Masz skaner 3D? Zobacz, co tracisz bez dobrego CAD-a!

Skanowanie 3D w ostatnich latach stało się powszechnie stosowaną metodą digitalizacji obiektów fizycznych w przemyśle, szczególnie w obszarze inżynierii odwrotnej, prototypowania oraz kontroli jakości. Technologia ta umożliwia szybkie pozyskanie informacji o geometrii rzeczywistego obiektu i przekształcenie jej do postaci cyfrowej.

W wielu przypadkach celem skanowania 3D nie jest wierne odtworzenie pełnej dokumentacji technicznej części, lecz wykonanie modelu 3D bardzo zbliżonego do oryginału, wykonanego z określoną dokładnością, który będzie spełniał tę samą funkcję co element oryginalny. W praktyce istnieje kilka podejść do odtworzenia geometrii badanego komponentu w postaci cyfrowego modelu 3D w celu jego ponownej reprodukcji.

Celem niniejszego artykułu jest porównanie trzech metod odtworzenia geometrii detalu na przykładzie pokrywy odlewniczej na podstawie skanu 3D:

1. Wykorzystanie skanu 3D jako gotowej bryły do produkcji.
2. Konwersja skanu do bryły CAD przy użyciu automatycznych narzędzi rekonstrukcji powierzchni typu AutoSurface.
3. Wykonanie modelu CAD poprzez modelowanie parametryczne na podstawie skanu 3D.

Następnie porównana zostanie dokładność modeli oraz ich funkcjonalność z punktu widzenia dalszego wykorzystania inżynierskiego i produkcyjnego.

Metodyka badań i obiekt badany

W celu porównania różnych metod odtwarzania geometrii na podstawie skanowania 3D przeprowadzono analizę na przykładzie jednej z połówek odlewanej obudowy przekładni - pokrywy obudowy (Rys. 1).

Analizowany element zawiera otwory montażowe łączące pokrywę z korpusem obudowy, otwory gwintowane, gniazdo pod łożysko oraz wybranie znajdujące się po wewnętrznej stronie odlewu, na które suwliwie nasuwa się korpus obudowy. Element ten wymaga zachowania odpowiedniej dokładności pasowania oraz określonych wymiarów funkcjonalnych, dlatego stanowi odpowiedni obiekt do analizy metod odtwarzania geometrii na podstawie skanowania 3D.

Obiekt został zeskanowany z dokładnością około ±0,02 mm przy użyciu skanera 3D firmy Shining 3D – FreeScan Combo+ (Rys. 2). Na podstawie uzyskanych danych pomiarowych opracowano trzy warianty modeli 3D elementu, odpowiadające trzem analizowanym podejściom do odtwarzania geometrii. Następnie przeprowadzono ocenę ich dokładności geometrycznej oraz przydatności w dalszych procesach projektowych i produkcyjnych.

Ocena możliwości wykorzystania skanu 3D jako modelu produkcyjnego

Pierwszym analizowanym przypadkiem było wykorzystanie skanu pokrywy obudowy jako gotowego modelu produkcyjnego. Model ten charakteryzuje się wysoką dokładnością, ponieważ odzwierciedla rzeczywisty komponent z precyzją odpowiadającą możliwościom urządzenia skanującego. Istotnym problemem okazały się jednak powierzchnie trudno dostępne dla wiązki światła skanera podczas procesu skanowania, co prowadziło do powstawania braków danych, tzw. „dziur” w skanie (Rys. 3).

Uzupełnianie takich braków, szczególnie na powierzchniach niepłaskich, nie zawsze zapewnia poprawne odwzorowanie geometrii. Problem ten dotyczy m.in. szczelin oraz otworów pod śruby, zwłaszcza otworów gwintowanych, które w praktyce nie mogą zostać wiernie odwzorowane w modelu przeznaczonym bezpośrednio do produkcji.

Kolejnym ograniczeniem tego podejścia jest brak możliwości swobodnej modyfikacji geometrii skanu. Po zeskanowaniu komponent zapisywany jest w postaci siatki trójkątów, najczęściej w formacie STL (Rys. 4). W praktyce zakres możliwych zmian ogranicza się do operacji na siatce, takich jak operacje boolowskie czy zmiana jej zagęszczenia.

Dodatkowo model w tej postaci nadaje się głównie do wytwarzania metodą druku 3D. W przypadku analizowanego detalu istotnym wyzwaniem jest zapewnienie wymaganych, wąskich tolerancji (rzędu setnych części milimetra) dla powierzchni współpracujących, takich jak gniazda pod łożyska.

Ponadto w wydrukowanej pokrywie otwory gwintowane wymagają zastosowania tulei gwintowanych, co wynika z niedokładnego odwzorowania geometrii gwintów podczas procesu skanowania.

Z punktu widzenia funkcjonalnego, wydrukowany detal nie zapewni również takiej wytrzymałości mechanicznej jak oryginalny komponent wykonany w technologii odlewania. W związku z tym model wymaga uwzględnienia dodatkowych wzmocnień konstrukcyjnych.

W przypadku produkcji z wykorzystaniem obróbki skrawaniem CNC rozwiązanie to jest nieefektywne ze względu na brak wyidealizowanych powierzchni geometrycznych. Ma to bezpośredni wpływ na dobór strategii obróbczych dla poszczególnych fragmentów detalu, a w konsekwencji prowadzi do wydłużenia czasu obróbki oraz zwiększenia kosztów produkcji.

Model CAD wykonany metodą AutoSurface

Drugim analizowanym wariantem było wykonanie modelu CAD przy użyciu automatycznych narzędzi rekonstrukcji powierzchni typu AutoSurface (Rys. 5). Metoda ta polega na przekształceniu skanu w bryłę CAD składającą się z powierzchni swobodnych.

Główną zaletą tej techniki jest możliwość uzyskania modelu CAD o bardzo wysokiej zgodności geometrycznej ze skanem bardzo krótkim czasie w sposób automatyczny (od kilku sekund do kilku minut).

W analizowanym przypadku wykorzystano oprogramowanie Geomagic Design-X, które posiada funkcję AutoSurface (Rys.6.). W wyniku tego procesu otrzymano bryłę CAD o dokładności odwzorowania geometrii względem skanu na poziomie około 0,02 mm, co jest bardzo dobrym wynikiem, biorąc pod uwagę, że proces generowania modelu trwał zaledwie kilka sekund. Następnie, na podstawie przekrojów skanu, wycięto precyzyjne otwory pod śruby.

Tak utworzony model CAD można zapisać w formacie STEP i wykorzystywać w systemach CAD/CAM. Wadą tej techniki jest jednak to, że bryła składa się wyłącznie z powierzchni swobodnych i nie zawiera wyidealizowanych kształtów geometrycznych, takich jak płaszczyzny, powierzchnie cylindryczne czy stożkowe, poza otworami, które zostały wycięte. Model taki nie jest również modelem parametrycznym (oprócz wyciętych otworów), a jego modyfikacje są ograniczone i zazwyczaj wykonywane za pomocą operacji boolowskich. W związku z tym uwzględnienie precyzyjnych cech technologicznych, takich jak pochylenia ścianek odlewniczych, jest niemożliwe.

Kolejnym ograniczeniem modeli utworzonych metodą AutoSurface są ograniczone możliwości doboru strategii obróbczych CNC. Brak wyidealizowanych powierzchni geometrycznych utrudnia zastosowanie optymalnych narzędzi i strategii obróbki, co może prowadzić do wydłużenia czasu obróbki oraz zwiększenia kosztów produkcji elementu.

Modele tworzone metodą AutoSurface charakteryzują się jednak bardzo dobrą zgodnością ze skanem oraz wysoką jakością powierzchni, dlatego metoda ta znajduje zastosowanie w przypadku elementów o kształtach organicznych oraz skomplikowanych powierzchniach swobodnych.

Model CAD wykonany metodą modelowania parametrycznego

Trzecim wariantem było opracowanie modelu CAD z wykorzystaniem modelowania parametrycznego na podstawie skanu w programie Geomagic Design X. W tym podejściu skan pełnił jedynie rolę odniesienia geometrycznego, natomiast model CAD został utworzony jako model wyidealizowany, zawierający podstawowe cechy geometryczne, takie jak płaszczyzny, powierzchnie cylindryczne, otwory oraz zdefiniowane zależności geometryczne, m.in. równoległość płaszczyzn, współosiowość otworów czy precyzyjnie określone pochylenia ścianek.

Model ten nie odwzorowuje wszystkich nierówności powierzchni odlewu, lecz przedstawia część w postaci konstrukcyjnej. Posiada on drzewo operacji oraz zestaw parametrów, co umożliwia łatwą modyfikację, np. zmianę średnic otworów, wartości pochyleń odlewniczych czy grubości ścianek. Możliwość edycji parametrów geometrycznych ma kluczowe znaczenie w procesie odtwarzania komponentu odlewniczego, ponieważ skan detalu zawiera odchyłki technologiczne wynikające z procesu odlewania. Modyfikując wybrane cechy geometryczne, można doprowadzić model do postaci odpowiadającej oryginalnemu projektowi CAD, na podstawie którego wykonano formę odlewniczą.

Generowanie ścieżki narzędzia dla takiego modelu jest najbardziej optymalne z punktu widzenia obróbki CNC, co bezpośrednio przekłada się na redukcję czasu obróbki oraz kosztów wykonania detalu.

Należy jednak podkreślić, że wykonanie modelu parametrycznego jest najbardziej czasochłonne spośród analizowanych metod, ponieważ wymaga jego stworzenia od podstaw przez konstruktora, z uwzględnieniem wszystkich wymagań projektowych i technologicznych.

Model parametryczny wykazuje większe odchyłki w odniesieniu do skanu (Rys. 6), ponieważ ma wyidealizowaną formę geometryczną i nie zawiera niedoskonałości wynikających z procesu odlewania. Ponadto część cech projektowych może zostać utracona na etapie wykonania odlewu i nie jest widoczna na skanie, co wymaga wprowadzenia odpowiednich korekt geometrycznych, umożliwiających ponowne wykonanie detalu jako odlewu.

Istotną zaletą oprogramowania Geomagic Design X jest możliwość eksportu całego projektu wraz z drzewem operacji do systemów CAD, takich jak SolidWorks, Creo, Inventor oraz NX. Umożliwia to dalszą modyfikację modelu oraz opracowanie dokumentacji technicznej w tych systemach.

Porównanie metod i analiza wyników

Zestawienie wyników przedstawione w tabeli wskazuje na istotne różnice pomiędzy analizowanymi metodami, szczególnie w zakresie czasu przygotowania modelu, możliwości jego edycji oraz przydatności w dalszych procesach inżynierskich.

Najkrótszy czas uzyskania modelu charakteryzuje bezpośrednie wykorzystanie skanu, jednak metoda ta nie zapewnia możliwości edycji ani opracowania dokumentacji technicznej. Model zapisany w postaci siatki trójkątów ma również ograniczoną przydatność w procesach obróbki CNC.

Zastosowanie narzędzi typu AutoSurface pozwala na szybkie wygenerowanie modelu CAD (rzędu kilku minut) przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej zgodności geometrycznej ze skanem. Otrzymany model umożliwia jego wykorzystanie w środowiskach CAD/CAM, jednak jego edytowalność pozostaje ograniczona, co wpływa na zakres możliwych modyfikacji konstrukcyjnych oraz przygotowanie procesu technologicznego.

Najbardziej czasochłonne jest opracowanie modelu parametrycznego, jednak metoda ta zapewnia pełną możliwość edycji geometrii oraz umożliwia tworzenie dokumentacji technicznej. Model tego typu charakteryzuje się najwyższą przydatnością w procesach obróbki CNC oraz w zastosowaniach wymagających pełnej definicji konstrukcyjnej detalu.

Tabela porównawcza metod

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych analiz można stwierdzić, że wybór metody odtworzenia geometrii na podstawie skanowania 3D powinien być uzależniony od celu, w jakim model będzie wykorzystywany.

Wykorzystanie bezpośredniego skanu jako modelu produkcyjnego znajduje zastosowanie głównie w przypadku elementów przeznaczonych do wytwarzania metodą druku 3D, charakteryzujących się geometrią umożliwiającą pełne odwzorowanie przez wiązkę skanera oraz niewymagających opracowania dokumentacji technicznej w postaci modelu parametrycznego i wymiarowania detalu.

Metoda AutoSurface znajduje zastosowanie zarówno w technologiach przyrostowych, jak i w obróbce CNC, szczególnie w przypadku elementów o złożonych, organicznych kształtach, wymagających wysokiej dokładności odwzorowania geometrii skanu. Metoda ta jest odpowiednia dla modeli, które nie wymagają konstrukcyjnego, parametrycznego charakteru bryły CAD.

Najbardziej uniwersalnym i inżyniersko poprawnym podejściem jest jednak wykonanie modelu parametrycznego CAD na podstawie skanu 3D. Model taki nie odwzorowuje wszystkich nierówności powierzchni odlewu, lecz przedstawia część w postaci konstrukcyjnej, zawierającej wyidealizowane cechy geometryczne oraz zależności parametryczne.

Do najważniejszych zalet modelowania CAD na podstawie skanu 3D można zaliczyć:

• możliwość łatwej modyfikacji konstrukcji,
• możliwość wykonania dokumentacji technicznej,
• możliwość przygotowania modelu do obróbki CNC,
• możliwość wprowadzania naddatków technologicznych i pochyleń odlewniczych,
• możliwość wykorzystania modelu w symulacjach i analizach inżynierskich,
• możliwość tworzenia wariantów konstrukcyjnych,
• możliwość integracji modelu z systemami CAD/CAM/CAE,
• możliwość wykorzystania modelu w produkcji seryjnej.

Można zatem stwierdzić, że skanowanie 3D nie zastępuje modelowania CAD, lecz stanowi narzędzie wspomagające proces inżynierii odwrotnej. Dopiero połączenie skanowania 3D oraz modelowania parametrycznego CAD pozwala w pełni wykorzystać potencjał digitalizacji geometrii w nowoczesnych procesach projektowania i wytwarzania.

O autorze

Kontakt:

e-mail: cengizhan.togay@vpi-polska.pl

Inżynier mechanik specjalizujący się w inżynierii odwrotnej, skanowaniu 3D oraz modelowaniu CAD. Zajmuje się przekształcaniem danych ze skanowania 3D w modele CAD wykorzystywane w projektowaniu, dokumentacji technicznej, druku 3D oraz obróbce CNC.

W swojej pracy koncentruje się na rekonstrukcji geometrii części maszyn, modelowaniu parametrycznym oraz przygotowaniu modeli do procesów produkcyjnych. Jego obszarem zainteresowań jest reverse engineering, digitalizacja geometrii oraz wykorzystanie skanowania 3D w procesach projektowania i wytwarzania.