Esplorando tecniche di misurazione avanzate

Nel mondo dell’analisi scientifica e dell’ingegneria, la misurazione è un elemento fondamentale per comprendere e caratterizzare oggetti, fenomeni, prodotti e sistemi. La metodologia di misurazione dipende, ovviamente, dal fenomeno che si vuole caratterizzare così come dallo scopo per cui la stessa viene effettuata. In questo articolo, si discuterà di tecniche di misurazione per prodotti tipici dell’ingegneria manufatturiera per scopi relativi a controllo qualità e reverse engineering. In particolare, si farà una panoramica delle principali tecniche di misurazione con macchine di misura a coordinate, misure senza contatto tramite scanner 3D e tomografie computerizzate.

di Marco Rossoni

Macchina di misurazione a coordinate

Tra le diverse categorie di tecniche di misurazione, quelle a contatto svolgono un ruolo cruciale nell’ottenere dati accurati e dettagliati. Questi metodi coinvolgono la diretta interazione tra strumento di misura e oggetto di interesse, consentendo una valutazione dettagliata della geometria. Nel panorama delle tecniche di misurazione a contatto, le macchine di misura a coordinate (Coordinate Measuring Machine – CMM) rappresentano una pietra miliare per la misurazione tridimensionale di oggetti complessi.

Questi sistemi automatizzati consentono di ottenere misurazioni precise e dettagliate di oggetti tridimensionali, siano essi componenti industriali, parti meccaniche, prototipi o strutture complesse. La CMM utilizza solitamente sonde tattili per acquisire dati di posizione in tre dimensioni, creando una mappa virtuale dell’oggetto in esame. Le CMM sono costituite da una struttura rigida su cui è montato un tavolo di lavoro mobile. Un sensore tattile o ottico è posizionato sulla testa di misurazione e viene utilizzato per rilevare punti specifici sulla superficie dell’oggetto. La macchina sposta il tavolo di lavoro e la testa di misurazione in modo sincronizzato, consentendo di acquisire i dati di posizione da diverse angolazioni e posizioni. Questi dati vengono quindi elaborati tramite software specializzati che generano una rappresentazione tridimensionale dell’oggetto, inclusi dettagli come dimensioni, forme, angoli e posizioni relative dei punti.

Le CMM offrono una serie di vantaggi, tra cui una notevolmente accuratezza (nell’ordine dei centesimi di millimetro) e precisione, consentendo di ottenere misurazioni accuratissime con tolleranze molto strette. Inoltre, grazie alla loro natura automatizzata, le CMM possono eseguire una serie di misurazioni senza intervento umano diretto, migliorando l’efficienza dei processi di controllo qualità. Tuttavia, le CMM possono richiedere personale specializzato per l’operazione, la manutenzione e la programmazione. Inoltre, possono essere costose da acquisire e mantenere, rendendole spesso più adatte per applicazioni dove l’alta precisione è critica.

Metodi di misurazione ottici – scanner 3D

I metodi di misura ottici senza contatto sono tecniche avanzate che permettono di acquisire dati e misurare oggetti e superfici senza il bisogno di un contatto fisico diretto tra lo strumento di misura e l’oggetto in esame. Questi metodi sfruttano le proprietà della luce e delle onde ottiche per ottenere informazioni dettagliate sulla geometria, la dimensione, la forma e, talvolta, il colore e la texture superficiale.

Uno delle tecnologie più note di questa categoria sono gli scanner Laser 3D. Questa tecnica utilizza un raggio laser per rilevare la distanza tra lo scanner e l’oggetto. Misurando il tempo impiegato dalla luce per riflettersi sull’oggetto e tornare all’unità di rilevamento oppure tramite triangolazione, riescono a calcolare con precisione la distanza e creare una nuvola di punti tridimensionale rappresentante l’oggetto. Un’altra tecnica, sfrutta invece la proiezione di pattern. Questo metodo coinvolge la proiezione di schemi di luce strutturati, come strisce o griglie, sulla superficie dell’oggetto.

La deformazione del pattern a causa delle asperità o delle curve dell’oggetto viene analizzata per ricavare informazioni sulla sua forma e geometria. Entrambe queste tecnologie sono utilizzate sia nelle fasi di controllo qualità che per attività di reverse engineering di componenti industriali. Infatti, l’accuratezza della nuvola di punti ottenibile con scanner che utilizzano la proiezione di pattern piuttosto che tecnologia laser è generalmente nell’ordine dei decimi di millimetro, scendendo, in alcuni casi, ai centesimi per gli strumenti più performanti. Solitamente, non sono però in grado di acquisire il colore degli oggetti d’interesse.

Applicazioni della scansione 3D

Sebbene non molto utilizzata in applicazioni ingegneristiche, la fotogrammetria è comunque una tecnica interessante, soprattutto perché molto accessibile e in grado di acquisire il colore dell’oggetto. Essa combina immagini fotografiche di un oggetto da diverse angolazioni per calcolare dimensioni e forme tridimensionali con alta precisione. Questa tecnica è particolarmente utile per oggetti di grandi dimensioni o ambienti esterni. L’accuratezza e la precisione dipendono da molti fattori tra cui alcuni legati all’equipaggiamento per se (per esempio, la risoluzione del sensore sulla camera), altri alle caratteristiche dell’oggetto in esame (per esempio la texture superficiale e il colore), altri sono invece fattori ambientali (per esempio le condizioni di luce). L’insieme di questi fattori determina l’accuratezza della nuvola di punti acquisita, generalmente variabile in un range che va da qualche millimetro fino anche ad alcuni centimetri. Per tale ragione, questa tecnica è più utilizzata in architettura, ingegneria civile e nell’ambito dei beni culturali.

Tutte le tecniche nominate finora, sono perfette se l’obiettivo è il rilievo delle caratteristiche della superficie esterna degli oggetti. Come si può invece procedere all’ispezione delle parti interne o occluse? Così come per la diagnosi nell’ambito medico, si possono utilizzare tecniche di imaging a raggi X.

Tomografia Computerizzata

La tomografia computerizzata (TC), inizialmente sviluppata per applicazioni mediche, è stata adattata con successo per una serie di applicazioni nell’ambito dell’ingegneria. La TC in ingegneria è un processo mediante il quale vengono utilizzate tecniche di imaging a raggi X o altre radiazioni per creare immagini tridimensionali di oggetti e materiali. Il dato grezzo, generato da un tomografo, comporta una serie di immagini monocromatiche rappresentanti una sezione dell’oggetto. Le immagini ottenute dalla scansione vengono quindi elaborate tramite algoritmi di ricostruzione che combinano le informazioni ottenute da diverse angolazioni per ricostruire una rappresentazione 3D dell’oggetto. Una volta ottenuta la rappresentazione 3D, è necessario segmentare l’immagine per separare le diverse parti o materiali dell’oggetto. Così come in un’immagine di una scansione CT del corpo umano, le ossa, gli organi e i tessuti molli dovrebbero essere distinti, la segmentazione coinvolge l’identificazione delle diverse regioni (materiali differenti, parti differenti) di interesse all’interno dell’oggetto.

Applicazioni della tomografia

Questa tecnica è estremamente utile per visualizzare strutture interne, rilevare difetti nascosti e ottenere informazioni dettagliate sulla composizione dei materiali. In effetti, più che per la ricostruzione di modelli 3D, la TC è ampiamente utilizzata nell’ingegneria per l’ispezione non distruttiva di materiali e componenti. Nell’ambito della metallografia, la TC può rivelare inclusioni, fessure o altre imperfezioni interne nei metalli utilizzati in parti o strutture meccaniche.

Per i materiali compositi è utilizzata per individuare difetti o delaminazioni nascoste all’interno di materiali compositi utilizzati in aeronautica, automobilistica e altre applicazioni. Ancora, la TC può essere utilizzata per valutare la qualità delle saldature e individuare difetti o porosità. Le ricostruzioni effettuate con questa tecnica possono avere accuratezze nell’ordine dei micrometri: nell’investigare, ad esempio, la propagazione di cricche e difetti interne, si può arrivare ad avere scansioni in cui l’unità elementare (il voxel) è 10 µm. Inutile sottolineare che, data la particolarità della tecnica, il costo di una scansione può essere veramente elevato non solo in termini di costi “vivi” ma anche di personale altamente specializzato per operare il macchinario, effettuare la ricostruzione e (soprattutto) per interpretare correttamente i risultati.

Applicazioni delle tecniche di misurazione: controllo qualità e Reverse Engineering

Tutte le tecnologie brevemente discusse, si applicano nell’industria soprattutto ai fini di controllo qualità e di reverse engineering. Il primo ambito applicativo è abbastanza immediato: i metodi di misura per il controllo di qualità sono essenziali per garantire che i prodotti soddisfino gli standard di qualità richiesti e che siano conformi alle specifiche. In effetti, è anche l’ambito applicativo in cui tali tecniche trovano più applicazione. Le tecnologie CMM e i metodi di misura ottici si applicano egregiamente a questo scopo, soprattutto quando i prodotti soggetti al controllo hanno forme complesse, difficilmente rilevabili con le tecniche di misura tradizionali.

Si pensi, ad esempio, alle superfici caratterizzanti un’autovettura. L’utilizzo di tomografie computerizzate trova invece applicazione soprattutto in quei settori dove l’assenza di difetti interni al materiale è di primaria importanza, come componenti di veicoli o strutture spaziali e aeronautiche. Inoltre, l’utilizzo delle scansioni CT come strumento di controllo qualità è andato di pari passo con l’avvento e la diffusione delle tecnologie di manifattura additiva per materiali metallici e ceramici.

Tradotto in italiano come “ingegneria inversa”, il reverse engineering è invece un processo attraverso il quale si analizza un oggetto, un sistema o un prodotto esistente allo scopo di comprenderne il funzionamento interno, la struttura, il design e le caratteristiche senza avere accesso diretto ai piani, ai disegni o alle informazioni originali fornite dal suo creatore o produttore. Il reverse engineering può essere applicato a una vasta gamma di oggetti e sistemi, tra cui prodotti industriali, software, dispositivi elettronici, componenti meccanici, e persino processi industriali. L’obiettivo principale è ottenere una comprensione completa dell’oggetto o del sistema in esame al fine di creare copie, miglioramenti o per l’analisi dettagliata.

Il processo di reverse engineering

Il processo di reverse engineering può variare a seconda dell’oggetto o del sistema analizzato, ma generalmente include le seguenti fasi.

• Acquisizione dei dati. Questa fase coinvolge la raccolta di dati sull’oggetto, che possono essere ottenuti attraverso misurazioni fisiche, analisi delle caratteristiche visibili o acquisizione di dati digitali (nel caso di software o dispositivi elettronici).
• Analisi dei dati. i dati raccolti vengono analizzati per comprendere le relazioni tra le diverse parti o componenti e determinare il loro funzionamento.
• Creazione di un modello. Utilizzando i dati raccolti e l’analisi svolta, è possibile creare un modello dettagliato dell’oggetto o del sistema. Questo può includere schemi, disegni tecnici o modelli CAD.
• Comprensione del funzionamento. Attraverso l’analisi dei dati e la creazione del modello, si cerca di comprendere il funzionamento interno dell’oggetto o del sistema, inclusi i processi e le interazioni tra le diverse parti.
• Ricostruzione o modifica. In base alle informazioni ottenute, è possibile ricostruire l’oggetto, apportare miglioramenti o apportare modifiche secondo le esigenze.

Il reverse engineering trova applicazione in diversi settori. Nella progettazione e sviluppo di prodotto, quando si dispone solo di un prodotto fisico, ma si desidera creare un design dettagliato per scopi di rinnovamento, riparazione o modifica, il reverse engineering può essere utilizzato per ottenere i dati necessari. Nel settore manifatturiero, il reverse engineering può essere utilizzato per ottenere dati di componenti o parti obsolete o per la riproduzione di parti di ricambio.