SHINING 3D EinScan Trak

SHINING 3D EinScan Trak: scansione 3D wireless senza marker per oggetti grandi e dettagli fini

SHINING 3D amplia la propria gamma di sistemi professionali per la digitalizzazione tridimensionale con EinScan Trak, una soluzione che combina tracking ottico e scanner laser portatile in un’unica piattaforma. Il sistema è progettato per affrontare con lo stesso hardware sia la scansione di oggetti di grandi dimensioni sia l’acquisizione di particolari più piccoli e difficili da raggiungere.

La caratteristica su cui SHINING 3D concentra maggiormente l’attenzione è la possibilità di lavorare senza applicare marker direttamente sull’oggetto nella maggior parte delle situazioni. A questa funzione si aggiunge il collegamento wireless tra scanner, tracker e computer, pensato per ridurre cavi e operazioni di preparazione quando si lavora intorno a automobili, imbarcazioni, macchinari, sculture o altri oggetti voluminosi.

Il concetto di EinScan Trak è però più articolato di quanto possa suggerire l’espressione “scanner senza marker”. Il sistema utilizza infatti due differenti strategie di localizzazione a seconda della configurazione scelta e mantiene la possibilità di ricorrere ai marker quando le caratteristiche geometriche dell’oggetto o le esigenze di precisione lo rendono opportuno.

Un sistema composto da tracker e scanner rimovibile

EinScan Trak è costituito da un tracker ottico e da uno scanner che, nella configurazione destinata alle grandi superfici, viene inserito all’interno di una struttura sferica.

Il tracker osserva questa struttura e determina continuamente posizione e orientamento dello scanner durante l’acquisizione.

La soluzione consente all’operatore di muoversi intorno all’oggetto mentre il sistema ricostruisce la posizione delle diverse scansioni nello spazio.

Quando occorre raggiungere zone strette, cavità o componenti di piccole dimensioni, lo scanner può essere rimosso dalla struttura sferica e utilizzato autonomamente come dispositivo portatile.

SHINING 3D ha quindi costruito EinScan Trak intorno a due modalità operative che possono essere utilizzate nello stesso progetto: Tracking Mode e Handheld Scanner Mode.

La prima privilegia la copertura di superfici estese, mentre la seconda permette di avvicinarsi maggiormente al componente e acquisire zone che il sistema di tracking esterno potrebbe non vedere correttamente.

Cosa significa realmente scansione senza marker

Uno degli aspetti che merita maggiore attenzione riguarda proprio la definizione di sistema “marker-free”.

Negli scanner 3D laser portatili, i marker sono piccoli riferimenti adesivi applicati sulla superficie dell’oggetto. Il software li riconosce nei fotogrammi successivi e li utilizza per stabilire come si è spostato lo scanner.

La procedura è affidabile, ma su un’automobile, una barca o un grande componente industriale può richiedere l’applicazione di decine o centinaia di riferimenti prima ancora di iniziare la scansione.

Con EinScan Trak, in modalità tracking, SHINING 3D sposta questi riferimenti dall’oggetto allo scanner.

La struttura sferica che circonda il dispositivo integra infatti marker retroriflettenti riconosciuti dal tracker esterno. È quindi il tracker a stabilire continuamente dove si trova lo scanner nello spazio.

L’oggetto può rimanere privo di marker.

La distinzione è importante: il sistema non elimina il principio del riferimento ottico, ma elimina nella maggior parte dei lavori la necessità di applicare fisicamente i marker alla superficie da digitalizzare.

Questo può ridurre sensibilmente la preparazione soprattutto nel caso di oggetti grandi, delicati o sui quali non è conveniente applicare adesivi.

La modalità portatile utilizza invece la geometria dell’oggetto

Quando lo scanner viene rimosso dal modulo sferico e utilizzato autonomamente, il principio cambia.

In questa configurazione EinScan Trak può riconoscere le caratteristiche geometriche presenti sulla superficie e utilizzarle per stabilire la posizione relativa delle diverse acquisizioni.

Una superficie con forme irregolari, spigoli e numerosi dettagli offre al software diversi riferimenti naturali.

Una superficie grande, uniforme e ripetitiva è invece più difficile da seguire.

Per questo motivo SHINING 3D precisa che i marker non scompaiono completamente dal flusso di lavoro. Possono ancora essere utilizzati con oggetti piccoli o poveri di caratteristiche geometriche e nelle acquisizioni nelle quali si desidera mantenere un allineamento particolarmente stabile tra più sessioni di scansione.

“Marker-free” va quindi interpretato come possibilità di lavorare senza marker nella maggior parte delle condizioni previste, e non come esclusione assoluta dei marker in qualunque situazione.

Tre modalità laser blu per esigenze differenti

EinScan Trak utilizza tre configurazioni di laser blu.

La modalità più veloce impiega 19+19 linee laser incrociate. È destinata alla copertura rapida delle superfici e rappresenta la configurazione più adatta quando occorre digitalizzare aree estese.

Una seconda modalità utilizza sette linee laser parallele ed è pensata per acquisire con maggiore attenzione bordi, contorni e piccoli dettagli.

La terza utilizza invece una singola linea laser, una soluzione utile quando occorre raggiungere cavità, scanalature profonde, fori e altre geometrie nelle quali una proiezione laser più ampia avrebbe difficoltà a penetrare.

L’operatore può quindi scegliere la configurazione in funzione della parte dell’oggetto che sta acquisendo anziché utilizzare un unico compromesso tra velocità e dettaglio.

È un’impostazione particolarmente interessante nel reverse engineering: la carrozzeria completa di un veicolo può richiedere soprattutto velocità, mentre un punto di attacco, una sede meccanica o un piccolo dettaglio possono richiedere una densità di acquisizione molto maggiore.

Fino a 2,63 milioni di punti al secondo

Nelle specifiche tecniche pubblicate per EinScan Trak, SHINING 3D indica una velocità di acquisizione fino a circa 2,63 milioni di punti al secondo.

La risoluzione selezionabile arriva a una distanza tra i punti di 0,05 millimetri nelle configurazioni dedicate al dettaglio.

È importante non confondere questo valore con la precisione.

La risoluzione indica quanto densamente possono essere acquisiti i punti sulla superficie; l’accuratezza descrive invece quanto la misura ottenuta si discosta dalla geometria reale dell’oggetto.

Per EinScan Trak SHINING 3D dichiara un’accuratezza volumetrica fino a 0,1 millimetri.

Questa distinzione permette anche di comprendere il posizionamento del prodotto. EinScan Trak è una piattaforma professionale orientata alla digitalizzazione, al design e al reverse engineering, mentre nel catalogo di SHINING 3D esistono sistemi della famiglia FreeScan Trak espressamente destinati alla metrologia industriale e caratterizzati da specifiche di accuratezza più spinte.

Un volume di tracking sufficiente per un’automobile

Il tracker può operare fino a circa quattro metri di distanza e SHINING 3D indica un volume di tracking che può raggiungere 15 metri cubi.

Il campo visivo massimo dichiarato in modalità tracking arriva a circa 4.796 × 4.174 millimetri alla distanza di quattro metri.

Sono dimensioni che rendono il sistema adatto alla scansione di automobili e altri oggetti di dimensioni comparabili.

Per strutture ancora più grandi, come imbarcazioni, sculture monumentali o impianti, il tracker può essere riposizionato.

SHINING 3D ha sviluppato a questo scopo procedure di acquisizione multistazione che permettono di estendere l’area coperta oltre quella visibile da una singola posizione.

Hybrid Leapfrog per spostare il tracker

La funzione denominata Hybrid Leapfrog permette di modificare la posizione del tracker durante un progetto.

Il principio è simile allo spostamento progressivo di una stazione di misura: una parte della scena già acquisita viene utilizzata per stabilire il riferimento della posizione successiva.

In questo modo l’operatore può procedere lungo un oggetto che supera il volume visibile da una singola stazione.

È proprio nelle acquisizioni di questo tipo che i marker possono tornare utili. SHINING 3D indica infatti Global Marker e Hybrid Leapfrog tra le soluzioni che possono migliorare la stabilità dell’allineamento quando un grande oggetto richiede più passaggi.

La capacità di funzionare senza marker va quindi considerata all’interno dell’intero flusso di acquisizione e non soltanto come caratteristica dello scanner.

Scanner portatile da meno di mezzo chilogrammo

La parte rimovibile del sistema pesa circa 480 grammi, mentre il tracker pesa circa 1,02 chilogrammi e il gruppo sferico completo circa 1,46 chilogrammi.

Una volta staccato dal supporto, lo scanner può quindi essere utilizzato come normale dispositivo portatile.

Secondo SHINING 3D, il passaggio tra le due configurazioni non richiede una nuova calibrazione completa.

Questo permette, per esempio, di iniziare un progetto con la configurazione tracking per acquisire rapidamente il volume complessivo di una macchina e successivamente rimuovere lo scanner per raggiungere un’area interna o un elemento meccanico poco accessibile.

I dati provenienti dalle differenti modalità possono essere inseriti nello stesso progetto e combinati dal software.

Un unico modello con zone a risoluzione differente

Un altro elemento utile riguarda la possibilità di lavorare con risoluzioni differenti nello stesso progetto.

Non tutte le parti di un oggetto richiedono infatti la stessa quantità di dati.

Durante la scansione della carrozzeria di un’automobile può essere inutile acquisire ogni superficie con una distanza tra i punti di 0,05 millimetri. Una densità così elevata aumenterebbe la quantità di dati da elaborare senza necessariamente fornire informazioni utili.

Un piccolo elemento destinato al reverse engineering può invece richiedere un livello di dettaglio superiore.

EinScan Trak consente quindi di acquisire la geometria complessiva con una risoluzione più contenuta e aumentarla localmente nelle zone importanti.

La funzione Local Resolution permette di concentrare il dettaglio dove è effettivamente necessario.

Wi-Fi 6 e funzionamento realmente senza cavi

Il termine wireless riguarda anche l’alimentazione e la comunicazione.

EinScan Trak integra moduli Wi-Fi 6 e utilizza un router dedicato per creare la rete che collega tracker, scanner e computer.

Tracker e scanner dispongono inoltre di batterie proprie, quindi durante l’utilizzo wireless non richiedono un collegamento all’alimentazione elettrica.

SHINING 3D dichiara fino a 5,5 ore di autonomia per il sistema e prevede batterie sostituibili a caldo.

Questo è particolarmente importante nelle scansioni di grandi dimensioni. Eliminare il cavo che collega scanner e computer permette all’operatore di muoversi intorno a un’automobile o a un macchinario senza trascinare collegamenti USB o cavi di alimentazione.

Il funzionamento cablato rimane comunque disponibile quando è preferibile una connessione fisica.

Superfici nere, riflettenti e luce esterna

La digitalizzazione laser incontra tradizionalmente difficoltà con alcune tipologie di superficie.

Materiali molto scuri possono assorbire parte della luce proiettata, mentre superfici particolarmente riflettenti possono generare riflessi difficili da interpretare.

SHINING 3D dichiara che EinScan Trak è stato progettato anche per lavorare su materiali neri, superfici metalliche e componenti riflettenti come i cerchi automobilistici.

Il sistema è inoltre indicato per acquisizioni all’esterno con livelli di illuminazione fino a 110.000 lux.

Questo non elimina ogni problema possibile. La documentazione di SHINING 3D continua, per esempio, a raccomandare l’utilizzo di spray opacizzanti professionali nel caso di oggetti trasparenti o fortemente assorbenti come il vetro.

Anche in questo caso, quindi, la riduzione della preparazione non significa che ogni materiale possa essere scansionato nelle stesse condizioni.

Geometria e colore con una fotocamera da 5 megapixel

EinScan Trak non acquisisce soltanto la geometria.

Lo scanner incorpora due fotocamere di profondità da 2 megapixel e una fotocamera da 5 megapixel dedicata alle texture. Anche il tracker utilizza una fotocamera da 5 megapixel per le proprie funzioni di localizzazione.

L’acquisizione delle texture permette di associare ai dati geometrici informazioni cromatiche.

Questa funzione amplia le applicazioni oltre il reverse engineering meccanico.

Nel campo dei beni culturali, per esempio, può essere importante registrare contemporaneamente la forma tridimensionale e l’aspetto visivo di una scultura, di un rilievo o di un reperto.

Lo stesso vale per la creazione di contenuti destinati ad applicazioni AR e VR, archivi digitali, ricerca e visualizzazione.

Dalla scansione al reverse engineering

La scansione è soltanto la prima parte del processo.

Il risultato prodotto da uno scanner 3D è normalmente una nuvola di punti o una mesh. Per modificare industrialmente il componente può essere necessario trasformare questi dati in superfici e solidi CAD.

SHINING 3D propone per questo passaggio la famiglia software EXModel, destinata al reverse engineering.

Il software permette di utilizzare la mesh acquisita come base per ricostruire geometrie CAD modificabili.

È una fase fondamentale quando l’obiettivo non è semplicemente conservare una copia digitale dell’oggetto, ma produrre un nuovo componente, modificarne le dimensioni oppure creare un’attrezzatura che deve combaciare con una geometria esistente.

EXMeasure per confrontare scansione e modello CAD

EinScan Trak è inoltre abbinato a EXMeasure, software di SHINING 3D dedicato alla misurazione e al confronto dei dati.

EXMeasure permette di importare scansioni e modelli CAD, allinearli e generare mappe cromatiche delle deviazioni.

Una superficie può quindi essere confrontata con la geometria nominale e le differenze possono essere visualizzate attraverso colori differenti.

Il software supporta anche misure geometriche e alcune funzioni GD&T relative a caratteristiche quali planarità, parallelismo e cilindricità.

SHINING 3D include con EinScan Trak una licenza annuale di EXMeasure.

È però importante distinguere anche in questo caso la misurazione professionale dalla metrologia certificata di fascia superiore: EinScan Trak rimane posizionato nella gamma professionale EinScan, mentre SHINING 3D propone linee FreeScan dedicate alle applicazioni metrologiche industriali più esigenti.

Automotive e personalizzazione tra le applicazioni principali

Una delle applicazioni più immediate di EinScan Trak è il settore automobilistico.

La possibilità di acquisire rapidamente una carrozzeria senza ricoprirla di marker può facilitare la progettazione di paraurti, spoiler, componenti aerodinamici, elementi interni e accessori personalizzati.

Il sistema può essere utilizzato anche nel restauro, dove spesso occorre ricostruire un componente di cui non esiste più il modello CAD originale.

La scansione permette di ottenere la geometria del pezzo esistente e utilizzarla come base per il reverse engineering.

La stessa logica si applica alle imbarcazioni, alle macchine industriali e ai componenti prodotti in piccole serie.

Un vantaggio particolare per arte e beni culturali

La possibilità di evitare marker adesivi assume un significato differente quando l’oggetto da digitalizzare è un’opera d’arte.

Applicare riferimenti direttamente sulla superficie di un reperto storico, di una scultura o di una decorazione può essere sconsigliato o vietato.

Un sistema nel quale il riferimento ottico è collocato sullo scanner anziché sull’oggetto riduce quindi una delle operazioni più invasive della preparazione.

La fotocamera per le texture consente inoltre di conservare insieme forma e informazioni cromatiche.

Questo rende EinScan Trak utilizzabile non soltanto per la replica fisica, ma anche per catalogazione, restauro virtuale, documentazione, musei digitali e visualizzazione tridimensionale.

EinScan Trak non sostituisce tutti gli scanner di SHINING 3D

Il nuovo sistema non rappresenta necessariamente un sostituto dei precedenti scanner professionali e metrologici di SHINING 3D.

La gamma dell’azienda comprende prodotti progettati per esigenze differenti.

I sistemi FreeScan Trak Pro2, per esempio, sono orientati al controllo dimensionale e alla metrologia e raggiungono livelli di accuratezza dichiarata superiori rispetto a EinScan Trak.

Gli scanner EinScan portatili privilegiano invece una combinazione di facilità d’uso, qualità geometrica, colore e flessibilità.

EinScan Trak introduce in questa categoria il tracking ottico esterno e la possibilità di passare dalla scansione di un grande oggetto all’acquisizione portatile di un particolare utilizzando lo stesso scanner.

Il vero vantaggio è ridurre i cambi di attrezzatura

L’aspetto probabilmente più interessante di EinScan Trak non è quindi una singola specifica tecnica.

È la possibilità di affrontare all’interno dello stesso progetto fasi che normalmente potrebbero richiedere configurazioni differenti.

Il tracker permette di coprire rapidamente una superficie estesa. Lo scanner rimovibile può entrare in zone strette. Le linee laser incrociate privilegiano la velocità. Le sette linee parallele aumentano il dettaglio. La singola linea raggiunge le cavità. La fotocamera acquisisce le texture e il software riunisce dati raccolti a risoluzioni differenti.

Questo approccio può ridurre preparazione, cambi di macchina e riallineamenti dei dati.

La parte più significativa del nuovo EinScan Trak è quindi la ricerca di un compromesso tra portabilità, grande volume di acquisizione e dettaglio locale, mantenendo il flusso di lavoro all’interno di un unico sistema.

E il termine “senza marker”, pur richiedendo alcune precisazioni tecniche, identifica bene uno degli obiettivi perseguiti da SHINING 3D: spostare quanto più possibile il lavoro di localizzazione dall’oggetto all’apparecchiatura, lasciando all’operatore meno preparazione da eseguire prima di iniziare la digitalizzazione.

Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)