- Для каких задач используются 3D-сканеры обратного проектирования? В каких сферах промышленности они будут востребованы?
3D-сканеры в рамках задач обратного проектирования (реверс-инжиниринга) необходимы для создания цифровых моделей существующих физических объектов. С их помощью можно получить точные данные о форме, размерах и поверхности объекта. На основе полученных данных возможно создать CAD-модель отсканированного объекта, модифицировать конструкцию, разработать сопрягаемые детали или детали-заменители.
Реверс-инжиниринг наиболее востребован в сферах промышленного производства, в которых актуально решение вопросов импортозамещения, ускорения процесса внедрения новой номенклатуры деталей и минимизации простоя производственной линии.
В области энергетического машиностроения 3D-сканирование помогает в анализе и оптимизации конструкций турбин, генераторов и других ключевых компонентов. В тяжёлом машиностроении применяется для создания точных моделей крупных механизмов и узлов, что способствует упрощению их проектирования и, как следствие, производства. Также 3D-сканеры активно используются для создания CAD-моделей по данным, полученным с поверхности изношенных и повреждённых компонентов производственного оборудования, что позволяет ускорить процесс ремонта. Особое значение это имеет для поддержания работы оборудования, которое уже не производится, но продолжает эксплуатироваться.
- Опишите технологический процесс создания объекта/продукции с помощью 3D-технологий и обратного проектирования.
Технологический процесс создания объекта с помощью 3D-сканирования и обратного проектирования включает несколько этапов:
- 1) Подготовка детали. Перед началом процесса сканирования деталь очищается от остатков СОЖ, грязи и стружки. Слишком блестящая поверхность создает блики для большинства 3D-сканеров, что снижает качество результата. Поэтому, при необходимости, на поверхность детали наносится специальный матирующий спрей.
- 2) Сканирование. Измерительный сканер собирает с поверхности точки, которые образуют облако точек. Созданное облако точек отражает геометрические характеристики отсканированного объекта.
- 3) Обработка данных. После сканирования данные обрабатываются в программе с помощью специальных инструментов. Облако точек очищается от дефектов и преобразуется в полигональную сетку. Если объект сканировался в разных положениях, то все сетки объединяются в одну. Полученный результат используется для обратного проектирования.
- 4) Обратное проектирование (реверс-инжиниринг). Для такого вида проектирования удобнее применять узкоспециализированные САПР, способные работать с полигональной сеткой. Подход к созданию CAD-модели будет зависеть от поставленной задачи. Например, если отсканированный объект имеет много криволинейных поверхностей, то итоговая модель должна быть максимальна близка к оригиналу. В другой ситуации, когда требуется создать изношенную шестерню, следует опираться на данные ГОСТов и других стандартов при проектировании твердотельной модели.
- 5) Разработка конструкторской документации. На основе CAD-модели создаются чертежи, которые содержат все необходимые размеры, обозначения и технические требования. Конструктор учитывает характеристики объекта, производственные возможности и актуальные нормы ЕСКД. В результате документация должна обеспечить производство как минимум функционального прототипа.
- Приведите примеры реверс-проектирования на реальном производстве?
Компания «IRS Laser Tech» обратилась к нам с задачей по реверс-инжинирингу габаритного коленчатого вала длиной 6 метров. Чтобы выполнить поставленную задачу использовались два измерительных прибора. Для сканирования поверхности всего коленвала была использована 7-осевая рука-манипулятор с лазерным сканером RS5. Помимо сканирования нескольких облаков точек, в дальнейшем, потребуется сформировать цельную полигональную сетку. Поэтому руку-манипулятор использовали в комплексе с лазерным трекером Leica AT403. Оба прибора подключались в одну программу PolyWorks, в которой с помощью трекера осуществлялось точное позиционирование при перестановке руки-манипулятора.
Данное оборудование позволяет, помимо бесконтактного сбора точек с поверхности, использовать щуп для более точного измерения базовых примитивов. Для сравнения: повторяемость результата измерения координат точки при лазерном сканировании 66 мкм, а при измерении контактным щупом 34 мкм. Учитывая размеры коленвала, потребовалось четыре перемещения прибора для того, чтобы собрать данные с поверхности в полной мере. Собрав четыре облака точек, каждое из них триангулируется и совмещается наилучшим образом. Итоговая полигональная сетка уже может быть использована для обратного проектирования.
Важно понимать, что для создания модели не требуется сканировать коленвал полностью, потому что геометрия деталей такого типа предсказуема. Также для корректного моделирования необходимо создать рабочую систему координат в соответствии с центральным валом, измерить расстояния между кулачками и рассчитать углы смещения. Этот процесс показан на рисунке ниже:
При выполнении всех операций моделирования в итоге получается CAD-модель, которая используется для формирования конструкторской документации, формирования обрабатывающей программы для станка и дальнейшей модификации.
- Возникают ли сложности в работе с этой технологией?
Для обратного проектирования используются сканеры, отличающиеся по технологии работы. Каждая технология имеет свои ограничения и применяется в различных задачах. Однако, стоит выделить несколько общих проблем, актуальных для любого измерительного прибора.
Необходимое условие для процесса сканирования будет неподвижность объекта, который сканируется. В противном случае, сканер либо не будет продолжать сканирование из-за больших отклонений, либо продолжит снимать точки со смещением, что делает такие данными непригодными для дальнейшей работы. При работе с 7-осевой измерительной рукой также принципиально обеспечить стабильное положение прибора. При соблюдении стабильности детали и прибора это не создаст проблем при сканировании.
Фактором, критически влияющим на точность измерений, является стабильность окружающей среды и температурного состояния детали. Тепловое расширение материалов может вызывать значительные отклонения в результатах измерений, особенно для металлических деталей большого размера. Для компенсации температурных эффектов современные сканеры оснащаются системами температурной коррекции. Однако, даже с такими системами необходимо соблюдать рабочие условия, указанные в паспорте оборудования.
Загрязнения объекта сканирования и оптики сканера также будут влиять на качество получаемых данных. Обязательно перед началом сканирования необходимо очищать поверхность детали от стружки, СОЖ, пыли, грязи, так как 3D-сканер будет воспринимать поверхность в том виде, в каком она есть. На оптике измерительного прибора может быть пыль, водный конденсат или отпечатки пальцев, что приводит к ошибкам в итоговых данных.
Если выделять именно лазерные сканеры, то самой частой проблемой при работе может быть сканирование блестящих и чёрных поверхностей. Это связано с тем, что лазерный луч, направленный на поверхность, отражается искажённо. 3D-сканер регистрирует эти искаженные точки, тем самым создает шум вокруг объекта, который влияет на корректную обработку лучом поверхности. Для минимизации погрешностей применяется матирующий спрей, которым покрываются проблемные для сканера поверхности.
Отдельно можно выделить лазерные сканеры, которым для работы необходимы светоотражающие метки. При такой технологии сканирования метки являются реперными точками для определения 3D-сканером собственного положения в пространстве, что делает их необходимыми при работе. Если сканируемый объект небольшой, то метки допускается располагать на поворотном столе, что не будет создавать дополнительных сложностей. В противном случае, если объект имеет габариты больше поворотного стола или даже достигает нескольких метров – метки потребуется расположить на всех поверхностях сканируемого объекта.
- Как и где обучают специалистов предприятий обратному проектированию?
Существует несколько способов обучения работе с 3D-сканерами и реверс-инжинирингом.
- 1) Обучение по современной программе в колледже или вузе. Некоторые учебные заведения предлагают программы обучения, связанные с обратным проектированием. Чаще всего эти специальности, касающиеся областей инженерии, информационных технологий и дизайна. Такой формат обучения занимает несколько лет, в процессе обучения можно освоить смежные сферы с реверс-инжинирингом. Тем не менее, стоит учитывать, что процесс получения полного образования требует значительных временных и финансовых затрат.
- 2) Внутренние корпоративные программы обучения. В распоряжении крупных предприятий находятся собственные программы обучения и развития для своих сотрудников, включая обучение обратному проектированию. Эти программы часто адаптированы под конкретные потребности компании и могут быть очень полезными для карьерного роста внутри организации.
- 3) Самостоятельное обучение. Существует множество онлайн-курсов и ресурсов, в рамках которых изучаются основы обратного проектирования. Будущие специалисты могут изучать литературу, статьи, видеоуроки по этой теме и пытаться разобраться самостоятельно. Также стоит помнить о всех сложностях, связанных с самообучением, и необходимости практики.
- 4) Специализированные курсы и тренинги. Существуют специализированные организации, которые предлагают краткосрочные курсы и тренинги по обратному проектированию для специалистов различных отраслей. Опытные специалисты в сфере сканирования и проектирования составляют программу обучения, адаптируя её под конкретные задачи. Полученные навыки сразу применяются в работе.