Una terza rivoluzione industriale è in arrivo. La produzione sta diventando digitale e trasformerà il modo in cui i beni vengono prodotti.
Questo case history riguarda l’applicazione delle tecnologie 3D nell’industria manifatturiera esponendo un caso di applicazione reale su come l’utilizzo di uno scanner 3D integrato con le capacità del CAD può essere di supporto ai produttori nella realizzazione di equipaggiamento personalizzato (parastinchi in fibra di carbonio per giocatori di calcio) per l’ambiente sportivo, il quale richiede un equipaggiamento personalizzato perfettamente per ottenere vantaggio competitivo. Ci sono diversi modi per ottenere una scansione 3D di oggetti fisici. Tutte queste metodologie richiedono informazioni sulla posizione nello spazio dei punti della superficie dell’oggetto. Questo può esser fatto toccando fisicamente l’oggetto attraverso un sensore oppure con l’uso di onde sonore o di luce. La luce in particolare è utilizzata molto spesso perché è un metodo accurato, veloce, affidabile e non invasivo. Il sistema di luci strutturato utilizza una luce standard invece dei laser mostrando una serie di schemi di luce sull’oggetto di riferimento. La distorsione dell’immagine riflessa viene poi catturata dalle telecamere e la posizione di ogni punto sulla superficie è calcolata dalle distorsioni degli schemi. Come risultato finale, la tecnologia di luce strutturata è molto veloce ed efficiente nello scansionare le superfici con poche curvature e le superfici con elevati dettagli organici.
Avere un equipaggiamento sportivo personalizzato produce un’enorme differenza in due aree: la performance e il comfort. L’utilizzo delle tecnologie 3D insieme ad i materiali sofisticati permette ai giocatori di indossare un’attrezzatura che può essere considerata una vera e propria estensione del corpo. Questo permette movimenti naturali, non influenzati da altri elementi. L’utilizzo degli scanner 3D migliora anche il lavoro dei produttori perché, digitalizzando l’intero processo, le aziende possono ridurre i costi e i tempi di produzione: le informazioni digitali richiedono meno tempo e generano risultati ripetibili senza spreco di materiale. In occasione del Campionato Europeo di calcio del 2012 svoltosi in Polonia e Ucraina, le gambe dei giocatori nazionali delle più importanti squadre sono state scansionate per creare nuovi e sofisticati parastinchi in fibra di carbonio.
Il progetto è stato sviluppato da due aziende, “EGS” (partner tecnico) e “Campari Compositi per Campioni” (partner produttore). Per questo progetto è stato usato lo scanner a luce strutturata “Artec EVA” (vedi fig. 1). E’ uno scanner portatile progettato per lavori a breve distanza. Lo scanner 3D “Artec EVA” unisce una luce proiettata ed un sistema di telecamere. Proiettando un gruppo di luci sulla superficie, si hanno distorsioni in merito alla superficie dell’oggetto. Le due telecamere catturano queste distorsioni e ricostruiscono l’esatta forma geometrica dell’elemento creando una nuvola di punti. Questo processo permette di avere una misurazione tridimensionale perfetta dell’elemento.
Il primo passo del progetto è stato quello di scansionare accuratamente gli atleti con uno scanner 3D portatile per catturare tutti i dettagli della superficie richiesti per ogni personalizzazione. Per catturare l’intero elemento sono state svolte due scansioni: la prima da un lato della gamba e l’altra scansione per il lato opposto (vedi fig. 2).
L’utilizzo dello scanner 3D migliora il lavoro apponendo diversi benefici. Per quanto riguarda il calciatore, la qualità dei parastinchi è stata migliorata. Per quanto riguarda il produttore, il processo di realizzazione è più facile e più accurato.
Dopo il passaggio della scansione, le due (o più) scansioni devono essere allineate insieme per ottenere un elemento unico (in questo caso specifico, la gamba a tre dimensioni dell’atleta). Durante questo passaggio si arriva al processo di mesh. Per svolgere questa procedura è stato utilizzato il software 3D dello scanner (Artec Studio). Le scansioni possono essere allineate semplicemente assegnando tre punti sulla prima scansione. Successivamente, altri tre punti sono stati identificati sulla seconda scansione. In questo modo il software è in grado di riconoscere le superfici comuni e di unirle. È possibile controllare se la procedura è stata completata con successo guardando il colore della scansione. Infatti ogni scansione ha un colore specifico, come mostrato nella figura 3, e la fusione può essere considerata riuscita quando il colore è un mix perfetto delle singole scansioni.
In caso ci fosse bisogno di lavorare alla nuvola di punti prima della fase di fusione, Artec Studio ha un comando per l’ottimizzazione della nuvola di punti che, grazie agli algoritmi automatici, permette anche agli utenti non esperti di completare il lavoro nel miglior modo. Il processo digitale non è unidirezionale: se qualcosa manca, è possibile tornare indietro alla scansione ed acquisire solamente la parte che serve. È necessario trasformare la nuvola di punti in un mesh (file .stl). Questa parte è chiamata “processo di fusione” e significa che tutti i punti vengono uniti in triangoli seguendo un certo ordine. Inoltre in questo caso, gli algoritmi automatici del sistema possono ottimizzare la struttura finale del mesh (vedi fig. 4).
A questo punto, il conseguente dataset del processo di scanning è un’immagine tridimensionale (mesh) che puà essere lavorata attraverso il software di reverse engineering. Nello specifico, è stato utilizzato Leios, uno strumento per l’elaborazione di dati 3D.
Una volta inserito nel sistema, sono state utilizzate operazioni boolean per la modellazione, perfettamente personalizzata sulla parte del corpo dell’atleta. In questo caso, è stato utile mappare le aree di eccessivo calore e sudore per progettare tessuti più confortevoli. Inoltre, grazie all’interfaccia facile ed intuitiva, è stato molto facile riempire i vuoti usando lo strumento specifico (vedi fig. 5 e 6).
Inoltre per la realizzazione dei parastinchi è stato fatto un mesh offset (vedi fig. 7) per aggiungere lo spessore di 3 mm ideale per l’imbottitura di spugna. La fase finale passa attraverso il processo di stampa 3D. L’immagine 3D della gamba è stata stampata in un materiale speciale che può resistere ad alte temperature: il nylon alluminato. Campari Compositi per Campioni ha realizzato i parastinchi in fibra di carbonio: garantisce leggerezza, superando l’ostilità del calciatore verso protezioni scomode ma allo stesso tempo è duro come acciaio. La fibra di carbonio è trattata nell’autoclave a 120 gradi celsius. Il processo di polimerizzazione assicura che la fibra di carbonio si deformi in accordo all’anatomia della gamba garantendo una perfetta contiguità con ogni singolo punto. Le procedure descritte possono essere applicate in molti altri casi come protezioni anatomiche per ogni parte del corpo umano o la creazione di strumenti sportivi e protesi (vedi fig. 9).
