Wykorzystanie skanowania 3D w inżynierii odwrotnej, na przykładzie projektowanie elementów nadwozia samochodu strażackiego

Skanowanie 3D kojarzy się większości osób jako jedno z narzędzi do replikowania rzeczy przy pomocy drukarek 3D. Tymczasem technologia ta ma bez porównania szersze zastosowanie – i co najważniejsze, jest całkowicie niezależne do druku 3D. Jednym z najważniejszych obszarów gdzie skanery 3D mają zastosowanie jest metrologia oraz inżynieria odwrotna. SMARTTECH – producent skanerów 3D w technologii światła strukturalnego, zaprezentował ciekawe case study poświęcone tej drugiej dziedzinie, na przykładzie projektu firmy Bocar – producenta pojazdów dedykowanych straży pożarnej.

Technologia skanowania 3D pozwala pozyskać materiał źródłowy do dalszego projektowania, który cechuje się nie tylko bardzo wysoką dokładnością, lecz także dużą oszczędnością czasu w stosunku do pomiarów wykonywanych za pomocą tradycyjnych technik. Bocar wykorzystał ją do skanowania dachu oraz tylnej ścianki kabiny samochodu ciężarowego w celu zaprojektowania dodatkowego sygnalizatora świetlnego.

Celem pomiaru było odtworzenie modelu 3D kabiny wozu strażackiego i stworzenie na jego podstawie dokumentacji technicznej, niezbędnej do zaprojektowania nadbudowy i innych elementów dopasowanych do nadwozia oraz akcesoriów, które można zamontować na kabinie. Dzięki modelowaniu projektanci ułatwili także późniejszy montaż nowych części, przewidując gdzie mogą wystąpić problemy i od razu rozważyć jak można ich uniknąć np. poprzez zmianę położenia oraz średnicy wielkości otworów.

Do pracy został wykorzystany skaner 3D scan3D DUAL VOLUME. Aby stworzyć za jego pomocą model 3D, projektanci przeprowadzili następujące czynności:

zeskanowali obiekt, który został odtworzony w programie jako połączone ze sobą chmury punktów,
przekonwertowali chmurę punktów na siatkę trójkątów,
zamodelowali powierzchnię modelu wykorzystując do tego siatkę trójkątów.

Wizualizacja zaprojektowanych części

W pierwszym etapie zeskanowano część nadwozia wozu strażackiego – dach i miejsca połączenia kabiny z zapleczem technicznym. W celu uzyskania lepszych wyników obiekt został pokryty preparatem anty refleksyjnym oraz przyklejono na jego powierzchni markery pozycjonujące.

Obiekt pokryty preparatem antyrefleksyjnym i markerami pozycjonującymi

Wynikiem pojedynczego skanowania 3D jest pojedyncza chmura punktów (każdy punkt opisany jest współrzędnymi X, Y, Z), dlatego w celu odtworzenia całego detalu, łącznie wykonano 50 pomiarów. Wykorzystano do tego oprogramowanie SMARTTECH3D Measure, natomiast dalsza obróbka danych odbyła się w programie Geomagic DesignX.

Posiadając wszystkie wyniki skanowania 3D, projektanci oczyścili chmury z szumów pomiarowych, pojawiające się podczas pomiaru, do czego wykorzystali markerów pozycjonujących. Dzięki różnego rodzaju filtrom, proces ten przebiegł automatycznie. Następnie stworzyli siatkę trójkątów, na podstawie której stworzony został model 3D.

Część chmur punktów w SMARTTECH3DMeasure

Kolejnym etapem pracy był import siatki trójkątów do Geomagic DesignX. Aby poprawić jej jakość, przeprowadzona została optymalizacja pod kątem przyszłego modelowania. Opcja ta polega na zmniejszeniu liczby trójkątów w miejscach, gdzie geometria obiektu się nie zmienia, aby zachować dużą liczbę trójkątów w miejscach szczególnie ważnych np. zmiany krzywizny.

Siatka trójkątów

Kolejnym etapem było stworzenie regionów – obszarów w siatce, które stanowią fragmenty powierzchni takich jak płaszczyzny, cylindry, stożki, kule, powierzchnie obrotowe, czy powierzchnie swobodne. Służą one do ułatwienia dalszego modelowania. Regiony wykorzystuje się również do zorientowania w układzie współrzędnych.

Regiony w programie Geomagic DesignX

W dalszej kolejności projektanci przystąpili do modelowania powierzchniowego. Większość modelu tworzona jest tak, że za pomocą regionów i kreatora powierzchni tworzone są płaty powierzchni, które po wzajemnym przecinaniu się i łączeniu stworzą model powierzchniowy.

Tworzenie powierzchni

W trakcie dopasowywania powierzchni program umożliwia przeprowadzenie analizy dokładności modelowania, czyli sprawdzenia rozbieżności modelu powierzchniowego od siatki wyświetlonej w postaci kolorowej mapy odchyłek.

Ważnym atutem tego programu jest możliwość kopiowania drzewa operacji do innych programów CAD, takich jak SOLIDWORKS, CATIA, NX. Końcowy model można zapisywać w wielu formatach np. IGES, parasolid, STEP.

Model CAD kabiny wozu strażackiego

Gotowy model 3D kabiny wozu strażackiego został przekazany konstruktorom, którzy użyli go do dalszego modelowania. Na jego podstawie przeprowadzono takie działania jak: