Reverse engineering con la tomografia CT: dal pezzo al modello STL e CAD

Un ricambio senza disegno è il caso più comune di reverse engineering in un'officina: la pompa ha trent'anni, il costruttore non esiste più, il pezzo è usurato ma ancora intero. Uno scanner ottico ne rileva l'esterno in pochi minuti, una macchina di misura a coordinate le quote raggiungibili con il tastatore. I canali interni, le cavità chiuse, il fondo di un foro cieco a sottosquadro restano fuori da entrambi. La tomografia li rileva insieme all'esterno, in una sola acquisizione, e per questo diventa lo strumento di reverse engineering ogni volta che il pezzo ha un dentro che conta.

Fra il pezzo sul banco e un modello che un ufficio tecnico possa usare, però, passano tre oggetti diversi che tutti chiamano "il modello", e ogni passaggio ha le sue regole. Conoscerle serve a chiedere la cosa giusta e a sapere quanto fidarsi di ciò che si riceve.

Volume, mesh, CAD: tre file che tutti chiamano "il modello"

Il primo è il volume ricostruito. La tomografia acquisisce centinaia o migliaia di proiezioni a raggi X mentre il pezzo ruota, e le ricostruisce in una griglia tridimensionale di voxel, ciascuno con un valore di grigio proporzionale all'attenuazione del materiale in quel punto. Il volume è il dato più completo, ma nessun programma di progettazione lo apre.

Il secondo è la mesh, di solito in formato STL: una superficie fatta di triangoli che approssima i confini fra materiale e aria, esterni e interni. È il formato che leggono i software di ispezione, di simulazione e le stampanti 3D. È anche un formato povero. Un file STL contiene solo la superficie triangolata: niente materiale, colore o struttura interna, e nessuna informazione su quale faccia sia un piano o un cilindro. Proprio per superare questi limiti la ISO/ASTM 52915:2020 ha definito per la manifattura additiva il formato AMF, più ricco. Una mesh descrive la forma, non l'intento progettuale.

Il terzo è il modello CAD parametrico, fatto di superfici matematiche e di feature (piani, cilindri, raccordi, fori con il loro asse), esportabile in STEP secondo la ISO 10303-242:2025. È l'unico dei tre su cui un progettista può cambiare una quota. Várady, Martin e Cox, nell'articolo introduttivo pubblicato su Computer-Aided Design nel 1997 e ancora citato come riferimento, descrivono il reverse engineering proprio come questa catena: acquisizione dei dati, segmentazione della nuvola o della mesh in regioni, adattamento delle superfici semplici e libere, unione di più viste e costruzione di un modello CAD coerente. La tomografia lavora sul primo anello; gli altri sono lavoro di modellazione.

La superficie non è nel volume: la decide una soglia

Un volume CT non contiene bordi, contiene grigi. Per passare alla mesh bisogna decidere dove finisce il materiale e comincia l'aria, ed è questa decisione, la determinazione della superficie, a fissare buona parte dell'accuratezza del modello. Il metodo più semplice prende come soglia il grigio a metà strada fra il picco dell'aria e quello del materiale (la cosiddetta soglia Iso-50%) e la applica a tutto il volume. I metodi locali cercano invece, punto per punto, il massimo del gradiente di grigio nell'intorno del bordo, e reggono meglio quando l'intensità varia da una zona all'altra del pezzo.

Lo spostamento della soglia ha un effetto preciso: se la superficie si sposta verso l'esterno, le quote esterne crescono e i diametri dei fori calano, e viceversa. Su un modello destinato a produrre un ricambio è un errore che si somma in modo sistematico su ogni accoppiamento. Alle grandezze che influenzano il risultato di una misura CT è dedicata un'intera linea guida, la VDI/VDE 2630 Blatt 1.2:2018-06. Borges de Oliveira e colleghi (Case Studies in Nondestructive Testing and Evaluation, 2016) hanno confrontato soglia Iso-50%, soglia locale e accrescimento di regione su campioni a gradini tarati in PEEK, PPS e alluminio, montati da soli e in combinazione. La loro conclusione pratica è scomoda: parametri di scansione e di determinazione della superficie sono difficili da scegliere, e chi usa la CT finisce spesso per affidarsi ai valori predefiniti del software. Sui pezzi in più materiali, dove una soglia unica non può andare bene per entrambi i confini, la scelta pesa ancora di più.

C'è poi la scala. La dimensione del voxel deriva dalla geometria della macchina, cioè dalle distanze fra sorgente, pezzo e rivelatore, e un piccolo errore su quelle distanze diventa un errore proporzionale su tutte le misure. Il PTB, l'istituto metrologico nazionale tedesco, descrive una procedura che tiene sotto controllo entrambe le cose: la soglia per la geometria interna ed esterna si ricava dagli scostamenti misurati in CT su un cilindro cavo tarato, la scala si corregge con una barra a sfere, e l'incertezza si determina con pezzi tarati secondo la ISO/TS 15530-3. Così, riporta l'istituto, si sono ottenute incertezze specifiche del compito inferiori al lato del voxel. Per un reverse engineering la versione minima della stessa regola è misurare a parte una o due quote, con un calibro o una macchina di misura, e controllare la scala della mesh prima di usarla.

Quanto è accurata una mesh da tomografia

La risposta onesta comincia da un confronto. Fra il 2009 e il 2011 l'Università di Padova ha coordinato il primo confronto internazionale sulla CT per la metrologia dimensionale, il "CT Audit": quindici sistemi in Europa, America e Asia, usati da operatori esperti, hanno misurato gli stessi oggetti di riferimento. Pubblicando i risultati sui CIRP Annals nel 2012, Carmignato ha messo in evidenza la difficoltà degli utilizzatori a valutare l'incertezza delle proprie misure CT, per il numero delle sorgenti d'errore e per la mancanza di norme. Il numero da guardare, quindi, è l'incertezza dichiarata per la quota che interessa, non la risoluzione del sistema.

Per la verifica delle prestazioni di un sistema CT usato come macchina di misura, il riferimento in vigore in Europa è la VDI/VDE 2630 Blatt 1.3:2011, che applica ai sistemi con sensore tomografico la logica della ISO 10360 per le macchine di misura a coordinate; negli Stati Uniti c'è la ASME B89.4.23-2020. La parte della ISO 10360 dedicata alla CT, la 11, è ancora in preparazione: il progetto ISO/DIS risale al 2021 e non risulta pubblicata. L'incertezza di una quota specifica, su quel materiale e con quella geometria, si determina invece con la VDI/VDE 2630 Blatt 2.1:2015-06, misurando più volte un pezzo tarato simile a quello da rilevare. Sono strumenti pensati per la misura dimensionale, ma valgono anche per il reverse engineering: un modello ha senso solo se si sa con quale incertezza riproduce le quote che serviranno.

In pratica l'accuratezza di una mesh da tomografia dipende da tre cose, in quest'ordine. Il voxel, che il pezzo stesso fissa: un componente largo 100 mm su un rivelatore da 2.000 pixel si scansiona a circa 50 µm, e la mesh non può descrivere dettagli più piccoli di qualche voxel. Il materiale e lo spessore, perché un acciaio spesso chiede energie alte che peggiorano il contrasto e accentuano l'indurimento del fascio. La determinazione della superficie, già vista. Su pezzi in plastica o in lega leggera di dimensioni contenute la mesh è in genere più fedele che su un grande getto in acciaio, dove la tomografia può non arrivare affatto.

Scanner ottico, macchina di misura o tomografia: chi vede che cosa

Le tre tecniche non sono alternative sullo stesso terreno. Ciascuna ha un dominio in cui è la scelta più economica, e la tabella lo mette in fila.

Il verdetto si legge dalla geometria del pezzo. Quando la forma è tutta esterna, grande o a superfici libere, come uno stampo o una carrozzeria, lo scanner ottico è la scelta più rapida e meno costosa. Quando contano poche quote con tolleranze strette, un accoppiamento o un'interasse, la macchina a contatto resta il riferimento per incertezza. La tomografia vince quando il pezzo ha geometria interna che il modello deve contenere, e la rassegna di Kruth, Bartscher, Carmignato e colleghi sui CIRP Annals (2011) ricorda il secondo vantaggio: nella stessa scansione unisce controllo dimensionale e controllo del materiale. Conviene anche quando le superfici sono difficili per l'ottica o quando si vuole rilevare un assieme senza smontarlo. Spesso la soluzione migliore è combinarle: la CT per la forma completa e due o tre quote a contatto per verificarne la scala.

Un confronto pubblicato da Gapinski e colleghi (Procedia Engineering, 2014), che hanno misurato lo stesso pezzo con macchina a contatto, scanner ottico e tomografia, dà un'idea degli ordini di grandezza: i risultati della CT sono stati confrontabili con gli altri due metodi, con differenze inferiori a 0,05 mm. Lo stesso lavoro descrive anche i limiti di ciascuno: la macchina a contatto lascia vuoti fra un punto tastato e l'altro, lo scanner ottico ha avuto difficoltà dentro i fori di piccolo diametro, con errori su posizione e diametro, la tomografia è limitata dalla penetrazione e dagli artefatti. Il dato vale per quel pezzo e quelle macchine, non come regola generale.

Dalla mesh al CAD: il lavoro che la scansione non fa

La mesh registra il pezzo così com'è, con l'usura, le bave, il ritiro dello stampaggio e gli errori di lavorazione. Il CAD deve invece descrivere il pezzo come dovrebbe essere. Un foro rilevato a 9,98 mm è con ogni probabilità un 10 H7, una faccia inclinata di qualche centesimo di grado era un piano perpendicolare: queste decisioni le prende chi modella, non la tomografia. Per questo un reverse engineering serio parte da più esemplari, quando esistono, e sceglie il meno usurato come riferimento.

Due informazioni il volume non le dà affatto. La prima sono le tolleranze, che vanno riassegnate dal progettista sulla base della funzione. La seconda è il materiale: la tomografia distingue un metallo da una plastica, non un acciaio inox da un altro. Per sapere quale lega ordinare serve un'analisi della composizione, che per i metalli si fa in pochi secondi con l'analisi dei materiali XRF. Su uno stampato in plastica, infine, il pezzo è più piccolo dello stampo per effetto del ritiro: se il modello serve a rifare lo stampo, il ritiro va compensato.

Quando invece il modello serve a stampare in 3D un pezzo identico, o a simulare un flusso nei canali interni, la mesh può bastare così com'è, purché chiusa e senza buchi. È il caso in cui la tomografia accorcia di più la strada.

Come si prepara un reverse engineering in tomografia

La prima cosa da dichiarare è l'uso del modello, perché decide voxel e consegna: una copia da stampare, un ricambio da lavorare, una simulazione, un confronto fra due versioni del pezzo. Poi il pezzo, che deve arrivare pulito, senza grasso, vernici spesse o residui nelle cavità, perché la tomografia rileva anche quelli. Se il pezzo fa parte di un assieme e interessa la posizione relativa dei componenti, va inviato montato.

Il servizio di analisi tomografica di PITECH consegna per il reverse engineering la mesh STL delle superfici esterne e interne, con sezioni di controllo e un report che riporta le condizioni di scansione; altri formati mesh si concordano, e la fedeltà raggiungibile si stima in fase di valutazione sul voxel ottenibile, come descritto nella sezione dedicata al reverse engineering ed export STL. Se serve anche il CAD parametrico, conviene scriverlo nella richiesta, così che la fattibilità si valuti insieme al preventivo. Quando i rilievi diventano ricorrenti, per esempio su ricambi di una flotta di macchine, si può ragionare sui sistemi CT industriali su misura.

Cosa inviarci per una valutazione

Per dirvi quale voxel è raggiungibile e che cosa riceverete servono pochi dati:

• foto del pezzo da più lati, con dimensioni d'ingombro e peso;
• materiale, anche indicativo (acciaio, alluminio, plastica, composito);
• uso del modello: stampa 3D, nuovo ricambio da lavorare, simulazione, confronto con un'altra versione;
• geometrie che contano di più: canali, cavità, fori, accoppiamenti, con le quote critiche se note;
• formato di consegna desiderato (STL, altri formati mesh) ed eventuale necessità di CAD parametrico;
• numero di esemplari disponibili e loro stato d'usura;
• eventuale accordo di riservatezza da firmare prima dell'invio.

Potete inviarli via email a info@pitech-solution.com o su WhatsApp, allegando le foto.

Il criterio pratico è guardare dentro il pezzo prima di scegliere lo strumento. Se tutto ciò che il modello deve contenere si vede da fuori, uno scanner ottico basta e costa meno; se una parte importante sta dentro, la tomografia è l'unica che la consegna senza tagliare il pezzo. In quel caso il passo successivo è un'analisi CT conto terzi sull'esemplare migliore che avete, con preventivo in 24 ore; il quadro generale della tomografia industriale aiuta a capire che cosa aspettarsi dal volume.