Laser Scanning 3D

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Introduzione

La scannerizzazione 3D ( o scansione 3D, o 3D Scanning ) di oggetti tridimensionali è una tecnica molto avanzata in cui oggetti reali vengono in qualche modo scannerizzati, sondando i punti della loro superficie, per ottenere dei modelli tridimensionali in formato elettronico da utilizzare successivamente su altre applicazioni, che possono essere modeling, stampa 3D, studi strutturali, ecc..  Al momento attuale la tecnica di 3D scanning che ha avuto migliori risultati è il 3D Laser Scanning.

Il 3D Laser Scanning

Questa tecnica si avvale di strumentazione molto avanzata che fa uso del laser per la lettura degli oggetti tridimensionali, chiamata 3D Laser Scanning. Questa tecnologia è ottima perchè non è distruttiva e non richiede alcun contatto fisico con l’oggetto. La superficie esterna dell’oggetto viene letta digitalmente utilizzando un fascio di laser che crea una nuvola di punti (point cloud), cioè una serie di punti corrispondenti a delle coordinate spaziali che corrispondono alla superficie dell’oggetto.

Negli anni questa tecnica si è andata via via perfezionando e attualmente ha raggiunto un livello di dettaglio davvero sorprendente. Infatti riesce a leggere oggetti dalla forma complessa con particolari involuzioni interne senza perdere dettagli interni, oggetti che con le forme di misura tradizionali sarebbero davvero poco pratico misurare.

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Il processo di scannerizzazione laser in 3D

L’oggetto che vogliamo scansionare viene posto sulla base del digitalizzatore. Un software specializzato sottopone l’intera superficie dell’oggetto alla sonda laser (laser probe) che ne intercetta tutti i punti. Questa sonda laser proietta un fascio laser sulla superficie dell’oggetto mentre due camere fungono da sensori, registrando le variazioni di distanza e la forma del laser lungo le tre dimensioni X,Y e Z.

Alla fine del processo si otterrà una nube di punti (point cloud) che corrispondendo ai punti di lettura della superifice dell’oggetto, questo insieme di punti una volta rappresentati graficamente andranno a descrivere la forma dell’oggetto sottoposto a scansione. Quindi il point cloud non è altro che un insieme di punti, definiti dalle coordinate spaziali (X,Y,Z) raccolti in formato digitale. Grazie all’utilizzo del laser per il processo di lettura dei vari punti sulla superficie, questa tecnica garantisce oggi un grande livello di dettaglio. Il processo di lettura è molto veloce, fino a raggiungere 750000 punti per secondo ad un livello di precisione di 0.005″.

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Ho scelto di utilizzare l’immagine di sopra (presa dal sito Blog Ponoko) perchè raffigura bene i vari processi descritti sopra.

La point cloud poi deve essere processata ulteriormente. Infatti è necessario che i punti vengano interpolati in modo da definire la superficie dell’oggetto sottoposto a scannerizzazione. A questo punto avremo direttamente un modello 3D da poter utilizzare per altre applicazioni, come per esempio la stampa 3D.

Applicazioni del 3D Scanning

Generalmente, quando parliamo di 3D Scanning, la prima cosa che ci viene in mente è la scansione di un oggetto posto su una piastra e poi digitalizzato leggendo punto per punto la sua superficie scandita da un fascio laser. Il tutto effettuato sopra un tavolo o all’interno di un macchinario, comunque nell’ambito di un officina o di un laboratorio. Ma lo scenario non è sempre così.

Infatti una delle applicazioni del 3D Scanning riguarda il mondo reale. Alcuni scanner 3D sono stati montati su autoveicoli. Questi scanner sono stati opportunamente progettati per rilevare e digitalizzare la realtà circostante. Ormai quasi tutti conosciamo o ci è capitato persino di vedere un’auto della Google Maps che va in giro a scattare foto lungo le strade. Bene, esistono anche auto che non scattano foto, bensì catturano il mondo circostante per creare apposite realtà digitalizzate 3D.

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Questa tecnica è chiamata LIDAR (Light Detection and Ranging) e le sue applicazioni pratiche al momento attuale sono nell’ambito dei videogiochi e dei film (post-produzione), ma nulla lascia credere che si limiterà a questo.

Un’altra applicazione al riguardo, molto simile alla precedente è quella forense (AI2-3D). In questo caso si tratta di scanner 3D montati su piedistallo e utilizzato all’interno di una stanza, per “fotografare” in 3D il luogo del delitto, in modo che sia possibile successivamente poter effettuare analisi su particolari che nel momento dell’analisi della scientifica non sono stati rilevati.

Scannerizzazione del luogo del delitto

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Un’altra applicazione pratica in cui la scannerizzazione della realtà circostante può essere molto utile è nell’ambito dell’archeologia (vedi qui). Infatti in maniera simile alla materia forense, è molto importante scattare un “fotografia” tridimensionale nel luogo di un ritrovamento archeologico, in modo da poter avere un’analisi del sito anche parecchio tempo dopo che altri strati di terreno siano stati asportati.

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Sito archeologico ricostruito in 3D

Applicazioni industriali

Tornando alle applicazioni a cui siamo più abituati, cioè quelle industriali effettuate all’interno di un laboratorio od officina, possiamo suddividerle in tre grandi gruppi:

  • Quality Inspection
  • Reverse Engineering
  • Analysis

La Quality Inspection consiste generalmente nelll’analisi individuale dei vari componenti che vanno a comporre un sistema più complesso. Generalmente nell’industria, durante la produzione e l’assemblaggio di un prodotto esistono alcune procedure standard e regolarizzate che caratterizzano gli standard di qualità di produzione. Un’adeguata analisi utilizzato lo scanning 3D può essere lo strumento necessario per garantire questi standard.

Infine lo scanning 3D può essere una tecnica utilissima per quanto riguarda le procedure di Analysis industriale per conoscere al meglio e monitorare il comportamento dei componenti che vanno a comporre il sistema. Analisi che comprendono la simulazione digitale, l’analisi ad elementi finiti e le fluidodinamica computazionale.

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Il Reverse Engineering è quella tecnica di ingegneria che grazie allo scanning 3D si può studiare meglio il funzionamento interno di assemblaggi meccanici, per controllare al meglio i vari stadi di progettazione e perfezionare il funzionamento e l’efficacia di un prodotto.

 

Digitalizzatori 3D

Al momento attuale, la scannerizzazione 3D è una pratica ben consolidata e molti sono i prodotti disponibili in commercio, sia a livello professionale che a livello amatoriale. Molti digitalizzatori 3D hanno raggiunto veramente un prezzo accessibile e quindi sono facilmente acquistabili anche nella grande distribuzione.

Per esempio i digitalizzatori della Makerbot (vedi qui) e della Fuel 3D (vedi qui) hanno un prezzo molto accessibile. Sono molto leggeri, pratici e possono essere facilmente trasportabili, quindi adatti anche per le fiere! Sono infatti prodotti adatti per chi si vuole cimentare con questa tecnica, per usi semi-professionali (Makers, appassionati, piccoli professionisti) o anche per usi didattici.

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Makerbot Desktop Scanner 3D

Scanner 3D Portatile Fuel3D SCANIFY

Per gli appassionati del mondo degli iPhones e iPads, la Apple ha creato iSense Un estensione da integrare direttamente sugli iPhones e iPads per trasformarli in digitalizzatori 3D. Non è fantastico?

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iSense

Invece per quanto riguarda digitalizzatori professionali, la fascia di prezzo è molto più alta e anche le dimensioni divento abbastanza grandi, tanto da farne strumentazione da laboratorio. La tecnologia è molto più avanzata e i risultati che si possono ottenere con questo genere di strumentazione è davvero elevata.

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CyberCage 360

Infine esistono modelli molto funzionali di stampanti 3D che includono al loro interno uno scanner 3D, e quindi con un solo strumento è possibile effettuare due diverse operazioni: la scannerizzazione 3D e la sua successiva stampa. Uno di questi modelli è il Da Vinci, una stampante 3D che oltre ad essere di piccole dimensioni, pratica e semplice da usare, ha un prezzo ragionevole e facilmente accessibile a tutti.

Da Vinci 3D Printer

Conclusione

In questo articolo è stato brevemente discussa una panoramica sull’argomento dello scanning 3D e di come questa tecnica stia prendendo sempre più piede in moltissimi ambiti, sia professionali che industriali. Comunque grazie al diffondersi della strumentazione di Scanning 3D, alcuni modelli possono essere accessibili ad un pubblico più vasto, portando la possibilità di applicare questa tecnica anche a Makers e appassionati di vario genere, come per esempio il modellismo.

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