Ingegneria Inversa e Prototipazione Rapida: il ruolo della Stampa 3D

1. A cosa serve l’ingegneria inversa?

L’ingegneria inversa (comunemente Reverse Engineering, o Back Engineering), è il processo mediante il quale un prodotto, o un oggetto, viene decostruito per rivelarne l'architettura.

Il Reverse Engineering serve ogni qualvolta occorra “digitalizzare” un oggetto, ovvero creare un modello CAD di un oggetto reale.

Non è un metodo ma un insieme di tecniche di acquisizione sperimentale e di elaborazione che possono rendersi utili in diversi contesti industriali/scientifici quali:

• archiviazione di componenti di cui non si hanno a disposizione i modelli solidi;
• operazioni di benchmarking;
• re-design di parti già esistenti (ad es. stampi usurati);
• sviluppo di progetti di “industrial design” (industria manufatturiera degli accessori, scarpe, gioielleria, arredo, …);
• valutazioni estetiche e funzionali (di movimento, ergonomia, montaggio, …);
• animazione computerizzata (film, videogiochi) e la realtà virtuale;
• interfacciamento con sistemi di rapid prototyping o additive manufacturing;
• settore biomedicale (per l’acquisizione dei vincoli di progettazione di protesi, per l’elaborazione di indagini radiografiche, tomografiche, volte alla ricostruzione delle forme).

Nei casi in cui la precisione di acquisizione lo consenta, la digitalizzazione può essere usata come strumento di misura e analisi della forma del componente, ad esempio per:

- controllo qualità (analisi difetti, verifica tolleranze geometriche e dimensionali);

- attività di verifica sperimentale e ricerca che coinvolgono lo studio delle deviazioni di forma.

2. Quali sono gli strumenti più utilizzati per acquisire dati?

Attualmente la scansione 3D ed i software di reverse engineering permettono di ricostruire in un file digitale 3D le matematiche CAD originali di qualsiasi pezzo o componente reale.

L’acquisizione della forma dell’oggetto effettuata tramite scansione 3D può essere certamente più veloce, completa e accurata rispetto ai consueti metodi manuali, in particolare se il pezzo ha una forma complessa e non lineare.

Il dato che viene acquisito con strumenti di scansione 3D è in forma di “nuvola di punti” che saranno poi “post-processati”, cioè uniti attraverso il software 3D in poligoni, con un processo di triangolazione, per ottenere una mesh poligonale. Con opportuni processi si elaborano i dati mesh per ottenere superfici matematiche, anche conosciute come NURBS o entità solide, che saranno il punto di partenza del disegno 3D che si intende rettificare, modificare o riprodurre.

La procedura di ingegnerizzazione inversa può essere fatta con i dati 3D acquisiti da diversi strumenti di scansione, derivanti per esempio sia da scanner 3D portatili ottici, che utilizzando tastatori.

I software per reverse engineering sono utili per la ricostruzione digitale e matematica di pezzi provenienti dai più svariati settori, come nella meccanica di precisione, nell’aereospaziale, nell’industria o nella manifattura.

In genere il Reverse engineering fa risparmiare tempo e costi di sviluppo, quindi è una pratica che rientra a pieno nelle politiche di sviluppo sostenibile ed efficienza aziendale.

3. Quali sono gli strumenti più utilizzati per riprodurre le parti in maniera rapida?

Il Rapid Prototyping non è solo la conseguenza del Reverse Engineering, ma è una sostanziale parte dello sviluppo conseguente.

Oggi il metodo di prototipazione rapida più utilizzato è la stampa 3D, con cui si ottiene la realizzazione di oggetti tridimensionali mediante produzione additiva, partendo da un modello 3D digitale. Il modello digitale viene prodotto con software dedicati e successivamente elaborato per essere poi realizzato con diverse tecnologie, tra cui anche quella che costruisce prototipi strato dopo strato, attraverso una stampante 3D.

La stampa 3D è una tecnologia in rapidissima evoluzione, per usarla è necessaria molta esperienza, oltre che pazienza. Infatti, con le attuali soluzioni disponibili siamo ancora ben lontani da ottenere risultati in tempi rapidi. Inoltre gli errori di stampa sono molto difficili da evitare se non si ha esperienza nella scelta dei parametri progettuali e di processo. Le stampanti sono lente e possono impiegare anche decine di ore per completare la produzione di un singolo pezzo di dimensioni di pochi centimetri. Un'ulteriore attenzione va posta sulla scelta dei materiali da utilizzare in funzione delle forme da realizzare e delle performance di utilizzo del pezzo realizzato (es. resistenza meccanica, temperatura, etc.).

Di seguito si propone una breve sintesi delle principali tecnologie esistenti:

Stampanti 3D a filamento, rappresentano i modelli più economici di stampanti 3D, sono molto semplici da usare e configurare e si trovano in commercio a partire da poche centinaia di euro, salvo rare eccezioni. Queste stampanti usano il processo cosiddetto di "Filament Deposition Manufacturing" (FDM).

Stampanti 3D stereolitografiche (SLA). Il funzionamento si basa sull'uso di una resina fotosensibile e di un sistema di illuminazione che in alcuni casi sfrutta un laser. Con questa tecnologia si raggiungono elevati livelli di risoluzione anche se purtroppo esistono limiti in merito al colore delle resine disponibili. Il processo di stampa risulta più veloce rispetto a una classica soluzione FDM, ma c'è limitata disponibilità di colori delle resine e i prezzi sono elevati sia per le stampanti sia per i materiali di stampa.

Stampanti 3D a polvere. Questi modelli offrono un'elevata flessibilità per quanto riguarda i materiali (anche metalli e vetro) e i colori utilizzabili. Purtroppo questo tipo di soluzioni sono parecchio complesse da realizzare e il loro costo non è molto accessibile. Possono essere usate per realizzare oggetti composti da polveri di differenti colori, sono in grado di stampare anche con materiale metallico e con sottosquadri o canalizzazioni interne (spesso impossibili da realizzare con altri metodi). Sono molto costose anche per piccole dimensioni di stampa. Si consideri poi il costo del materiale di stampa che può incidere parecchio e rappresenta un fattore di scelta da non trascurare.

Un ulteriore metodo di prototipazione rapida, tra quelli maggiormente utilizzati prima dell’avvento della stampa 3D, è rappresentato dal FRESE CNC perproduzione sottrattiva. Attraverso il quale è possibile ottenere oggetti tridimensionali lavorando velocemente schiume, legni, metalli sottili, cartone e molto altro.

La prototipazione rapida è la fase terminale del procedimento denominato CAD-CAM (Computer Aided Design – Computer AidedManufactoring).

Alla fase CAD si perviene in genere attraverso attività di Ricerca e sviluppo, che hanno condotto ad architetture, logiche e studi di fattibilità tali da richiedere la fase di progettazione definitiva utile alla definizione del prototipo, non solo attraverso il Reverse Engineering.

Implementare un reparto di Rev Eng & Rap Prot per il settore manifatturiero è una scelta strategica importante, perchè consente all'impresa di  diventare più efficiente e quindi più competitiva.

Per fare una scelta ponderata su come implementare la tecnologia di ingegnerizzazione inversa è utile chiedere il consiglio di tecnici esperti. Soprattutto se ancora non si hanno le idee chiare su quale sia il percorso ideale.

Bisogna affidarsi a chi è nel settore da anni, perché può essere un valido supporto e i suoi consigli possono aiutare ad evitare dispendiose retromarce.

Un esperto conosce bene gli strumenti, i canali e i software che regolano il mercato, per questo ha già selezionato i migliori strumenti operativi e può spiegarti i vantaggi, tutte le funzionalità ma anche eventuali carenze di ognuno.

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