"È l'oggetto più grande che abbia mai scansionato!" Artec 3D scansiona un gigantesco motore a gas in Lussemburgo

La sfida: scansionare in 3D tutti i 26 metri del motore a gas d'altoforno più grande del mondo

La soluzione: Artec Leo, Artec Ray, Artec Studio

Il risultato: un modello 3D a grandezza naturale con 300 milioni di poligoni di un monumento nazionale da preservare digitalmente per le generazioni future.

I moderni scanner 3D di livello professionale possono catturare tutti i tipi di oggetti, da quelli minuscoli come una vite o un dente umano a quelli molto più grandi e complessi, inclusi veicoli, stanze o persino interi edifici. Puoi usarli comodamente dalla tua scrivania o portarli in luoghi remoti e lontani, anche dove non ci sono prese elettriche o connessioni Internet.

Non è sempre stato così, però. Fino a tempi molto recenti, gli scanner 3D potevano essere utilizzati solo all'interno, in determinate condizioni di illuminazione, con una fonte di alimentazione costante e un computer potente. Erano spesso ingombranti e pesanti, il che li rendeva difficili, se non impossibili, da manovrare durante la scansione. Ancor più problematico, tali scanner potevano catturare solo oggetti di dimensioni limitate, oggetti della dimensione di un soprammobile come un busto scultoreo o un vaso di fiori. Qualsiasi cosa più grande era troppo difficile, troppo dispendiosa in termini di tempo o semplicemente impossibile da scansionare.

Questa era la situazione in cui si è trovato il team del centro scientifico del Lussemburgo nel 2016 quando ha deciso di digitalizzare uno dei monumenti nazionali lussemburghesi chiamato "Groussgasmaschinn", il motore a gas d'altoforno più grande del mondo. Per trovare il modo migliore per catturare un oggetto tanto grande, hanno contattato gli esperti di scansione 3D presso la sede di Artec 3D in Lussemburgo.

Motore a gas n. 11

Costruito nel 1938 da Ehrhardt & Sehmer, il Groussgasmaschinn è il più grande motore a gas mai costruito

Costruito nel 1938 dall'azienda manifatturiera tedesca Ehrhardt & Sehmer per ordine di un consorzio franco-belga chiamato "Hauts-fourneaux et Aciéries de Differdange, St-Ingbert & Rumelange" (HADIR), il Groussgasmaschinn è così grande che potrebbe contenere un intero campo da tennis ed avere ancora spazio per qualcos'altro. È lungo 26 metri, largo 10,5 metri e alto 6,5 metri, pesa 1.100 tonnellate ed è in grado di produrre 11,000 cavalli, o fino a 7000 kilowatt. Ha quattro cilindri, ciascuno dei quali aveva una capacità di 3.000 litri, e un volano da 11 metri e 150 tonnellate, che ruotava a 94 giri/min. Il motore era azionato da 12 lavoratori per turno e durante la sua vita (1942-1979) ha prodotto più di 6.000 kW di potenza dal gas di altoforno (un prodotto di scarto generato dalla combustione del coke negli altiforni).

Il Groussgasmaschinn nell'impianto di gas di Differdange nel 1940. Foto per gentile concessione del Luxembourg Science Center

Situato a Differdange, la città industriale del Lussemburgo a 27 chilometri a sud-ovest della città di Lussemburgo, in un ex impianto di produzione di acciaio attualmente di proprietà della società mineraria e siderurgica leader mondiale ArcelorMittal, questo capolavoro industriale da 1.100 tonnellate rappresenta l'ultimo testimone di un ormai passata epoca d'oro per l'industria siderurgica lussemburghese.

Era una di 14 macchine a gas di varie dimensioni e potenza installate nello stabilimento di motori a gas di Differdange tra il 1896 e gli anni '40, dove la Groussgasmaschinn era la più grande. Il motore fu installato e messo in funzione a pieno regime nel maggio 1942, due anni dopo l'occupazione del Granducato di Lussemburgo da parte della Germania durante la seconda guerra mondiale. Nonostante l'occupazione nazista non ci furono interruzioni del servizio, bombardamenti o esplosivi piazzati nelle vicinanze dell'impianto di gas per tutta la guerra. E alla fine della guerra, il motore a gas era ancora intatto.

Il motore non era solo il più grande mai costruito, ma probabilmente anche uno degli ultimi, a causa dell'emergere di turbine a vapore più efficienti e facilmente disponibili. Dopo la sua chiusura nel 1979, il Groussgasmaschinn è rimasto abbandonato per quasi 30 anni. È riemerso dall'oblio nel 2007, quando il Ministero della Cultura del Lussemburgo lo ha designato Monumento Nazionale degno di conservazione e restauro. Grazie al supporto dell'Associazione Groussgasmaschinn (successivamente evoluta nel Centro Scientifico del Lussemburgo) e di una società privata denominata “GGM11” che è stata sponsor del progetto, i lavori di restauro sono iniziati cinque anni dopo, nel 2012, e sono tuttora in corso.

Fu durante questo periodo che il Centro sviluppò l'idea di non semplicemente riportare il gigantesco motore in condizioni presentabili, ma anche di preservarlo digitalmente per le generazioni future. Nel 2016 hanno contattato Artec 3D in Lussemburgo, ma anche la migliore tecnologia di scansione disponibile all'epoca non era in grado di catturare qualcosa di così grande. Qualche anno dopo, e con nuove opzioni di scansione 3D sviluppate e disponibili, Artec era ormai pronta per scansionare un oggetto enorme come quello.

"Volevamo scansionare questo motore da molto tempo e siamo lieti che la tecnologia sia finalmente all’altezza del compito. Non esiste un altro motore a gas come questo ed è fondamentale catturarlo nello stato attuale", ha affermato Nicolas Didier, presidente e direttore generale del Centro Scientifico del Lussemburgo.

"Questi dati non solo possono aiutarci con il processo di restauro, dandoci la possibilità di ricreare alcune parti ed elementi mancanti dalle scansioni 3D, ma sono anche un ottimo modo per mostrare il GGM11 ai nostri visitatori remoti e dimostrare il potenziale di tecnologie innovative come la scansione 3D, che prevediamo di introdurre come materia di insegnamento al Centro entro la fine dell'anno."

Scansionare in grande

"È l'oggetto più grande che abbiamo mai scansionato! E molto più grande di quanto mi aspettassi", ha affermato Vadim Zaremba, Deployment and Technical Support Engineer presso Artec 3D, quando ha visitato per la prima volta l'impianto di gas per valutare la portata del lavoro nel novembre 2020. Dopo aver esaminato il motore a gas e aver superato tutte le procedure di sicurezza richieste all'inizio del 2021, Vadim è tornato all'impianto di gas con il suo collega, lo specialista del supporto tecnico Raul Monteiro, e tutta l'attrezzatura necessaria.

Come nella maggior parte dei casi, le dimensioni e la complessità dell'oggetto determinano gli scanner da utilizzare. Artec Ray è stato scelto come scanner principale per l'acquisizione dell'intero motore, grazie alla sua capacità di scansionare oggetti di grandi dimensioni a distanza con una precisione submillimetrica, mentre Artec Leo, uno scanner 3D portatile wireless, è stato scelto come secondo dispositivo, data la sua capacità di catturare alti livelli di dettaglio dalle parti più piccole e dalle sezioni del motore.

"GGM11 non è solo l'oggetto più grande che abbiamo mai scansionato, ma è anche uno dei più complessi", ha aggiunto Zaremba. "Ha molte cavità e punti difficili da raggiungere, ecco perché avere due scanner in grado di catturare sia l'intera macchina che le sue parti più piccole in alta definizione (e con due persone che li operavano) era essenziale."

Le dimensioni e la complessità dell'oggetto hanno determinato gli scanner da utilizzare: Artec Ray e Artec Leo

Il piano era in primo luogo scansionare il motore con Ray da tutte le angolazioni possibili, per catturare l'intero oggetto, quindi tornare indietro e scansionare tutte le sezioni mancanti, più piccole e difficili da raggiungere, con Leo. Poiché Ray stava scansionando alla massima risoluzione (densità di punti), per risparmiare tempo, il team ha deciso di dividersi. Zaremba posizionava Ray in varie posizioni, con una particolare angolazione, da 5 a 15 metri di distanza dal motore, mentre Monteiro scansionava le sezioni più piccole del motore (che non erano nel campo visivo di Ray) con Leo. Quindi Zaremba passava al punto successivo, e Monteiro lo seguiva lungo lo stesso percorso.

Mentre Ray scansiona silenziosamente il motore, Zaremba si allontana per un minuto o due per scansionare le sezioni più piccole da vicino con Leo

Uno dei compiti più impegnativi è stato quello di scansionare il motore dall'alto. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha dovuto salire su un ponte speciale costruito negli anni '40 e '50, che presenta una cabina sospesa a 10 metri dal pavimento, il punto ideale per scansionare il motore da più angolazioni. Più facile a dirsi che a farsi. Il ponte era vecchio e instabile e, sotto il peso di due persone più uno scanner 3D, una tale base non era l'ideale per la creazione di scansioni di alta qualità. Per garantire che i dati di scansione fossero impeccabili, Zaremba e Monteiro hanno dovuto rimanere completamente fermi per diversi minuti mentre lo scanner faceva il suo lavoro.

Nel complesso, il team ha impiegato quattro giorni lavorativi per completare il progetto, con turni di scansione attiva da tre a quattro ore ogni giorno. Il motore è stato scansionato da 18 diverse angolazioni con Artec Ray, che sono state successivamente combinate in Artec Studio con altre 67 scansioni effettuate con Artec Leo. La dimensione finale del progetto è stata di 186 GB in totale, con 170 GB di scansioni Leo e 16 GB di scansioni Ray.

Potente elaborazione

L'elaborazione di un oggetto grande come questo era di per sé una sfida. Per assicurarsi che tutti i dati venissero elaborati correttamente, l'ingegnere del supporto tecnico Artec 3D Dmitry Potoskuev ha suddiviso il processo in diversi passaggi:

ha iniziato dai dati di Ray. Ha ripulito i dati rimuovendo tutti gli oggetti non necessari che lo scanner aveva raccolto durante la scansione del motore (usando lo strumento Gomma), come parti dell'edificio dell'impianto di gas, finestre, muri e varie altre apparecchiature attorno al GGM11.

Quindi si è concentrato sull'unificazione dei dati del volano e di altre parti in tutte le 18 scansioni cancellando dati specifici da alcuni fotogrammi utilizzando lo strumento Gomma. Ciò è stato necessario perché diverse scansioni sono state eseguite in giorni diversi e la posizione del volano e di alcune altre parti è cambiata alcune volte quando il motore è stato acceso dal personale del GGM11 per delle dimostrazioni. Ciò avrebbe potuto comportare alcune discrepanze se tali scansioni fossero state semplicemente unite insieme così com'erano.

In seguito, tutte le scansioni Ray hanno superato la registrazione globale per essere registrate tra loro. Quindi ciascuna delle 18 scansioni è stata elaborata in mesh utilizzando l'algoritmo "Ray scan triangolation" con lunghezza del bordo del poligono (max) di 10 mm. Ciò è stato fatto per filtrare tutte le superfici con una grande distanza tra i vertici e, di conseguenza, per ottenere una superficie più dettagliata e pulita in seguito. Successivamente, tutte le 18 mesh triangolari sono state elaborate utilizzando l'algoritmo Sharp Fusion per creare una singola mesh, nota anche come "scheletro" del modello del motore.

Il passo successivo è stato aggiungere tutti i dettagli catturati con Leo. A causa delle dimensioni di tutti i dati (170 GB), Potoskuev ha suddiviso il processo in diversi passaggi.

Innanzitutto, ha duplicato e bloccato la mesh Ray originale. La copia duplicata è stata semplificata a 5-10 milioni di poligoni e anche bloccata. Ciò è stato fatto per accelerare il processo di registrazione successivo. Successivamente, ha caricato tutte le scansioni Leo (divise in 17 gruppi durante la scansione) nel progetto Ray duplicato e ciascuna di esse è stata registrata con il progetto Ray semplificato separatamente per un allineamento dei dati di qualità superiore.

Dopo che tutte le scansioni Leo sono state registrate, Potoskuev ha selezionato la mesh originale di Ray e 4-5 scansioni di Leo registrate grezze e ha applicato l'algoritmo Sharp Fusion per creare una nuova mesh. Ha ripetuto il processo fino a quando tutte le scansioni Leo sono state elaborate con la mesh Ray originale in una mesh finale del motore a gas.

La mesh finale consisteva di circa 350 milioni di poligoni, che sono stati poi ridotti a 10 milioni di poligoni per un'ulteriore post-elaborazione, utilizzando funzionalità come gli strumenti di chiusura fori, leviga e ponti. Il tempo totale di elaborazione per il più grande motore a gas mai costruito? Tutto fatto in due settimane, o 80 ore di tempo effettivo.

Il modello 3D poligonale finale del Groussgasmaschinn

Parlando di alcune delle sfide che ha dovuto affrontare mentre lavorava al modello, Potoskuev ha affermato: "Il tempo è stata sicuramente la sfida più grande. Questo progetto era così grande che non solo la scansione e l'elaborazione richiedevano molto tempo, ma il trasferimento dei dati dagli scanner al computer, e quindi in Artec Studio, poteva richiedere fino a 5-6 ore... solo per il trasferimento! Stiamo parlando di quasi 200 gigabyte di dati: è sicuramente l'oggetto più grande e dispendioso in termini di tempo che abbiamo mai elaborato."

Ma come per le cose migliori, la pazienza ripaga. "Non ho mai lavorato a un progetto così imponente", ha detto Potoskuev. "È sorprendente che con la tecnologia di scansione 3D di cui disponiamo oggi, qualcosa di così vasto e inaccessibile sia stato digitalizzato fin nei minimi dettagli."

Dagli anni '40 fino agli anni '20, il Groussgasmaschinn ha ottenuto un seconda vita grazie alla potenza delle tecnologie di scansione 3D

Il risultato finale

Anche se questo enorme compito è ora completato, la storia del motore è tutt'altro che conclusa.

"Con questo gigantesco motore scansionato in 3D, possiamo utilizzare questi dati per ripristinare alcune parti mancanti e conservarlo nel suo stato attuale, e anche se perdesse la sua forma con il tempo, possiamo comunque rivolgerci a questo modello 3D e mostrarlo ai nostro futuri visitatori e utilizzarlo per scopi di restauro", ha affermato Nicolas Didier, Presidente e Direttore Generale del Centro Scientifico del Lussemburgo.

"Speriamo di terminare il rinnovamento del motore entro il 2027-28 e di renderlo parte integrante del Centro Scientifico, una delle stazioni interattive che i nostri visitatori potranno non solo vedere, ma anche con cui interagire. E con i due Leo che abbiamo acquistato all'inizio di quest'anno per il nostro programma Future Skills, i nostri studenti e il personale saranno in grado di scansionarlo in 3D da soli!

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