"¡El objeto más grande que hemos escaneado!" Artec 3D escanea un enorme motor de gas en Luxemburgo.

El reto: Escanear en un alto horno un motor de gas de 26 metros, el más grande del mundo

La solución: Artec Leo, Artec Ray, Artec Studio

El resultado: Un modelo 3D a tamaño real de 300 millones de polígonos de un monumento nacional con el fin de preservarlo digitalmente para las generaciones futuras.

Los actuales escáneres 3D profesionales pueden capturar todo tipo de objetos, desde cosas diminutas como un tornillo o un diente humano hasta objetos mucho más grandes y complejos, como por ejemplo vehículos, habitaciones o incluso edificios enteros. Se pueden utilizar desde una cómoda mesa de trabajo o hasta llevarlos a lugares lejanos y remotos, donde no hay electricidad ni conexión a Internet.

Sin embargo, no siempre ha sido así. Hasta hace muy poco, los escáneres 3D sólo se podían usar en interiores, bajo ciertas condiciones de iluminación, con una corriente eléctrica estable y un potente ordenador. Solían ser grandes y pesados, lo que dificultaba, o incluso impedía, su manejo durante el escaneo. Y lo que es más importante, estos escáneres sólo podían capturar objetos con un tamaño limitado: algo que pudiera caber en la mesa, como una escultura o una maceta. Todo lo que fuera más grande era muy difícil, requería demasiado tiempo o simplemente era imposible de escanear.

En esa situación se encontraba el equipo del Centro Científico de Luxemburgo en 2016, cuando decidieron digitalizar uno de los monumentos nacionales de Luxemburgo llamado "Groussgasmaschinn" ("motor de gas de alto horno"), el más grande del mundo. Para hallar la mejor manera posible de capturar un objeto tan grande como éste, acudieron a los expertos en escaneo 3D de la sede de Artec 3D en Luxemburgo.

Motor de gas nº11

Construido en 1938 por Ehrhardt & Sehmer, el Groussgasmaschinn es el mayor motor de gas jamás construido

Construido en 1938 por la empresa alemana Ehrhardt & Sehmer por encargo de un consorcio franco-belga llamado "Hauts-fourneaux et Aciéries de Differdange, St-Ingbert & Rumelange" (HADIR), el Groussgasmaschinn es tan grande que podría contener una pista de tenis entera. Mide 26 metros de largo, 10,5 de ancho y 6,5 de alto, pesa 1.100 toneladas y es capaz de producir 11.000 caballos de potencia, es decir, hasta 7.000 kilovatios. Tenía cuatro cilindros, cada uno de los cuales tenía una capacidad de 3.000 litros, y un volante de inercia de 11 metros y 150 toneladas, que giraba a 94 RPM. El motor era operado por 12 trabajadores por turno, y durante su vida útil (1942-1979) produjo más de 6.000 kW de potencia a partir de gas de alto horno (un producto de desecho generado por la combustión del combustible de coque en los altos hornos).

El Groussgasmaschinn en la planta de gas de Differdange en 1940. Fotografía cedida por el Centro de Ciencias de Luxemburgo.

Situada en Differdange, una localidad industrial situada a 27 kilómetros al suroeste de la ciudad de Luxemburgo, en una antigua planta de producción de acero que actualmente es propiedad de la empresa siderúrgica y minera líder en el mundo, ArcelorMittal, esta obra maestra industrial de 1.100 toneladas es el último testigo de una época dorada de la industria siderúrgica luxemburguesa.

Fue una de las otras 14 máquinas de gas de diferentes tamaños y potencias instaladas en la fábrica de motores de gas de Differdange entre 1896 y la década de los 40, siendo la Groussgasmaschinn la más grande. La máquina se instaló y se puso en marcha en mayo de 1942, dos años después de que el Gran Ducado de Luxemburgo fuera ocupado por Alemania durante la Segunda Guerra Mundial. A pesar de la ocupación nazi el servicio no se interrumpió, ni hubo bombardeos, ni se colocaron explosivos en las inmediaciones de la Planta de Gas durante toda la guerra. Al final de la guerra, el motor de gas quedó intacto.

La máquina no sólo es la más grande, sino que probablemente sea una de las últimas construidas, debido a la aparición de turbinas de vapor más eficientes y fáciles de conseguir. Tras su cierre en 1979, la Groussgasmaschinn permaneció abandonada durante casi 30 años. En 2007 resurgió del olvido cuando el Ministerio de Cultura de Luxemburgo la designó Monumento Nacional digno de ser conservado y restaurado. Gracias al apoyo de la Asociación Groussgasmaschinn (que posteriormente se convirtió en el Centro de Ciencias de Luxemburgo) y de una empresa privada llamada "GGM11", que actuó como patrocinadora del proyecto, las obras de restauración comenzaron cinco años después, en 2012, y todavía continúan.

En ese momento, el Centro pensó no sólo en restaurar el gigantesco motor, sino también en preservarlo digitalmente para las generaciones futuras. En 2016 contactaron a Artec 3D en Luxemburgo, pero aún la tecnología de escaneo existente no era capaz de capturar algo tan grande. Unos años más tarde, con nuevas opciones de escaneo 3D disponibles en el mercado, el Centro ha desarrollado una nueva forma de escanear el motor. Fue unos años después, tras el desarrollo y la disponibilidad de nuevas opciones de escaneo 3D, cuando Artec estuvo listo para escanear un objeto tan grande como este.

"Llevamos mucho tiempo queriendo escanear este motor, y nos alegra que por fin exista la tecnología necesaria. Este motor de gas es único y es importante captarlo en su estado actual", afirma Nicolas Didier, presidente y director general del Centro Científico de Luxemburgo.

"Estos datos no sólo pueden ayudarnos en el proceso de restauración pudiendo reconstruir algunas partes y piezas que faltan a partir de escaneos 3D, sino que también es una gran manera de mostrar GGM11 a nuestros visitantes a distancia, así como de demostrar el potencial de tecnologías tan innovadoras como el escaneo 3D, que estamos pensando en presentar y enseñar en el Centro a finales de este año".

Escaneando a lo grande

"¡Es el objeto más grande que hemos escaneado! Y es mucho más grande de lo que esperaba", dijo Vadim Zaremba, Ingeniero de Despliegue y Soporte Técnico de Artec 3D, cuando visitó por primera vez la planta de gas para evaluar el alcance del trabajo que iba a realizar en noviembre de 2020. Después de examinar el motor de gas y pasar todos los controles necesarios a principios de 2021, Vadim regresó a la Planta de Gas con su compañero, el Especialista en Soporte Técnico Raul Monteiro, y todo el equipo necesario.

Como casi siempre, el tamaño y la complejidad del objeto determinan los escáneres que se van a utilizar. Se optó por Artec Ray como escáner principal, para el cuerpo del motor, por su potencial para escanear objetos grandes a distancia con una precisión submilimétrica, y el Artec Leo como dispositivo secundario, un escáner 3D portátil e inalámbrico, elegido específicamente para capturar gran cantidad de detalles de piezas y secciones más pequeñas del motor.

“El GGM11 no sólo es el objeto más grande que hemos escaneado, sino también uno de los más complejos", añadió Zaremba. "Tiene muchas cavidades y zonas de difícil acceso, por eso era esencial contar con dos escáneres que pudieran capturar tanto la máquina entera como sus partes más pequeñas en alta definición (y con dos operarios…)”.

El tamaño y la complejidad del objeto determinan los escáneres a utilizar: Artec Ray y Artec Leo

En primer lugar, el plan consistía en escanear el motor con Ray desde todos los ángulos posibles, para capturar todo el objeto, y después volver a escanear con Leo cualquier zona que faltara, más pequeña o de difícil acceso. Como Ray estaba escaneando a máxima resolución (densidad de puntos), para ahorrar tiempo, el equipo decidió dividirse. Zaremba colocaba a Ray en varios lugares, en un ángulo determinado, a una distancia de entre 5 y 15 metros del motor, mientras Monteiro escaneaba secciones más pequeñas del motor (que no estaban en el campo de visión de Ray) con Leo. Luego Zaremba se movía al siguiente punto, y Monteiro le seguía, siguiendo la misma ruta.

Mientras Ray escanea en silencio el motor, Zaremba se aleja para escanear de cerca las partes más pequeñas con Leo

Una de las mayores dificultades era la de escanear el motor desde arriba. Para ello, el equipo tuvo que subirse a un puente construido en la década de los 40, que cuenta con una cabina colgada a 10 metros del suelo, siendo éste el único lugar para escanear el motor desde múltiples ángulos. Esto era más fácil de decir que de hacer. El puente era viejo e inestable, y bajo el peso de dos personas más un escáner 3D, tal base no era propicia para crear escaneos de alta calidad. Para asegurarse de que los datos escaneados eran impecables, Zaremba y Monteiro tuvieron que permanecer completamente quietos durante varios minutos mientras el escáner hacía su trabajo.

En total, el equipo tardó cuatro días de trabajo en completar el proyecto, con turnos de tres a cuatro horas de escaneo activo cada día. El motor fue escaneado desde 18 ángulos diferentes con Artec Ray, y posteriormente se combinaron en Artec Studio con 67 escaneos más realizados con Artec Leo. El tamaño final del proyecto fue de 186 GB en total, con 170 GB de escaneos de Leo y 16 GB de escaneos de Ray.

Un procesamiento potente

Procesar un objeto tan grande fue un reto por sí solo. Para garantizar que todos los datos se procesaran correctamente, el ingeniero de soporte técnico de Artec 3D, Dmitry Potoskuev, dividió el proceso en varios lotes:

Primero comenzó con los datos de Ray. Limpió los datos eliminando todos los elementos innecesarios que el escáner había detectado al escanear el motor (utilizando la herramienta Borrador), como partes del edificio de la planta de gas, ventanas, paredes y otras máquinas alrededor del GGM11.

A partir de ahí, se enfocó en unificar los datos del volante de inercia y otras partes en los 18 escaneos, borrando datos específicos de algunos fotogramas con la herramienta Borrador. Era necesario hacerlo porque varios escaneos se hicieron en días diferentes, y la posición del volante y algunas otras piezas cambiaban cuando el personal del GGM11 encendía el motor para hacer demostraciones. Eso podría dar lugar a desajustes si esos escaneos se fusionaran tal cual.

A continuación, todos los escaneos de Ray se sometieron al Registro Global para ser registrados entre sí. A continuación, se procesaron cada uno de los 18 escaneos en mallas utilizando el algoritmo de "Triangulación de escaneo de Ray" con una longitud de borde de polígono (máx.) de 10 mm. Esto se hizo para filtrar todas las superficies con una gran distancia entre los vértices, y como resultado, para obtener una superficie más detallada y limpia después. A continuación, las 18 mallas trianguladas se procesaron mediante el algoritmo Sharp Fusion para crear una única malla, también conocida como "esqueleto" del modelo del motor.

El siguiente paso fue añadir todos los datos capturados con Leo. Debido al tamaño de todos los datos (170 GB), Potoskuev dividió el proceso en varios pasos.

Primero, duplicó y bloqueó la malla original de Ray. La copia duplicada se simplificó a entre 5 y 10 millones de polígonos y también se bloqueó. Esto se hizo para acelerar el posterior registro. A continuación, cargó todos los escaneos de Leo (divididos en 17 grupos durante el escaneo) en el proyecto Ray duplicado, y cada uno de ellos se registró en el proyecto Ray simplificado por separado para lograr una mejor alineación de los datos.

Una vez registrados todos los escaneos de Leo, Potoskuev seleccionó la malla original de Ray y 4-5 escaneos de Leo registrados sin procesar, y aplicó el algoritmo Sharp Fusion para crear una nueva malla. Repitió el proceso hasta que todos los escaneos Leo se procesaron con la malla Ray original en una malla final del motor de gas.

La malla final tenía unos 350 millones de polígonos, que se redujeron a 10 millones de polígonos para su procesamiento posterior, utilizando funciones como las herramientas de relleno de agujeros, el pincel de suavizado y los puentes. ¿Qué tiempo de procesamiento se empleó en el mayor motor de gas jamás construido? En dos semanas, es decir, 80 horas de trabajo.

El modelo 3D poligonal terminado del Groussgasmaschinn

En cuanto a algunos de los desafíos a los que se enfrentó mientras trabajaba en el modelo, Potoskuev dijo: "El tiempo fue definitivamente el mayor desafío. Este proyecto era tan grande que no sólo el escaneo y el procesamiento llevaron mucho tiempo, sino que la transferencia de los datos de los escáneres al computador, y luego a Artec Studio, podía llevar hasta cinco o seis horas... ¡sólo para la transferencia! Estamos hablando de casi 200 gigabytes de datos, es el objeto más grande y que más tiempo nos ha llevado procesar, sin niguna duda".

Pero, como ocurre con las cosas buenas, la paciencia tiene su recompensa. "Nunca he trabajado en un proyecto tan grande como éste", dice Potoskuev. "Es impresionante haber podido escanear algo tan grande e inaccesible, hasta el más mínimo detalle, con la tecnología de escaneo 3D que tenemos hoy en día".

Desde la década de 1940 hasta la de 2020, el Groussgasmaschinn recibe un nuevo impulso gracias al poder de las tecnologías de escaneo 3D

El resultado final

Aunque esta enorme tarea ya ha terminado, la historia de este motor está lejos de acabar.

" Gracias al escaneo en 3D de este gigantesco motor, podemos usar los datos para restaurar algunas partes que faltan y conservarlo en su estado actual, de modo que, aunque se deteriore con el paso del tiempo, podemos recurrir a este modelo en 3D y mostrarlo a nuestros futuros visitantes, así como utilizarlo con fines de restauración", afirma Nicolas Didier, presidente y director General del Centro de Ciencias de Luxemburgo.

"Esperamos terminar de renovar el motor para 2027-28 y convertirlo en una parte integral del Centro de Ciencias, una de las estaciones interactivas que nuestros visitantes no solo pueden ver, sino también interactuar con él. Y con los dos Leos que compramos a principios de este año para nuestro programa Future Skills, ¡nuestros estudiantes y personal podrán escanear en 3D por su cuenta!"

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