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INTRODUZIONE
La Reverse Engineering è definita dal manuale militare americano MIL-HDBK-115
(ME) come “il processo di duplicazione di un oggetto nelle sue funzioni e nelle sue
dimensioni attraverso un’analisi fisica e la misura delle sue parti, ottenendo i dati tecnici
richiesti per la lavorazione”
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. Per semplificare, la “reverse engineering” (RE) o
“ingegneria inversa” è il processo di creazione di un disegno tridimensionale ottenuto
misurando un oggetto da riprogettare o modificare, per determinarne dimensioni e
tolleranze quando non esistono dati specifici. Il termine include quindi ogni attività
compiuta per determinare come lavora un oggetto o per comprendere le idee e la
tecnologia alla base del processo di produzione. I valori delle tolleranze, spesso
l’aspetto più difficile del processo di RE, possono essere ottenuti soltanto attraverso un
accurato studio delle parti e della funzione del prodotto. Una diversa definizione è
quella che indica la RE come il processo tramite il quale informazioni presenti in forma
non direttamente leggibile da una persona sono estratte tramite un apposito dispositivo e
convertite in un formato direttamente interpretabile, quale un modello CAD, per essere
manipolate o duplicate.
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US Army Military Handbook; la definizione fu coniata per designare il processo di appropriazione di
tecnologie militari in caso di ritrovamento di armamentario bellico nemico.
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La reverse engineering è il metodo di studio ideale da usare nelle seguenti situazioni:
- è stato realizzato un modello fisico di un prodotto, ma non esistono disegni:
rappresenta un caso molto frequente con prototipi o prodotti artigianali;
- sono stati creati i disegni, ma i prototipi utilizzati nella lavorazione sono stati
modificati o perduti;
- un nuovo sistema CAD è stato introdotto nell’azienda, e tutti i dati dei prodotti
esistenti devono essere caricati nel nuovo sistema;
- un incidente ha distrutto tutti i dati esistenti;
- si vuole comprendere il funzionamento di un prodotto esistente sul mercato,
ponendo attenzione al rispetto del brevetto;
- risulta indispensabile un processo di ridisegno, come nel caso di sviluppo di nuovi
prodotti. In alcuni casi può essere più facile e meno costoso estrarre un disegno da
un prodotto esistente e modificarlo a piacimento, piuttosto che creare i complessivi
e le viste partendo da capo. Non si dimentichi, infatti, che i modelli necessari allo
sviluppo del prodotto possono essere numerosi e differenti sia come dimensioni
che come materiale.
Nella maggior parte dei settori manifatturieri vengono apportate delle modifiche
manuali durante la fase di pre-produzione, allo scopo di migliorarne l’ergonomicità, la
funzionalità, l’estetica e la qualità finale del prodotto o di una sua parte.
Molti designer preferiscono ancora oggi realizzare e portare modifiche personalmente
su modelli concreti piuttosto che lavorare su ambiente CAD. Nasce di qui l’esigenza da
parte del progettista di recuperare quante più informazioni possibili per adattarle alle
esigenze dei clienti nella maniera più efficace e rapida possibile, con la possibilità di
creare prodotti personalizzati.
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Questa tecnica può essere realizzata attraverso un’ampia varietà di macchinari e
tecnologie. In genere è la complessità dell’oggetto e delle sue parti che induce a
scegliere quale tipo di tecnologia e quali software utilizzare.
Il metodo più semplice di questo tipo di rilievo è la misura manuale e la raccolta di
dati delle dimensioni fisiche del modello. In questo processo si possono utilizzare
apparecchi tradizionali come micrometri, calibri e nonio per ottenere le dimensioni
desiderate. Questa metodologia può essere chiaramente utilizzata soltanto per
l’acquisizione di un numero ridotto di misurazioni, ma è ancora sovente sfruttata dalle
attività di stampo artigianale o laddove è lo stesso designer ad eseguire i modelli, con
una continua necessità di feedback del processo in atto.
Un approccio più sofisticato consiste nell’usare un tastatore montato su una macchina
utensile: in tal modo è possibile utilizzare apparecchiature preesistenti semplicemente
equipaggiando la macchina di un modulo aggiuntivo, mettendo a profitto l’elevata
precisione delle stesse. Anche le tradizionali macchine di misura utilizzano appositi
software per determinare le coordinate e tradurle in formati leggibili dai sistemi CAD.
Mentre tradizionalmente queste apparecchiature fornivano soltanto un sistema di
coordinate sotto forma di dati numerici, l’interfacciamento con programmi dedicati
consente di visualizzare la geometria dell’oggetto sotto forma di una “nuvola di punti”
(points cloud o range image) che l’operatore, attraverso i suddetti software, può
connettere con opportune geometrie allo scopo di ottenere l’esatto profilo dell’oggetto,
al pari di un qualsiasi sistema di scansione. Per contro, in entrambi i casi il tempo
richiesto per misurare tutto un oggetto è notevolmente lungo.
La tecnica più efficace per minimizzare l’errore è quindi quella che consente di filtrare
e processare i dati elettronicamente. In questo processo il nostro modello è misurato e
immediatamente digitalizzato, e i suoi dati raccolti in un database. In un secondo tempo,
questi dati sono trasferiti ad un sistema CAD, dove le superfici ottenute possono essere
modificate e corrette. Oltre alla riduzione di eventuali errori, inevitabilmente presenti,
questo approccio riduce il tempo di scansione. Queste apparecchiature, che possono
essere identificate come scanner tridimensionali (digitizers), variano in complessità e
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accuratezza, passando da sistemi manuali a sistemi completamente automatici attraverso
una ricca gamma di tecnologie, quali tomografia, fotogrammetria, ultrasuoni, luce laser.
Gli scanner manuali sono in generale i meno costosi e rappresentano la giusta
soluzione per l’estrazione di una quantità ridotta di dati. L’operatore mantiene il
contatto tra il tastatore e la superficie cercando di ottenere la maggior quantità di rilievi
possibile. La libertà concessa con questo approccio è massima, ma non permette
naturalmente di automatizzare – e quindi di velocizzare – questa fase della
progettazione.
Gli apparecchi che sfruttano tecnologia ottica sono di norma più costosi, ma operano
attraverso un processo automatico di rilievo di punti: la limitazione della libertà di
lavoro da parte dell’operatore è compensata da una maggiore precisione e da un
maggiore controllo delle misure. Inoltre alcuni di questi sistemi consentono di ottenere
anche le sezioni dell’oggetto oltre che la sua superficie.
Tutte queste metodologie, con i rispettivi vantaggi e limitazioni, così come i motivi di
selezione del sistema da impiegare, saranno analizzati nei capitoli successivi.
Ottenuti i dati desiderati, la nuvola di punti può essere modificata con un software di
ricostruzione delle superfici, ottenendo risultati diversi, in dipendenza di cosa si vuole
modellare o costruire:
- se la scansione è finalizzata ad un processo di Rapid Prototyping o differenti
procedure CAM, occorre creare un file STL (Standard Triangulated Language), adatto a
trasferire un modello CAD o altri oggetti 3D a questo tipo di lavorazione;
- se lo scopo è ottenere un’esatta scansione della superficie, oppure una modellazione
di solidi, occorre esportare una rete di curve NURBS (Non-Uniform Rational Basis-
Spline) al sistema CAD, che approssimano in maniera ottimale la superficie
dell’oggetto;
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- se occorre effettuare un’analisi dell’oggetto di tipo meccanico, strutturale o termico,
occorre generare una mesh adatta ad un programma di studio agli elementi finiti (FEM).
L’applicazione finale, in definitiva, determina cosa vogliamo generare ed esportare
nel processo di reverse engineering. Qualsiasi sia la fase successiva, comunque, in
ambito industriale il processo di scansione ed acquisizione di superfici è per lo più
finalizzato ad una realizzazione tramite l’ausilio di tecnologie CAD/CAM: una volta in
possesso della geometria da lavorare, rimangono soltanto da impostare le istruzioni di
tipo tecnologico (tipo di utensile, velocità di taglio, avanzamento, …), mentre il
software dedicato è preposto al tracciamento del percorso utensile. Analoga
metodologia è seguita anche se si utilizzano tecniche di prototipazione più recenti, per
cui lo schema di massima che risiede alla base dell’intero processo può essere così
schematizzato:
Fig.1-1. Fasi principali della Reverse Engineering
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Negli ultimi si è potuto assistere alla trasformazione della reverse engineering da un
semplice processo di ottenimento di dati mancanti ad una vera e propria branca
dell’ingegneria, e non solo quella meccanica. Infatti, lo stesso termine e il medesimo
concetto di base sono applicati ad esempio nell’informatica, laddove il programmatore
esamina il programma sorgente di un software per comprendere i comandi ed apportare
le dovute modifiche, o semplicemente per confrontare le proprie idee. Il risparmio in
termini di tempi e di costi ottenibile da questi processi, unito alla grande precisione ed
affidabilità raggiunte in tempi recenti dalle tecnologie disponibili, ha portato a
considerare la RE come un nuovo metodo di progettazione e risoluzione dei problemi da
affiancare alle tradizionali procedure di produzione.
Il presente studio è stato concepito per fornire una panoramica completa su tutte le
attrezzature presenti oggi sul mercato, rilevandone caratteristiche, pregi e limitazioni.
Come integrazione, è stato incluso un elenco aggiornato sui sistemi in commercio,
classificati in base alla modalità di scansione, e sui software impiegabili.
Nel capitolo introduttivo si è voluto approfondire il progresso storico di sviluppo di
queste tecniche e la loro collocazione nell’ambito del processo produttivo industriale.
In aggiunta è stata compresa una sezione più specificamente matematica, che tende a
chiarire i principi operativi in grado di ricostruire le forme originali.
Appare chiaro dalla lettura che l’uso degli scanner tridimensionali non è limitato al
solo processo di reverse engineering vero e proprio, inteso come fase complementare di
un processo produttivo, ma trova spazio anche come mezzo di analisi autonomo in
settori diversi dalla realtà industriale. Per questo motivo si è cercato di includere, o
perlomeno di accennare, a tutti i campi di applicazione oggi esistenti, con un appendice
dedicata all’impiego sul territorio italiano.
Per fare luce sulle enormi potenzialità di queste tecniche e fornendo spunti di studio
per nuovi campi di ricerca, la prova di laboratorio è precisamente mirata in questa
direzione: la realizzazione di un modello di calzatura ortopedica attraverso l’impiego
congiunto di uno scanner laser e del computer.
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