Skanery 3D w inżynierii odwrotnej

Inżynieria odwrotna (wsteczna), nazywana również programowaniem zwrotnym, to proces badania produktu za pomocą precyzyjnych urządzeń pomiarowych. Celem takiego pomiaru jest  określenie cech budowy i działania danego produktu. Inżynieria odwrotna jest zazwyczaj stosowana w celu odtworzenia danego elementu (komponentu całej konstrukcji/mechanizmu) lub całego produktu, w przypadku braku modelu 3D CAD i/lub dokumentacji. Proces ten jest również wykorzystywany w procesie kontroli jakości, aby porównać element rzeczywisty z pierwowzorem.

Model 3D

Budowanie modelu 3D części od podstaw, w przypadku, jeśli nie dysponujemy odpowiednią dokumentacją (opisem technicznym, specyfikacją paramentów), może okazać się żmudne i czasochłonne nawet przy użyciu parametrycznych systemów CAD. Proces ten można uprościć i przyspieszyć posługując się procesem inżynierii odwrotnej (reverse engineering), wspomaganej przez ręczne skanery 3D.

Space Spider to ręczny skaner 3D, który przy użyciu technologii światła strukturalnego niebieskiego pozwala szybko skanować obiekty z wysoką dokładnością do 0,05 mm. Proces skanowania 3D jest bezdotykowy i bezpieczny, a powstałe pomiary otrzymujemy także w kolorze, co umożliwia dodatkowe wykorzystanie pomiaru w wizualizacji bądź wydruk 3D na kolorowej drukarce 3D.

Jak wygląda proces skanowania 3D?

Skanowanie 3D polega na przemieszczaniu skanera dookoła obiektu w taki sposób, aby uchwycić wszystkie powierzchnie, które operator chce odwzorować. W trakcie skanowania w czasie rzeczywistym powstaje model 3D, który jest widocznie na ekranie monitora. Dzięki temu operator skanera na bieżąco może kontrolować wyniki swojej pracy i czuwa nad poprawnym przebiegiem procesu.

Działanie skanera Artec pozwala uzyskać kompletny model 3D całego przedmiotu bez konieczności przerywania pomiaru.

Utrudniony dostęp do obiektu lub wielkość obiektu uniemożliwiająca jego transport również nie jest przeszkodą, gdyż skaner 3D Artec jest lekki, mobilny i skutecznie dociera do miejsc trudno dostępnych. Operator łatwo może przeprowadzić część pomiaru, przerwać go, a następnie zeskanować kolejne, brakujące części. Program Artec Studio posiada wbudowane algorytmy, dzięki którym połączenie kilku takich skanów w jeden spójny model nie przysparza trudności, a model nie musi być oklejany znacznikami. Nie trzeba również wskazywać precyzyjnego miejsca łączenia skanów 3D (punktów wspólnych na łączonych skanach).

Skanowanie 3D – dopasowanie skanów

Jeśli skanujemy z przerwami, to aby połączyć dwa skany w jeden, należy wskazać na nich co najmniej trzy punkty wspólne (mogą być przybliżone lokalizacje), a oprogramowanie bez trudu dopasuje skany na bazie geometrii i tekstury. W razie potrzeby możliwe jest dołączenie kolejnych fragmentów (takie połączenie skanów jest stosunkowo proste, gdyż obiekt nie zmienia się w trakcie skanowania). Odpowiednie algorytmy łączą skany elementów „nie sztywnych” (m.in. twarz człowieka, który w trakcie kolejnego przejścia zmienia mimikę twarzy). Złączenie  pojedynczych skanów w jeden pozwala wygenerować jeden spójny model 3D.

Skanowanie 3D – tworzenie siatki trójkątów

Wygenerowany model tworzy najczęściej siatka trójkątów, powstała w oparciu chmurę punktów. Najczęściej siatkę trójkątów trzeba zoptymalizować przez usunięcie małych elementów, uproszczenie, wypełnienie otworów oraz wygładzenie powierzchni. Można również wygenerować kolor (zarejestrowany podczas skanowania) na modelu.

Skanowanie 3D – eksport wyników

Gdy model 3D jest gotowy, pozostaje jedynie eksport pliku: do siatki trójkątów (STL, {LY, OBJ, WRL) lub chmury punktów (ASC, XYZRGB). Chmurę punktów można następnie w systemach CAD zamieniać na powierzchnie, natomiast bezpośrednio na siatce trójkątów można w niektórych systemach CAM (np. w programie ZW3D) generować programy obróbkowe. Jeśli zeskanowany model wymaga naprawy lub zamiany na powierzchnie NURBS, warto skorzystać z przeznaczonych do tego celu programów (np. Geomagic Studio, Leios).

Skanowanie 3D – naprawa, wygładzanie i zamiana na powierzchnie

Program Geomagic Wrap pozwala na zaawansowaną edycję siatek trójkątów i chmur punktów, a także na sprawną zamianę nawet skomplikowanego modelu powstałego przez skanowanie 3D na powierzchnie NURBS. Dzięki temu inżynier posługujący się programem CAD/CAM ma możliwość wykonania na nim operacji Boole’a. Na przykładzie zeskanowanej części możemy naprawić defekty modelu, w tym przypadku powstałe podczas procesu odlewania (rys. 4).

Tak przygotowany model można bez trudności zamienić go na powierzchnie NURBS. Powierzchnie można nałożyć ręcznie lub automatycznie. Tryb automatyczny pozwala uniknąć błędów popełnianych przy trybie manualnym i znacznie skraca czas pracy. Uzyskany wynik można zapisać w jednym z wielu dostępnych formatów (np. iges lub step) i kontynuować pracę przenosząc model do systemu CAD/CAM.

Procesy inżynierii odwrotnej z wykorzystaniem nowoczesnych skanerów 3D stają się coraz bardziej popularne. Ich atutem jest możliwość realnego przyśpieszenia procesu rekonstrukcji różnych elementów bez dokumentacji. Kolejną zaletą tej metody szansa na idealnie dopasowanie produktów do istniejącego kształtu (w protetyce i ortopedii). Wykorzystanie skanerów służy także archiwizacji przedmiotów i tworzenia ich wiernych kopii (stosowane w muzealnictwie, archeologii, archiwizacji) oraz podczas kontroli jakości (porównanie produktu z projektem CAD).