Ami a gyártást illeti, a 3D szkennerek a mérnöki visszafejtés és a minőségügyi ellenőrzés területén találkoztak össze a testükre szabott kihívásokkal. Míg az úgynevezett kontaktszkennerek már hosszabb ideje teljesítenek szolgálatot ezeken a szakterületeken, addig a 3D nyomtatás ugrásszerű fejlődésével karöltve a jóval megfizethetőbb, nonkontakt 3D szkennerek is nagyot haladtak – teljesítményben előre, árban pedig lefelé. A FreeDee 3D Akadémia februári szakmai napján ezekről a megoldásokról hallhattak a résztvevők.

 

A mérnöki visszafejtés, idegen szóval reverse engineering a legtöbb gyártócég életében előforduló feladat. Régi, nem számítógéppel készült tervek elkallódása esetén, kézzel formázott mesterminták digitalizálása során vagy bonyolult formájú tárgyak áttervezése, illeszkedő alkatrészek megmodellezése során merül fel rá gyakran az igény. A 3D szkennelés szerepe akkor lehet kiemelkedő fontosságú a CAD terv létrehozásában, amikor egyszerű felületekkel (henger, gömb, téglatest, kúp, stb.) nehezen meghatározható geometriáról van szó. Ekkor a szkennelt állomány egyfajta háromdimenziós sablonként szolgálva könnyíti meg a tervezőmérnök munkáját.

 

Mivel a feladat egyáltalán nem ritka, ezért felmerült az igény az automatizálására. Ami a mérnöki visszafejtést illeti, az elvárások egyelőre túlmutatnak a lehetséges megoldásokon, ugyanis a reverse engineering folyamat teljes automatizálására jelenleg nincs lehetőség. Ezzel szemben a minőségellenőrzés területén eggyel jobb helyzetben vannak a gyártók. A folyamatba épített forgóasztal, a gyártósor mellé telepített 3D szkenner vagy egy robotkarra rögzített kézi 3D szkenner feladata automatizálható, a Geomagic Control X minőségügyi szoftver pedig szintén manuális beavatkozás nélkül képes az intelligens geometria felismerésnek és a pontfelhő analízisnek köszönhetően az előzetesen beprogramozott kritikus méréseket elvégezni és a mért adatok alapján színtérképes mérési jegyzőkönyvet előállítani.

 

 

A 3d szkennerek típusai

A kontaktszkennerek és a 3D koordinátamérő rendszerek már bevett minőségellenőrzési eszközök az iparban. Gyors és mikronpontos háromdimenziós mérési adatokat adnak az ipari folyamatok optimális végrehajtásához és ellenőrzéséhez, végtelen precizitásuk azonban a beszerzési értékükön is jócskán meglátszik. Ebből kifolyólag azokban az esetekben, amikor nincs szükség 1-2 mikronos pontosságra a feladat elvégzéséhez, lépkedhetünk a jobb ár-érték arányú megoldások, így a 10-20 mikron pontosságú, telepített 3D szkennerek vagy az 50-100 mikron pontosságot nyújtó kézi 3D szkennerek felé.

 

Míg a kontaktszkennerek körében nem ritka, hogy csak a tapintófej 80 ezer eurónál kezdődik, addig a telepített 3D szkennerek 20-30 ezer, a rugalmasan bevethető, mobilis, kézi 3D szkennerek pedig 5-20 ezer euró között mozognak. A megfelelő választást természetesen mindig az elvégzendő feladat határozza meg.

 

A mobil megoldások között az Artec 3D kézi szkennerei emelkednek ki. A szkennercsalád két tagból áll: a nagyobb látószögű, 100 mikron pontosságú Artec Evából, és az eredetileg az ISS számára fejlesztett, kisebb vagy részletgazdagabb tárgyakhoz ajánlott Artec Space Spiderből.

 

Az Artec szkennereket gyorsaságuk, professzionális gyártói szoftverük, valamint a komplex geometrikákat rögzíteni képes technológiájuk különbözteti meg a versenytársaiktól. Képességeiknek és mobilitásuknak köszönhetően helyt állnak az iparban, de a filmszakma és az egészségügy is előszeretettel alkalmazza őket. A gyártó által fejlesztett szoftvernek immár a 11. verziója érhető el. Az ipar által is elismert Artec Studio 11 feladattól függően választ a leghatékonyabb algoritmusok közül, hogy a felvett adatokból a lehető legprecízebb modellt hozza létre. A CAD tervezést segíti, hogy a szoftverből közvetlen, egyetlen kattintással exportálhatjuk a modellünket Design X-be vagy SOLIDWORKS-be. A szkennerek rugalmas bevethetőségét mutatja, hogy a gyártó robotkarra szerelt, automatizálható megoldást is fejleszt RoboticScan néven, amelyhez hasonlót egyik partnerükkel, a norvég NorNettel már sikeresen telepítettek.

 

A telepített, nonkontakt 3D szkennerek között az eviXscan 3D rugalmas megoldásai figyelemre méltók. Az eviXscan 3D hardware család 5 kiváló minőségű 3D szkennerből áll. A legnépszerűbb Heavy Duty Quadro típuson 4 kamera van, a külső kettővel nagyobb, a belsőkkel kisebb, közelebbi tárgyak 3D szkennelése kivitelezhető. Az ilyen, telepített, fix szkennereknél a fókusz távolságot és a fényerőt kell állítanunk, és már kezdődhet is a szkennelés. A gyártófolyamatba való illesztést a szkennerrel kommunikáló automata forgóasztal is segítheti.

 

A nonkontakt 3D szkennerek széles palettáját kínáló FreeDee Printing Solutions 100 mikronos pontossági tűrések alatt a telepített megoldásokat, míg afelett a kézi 3D szkennereket javasolja. Mindazonáltal, ahogy ez az ilyen értékű berendezéseknél megszokott, próbamunkára is gyakran van példa. Így minden vállalat maga ellenőrizheti, hogy adott feladatnál melyik ár-érték arányú megoldás számára a legköltséghatékonyabb.

 

 

A nonkontakt 3d szkennerek működése

A fényméréssel dolgozó szkennerek alapvetően hasonlóan működnek az emberi szemhez, ilyenformán csak azokat a felületeket tudják beolvasni, amelyeket látnak is. Emellett minden felület kicsit másképp veri vissza vagy nyeli el a fényt, ezért szükség lehet a szkennelendő alkatrész felületeinek előkészítésére. A problémás területek közül a fényes vagy áttetsző, illetve teljesen sötét (fekete) felületeket mattító porral kell bevonni, hogy a szkennerünk is lássa azokat. Más esetekben, például nagy egybefüggő területek digitalizálásakor, ún. markerek elhelyezésére is szükség lehet, amely a szkennelt állományok szoftveres igazítását és pontosabb összeillesztését segíti. Olyan felsőkategóriás megoldások esetében, mint a telepített eviXscan vagy az Artec kézi 3D szkennerei, ritkán van szükség ilyen referenciapontok felrakására.

  

A fényméréssel dolgozó szkennerek többféle eljárást alkalmazhatnak, attól függően, milyen pontosságot várunk el az adott berendezéstől. A legegyszerűbb eljárást az Intel által fejlesztett RealSense szenzor kínálja. Ezeket találjuk meg a Kinect játékkonzol kiegészítőkben, a StructureSensor és Sense 3D szkennerekben. A hardver egy infra fényforrással, és két optikával rendelkezik; egyik a visszavert fény intenzitásából számol térbeli pontokat, a másik a színes textúrát rögzíti. Előnye a könnyű használat, alacsony számítási teljesítmény és az alacsony beruházási költségek. Hátránya a néhány milliméteres pontosság.

 

Az infra szkennereknél némileg pontosabb geometria rögzíthető a lézerszkennerekkel, amelyek egy vagy két vonallézer fényforrást, valamint egy autofókuszos kamerát tartalmaznak. A lézer által megvilágított vonalra fókuszálva az optika térbeli koordinátákat számol a mintázott pontokban, akár 0.5 mm-es pontossággal. Az olcsó optikáknak és a kis látószögnek köszönhetően kisebb tárgyak szkennelésére alkalmas, színes textúrát nem rögzít a felületen. Népszerű eszközök a Matter And Form, a DAVID Laserscanner, a Makerbot Digitizer vagy az open-source változatok.

 

A strukturáltfény szkennerek hasonlóan működnek a lézerszkennerekhez, azonban a fényforrás ebben az esetben nem egy vonallézer, hanem egy nagyfelbontású projektor, amely egy raszterhálót vetít a tárgy felületére. Az optika a vonalháló torzulását és a visszavert fény intenzitását is méri, így jóval pontosabb eredmény érhető el, mint a lézeres változatokkal. Ezzel a technológiával akár 10 mikron közeli felbontás is elérhető. Népszerű eszközök a DAVID SLS-2 és SLS-3 modellek, valamint a professzionális eviXscan termékcsalád.

 

Az Artec professzionális kézi 3D szkennerei a fehérfény eljárást alkalmazzák a felületek letapogatásához. Az eljárás nagyon hasonló a sturkturált fénnyel dolgozó gépekhez, azonban a rögzítés itt fényképező optika helyett videokamerákkal történik, melyek másodpercenként akár 16 felvétel készítésére is alkalmasak. Így ezekkel az eszközökkel nem csak műtermi környezetben könnyű a munka, de már terepen sem kell lemondanunk a nagy felbontású eszközök precizitásáról. 

 

Bármely technológiát választjuk is, a 3D szkennelés eredménye nem egy szerkeszthető CAD terv lesz, hanem egy pontfelhő. A szkenner szoftvere a felvett pontfelhők topológiáját tisztítja, igazítja és végül létrehozza a tárgyat leképező poligonhálót, amelyre szkennertípustól és igénytől függően a színes, bittérképes textúrát is ráfeszíti.

 

Reverse engineering 3d szkenneléssel

A 3D szkennerek által rögzített poligonháló több korláttal is bír. Nem lehet például gyártani (kivéve 3D nyomtatással vagy CNC marással), nem lehet rajta rádiuszokat vagy sík ferdeséget mérni, illetve szimulációs szoftverbe sem tudjuk beimportálni. A reverse engineering munkafolyamat során a pontfelhőből létrejött felülethálón manuálisan ki kell jelölni a vezérgörbéket majd ezekre elvégezni a felületillesztést. A folyamat eredményeként létező, összetett formavilágú tárgyak, gyártmányok alapján szerkeszthető, szolid CAD 3D modell készül.

 

A szkenneléstől a CAD modellig Artec 3D szkennerekkel:

  

Ezt az időigényes feladatot könnyíti meg és teszi hatékonyabbá a FreeDee 3D Akadémián is bemutatott Geomagic Design X szoftver. A programban feladattól függően két megoldás közül választhatunk. Az egyik az ’Autosurfacing’ funkció, amely egy CAD szoftverek számára értelmezhető modellt generál, azonban paraméterezni még nem lehet. Illeszkedő jigek, alkatrészek tervezéséhez viszont tökéletesen megfelelő és gyors megoldás. A másik út a teljes visszamodellezés, amelyet a szoftver különböző automatizmusokkal, például az egybefüggő felületek felismerésével segít. Az ilyen, teljes digitális reprodukció célja általában újra gyártás, áttervezés vagy megőrzés.

 

Artec Space Spiderrel szkennelt geometria visszafejtése Geomagic Design X szoftverrel: 

 

Minőségügyi ellenőrzés 3d szkenneléssel

Hagyományosan a minőségügyi méréseket mérőműszerekkel (tolómérővel,  kengyeles mikrométerrel stb.) végzik, amely megoldás beruházási költsége alapján olcsónak mondható, hosszú távon mégis drága lehet.

 

A manuális mérés nem automatizálható, nagy a munkaerő- és időigénye, valamint bizonyos komplex geometriák kézi mérése szinte lehetetlen. Egy, a gyártófolyamatba illesztett 3D szkenner és a Geomagic Control X szoftver kombinációja ezzel szemben képes automatizálni ezt a munkafolyamatot azáltal, hogy az előzetesen megadott kritikus dimenziókat méri és összehasonlítja akár az eredeti CAD tervvel. Olyan kritériumokat állíthatunk be előre megadva a dimenziók tűrését is, mint távolságok, méretek, átmérők, kerületek, síklapúság vagy párhuzamosság. A mérések alapján a szoftver pillanatok alatt színtérképes mérési jegyzőkönyvet generál, ezzel jelentősen lerövidítve a feladat elvégzéséhez szükséges időt. A gyártófolyamat közi minőség-ellenőrzések vagy a gyártószerszámok kopásának felmérése így sokkal hatékonyabban elvégezhetők.