono prestazioni molto elevate e alcuni modelli sono
in grado di effettuare misure al di sotto di 0,01 mm. Lo svantaggio di questa soluzione si palesa in diverse situazioni:
portabilità, versatilità e velocità; quest'ultimo aspetto non le rende una soluzione efficace nell'acquisizione di nuvole di
punti dense. Per rispettare le specifiche legate all'accuratezza devono poter operare in un ambiente metrologico con
temperatura costante e controllata e richiedono controllo periodici sullo stato degli encooder posizionati sugli assi.
Bracci di misura 3D articolati
Il bracci di misura Baces3D (chiamati anche tastatori meccanici articolati) si propongono come una valida soluzione per
gestire i problemi legati al reverse engineering e l'ispezione di componenti. Interfacciati con software di misura adeguati
consentono di ridurre in maniera considerevole i tempi del processo di produzione e del controllo qualità.
Questi sistemi di misura sono stati progettati per acquisire misure tridimensionali, punti e superfici, all'interno del proprio
volume di lavoro, con un semplice movimento manuale dell'operatore. In sostanza, tutto ciò che è contenuto in una calotta
semisferica con il diametro ad esempio di 1.600 mm viene rilevato. Utilizzando prima il collegamento seriale e il protocollo
USB successivamente si sono evoluti recentemente in modo da poter effettuare la digitalizzazione sfruttando il
collegamento wireless. Grazie alla poro portabilità possono essere trasportati con estrema facilità consentendo di effettuare
le misurazione anche in luoghi poco agevoli. Le prestazioni legate all'accuratezza dimensionale sono interessanti ma
sicuramente inferiori alle macchine CMM o agli altri sistemi di misura 3D non a contatto. Generalmente un braccio di misura
di buona qualità garantisce (se integra un sistema di auto ricalibrazione interno con controllo della temperatura esterna )
una precisione dimensionale pari a 0,05 mm. Alcuni modelli, con aree di lavoro di medie dimensioni, ( 3.200 mm di
diametro) forniscono comunque precisioni nell'ordine del decimo di millimetro che possono essere sufficienti per una
svariata
serie
di
applicazioni.
Per molte attività rimane comunque uno strumento molto utile in virtù della possibilità di inserire un laser 3D non a contatto
sul proprio stilo.
Misura 3D non a contatto
Scanner 3D a luce bianca
Gli scanner 3D non a contatto che utilizzano la tecnologia di scansione 3D a luce bianca (nota anche come luce strutturata)
sfruttano delle telecamere ad alta risoluzione e un proiettore che cattura la forma digitale di un oggetto fisico in pochissimi
secondi. I vantaggi che questa tecnologia offre si possono riassumere nella tabella sottostante:





Tempi di scansione rapidissimi
Dati scansione ad alta risoluzione e dimensionalmente accurati
Livelli di dettaglio elevati
Aree di lavoro personalizzabili
Non invasività: possibilità di effettuare scansioni 3D su un volto anche a occhi aperti
L'elaborazione della scansione tridimensionale avviene attraverso un software di elaborazione in grado di gestire mesh STL
e
nuvole
di
punti.
Per processo di scansione 3D s'intende una serie di operazioni che, partendo da un oggetto fisico, permettono di ottenere
una
descrizione
tridimensionale
dell'oggetto
stesso.
Il principio di funzionamento consiste nel proiettare direttamente sulla parte da misurare una pattern che, a fronte della
deformazione subita dalla luce stessa sulla superficie bersaglio, viene ricostruito dal software di elaborazione.
Acquisizione della geometria
1.
2.
3.
4.
Lo scanner 3D dirige una serie di pattern di riferimento direttamente sulla superficie dell'oggetto da digitalizzare.
L'andamento in cui l'immagine proiettata andrà a deformarsi colpendo un oggetto permette al sensore ottico di
calcolare la profondità degli oggetti colpiti ed ottenere quindi le informazioni tridimensionali della superficie.
Il programma fornito con lo scanner 3D elabora i dati ed effettua una triangolazione in tempo reale mostrando
immediatamente il risultato della scansione 3D.
L'allineamento delle misurazioni è automatizzato grazie a una serie di funzionalità che aiutano l'operatore a gestire
velocemente queste operazioni.
Per alcune attività, ad esempio per la ricostruzione di una matematica CAD o per avviare operazioni di Ispezione
può essere vantaggioso, come vedremo nei capitoli successivi, utilizzare un programma di reverse engineering
dedicato.
L'alta risoluzione (che può raggiungere su alcuni sistemi oltre i megapixels), l'accuratezza dimensionale, la portabilità e la
facilità d'utilizzo consentono agli scanner a luce bianca di gestire il reverse engineering, la prototipazione rapida e tutte le
applicazioni relative al controllo dimensionale. L'utilizzo del sistema oramai diventato molto semplice e l'operatività è del
tutto simile a una normale fotocamera reflex SLR quindi semplice, intuitiva e alla portata di tutti quanti.
Accuratezza e risoluzione:
La risoluzione e l'accuratezza dimensionale sono due cose molto diverse; per fare un semplice esempio, uno scanner 3D
(a prescindere che sia un laser o un sistema a luce bianca) potrebbe essere molto risoluto e poco preciso oppure, al
contrario, rispettare un certo grado di accuratezza dimensionale a discapito della risoluzione.
La risoluzione di un sistema ottico 3D a luce strutturata si stabilisce in funzione delle telecamere che si desidera utilizzare
per effettuare le misurazioni. Nel caso di telecamere con risoluzione pari a 1280 x 1024 e un campo di misura di 300 mm
si possono effettuare diverse stime piuttosto precise sulla quantità di punti presenti in una singola acquisizione.
Moltiplicando 1280 x 1024 si ottiene il valore pari a 1.310.720 punti per singola acquisizione. Se si desidera invece stabilire
la distanza tra un punto e l'altro è sufficiente dividere il valore di 300 mm ( relativo al campo di misura che si sta utilizzando)
per 1280 (risoluzione su X). In questo caso la distanza tra ciascun punto prodotto sarà di 0,23 mm. La precisione
dimensionale è invece più complicata da rilevare in virtù del fatto che non esiste attualmente una normativa o meglio
ancora un protocollo da seguire che sia comune a tutti i paesi; a fronte di questo vien da se che qualsiasi produttore di
sistemi di misura può dire la sua.
Lenti e obiettivi
Durante la scansione di un oggetto in 3D è importante determinare se la configurazione hardware ( obiettivo) è adatta a
produrre i risultati migliori. Negli scanner 3D ottici a luce strutturata le lenti e il proiettore determinano la profondità di
campo (FOV). La profondità di campo, in inglese field of view, è la zona che uno strumento ottico (in questo case lo
scanner) è in grado di tenere a fuoco rispetto a una distanza specifica. Generalmente le lenti più comunemente utilizzate
sono: 9 mm, 12.5 mm, 16 mm e 25 mm. La profondità di campo dipende quindi dai seguenti fattori




Le lenti abbinate alla telecamera
Il tipo di lenti utilizzate dal proiettore
La distanza che intercorre tra lo scanner 3D e l'oggetto da misurare
Alla stessa distanza un obiettivo con una lunghezza focale piccola (mm) consente di "vedere" più
oggetti presenti nella scena mentre, un obiettivo con una lunghezza focale più grande, fornirà un
maggior dettaglio ma la visione globale della scena sarà inferiore rispetto a un obiettivo con piccola
lunghezza focale.



Obiettivo da 9 mm: è in grado di scansionare una mezza persona a circa 1,5 metri
Obiettivo da 12,5 millimetri: Scansiona volti umani a circa 75 cm
Obiettivo da 16 mm: è in grado di effettuare scansioni 3D accurate su oggetti di medie e piccole
dimensioni
Obiettivo da 25 mm: opera come l'obiettivo da 16 mm ma incrementa ulteriormente la qualità dei
dettagli

Va ricordato che gli obiettivi con una focale più piccola aumentano le inevitabili distorsioni presenti nelle lenti; minore è la
lunghezza focale e maggiore sarà la distorsione prodotta dalla lente. Un buon software di elaborazione delle scansioni è in
grado
comunque
di
compensare
e
minimizzare
queste
anomalie
prodotte
dalle
lenti.
Molti obiettivi offrono l'autofocus al fine di offrire una maggiore flessibilità; questo genere di obiettivi producono distorsioni
maggiori pertanto non sono da suggerire per gli scopi legati alla scansione 3D.
Scanner 3D al laser
Gli scanner 3D al laser sono strumenti di misura tridimensionale capaci di emettere un impulso elettromagnetico ( il laser
appunto) e di ricevere il segnale riflesso attraverso l'utilizzo di una telecamera. Esistono diverse tipologie di scanner 3D al
laser; i più comuni sono i sistemi a triangolazione 3D, sistemi di scansione a tempo di volo e gli scanner D a variazione di
fase. I primi garantiscono una misurazione 3D ad alta risoluzione e sono adatto per la digitalizzazione di oggetti di piccole
e medie dimensioni, a grandi linee da 20 mm fino a qualche metro. I sistemi a tempo di volo sono generalmente utilizzati
per la misurazione degli oggetti a grandi distanze ( da 10 m fino a qualche chilometro) mentre la tecnologia a variazione di
fase è adatta a misurare oggetti a una distanza massima di circa 200 metri. In una singola acquisizione viene generata
una nuvola punti più o meno densa; il risultato finale è in linea con quanto offerto dai sistemi a luce bianca e, allo stesso
modo, viene utilizzato un software in gradi di elaborare e triangolare le nuvole di punti, correggere eventuali zone con
superfici mancanti, filtraggio del rumore, lisciatura della superficie e così via. I campi di applicazione sono molteplici:









Archeologia
Architettura
Ingegneria
Topografia
Beni Culturali
Settore stampi
Navale
Attività Forensi
Biomedicale
Esistono poi anche delle testine al laser concepite per essere abbinate ai bracci di misura 3D a contatto. Concettualmente
non cambia nulla ma il vantaggio è chiaramente evidente; un unico strumento di misura in grado di effettuare una tastatura
puntuale attraverso una sonda con l'opportunità di digitalizzare parti fisiche producendo nuvole di punti dense e ricche di
dettaglio.
Scanner 3D al Laser Vs. Luce bianca
Negli ultimi anni, grazie alla diffusione dei sistemi di scansione 3D non a contatto gli utenti si sono trovati di fronte a due
specifiche problematiche: meglio utilizzare uno scanner laser oppure sfruttare la tecnologia a luce strutturata. Spesso, i
due sistemi vengono confusi l'uno con l'altro pertanto vogliamo anche fornire alcune indicazioni di base al fine di chiarire i
pro e i contro di ciascun sistema.
Laser Scanner 3D
I sistemi di misura basati sul laser sfruttano una lama di luce ( Laser) per digitalizzare le parti. Attualmente, gli scanner
laser più utilizzati sono di due tipologie distinte:


Scanner manuali
Scanner laser fissi
Gli scanner laser manuali sono generalmente da una struttura in plastica che ricorda una sorta di "pistola". Attraverso una
movimento manuale è possibile acquisire i dati "spazzolando" la parte su e giù oppure svolgendo un movimento da destra
verso sinistra. Gli scanner fissi montati su un cavalletto sono in linea di massima più precisi degli scanner laser manuali e
offrono una migliore accuratezza dimensionale. Entrambi i sistemi possono far uso di targets in modo da allineare
progressivamente le varie misure.
Scanner a luce bianca
Gli Scanner a luce strutturata, come già ampiamente spiegati, sono composti da una testa ottica montata di norma su un
treppiede di supporto. Alcune applicazioni particolari prevedono il montaggio della testa ottica su un robot antropomorfo
con diversi gradi di libertà. Questo dispositivo di misura 3D genera, attraverso l'utilizzo di un proiettore, un pattern che
viene proiettato direttamente sulla superficie da digitalizzare. Nell'arco di qualche secondo le dimensioni del pattern ( o
frangia) vengono ridotte in larghezza; attraverso questa operazione il software è in grado di stabilire ed estrarre le
coordinate 3D dei punti in modo da restituire velocemente una nuvola di punti.
Indicazioni utili per un confronto
Tecnologia
Gli scanner che utilizzano il laser campionano la parte da misurare utilizzando di solito una sola "lama di luce" 3D mentre
gli scanner a luce strutturata campionano l'oggetto proiettando progressivamente una serie di frange con larghezze diverse.
A causa della ripetibilità delle letture (o campionamenti) è dimostrato che uno scanner a luce strutturata offre una qualità
migliore rispetto a un laser.
Velocità:
rispetto agli scanner a luce strutturata gli scanner laser hanno avuto per diverso tempo un potenziale vantaggio in termini
di velocità in quanto era possibile ottenere con un unico movimento una lettura più veloce. Grazie però all'introduzione di
una nuova serie di telecamere, un'elettronica rinnovata e a processori sempre più potenti la luce strutturata è in grado di
offrire tempi di misura nell'ordine del secondo producendo nuvole di punti con oltre un milione di punti. Gli scanner a luce
strutturata diventano un ottimo strumento per acquisire volti umani e per effettuare attività di " body scanning"
recuperando, tra l'altro, anche le informazioni relative al colore.
Area di scansione
gli scanner laser effettuano generalmente la misurazione dividendo la lama di luce in una serie di punti disposti nello
spazio. L'acquisizione dei punti è bidimensionale e si ottiene per effetto dello "stiramento" della lama proiettata sulla parte
da digitalizzare. Gli scanner a luce strutturata sono invece in grado di acquisire i punti ordinati direttamente in 3D
producendo
quindi
nuvole
Condizioni di illuminazione:
di
punti
intrinsecamente
migliori
dei
sistemi
basati
sul
laser.
gli scanner laser hanno la capacità di alzare il guadagno (gain) per ottenere le informazioni anche in quegli ambienti le cui
condizioni di illuminazione sono precarie (illuminazione diffusa per esempio). I dati sono in genere rumorosi e spesso
imprecisi. Gli scanner a luce strutturata richiedono che le condizioni di illuminazione ambientale siano controllate in quanto
la lettura dei dati è determinata dalle prestazioni del proiettore. Scansioni in ambienti all'aperto e con luce diurna producono
di norma scarsi risultati e il laser è sicuramente la scelta migliore. Se le acquisizioni vengono invece effettuate in uffici e/o
locali chiuso in cui è possibile controllare le sorgenti luminose la qualità delle misurazioni ottenute con la luce strutturata
sono certamente migliori: migliore qualità superficiale e migliore accuratezza rispetto alla tecnologia al laser.
Sicurezza:
I Laser, grazie alla loro capacità di concentrare l'intensità della luce ed energia in uno spazio molto piccolo, presentano
diversi problema legati alla sicurezza in particolare in tutte quelle circostante in cui il raggio laser entra in contatto con
l'occhio. I sistemi di scansione al laser devono essere certificati secondo rigide normative e comunque rimanere al di sotto
della Classe 2D per essere destinati all'acquisizione di corpi umani, visi, piedi e così via. La luce strutturata è basata
semplicemente sulla luce bianca o blu pertanto pienamente compatibile per effettuare misurazioni anche direttamente sul
volto di una persona. In sintesi, ogni tecnologia ha i suoi pro e contro. Individuare il tipo di tecnologia più adatto per il
vostro scopo dipende in gran parte delle esigenze del progetto (es. oggetto da digitalizzare, ambiente, colore del materiale,
precisione, risoluzione).
Scanner a tempo di volo
Il laser a tempo di volo (time of flight) è uno strumento di misura 3D non a contatto che sfrutta una sorgente laser per
misurare le distanze e creare nuvole di punti dense. Il principio di funzionamento è il seguente: un sensore laser misura
in modo preciso il tempo che impiega la sorgente laser a precorrere (andate e ritorno) la distanza tra lo strumento di misra
stesso e la superficie da digitalizzare. Oltre a misurare la distanza questo strumento realizza modelli tridimensionali anche
di grandi dimensioni e, proprio per questo motivo, viene prevalentemente utilizzato nel settore edilizio e cartografico. La
precisione che si può ottenere varia in funzione della distanza dalla sorgente da misurare; a grandi linee siamo di fronte a
scanner 3D che offrono precisioni nell'ordine di qualche millimetro. Alcuni di questi strumenti permettono di scansionare
aree, anche di grandi dimensioni a 360° in orizzontale e con campi di apertura in verticale piuttosto ampi. I dati scansioni
generati sono nuvole di punti molto dense che devono essere tassellate con un certo criterio al fine di generare mesh
poligonali con il giusto grado di dettaglio. Per velocizzare la fase di allineamento delle scansioni ( ricordate che qualsiasi
strumento di misura ottica acquisisce quello che “vede") si utilizzano delle sfere di riferimento che vengono adagiate in
punti
strategici
in
modo
da
ricomporre
velocemente
l'area
digitalizzata.
Nelle scansioni laser, e in misura ancora più accentuata negli scanner laser a tempo di volo, l'estrema densità delle nuvole
di punti produce un estrema quantità di rumore di fondo nelle mesh triangolate; per ridurre, o comunque tentare di
minimizzare questi artefatti è possibile utilizzare filtri e/o algoritmi di smoothing (lisciatura) che, in modo più o meno
evidente, sono in grado di ridurre questi effetti.
Profilometro
Il profilometro è uno strumento di misura ad altissima risoluzione studiato per rilevare la rugosità di una superficie. La
risoluzione verticale è generalmente nell'ordine di qualche nanometro mentre la risoluzione laterale dei punti è meno
risoluta. Il profilometro può effettuare la misurazione a contatto diretto con la superficie oppure non a contatto attraverso
la proiezione di frange. La scansione 3D a contatto offre una maggiore accuratezza che ha una forbice tra i 15 e i 25
nanometri. La misurazione non a contatto è comunque di tutto rispetto offrendo una maggiore velocità di scansione
abbinata a una risoluzione laterale nell’ordine del micron.
Scansione tridimensionale attraverso fotocamera reflex SLR
Le fotocamere reflex digitali sono l'ideale per scattare immagini ad alta risoluzione e quindi si prestano molto bene anche
per acquisire le texture a colori.
Tuttavia, quando si tratta di effettuare la 3D in bianco 3D luce, sono lenti e maggiormente ingombranti rispetto alle
telecamere (machine vision camera) specifiche per la scansione 3D. Esistono in commercio software specifiche che
permettono di effettuare la scansione 3D utilizzano una macchina digitale reflex; se questo è il vostro obiettivo diamo in
questo paragrafo qualche suggerimento. Prima di tutto, per questo genere di applicazioni è necessario utilizzare le sole
Reflex digitali: purtroppo le compatte non si prestano per questo scopo dal momento che non offrono la possibilità di
effettuare la messa a fuoco manuale. Nel caso di una reflex digitale la messa a fuoco deve essere effettuata manualmente
pertanto si sconsiglia l'uso di obiettivi di tipo “autofocus”. Questa operazione è molto importante perché assicura che,
durante la scansione, il fuoco rimanga tale e non venga impostato automaticamente dalla fotocamera. I controlli automatici
devo essere disabilitati a favore di quelli manuali, ovvero, l'utente deve avere il pieno controllo dei parametri: bilanciamento
del bianco, filtri immagine, temporizzazioni e così via. La digitalizzazione attraverso una reflex digitale è quindi possibile
ma i risultati potrebbero essere non all'altezza delle aspettative. Ad ogni modo, il costo contenuto del software e
dell'hardware ne stimolano l'utilizzo a favore di una fascia d'utenza amatoriale e semi professionale.
Sensori cinetici
Fino a qualche tempo fa la scansione tridimensionale era appannaggio dei soli laser 3D e/o sistemi di misura a luce bianca.
Sebbene negli ultimi anni i costi di queste attrezzature sono diventati accessibili anche alle piccole medie aziende si tratta
comunque di investimenti importanti nell'ordine di qualche decina di migliaia di euro. Per applicazioni in cui è richiesta
accuratezza e precisione questa è ancora la strada giusta me per tantissime altre situazioni i nuovi sensori a bassa
risoluzione riescono a essere molto competitivi e restituiscono dati tridimensionali che, ai più, sono più che sufficienti.
Tutti coloro che sono interessati a investire in sistemi a basso costo le ultime notizie nel campo della digitalizzazione 3D
sono decisamente interessanti. Attraverso adeguati software di editing si riesce a pilotare sensori come Microsof Kinect
per effettuare scansioni 3D di oggetti medio grandi catturando le textures a colori alla risoluzione di 1024 * 768 pixels. La
risoluzione dei dati scansione è limitata al momento a 640 x 480 pixels ma le prospettive per il prossimo futuro sono
incoraggianti.
L'operatività è molto semplice: il collegamento avviene attraverso il protocollo USB e le scansioni si possono effettuare
utilizzando il sensore manualmente oppure deciderlo di sfruttarlo nella modalità statica, appoggiato su una superficie
stabile (cavalletto e/o tavolo). I dati, come di consueto possono essere elaborati in modo da comporre un file STL chiuso,
pronto da esportare in applicativi esterni CAD/CAM. Questi nuovi strumenti di misura sono compatti e non richiedono
nessun tipo di calibrazione. Come vedremo nei capitoli successivi la calibrazione è un'attività piuttosto importante,
imprescindibile per far si che il proprio strumento di misura garantisca e rispetti sempre la massima accuratezza
dimensionale. Il costo abbordabile ne fanno uno strumenti di misura non a contatto utile per tantissime lavorazioni;
l'hobbista evoluto, il semplice amatore e il professionista possono beneficiare tutti delle prestazioni di questi sistemi;
tralasciando le applicazioni industriali legate alla meccanica e il collaudo dimensionale, nelle quali è richiesta risoluzione e
accuratezza, vi sono tantissimi settori che traggono beneficio da questi sensori 3D.
Microsoft Kinect
Microsoft Kinect è un accessorio multimediale originariamente pensato per essere utilizzato per il sola piattaforma di gioco
Xbox 360; sensibile al movimento fornisce una nuova sensazione di gioco incrementandone le prestazioni e la veridicità. Il
sensore ha una risoluzione ottica pari a 640 x 480 pixels e si collega utilizzando il normale cavo USB.
Valutare le proprie esigenze
Quando ci si avvicina al mondo degli scanner 3D si vorrebbe poter far tutto. Effettuare tutti i tipi di scansione possibili,
dalla moneta fino alla scansione di un intero scafo navale, tutto questo con un solo ed unico strumento di scansione 3D.
In effetti esistono scanner 3D più versatili di altri ma è bene fare una precisazione; lo scanner che “fa tutto” non esiste,
almeno nei tempi in cui viviamo oggi. E' necessario quindi valutare con obiettività le proprie esigenze lavorative e, sulla
base di queste, informarsi, documentarsi in modo da investire in uno strumento che ricopra le casistiche principali inerenti
al settore in cui operate. A grandi linee, ecco che cosa bisogna chiedersi:



Quale è la dimensione media degli oggetti che si intende digitalizzare?
Qual'è la qualità richiesta dal lavoro in cui verranno integrate le scansioni?
Quanto è importante la velocità nel processo di produzione?
I tipi di oggetto da digitalizzare
Gli oggetti da digitalizzare possono dividersi in cinque categorie:

Superfici riflettenti ad alto grado di specularità




Superfici opache che diffondono la luce
Superfici trasparenti e/o translucenti
Superfici nere che assorbono la luce
Consistenza della superficie: solidale o deformabile
Superfici riflettenti
Questo genere di superfici sono generalmente difficili da acquisire perché producono una serie di artefatti che conducono
alla generazione di nuvole di punti particolarmente rumorose. Per migliorare questo stato esistono in commercio dei
prodotti in grado di opacizzare momentaneamente la superficie da digitalizzare. Un prodotto che può funzionare a questo
scopo è il tradizionale rivelatore di saldatura; si tratta di una bomboletta spray che permette di ricoprire la superficie con
un sottile strato di polvere bianca. Sistema non invasivo e non permanente è di facile rimozione. Può risultare scomodo
nel momento in cui diventa necessario riposizionare a mano l'oggetto; le dita della mano rimuovono lo strato di polvere
pertanto bisogna tentare di muovere l'oggetto minimizzando gli spostamenti. Se l'oggetto da digitalizzare è “sacrificabile”
esiste una seconda procedura, più economica e che offre risultati migliori. Si tratta di utilizzare delle normali bombolette
di vernice bianca opaca e con queste ricoprire interamente la superficie. Adottando questi semplici sistemi tutte le superfici
con alto grado di specularità potranno essere acquisite con estrema facilità.
Superfici opache
Si tratta di superfici con alto grado di diffusione della luce pertanto non richiedono particolari attenzioni; eventuali
problematiche potrebbero sorgere nel caso di superfici opache particolarmente scure. Qui dipende molto dal sistema di
scansione che si andrà ad utilizzare. Generalmente la tecnologia al laser, a lama di luce, lavora meglio su questo genere
di superfici rispetto alla luce strutturata ma, da qualche tempo, con l'introduzione della scansione basata sulla
sovraesposizione HDRI permettono alla luce strutturata di digitalizzare superfici nero senza particolari problemi. Ad ogni
modo, se il soggetto lo permette, è sempre possibile opacizzare eliminando il problema alla radice.
Superfici trasparenti
I materiali translucidi e/o trasparenti non possono essere digitalizzati senza un'opacizzazione preventiva pertanto questo
è l'unico sistema valido per effettuare misurazioni che producano nuvole di punti e mesh poligonali di qualità. La
translucenza è meno problematica della pura trasparenza me anch'essa va trattata con opacizzanti. Si tratta di un principio
fisico noto anche come Sub Surface Scattering; la luce penetra all'interno della superficie producendo rifrazioni e diffusioni
che producono rumore di fondo di difficile rimozione.
Superfici Nere
Il bianco e il nero rappresentano due “colori particolari”, definiti anche come “non colori”. In termini di sintesi additiva del
colore il nero è assenza di luce, quindi assenza di colore, mentre il bianco è la somma di tutti i colori della luce; viceversa
per la sintesi sottrattiva il nero è il risultato della sommatoria di tutti i colori, mentre il bianco è assenza di colore. Le
superfici che assorbono completamente luce, invece di rifletterla, restituiscono il nero. Quindi il bianco e il nero variano le
loro caratteristiche compositive a seconda del modello concettuale di partenza, se additivo o sottrattivo.
Un oggetto che riflette tutte le frequenze luminose appare bianco ( il bianco è la somma di tutti i colori); l’oggetto capace
di assorbire tutte le onde, senza restituirle ai nostri occhi, è nero (nero, spiegato, è l'assenza di colori); una superficie che
assorbe tutte le radiazioni del visibile tranne una, ha il colore corrispondente a quell’unica onda (ad esempio: un oggetto
che non assorbe il verde, viene visto dai nostri occhi verde). La digitalizzazione di superfici scure è problematica in quanto
il nero stesso assorbe la luce. Nel caso poi dei sistemi a luce strutturata il nero aumenta la criticità in quanto riduce il
contrasto a seguito della proiezione del pattern sulla superficie da digitalizzare. Fino a qualche tempo fa l'opacizzazione
era la sola possibile alternativa ma, negli ultimi tempi, sono in commercio scanner 3D a luce bianca in grado di effettuare
la scansione anche di superfici scure, a patto che queste abbiano un alto gradi di specularità.
Superfici deformabili
Una delle peggiori situazioni che possono capitare quando si deve digitalizzare un'oggetto è imbattersi in un oggetto
deformabile. Immaginate di dover eseguire la scansione completa di una borsa da donna. Come è stato già ampiamente
spiegato qualsiasi strumento di misuro ottico misura solo ciò che è in grado di “vedere”; per effettuare la scansione
completa è necessario rototraslare la parte da digitalizzare in modo da acquisirne tutte le parti. Ora, questa operazione è
decisamente semplice per un oggetto come una parte meccanica ma, nel caso di una borsa le cosa diventa molto
complicata. Nel momento in cui si sposta manualmente il soggetto da acquisire se ne deforma anche la superficie pertanto
accade una cosa molto semplice: tra la scansione N° 1 e la successiva non vi sono più le stesse corrispondenze. Ciò
significa che, a seguito dell'allineamento in molte zone le scansioni potrebbe compenetrarsi causando una tassellazione
degenere o comunque molto differente dalle aspettative iniziali. Purtroppo non esiste una soluzione valida per tutti gli
oggetti quindi dovrete, di volta in volta, trovare voi stessi un modo per minimizzare la deformazione della superficie della
borsa o di qualsiasi altro oggetto che presenta questo genere di caratteristiche morfologiche.
Requisiti di qualità
C'è un detto famoso nel campo dell'alta fedeltà che dice che non bisognerebbe mai acquistare un amplificatore migliore
dei propri altoparlanti. Non importa quanto buono sia l'amplificatore, comunque, la musica non sarà mai migliore di quanto
gli altoparlanti siano in grado di riprodurla. Lo stesso principio si applica alla riproduzione dei dati 3D digitalizzati. Inoltre,
l'acquisto di uno scanner di livello superiore a quello che vi serve si traduce concretamente in uno spreco di denaro perché
potrebbe non esserci una differenza apprezzabile rispetto al modello inferiore. Quando si valuta la qualità di uno scanner
3D, ancora una volta, “si parte dalla fine” dato che è l'output finale a determinare il risultato. Prendete in considerazione
il prodotto finale che realizzate solitamente. Per esempio, uno scanner 3D di qualità migliore non valorizzerà i vostri oggetti
se questi saranno stampati utilizzando una stampante 3D FDM che offre uno “ slicing” pari a 0,1 mm. Avere uno scanner
3D con una risoluzione da 5 megapixels servirà a ben poco; comunque sia fatta la scansione 3D la qualità finale sarà
determinata dalle prestazione della stampante 3D.
Valutare la qualità di uno scanner 3D non a contatto
E' possibile valutare la qualità di uno scanner 3D prendendo in considerazione le seguenti caratteristiche:


Fedeltà nella riproduzione dei dettagli
Accuratezza dimensionale offerta
Riproduzione dei dettagli
La qualità dei dettagli che lo scanner 3D è in grado di catturare è determinato dalla prestazioni dei suoi componenti
principali; laser 3D, telecamere e proiettore (nel caso dei sistemi a luce bianca). Tutti questi fattori variano da uno scanner
all'altro. Alcuni sistemi hanno una buona fedeltà nella riproduzione dei dettagli ma sono carenti per quanto riguarda
l'accuratezza dimensionale; naturalmente questa problematica può essere invertita: uno scanner 3D potrebbe essere molto
accurato e nello stesso tempo fornire una scarsa risoluzione. L'ideale è investire in un sistema di misura 3D in grado di
offrire prestazioni legate alla risoluzione e avere una buona gestione nella propagazione dell'errore dimensionale. Nel caso
nei sistemi basati sul laser la qualità della scansione è determinata dalla quantità di punti che il laser è in grado di acquisire
in un secondo; maggiore è la quantità e maggiore sarà la densità della nuvola di punti. Negli scanner 3D a luce strutturata
(o luce bianca) la quantità dei punti è determinata dalle telecamere. Un buon scanner 3D offro una risoluzione base pari
a 1,3 megapixels. Utilizzare telecamere da due o pià megapixels significa produrre nuvole di punti più dense a beneficio
dei dettagli più fini. Per capire meglio questo concetto descriviamo una possibile attività da svolgere. Si vuole acquisire un
componente meccanico di circa 200 mm di lunghezza utilizzando uno scanner a luce strutturata che offre un campo di
misura (area di lavoro) di 300 mm. Utilizzando un campo pari a 300 mm la distanza corretta di lavoro è circa 650 mm.
Infine, lo scanner in questione offre una coppia di telecamere stereo da 1,3 megapixels. Per individuare la risoluzione
laterale dei punti (per singola scansione) è sufficiente dividere l'area di lavoro (300 mm) per la risoluzione che le telecamere
offrono: 300 mm / 1,300 megapixels = 0,2 mm. La nuvola di punti sulla singola scansione produrrà una griglia di punti
ordinata la cui distanza è pari a 2 decimi di millimetro. Variando il campo di misura, e mantenendo le stesse telecamere,
si nota che questo valore degrada. Presupponendo di utilizzare un campo da 600 mm ecco il nuovo valore relativo la
risoluzione: 600 mm / 1,300 = 0,46 mm. Come potete osservare la risoluzione peggiora pertanto, con questo nuovo campo
di misura alcuni dettagli potrebbero compromettersi. Le possibili soluzioni per evitare la degradazione dei dettagli sono
due:
1.
2.
Si effettua la scansione 3D diminuendo l'area di lavoro
Si effettua la scansione 3D aumentando la risoluzione delle telecamere
Nel caso del punti 1 la coppia di telecamere da 1,3 megapixels potrebbe essere sufficiente per ricavare il giusto dettaglio
ma, vien da se, che a campo di acquisizione minore corrisponde una maggior quantità di scansioni 3D. Aumentare la
quantità di scansioni potrebbe avere senso ma bisogna tenere conto di un fatto molto importante. Con l'aumentare delle
scansioni aumenta l'abilità di contenere, o meglio gestire, la propagazione dell'errore dimensionale.
Il punto N° 2 è il miglior compromesso in quanto, utilizzando telecamere maggiormente risolute si potrà mantenere un
ampio campo di misura evitando di far degradare la qualità della risoluzione.
Se si sta ad ascoltare i rivenditori di scanner 3D, si ricava l'impressione che il modo migliore per valutare la qualità di un
sistema di misura sia quello di prendere in considerazione la massima risoluzione che il dispositivo consente. In realtà
questo è solo parzialmente vero. Una fotocamera reflex da 20 megapixels non significa che sia migliore rispetto a una
fotocamera da 8 megapixels. La risoluzione indica semplicemente il numero di pixels che una telecamera è in grado di
catturare. La sola risoluzione non garantisce però che le scansioni prodotte siano di buona fattura. Anche se in teoria, una
maggiore risoluzione dovrebbe consentire allo scanner di catturare un numero più elevato di dettagli questa servirà a poco
se gli altri componenti saranno di qualità scadente, a cominciare dalla qualità del CCD/CMOS, degli obiettivi, dall'elettronica
e così via.
Accuratezza dimensionale
La metrologia è la disciplina che studia, attraverso la statistica, le variazioni di un valore misurato rispetto alla grandezza
del pezzo reale. Ogni qualvolta si effettua una misurazione ciò che viene misurato non rispetta esattamente il valore
sorgente ma ne rappresenta sempre un'approssimazione. La variazione di una misura si perfeziona attraverso una parte
cosiddetta sistematica e di una seconda parte legata alla casualità. La prima fa riferimento alle condizioni di lavoro dello
strumento di misura che, diversamente da quanto ci si aspetti, può lavorare o meno secondo le specifiche dichiarate dal
costruttore. In aggiunta a questo possono intervenire durante la misurazione una serie di possibili variazioni che possono
falsare la misura stessa. Pensate alle deformazioni che può subire un materiale al variare della temperatura; durante il
processo di misurazione le condizioni ambientali mutano nel tempo e gli organi meccanici che compongono lo strumento
di misura subiscono delle micro deformazioni che, naturalmente, fanno cambiare il risultato della misurazione. La parte
dell'errore dovuto dalle problematiche sistematiche si chiama accuratezza mentre si definisce incertezza tutti quegli errori
che nella fase di misurazione non sono correggibili, ad esempio, attraverso un processo di calibrazione del sistema. Quando
si effettua una misurazione 3D bisogna tenere in mente questi fattori. Come vedremo nei capitoli successivi la calibrazione
è una procedura che, in parte, pone rimedio a questi problemi legati alla precisione del sistema 3D.
Valutare uno scanner 3D in modo autonomo
Il modo migliore per valutare la qualità di uno scanner è quello di usarlo; dato che ciò comporta la possibilità di averne
uno in prova, e molto speso questo non è possibile, la soluzione migliore è quella di farsi digitalizzare il proprio pezzo e
quindi produrre un file STL utile per un'attenta valutazione del sistema. Le sole informazioni fornite dal produttore e/o
venditore sono di poco aiuto, se non giusto per farsi un'idea generale delle caratteristiche tecniche principali: risoluzione,
velocità, accuratezza e così via Datò che sarà difficile provare tutti i diversi scanner 3D in commercio non rimane che
documentarsi attraverso le riviste specializzate e/o utilizzando la rete quale mezzo di informazione.
Velocità e produttività
Una volta si diceva che tutti gli scanner 3D erano lenti; non meno di 5 anni fa uno scanner 3D “lento” riusciva a digitalizzare
un'area pari a 300 mm x 300 mm in circa 6 secondi. Oggi, attraverso i nuovi protocolli come FireWire 800 e USB 3.0 una
scansione media di ottima qualità può essere eseguita in meno di 2 secondi. Alcuni scanner a luce bianca sono in grado di
produrre una singola nuvola di punti in meno di 1 secondo, senza pregiudicare la qualità generale della scansione. La
velocità di uno scanner 3D può essere di estrema importanza o solo marginale, relativamente al lavoro che si intende
svolgere. La velocità di scansione può essere di vitale importanza per alcuni oggetti mentre per altri del tutto indifferente.
Ad esempio, per un componente meccanico, perfezionare una misura in 4 secondi potrebbe essere sufficiente ma lo stesso
tempo potrebbe essere insufficiente per digitalizzare il corpo umano o il volto di una persona. Oggetti che tendono a
muoversi e/o non rimanere stabili richiedono un'alta velocità di scansione mentre componenti “solidali” e rigidi permettono
di effettuare le scansioni in tutta “tranquillità” beneficiando della massima precisione.
Software di gestione delle scansioni
Quando si prende in considerazione la velocità di uno scanner per stabilire se è possibile aumentare la produttività, è
meglio chiedersi anche con quale qualità lo scanner 3D cattura i dettagli. Anche se può sembrare un'osservazione che
riguarda i temi relativi alla qualità dello scanner, bisogna rendersi conto che si è in grado di fare una scansione in dieci
minuti ma poi sono necessari altri 10, o forse più per “ritoccare” e correggere ciascuna scansione. Ottenere una buona
scansione che non richiede ritocchi è piuttosto difficile perché uno o più fori dovuti a una zona d'ombra sono abbastanza
normali. L'operazione di post-produzione, dipende solo parzialmente dalla buona qualità dello scanner; un buon software
di gestione delle scansioni aiuta a ottimizzare i tempi e permette di effettuare i ritocchi nelle arre in cui lo scanner 3D non
è in grado di operare. Pertanto, nella valutazione di uno scanner 3D, non trascurate la completezza e/o facilità d'uso del
software di gestione delle scansioni. Uno scanner 3D senza il suo software occupa solo dello spazio e servirà a poco. Tutti
gli scanner, a prescindere dal loro costo, sono sempre accompagnati da un software che permette di gestire i dati
scansione. Le caratteristiche principale che deve offrire un buon software dedicato alle scansione si possono così
riassumere:
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Interfaccia semplice, immediata e fruibile
Gestione interna della calibrazione
Gestione degli allineamenti (marker, best fit o pre-allineamento tramite 3-2-1)
Correzione della mesh: lisciatura e chiusura dei fori
Esportazione dei dati nei formati standard: OBJ e STL
Qualche tipo di controllo per gestire la risoluzione
Controlli di luminosità e contrasto
Il software si presenta, generalmente nelle seguenti forme:
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
Applicazione singola stand-alone
Integrato
all'interno
di
un'applicativo
(Rapidform, Geomagic o Rhinoceros).
dedicato
al
reverse
engineering
Non sottovalutate l'importanza del software di scansione. E' estremamente importante per il controllo della qualità dei dati
3D, e per la quantità di tempo richiesto per effettuare le scansioni. Il software è anche l'interfaccia tra voi e il vostro
scanner 3D, dovrebbe quindi essere, come indicato, intuitivo e facile da usare.
Software bundle e di terze parti
Spesso i produttori di scanner 3D offrono nella confezione dei loro prodotti anche il software di gestione delle scansioni. I
software più comuni legati all'attività di reverse engineering e controllo dimensionale sono Rapidform, Geomagic e
Rhinoceros. Questi software, se acquistati separatamente, sono piuttosto costosi, quindi può essere interessante che siano
già compresi nel prezzo dello scanner 3D. Ricordate una cosa molto importate. Questi software venduti in bundle sono
sviluppati per essere accompagnati solo ed esclusivamente con uno scanner 3D specifico; questo significa (salvo casi molto
particolari) che sono in gradi di importare esclusivamente i dati generati con lo scanner a cui sono abbinati. Molto
probabilmente non saranno in grado di importare file STL, DXF e OBJ; al contrario però potranno esportare il lavoro in
questi formati quindi non si può parlare di software completamente “ chiuso”. Se volete dunque la massima flessibilità
dovrete mettere in preventivo l'acquisto separato di uno di questi software.
Conclusione
Quale è lo scanner migliore? Non esiste uno scanner con un prezzo ragionevole che vada bene per tutte le situazioni. E'
possibile trovare uno scanner D che si adatti meglio degli altri alle proprie esigenze prendendo in esame gli oggetti principali
che desiderate digitalizzare. Fate attenzione a non acquistare uno scanner sulla base di quello che ritenete possano essere
le vostre esigenze future, correte il rischio di acquistare uno scanner più sofisticato e più costoso di quello che vi può
servire oggi, o peggio, non adeguate alle vostre attuali esigenze.
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