L attenzione verso le cose del passato è sempre più

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1 La gestione della geometria tridimensionale di n oggetto È fondamentale per ogni simlazione nmerica Antonio Giogoli Agiotech Le capacità odierne dell ingegneria inversa aprono novi confini all analista nmerico (FEM o CFD) che pò offrire il proprio contribto anche a chi non possiede n modello 3D dell oggetto da analizzare. In qesto articolo si parla di n applicazione n po particolare di qeste tecniche che dà bene l idea della loro potenzialità L attenzione verso le cose del passato è sempre più presente nella nostra vita e le atomobili da corsa non fanno certo eccezione; anzi, gli appassionati di ato sono sempre stati grandi cltori del vintage, anche prima che qesto diventasse così di attalità come ora. E la simlazione nmerica ha potenzialità infinite da qesto pnto di vista perché consente (lo dice il nome stesso) di simlare qello che non c è più e si possono rivivere, simlandole, le scelte tecniche fatte a so tempo e ripercorrere le strade intraprese dai progettisti. La simlazione nmerica necessita della geometria, del modello 3D da ci partire e qesto è difficile da conciliare con oggetti del passato la ci caratteristica è proprio qella di essere scarsamente docmentati e - sicramente - mai dotati di modelli solidi 3D. Allora come fare? Sono difficoltà insormontabili? E qi entriamo nel merito di qesto articolo nel qale ci proponiamo di parlare di ingegneria inversa ( reverse engineering ) ovvero di qelle tecniche, basate s principi ottici, che riescono a digitalizzare gli oggetti reali per importarli in forma matematica in n compter. E lo facciamo prendendo a esempio qesta applicazione n po particolare, ma interessante. Si dice ingegneria inversa perché va dall oggetto al progetto e non viceversa, come accade nell ingegneria tradizionale, e nel campo della ricerca storica qeste tecniche hanno potenzialità enormi perché permettono di ricostrire le informazioni relative ad n componente, sia per ricostrirlo che per stdiarlo con finalità di ricerca, anche qando qesto componente non è dotato di n disegno o di na qalche forma di descrizione tecnica. In campo atomobilistico, ltimamente la disponibilità a&c - analisi e calcolo marzo/aprile nm. 55 1

2 reverse engineering Fig. 1 La Ford GT40, in scala 1:43 a sinistra, e la matematica della sa sperficie, a destra, importata nel compter Fig. 2 - Il sensore Atos III di GOM, basato slla lce strttrata, assicra rilievi rapidi e precisi si componenti fisici. Fig. 3 Il formato STL contiene, in pratica, l insieme dei pnti acqisiti in na nvola che è il risltato del campionamento della sperficie a&c - analisi e calcolo marzo/aprile nm. 55 2

3 di modelli in scala di indbbia qalità si presta anche a lavori interessanti lavorando sl modello, senza il bisogno di digitalizzare la macchina reale. È stato anche scritto n articolo s qesto tipo di stdi presentato addirittra a n congresso scientifico il che ha, in n certo senso, nobilitato qesta attività. Sono passate da Agiotech, ttte in scala 1:43, la Ferrari B3 Spazzaneve, na Ford GT40 (figra 1), na Osella PA4 del 1976 ed na Abarth 1000 TCR, ttte sate per lavori di simlazione, ma anche il cilindro di na Cadillac del 1907, qest ltimo sato per ricostrire il so gemello distrtto dal tempo. Il metodo è basato sl sensore ottico-topometrico ATOS di GOM (figra 2) che permette di rilevare con estrema precisione il componente fisico, grazie alla possibilità di acqisire 5 milioni di pnti in meno di 10 secondi. La zona di misrazione pò andare da pochi centimetri qadrati e pò arrivare a sperfici di diverse centinaia di metri di lato con precisione che pò arrivare al centesimo di millimetro, ed esiste anche n modello portatile da n operatore in grado di rilevare tranqillamente oggetti interi (ad esempio n atomobile reale) fino a piccole aree rbane. Il formato STL del file che viene generato contiene, in pratica, l insieme dei pnti acqisiti (figra 3) ed è necessario n minimo post-processing per costrire le sperfici matematiche si pnti acqisiti. Qesto secondo file è n file CAD tridimensionale standard che pò essere in formato IGS o STP o n qalsiasi formato proprietario del software tilizzato per generare le sperfici (ad sempio PRT per n file prodotto in ambiente Unigraphics). A qesto pnto la reverse engineering esce di scena perché ormai abbiamo il modello 3D e dobbiamo gestirlo per gli scopi prefissati. Nel caso in qestione lo scopo è di stdio ed il modello è stato passato ad n software di calcolo flidodinamico (nella fattispece STAR-CCM+ di CD-adapco). Per il calcolo flidodinamico il solido deve essere perfettamente sigillato senza sperfici sovrapposte, bchi, fessre e via discorrendo. La sddivisione del lavoro di plizia della sperficie tra l ambiente di disegno che ha generato le sperfici e l ambiente di calcolo è n argomento di grande attalità in ttte le aziende che fanno attività di calcolo nmerico, anche perché coinvolge risorse di esperienza diversa: da n lato il disegnatore CAD e dall altro lo specialista di calcolo (CFD o FEM), ed il limite di dove finisce il lavoro del primo e comincia qello del secondo deve essere valtato attentamente caso per caso. Va detto che i ttti i codici di calcolo hanno, al loro interno, fnzionalità cosiddette di wrapping (figra 4) ovvero simlano qello che si farebbe in pratica sll oggetto fisico se lo si avvolgesse con na sottile pellicola di plastica molto aderente che, atomaticamente, ne segirebbe la forma chidendo le fessre ed i bchi e smorzando i dettagli più piccoli che, difatti, non servono per i calcoli nmerici (sopratttto se si tratta di calcoli flidodinamici CFD). E qesto sposta l ago della bilancia di coli che deve chidere la sperficie verso lo specialista di calcolo nmerico che dispone di strmenti più avanzati per qesto scopo. Come si vede, la gestione di na geometria a scopi di calcolo nmerico non è difficile ma richiede alcni accorgimenti pratici. Più in generale dal pnto di vista dell analista (sia a&c - analisi e calcolo marzo/aprile nm. 55 3

4 reverse engineering Fig. 4 Il processo di wrapping simla per via nmerica na pellicola molto sottile che avvolgesse l oggetto per ricalcarne la forma chidendo i bchi, saldando i bordi non perfettamente coincidenti (a sinistra) e smssando atomaticamente i dettagli molto piccoli che, difatti, non servono per il calcolo, sopratttto se si tratta di na simlazione flidodinamica CFD (a destra il mso di n Osella PA4 stdiata recentemente per prodrre n articolo sgli inizi dell effetto solo nelle vettre a rote coperte) Fig. 5 La sperficie ricostrita (in qesto caso qella dell Abarth100 TCR ) si pnti generati dalla scansione è pronta per passare in ambiente CFD dove contina l opera di plizia, di chisra fessre e di sanamento delle imperfezioni prima di generare la griglia di calcolo. Un controllo con i dati disponibili in letteratra è sempre aspicabile considerando che si è partiti da n modellino in scala seppre speciale da collezione. a&c - analisi e calcolo marzo/aprile nm. 55 4

5 ll recpero della forma di oggetti esistenti pò servire anche ad altri scopi oltre qello di poterci fare n calcolo come descritto nell articolo. Si possono, ad esempio, riprodrre parti danneggiate per n restaro (il modello di n cilindro danneggiato pò essere derivato da qelli rimasti integri) oppre scalare oggetti in scala ridotta, generati comodamente in laboratorio, alle dimensioni reali del pezzo finito che pò essere diversi ordini di grandezza più grande. Nel campo dello stile si possono rilevare i modelli realizzati dai designers, molti dei qali trovano ancora più tile lavorare a mano s n modello di legno e gesso per scolpire le forme in modo più natrale di qanto si farebbe all interno del compter. Le applicazioni sono, evidentemente, infinite. Una stata, generata dall atore s n modello in scala, e scalata alle dimensioni reali dopo aver importato la sa forma nel compter. A sinistra la scansione STL, al centro le sperfici ricostrite si pnti del file STL ed a destra l oggetto finale fresato dal pieno a&c - analisi e calcolo marzo/aprile nm. 55 5

6 esso no strttrista esperto di FEM o n flidodinamico esperto di CFD) le possibilità offerte dal reverse engineering di trasferire oggetti fisici reali all interno di n compter in forma matematica è molto importante perché estende in misra notevole la possibilità per li di svolgere il so lavoro in n nmero sempre crescente di circostanze facendo calcoli s oggetti esistenti fisicamente senza la disponibilità di n modello 3D molto sofisticato dell oggetto. Tornando al lavoro di ricerca storica che è l argomento di qesto articolo, va precisato che dopo la scansione la geometria viene tarata con le informazioni disponibili in letteratra e, qando possibile, con rilievi fatti slla vettra vera (figra 5) e, dopo lo stdio, si cerca anche di chidere il cerchio con il progettista stesso per approfondire lteriormente l aspetto di ricerca perché lo scopo non è certo far vedere qanto saremmo bravi oggi a rifare lo stesso progetto ma, pittosto, di capire e far capire la storia ed i soi perché. a&c - analisi e calcolo marzo/aprile nm. 55 6