FreeScan Combo: Reverse Engineering di stampi e componenti in fibra di carbonio

In questo caso di studio vogliamo illustrare un intero processo di scansione 3D e reverse engineering, che pone l’obiettivo sul controllo dimensionale e sulla ricostruzione della geometria editabile in ambiente CAD. Il caso di studio è stato realizzato in collaborazione con F&N COMPOSITI, azienda specializzata da oltre 20 anni nell'industrializzazione e realizzazione di componenti in composito per il settore aerospaziale, nautico e industriale.

Gli oggetti da scansionare sono stati: uno stampo in fibra di carbonio per la realizzazione di una forcella per bici (modello ZASH), utile per il controllo dimensionale in relazione al modello CAD, e la forcella prodotta con tale stampo per effettuare il Reverse Engineering. A riguardo, è bene spiegare tutto il processo di realizzazione di questi due modelli.

La progettazione e la realizzazione di uno stampo costituiscono spesso l’investimento economico e temporale maggiore per avviare una produzione, e per questo in F&N COMPOSITI la realizzazione degli stampi è stata internalizzata, utilizzando i materiali compositi; questo permette un abbattimento dei costi iniziali e un grande guadagno temporale nella fase di prototipazione e avvio della produzione. Fattore non meno importante è lo stampo in composito, estremamente più leggero, che condivide con il manufatto finale le stesse proprietà chimiche e fisiche del materiale, garantendo dilatazioni minime dei prodotti ed evitando di dover scalare il modello in fase di progettazione dello stampo.

Dopo la progettazione si passa alla fase di realizzazione del modello, fresato su tavola epossidica di densità 900kg/m³. I modelli vengono trattati con un sealer e in seguito con della cera distaccante; effettuati questi passaggi di finitura si passa alla laminazione con l’utilizzo di materiale pre-impregnato. Lo stampo prima di entrare in esercizio viene controllato per garantire le tolleranze geometriche richieste da progetto e viene trattato con una pasta distaccante. Quest’ultima procedura viene poi ripetuta in sequenza ad ogni successiva stampata.

La forcella, come tutte le componenti delle bici ZASH, è un monoscocca. Questo prevede la progettazione e la divisione dello stampo in due parti, così da poter laminare ed accoppiare tutto il manufatto prima della cura in autoclave, dove un sacco interno si espande e grazie allo stampo chiuso applica la pressione sulle superfici del prodotto. Si utilizza un prepreg carbonio in diverse grammature e tessiture così da garantire stabilità dimensionale, torsionale e un’ottima finitura. Estratto il manufatto dall’autoclave viene staccato dal modello e viene eseguito un secondo ciclo, la post-cura dove lo stampo, in un tempo molto più dilatato con una temperatura più alta di quella di esercizio futuro, acquisisce le proprietà necessarie per poter resistere ai numerosi cicli di lavoro.

Scanner FreeScan Combo

Lo scanner utilizzato è il nuovo FreeScan Combo di Shining3D, impiegato per ispezioni con precisione di livello metrologico, reverse-engineering, produzione additiva e altre applicazioni in molti settori manifatturieri, tra cui l'industria automobilistica, aerospaziale, trasporto ferroviario, industria pesante, produzione di stampi, fonderia e industria medica.

Perché il Combo

La principale differenza tra la scansione a luce strutturata e la scansione laser sta nel metodo di acquisizione dei dati tridimensionali. La scansione a luce strutturata utilizza pattern di luce proiettati sull'oggetto, mentre la scansione laser misura la distanza utilizzando un raggio laser. Entrambe le tecniche possono produrre risultati di alta qualità, ma la scelta tra di esse dipende dalle esigenze specifiche dell'applicazione, dalla dimensione dell'oggetto e dalla precisione richiesta. In sostanza, la scansione laser risulta essere più accurata, in quanto è in grado di catturare dettagli molto piccoli, ma la precisione dipende dalla potenza del laser e dalla qualità del sensore di acquisizione. La difficoltà di questo caso di studio è proprio quella di scansionare oggetti di colore nero e con superfici riflettenti come lo stampo mostrato in precedenza. Per lavorare sulla mesh nella fase di Reverse Engineering è opportuno utilizzare una scansione in modalità ad alta risoluzione “0.2mm”. Questa tipologia di scansione richiede l’uso dei marker obbligatoriamente. L’accuratezza volumetrica invece è di 0.02+0.033mm/m, ovvero lo scostamento tra il modello reale e quello digitale.

Scansione 3D

La modalità di scansione utilizzata è quella laser a 26 linee parallele, applicando i markers in maniera randomica.
Anche la forcella è stata scansionata attraverso una scansione laser, utilizzando una tavola rotante per permettere allo scanner di acquisire geometrie circolari o simmetriche. I markers della tavola rotante sono utilizzati come riferimento per la parte inferiore, mentre i markers sul modello sono utilizzati per l’acquisizione della parte superiore.

Post processing

Una volta terminata la scansione sono stati eliminati tutti i particolari che non fanno parte dell'oggetto scansionato ed è stata generata la nuvola di punti. Successivamente è stata generata la mesh, con qualità alta, chiudendo le zone dove sono presenti i markers.

Infine, è possibile effettuare delle operazioni sulla mesh come semplificazione, ottimizzazione, e la chiusura automatica o manuale dei fori.

Fatto questo, si salva il lavoro e si esporta la scansione in formato STL o OBJ.

Quicksurface

Quicksurface è utilizzato per convertire i dati scansionati 3D in modelli CAD. È una soluzione per il Reverse Engineering che integra qualsiasi scanner 3D che può esportare file STL, o file PTX (Nuvola di punti). Il problema di alcuni software è che non permettono di lavorare le mesh, perché non riescono a gestire enormi quantità di punti e quindi risultano essere difficili da manipolare. Non si possono applicare le operazioni booleane e altre tipologie di operazioni. Quindi è necessario utilizzare queste informazioni nel modo corretto inserendole in questi software di ispezione della mesh prima di ottenere il modello editabile utilizzabile in ambiente CAD.

Anche qui è possibile operare con i comandi di edit della mesh per chiudere eventuali fori del modello scansionato. Ma il software consente di allineare il modello scansionato rispetto al modello CAD per effettuare ispezioni metrologiche. Per un allineamento accurato è possibile utilizzare un allineamento a punti, che mi consente di selezionare minimo 3 punti nello stesso ordine e nella stessa zona per entrambi i modelli. Successivamente il software esegue l'allineamento in automatico.

Attraverso il comando "Compare" il software mi elabora un grafico che mostra a video la deviazione tra i due modelli in ogni punto, permettendo anche di settare il valore di tolleranza desiderato.

Per la forcella, invece, le operazioni da effettuare sono differenti. Prima di tutto è importante ricostruire la mesh richiudendo i fori o le zone in cui sono presenti dei vuoti. E Quicksurface questo lo effettua in modo ottimale attraverso il comando Edit Scan. Il comando permette una chiusura omogenea ed eventualmente, in presenza di curvature o feature complesse, è possibile aumentare l’estensione della zona da richiudere in modo tale da coinvolgere i triangoli della mesh adiacenti, per poi richiudere. In alternativa è possibile utilizzare l’opzione “Bridge”, che consente una chiusura ottimizzata in zone di mesh che presentano discontinuità.

Successivamente la forcella è stata ricostruita interamente attraverso un comando che permette di estrarre le sezioni lungo tutto il modello. Riproducendo lo schizzo 2D di tutte le sezioni e con l'aiuto di primitive geometriche, ovvero i piani, è possibile utilizzare il comando loft per una ricostruzione accurata, sezione per sezione.

Potrebbe essere utile anche effettuare un confronto tra la mesh e il modello ricostruito per valutare la deviazione.

Infine, è possibile esportare un file in formato STEP editabile in ambiente CAD, come ad esempio Autodesk Fusion 360.

Risultati e conclusioni

Con la scansione laser effettuata attraverso l'utilizzo del Combo è stato possibile rilevare molto velocemente dettagli estremamente complessi, presenti ad esempio sulla forcella, grazie alla grande capacità del laser di acquisire elevate quantità di dati in poco tempo. Da questo punto di vista il Combo risulta essere molto vantaggioso poiché la risoluzione è influenzata dalla nuvola di punti, dalla precisione dei sensori e dalla sorgente di acquisizione e quindi maggiore è la risoluzione, più dettagliati e precisi saranno i dati acquisiti dallo scanner.

Pertanto, entrambe le mesh ottenute risultano di elevata risoluzione e molto accurate rispetto al modello CAD. Quicksurface ha consentito la ricostruzione della forcella utilizzando dei comandi rapidi per superfici, riproducendo una geometria modificabile in Autodesk Fusion 360.

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