L’ingegneria inversa è uno strumento potente per la creazione di design digitali da parti fisiche ed è molto utile per la prototipazione in combinazione con tecnologie quali la scansione e la stampa 3D.
Gli scanner 3D sono in grado di misurare oggetti complessi molto rapidamente e possono accelerare in maniera significativa i workflow di design che contengono riferimenti a oggetti reali. Grazie alla loro capacità di rilevare e modificare forme fisiche, è possibile progettare parti stampate in 3D che si adattano perfettamente a prodotti esistenti di tutti i tipi. Le dime stampate in 3D, ad esempio, facilitano la ripetizione del posizionamento corretto di un trapano o una sega, o l’assemblaggio preciso di parti con adesivo. Permettono, inoltre, la creazione di maschere riutilizzabili per la sabbiatura, la verniciatura o l’incisione.
In questa guida, illustreremo passo a passo il processo di ingegneria inversa di un calibro digitale per il mercato post-vendita, spiegheremo come scansionare una parte per la stampa 3D, e daremo alcuni consigli su come utilizzare i giusti strumenti di ingegneria inversa, dai software CAD alle stampanti 3D a resina.
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Dal fisico al digitale: mesh e solidi
Una delle sfide che ci si trova ad affrontare quando si convertono oggetti fisici in digitali è la notevole incompatibilità tra due diversi tipi di modelli 3D: mesh e solidi.
Gli scanner 3D producono mesh, non modelli costruttivi “solidi”, che devono essere sottoposti a ingegneria inversa per poter essere modificati.
I mesh sono il formato di output principale di tutti gli scanner 3D, normalmente compatibile con tutte le stampanti 3D (STL). Un mesh rappresenta la superficie di una forma con un grande numero di triangoli connessi tra loro da un lato all'altro. Oltre alla posizione dei triangoli che definiscono una forma, i modelli mesh non contengono nessun'altra informazione riguardo agli oggetti.
Gli ingegneri, invece, sono formati per lavorare con i modelli solidi, che contengono informazioni sulla progettazione dei modelli codificate esplicitamente come dettagli in una serie passi logici. Nei CAD solidi, modificando le dimensioni di un singolo dettaglio, il resto del modello verrà aggiornato per adattarsi a questa modifica.
Poiché i mesh non contengono informazioni riguardo alla costruzione dell’oggetto, le possibilità di modificare un modello mesh sono limitate: software CAD come Solidworks e Onshape, ad esempio, non sono in grado di modificare i mesh direttamente. Se si vogliono apportare modifiche significative al design alla base di una parte scansionata, il mesh deve essere convertito in un disegno CAD solido: questo processo prende il nome di ingegneria inversa.
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Come scansionare un oggetto per la stampa 3D: il workflow dell’ingegneria inversa
L’ingegneria inversa è importante quando si vogliono creare nuove parti che contengono o fanno riferimento a design preesistenti per cui non si ha a disposizione il design CAD originale.
Ad esempio, si possono creare parti di ricambio che corrispondono al design originale di pezzi danneggiati, o usare processi di ingegneria inversa per integrare superfici complesse da oggetti esistenti in dime stampate in 3D, che sono utili quando si modificano oggetti prodotti in massa o a mano.
L'ingegneria inversa è spesso usata come base per l'assemblaggio di nuovi design con componenti esistenti. Potrebbe essere difficile individuare tutte le problematiche potenziali dell'assemblaggio lavorando solo in CAD e senza effettuare la modellazione di tutti gli oggetti coinvolti. Infatti, se svolta direttamente in CAD, l'applicazione dell'ingegneria inversa alle parti può comportare un costoso processo di sperimentazione. La stampa 3D consente di testare ed eseguire iterazioni dei design ottenuti con l'ingegneria inversa in modo rapido e in uno spazio fisico, dove eventuali problemi sono più facili da individuare.
Oltre ai cambiamenti su larga scala è importante tenere conto dei problemi che potrebbero emergere da eventuali errori di misurazione. Se l'oggetto finale presenta sottosquadri, estrusioni sottili (in rilievo su una superficie) o cavità profonde che sono difficili da scansionare, per completare le regioni mancanti in CAD potrebbe essere necessario ricorrere a una stima. L'assemblaggio fisico di un prototipo stampato può essere un modo molto rapido per individuare e risolvere eventuali conflitti di spazio nel progetto, che potrebbero essere causati da errori di misurazione in fase di scansione o da modifiche successive.
Per illustrare i passaggi fondamentali di un flusso di lavoro di ingegneria inversa useremo il processo di creazione di una dima di assemblaggio di un calibro digitale per il mercato post-vendita utilizzato sulla bocchetta di aerazione di una Golf Volkswagen.
1. Preparazione dell’oggetto per la scansione
Verniciatura spray sull'oggetto con una polvere opaca temporanea per migliorare la precisione della scansione. Le superfici anche solo minimamente brillanti tendono a far deteriorare la qualità della scansione, mentre le superfici riflettenti e trasparenti non possono proprio essere scansionate senza uno strato di copertura opaca.
2. Scansione 3D dell’oggetto
Usa uno scanner 3D ad alta precisione per acquisire le sezioni importanti della parte. Gli scanner da tavolo a luce strutturata o laser, con una precisione di ±100 e oltre, sono gli strumenti più adatti per questo tipo di lavoro.
Nota: potrebbe essere necessario modificare l'orientamento e ripetere la scansione dell'oggetto più volte se questo presenta scanalature profonde.
3. Rifinitura del mesh
Alcuni scanner producono file di mesh molto grandi, che appesantiscono il resto del processo. I software degli scanner riparano le piccole differenze e semplificano le scansioni rendendo i dati più facilmente gestibili nel CAD. Prova a ridurre il modello il più possibile senza eliminare dettagli importanti.
Consiglio: se hai bisogno di maggiore controllo, Meshmixer è un’ottima scelta per rifinire i mesh scansionati.
4. Importazione del mesh in CAD
Importa il mesh nel software CAD dotato di strumenti per l’ingegneria inversa. Geomagicper Solidworks è molto utile per ricostruire forme organiche complesse. Se si sta eseguendo un processo di ingegneria inversa su una parte con superfici più semplici e piatte, Xtract3D è un’alternativa più economica e leggera. In questa fase, muovi e ruota il mesh scansionato per allinearlo con le componenti del design esistenti.
Consiglio: ruota e allinea la scansione in direzione della visualizzazione ortografica per rendere la fase di disegno più agile.
5. Estrazione delle superfici importanti
Esistono tre possibili modi per estrarre la forma dalla scansione per creare un modello solido modificabile con strumenti CAD: modellazione semiautomatica delle superfici, modellazione automatica delle superfici e ridisegno manuale.
Modellazione semiautomatica delle superfici
Le superfici curve complesse sono difficili da disegnare a mano, e in questi casi la modellazione semiautomatica è una buona scelta. Questa funzione genera superfici che si adattano alle regioni rilevate nella scansione. Variando la sensibilità della funzione di rilevamento delle superfici verranno identificate diverse superfici.
Consiglio: Geomagic per Solidworks rileva nella scansione superfici che si adattano alle curve 3D. Usa un “pennello” per aggiungere o eliminare manualmente aree dalla scansione di ogni zona.
Potrebbe essere necessario ripetere questo processo più volte con diverse impostazioni di sensibilità per rilevare tutte le superfici. Le rilevazioni possono essere ritagliate e unite per creare un solido modificabile.
Se desideri ottenere il massimo grado di modificabilità nelle fasi seguenti del processo, e se la precisione delle linee è importante per il progetto, usa la modellazione semiautomatica delle superfici per ricreare le forme curve.
Il risultato della modellazione di superficie dopo i tagli.
Modellazione automatica delle superfici
Con la modellazione automatica delle superfici è possibile creare modelli solidi da qualunque scansione di qualità. Con questo metodo è possibile usare strumenti CAD per sottrarre e aggiungere elementi, ma sarà più difficile spostare le parti di base sul corpo stesso.
Se non si ha necessità di controllare il posizionamento dei bordi, ad esempio quando si eseguono scansioni di parti del corpo umano per creare prodotti ergonomici su misura, o si crea una dima per modificare un oggetto fatto a mano in maniera precisa o ripetutamente, la modellazione automatica delle superfici è un ottimo strumento per risparmiare tempo nella fase di modellazione.
Nota: mettendo a confronto i risultati della modellazione automatica con quelli della modellazione semiautomatica si può notare un minor grado di precisione, soprattutto nei bordi più definiti.
Ridisegno manuale
Per elementi semplici come estrusioni, fori e scomparti, normalmente la soluzione più semplice e precisa è ridisegnarli usando il modello scansionato come riferimento. I software di ingegneria inversa permettono di creare piani schematizzati allineati con le superfici piatte sulla scansione ed estrarre sezioni trasversali dal mesh di scansione, che è utile per trovare la corrispondenza con la forma dell'oggetto originale.
6. Integrazione di nuovi oggetti
Una volta convertita la scansione in solido, può essere sottratta da un altro corpo solido per creare una dima che possa sorreggere la parte originale in maniera sicura.
Il design della nuova componente del calibro usa come riferimento anche le dimensioni della scansione, utilizzando le curve estratte con la modellazione semiautomatica.
7. Stampa 3D del nuovo design
La versione finale della dima di assemblaggio stampata in 3D con la Rigid 4000 Resin.
La stampa della dima con la stampante 3D stereolitografica (SLA) di Formlabs garantisce un alto grado di precisione comparabile all'output degli scanner 3D per ingegneria. Formlabs offre un'ampia gamma di resine ingegneristiche per la stampa 3D per diverse applicazioni.
Una volta completate queste fasi, la dima stampata in 3D è pronta all'uso per l'assemblaggio di questo nuovo calibro sulla bocchetta di areazione OEM.
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Applicazioni che combinano l'ingegneria inversa e la stampa 3D
L'ingegneria inversa è spesso usata come base per l'assemblaggio di nuovi design con componenti esistenti. Potrebbe essere difficile individuare tutte le potenziali problematiche dell'assemblaggio lavorando solo in CAD e senza effettuare la modellazione di tutti gli oggetti coinvolti. Infatti, se svolta direttamente in CAD, l'applicazione dell'ingegneria inversa alle parti può comportare un costoso processo di sperimentazione. La stampa 3D consente di testare ed eseguire iterazioni dei design ottenuti con l'ingegneria inversa in modo rapido e in uno spazio fisico, dove eventuali problemi sono più facili da individuare.
Oltre ai cambiamenti su larga scala è importante tenere conto dei problemi che potrebbero emergere da eventuali errori di misurazione. Se l'oggetto finale presenta sottosquadri, estrusioni sottili (in rilievo su una superficie) o cavità profonde che sono difficili da scansionare, per completare le regioni mancanti in CAD potrebbe essere necessario ricorrere ad una stima. L'assemblaggio fisico di un prototipo stampato può essere un modo molto rapido per individuare e risolvere eventuali conflitti spaziali all'interno del design, che potrebbero essere causati da errori in fase di scansione o da modifiche successive.
Ingegneria e produzione
Iterazioni realizzate da Dorman dopo la riprogettazione di un componente del motore soggetto a guasti frequenti.
Dorman compete con le OEM automobilistiche grazie alla stampa 3D
Dorman Products è un produttore di ricambi per il settore automobilistico. I prodotti Dorman spaziano da chiavi elettroniche e componenti base per motori a moduli elettronici complessi e parti per veicoli pesanti. Dorman analizza i difetti delle parti originali e sottopone i prodotti a ingegneria inversa, in alcuni casi trasformandone completamente il design e migliorandolo.
Diverse versioni di collettori di aspirazione stampati sulla Form 3.
Realizzazione di parti per uso finale e ricambi termoresistenti per il settore automobilistico
Andrea Pirazzini, fondatore di Help3D, ha utilizzato le stampanti 3D Formlabs per creare con l'ingegneria inversa un collettore di aspirazione per la pit bike con cui partecipa al campionato 12 Pollici Italian Cup. La scansione del motore a quattro tempi (a due valvole), del telaio e del carburatore lo ha aiutato a misurare correttamente le dimensioni del collettore e in seguito a posizionarlo in modo che il carburatore non interferisse con il telaio o il sistema di scarico.
L'assemblaggio del cilindro pneumatico, completo di pinze stampate in 3D che sostengono l'iniettore di combustibile.
Stampa 3D di pinze a iniezione di combustibile personalizzate per un robot pick-and-place
STS Technical Group collabora con i clienti per le sfide di design e ingegneria tecnica. Per progettare una pinza a iniezione di combustibile per un robot pick-and-place, hanno utilizzato uno scanner laser 3D Creaform e il software di modellazione VX Elements per ottenere una scansione virtuale in 3D dell'iniettore di combustibile che li aiutasse a progettare le pinze. La scansione ha prodotto un'immagine con dettagli molto minuti, eliminando quindi la noiosa necessità di misurare ogni spazio, cilindro e apertura nell'iniettore di combustibile.
Ergonomia personalizzata
Quando un prodotto deve essere tenuto in mano o stare a contatto con una parte del corpo umano per periodi di tempo prolungati, l'importanza dell'aderenza ergonomica aumenta. Una vestibilità adatta all'utilizzo per pochi minuti potrebbe diventare molto scomoda dopo diverse ore e un'ergonomia non corretta potrebbe persino causare infortuni da sforzo ripetuto.
In ambito di ergonomia e prodotti personalizzati, le stampanti e gli scanner 3D sono strumenti complementari. Le stampanti 3D possono produrre componenti unici e prodotti su richiesta, come plantari, impugnature e occhiali, senza costi di manodopera eccessivi.
Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, con gli strumenti adatti, l'ingegneria inversa è più semplice per le forme organiche piuttosto che per le parti meccaniche con tolleranze ridotte. La funzione "Auto Surface" di Geomagic per SolidWorks è in grado di generare una superficie CAD liscia a partire da una scansione (STL) con superfici organiche. Questa funzione elimina le superfici ruvide, il che è estremamente utile quando si trasforma un'impronta in prodotto.
Una volta ottenuta una superficie modificabile con strumenti di progettazione CAD, potrai facilmente aggiungere o rimuovere caratteristiche che permetteranno alla parte di rapportarsi ad altri componenti generici, come modelli di fori per bulloni, piastre di montaggio e molto altro.
Protesi avanzate rese accessibili a tutti da PSYONIC
Ability Hand di PSYONIC è una protesi per arti superiori che si è servita della stampa 3D per la prototipazione rapida, la creazione di stampi e parti per utilizzo finale. James Austin, responsabile dell'ingegneria meccanica, afferma: "A volte ci sono parti che devono essere compatibili con i prodotti di altre aziende e che talvolta possono essere acquistate, anche se, come molte altre attrezzature nel settore medico, hanno un costo esorbitante. Per quanto riguarda le parti più piccole, abbiamo la capacità di creare forme e profili in modo abbastanza semplice con l'ingegneria inversa, per poi produrle noi stessi in-house".
Dimostrazione di prodotto: Form 4
Scopri come la Form 4 può aiutarti a raggiungere nuovi livelli di produttività e innovazione grazie alla sua velocità, accuratezza e affidabilità senza pari.
Gli strumenti giusti per l’ingegneria inversa
Il primo passo per iniziare a eseguire l’ingegneria inversa sulle parti è trovare lo scanner 3D più adatto alle tue esigenze. Scopri quali sono i migliori scanner 3D per la stampa 3D ad alta precisione qui.
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