Какие характеристики детали и как влияют на трудоемкость сканирования:
1. Размер
3. Материал детали
Черная, блестящая, прозрачная поверхность требует предварительного нанесения матирующего спрея. Таким образом, матированию подлежат все изделия из металла, стекла, черного или серебристого пластика. Спрей высыхает, образуя на поверхности тонкий меловой слой, который затем легко удаляется тряпочкой или щеткой, не портя изделие. В том числе с матированием сканируются мобильные телефоны и другая техника, без нарушения их работоспособности.
Идеальной для сканирования считается белая матовая поверхность.
Пример: матирование блестящего отражателя лампы.
4. Чистота и ровность поверхности
Если поверхность детали грязная, ржавая, масляная - для качественного сканирования ее придется предварительно зачищать. Поэтому мы просим заказчиков готовить детали для сканирования заранее.
Поверхность пористая или неровная, много мусора при изготовлении (сварные швы, артефакты и неровности, полученные при литье) - дополнительное время на обработку сканированной модели.
5. Конфигурация детали и рельеф поверхности
Простым считается одностороннее сканирование плоской детали. При обработке сканированной поверхности задается толщина.
Объемная деталь требует сканирования со всех сторон с переворачиванием. При этом для качественного автоматического сшивания важно, чтобы при каждом новом скане сканер «видел» часть меток с предыдущего скана. Поэтому дополнительную сложность представляют детали с тонкими острыми гранями.
Труднодоступные места представляют собой отдельную сложность для сканирования. Глубокие отверстия с разными внутренними диаметрами и резьбами, раковины, загибающиеся детали могут не попасть в зону видения сканера и не будут отражены в сканированной модели. Такие элементы образмериваются и дорабатываются вручную.
Ручные замеры и контроль погрешностей также требуются в случае:
- наличия ответственных элементов в детали (посадочные места или места сопряжений и т.д., где необходимо указание конкретных допусков и посадок),
- нанесения матирующего спрея (который имеет свою толщину);
- погрешностях в методах обработки сканированной детали (например, выравнивание поверхности по средним точкам).
Пример : вал с кулачками (криволинейные поверхности с ответственными размерами, повышенная сложность).
Сложный рельеф поверхности (большое количество криволинейных поверхностей, элементов детали) не повлияет на трудоемкость сканирования, но сильно повлияет на трудоемкость обработки, особенно при построении твердотельной модели.
Кроме того, чертеж такой детали также потребует больше времени, чем чертеж простой плоской детали.
Пример : колесо ротора - труднодоступные для сканера места, криволинейные поверхности, особая сложность - при построении твердотельной модели.
Встречаются также плоские, небольшие и вроде бы несложные детали, но из-за большого количества размеров (вырезы, отверстия, радиусы) выполнение чертежа становится трудоемкой задачей. В такой, на первый взгляд, несложной детали, как например лопасть, необходимо строить большое количество видов и сечений на чертеже.
Пример : плоская рамка с большим количеством отверстий.
6. Необходимость доработки 3d модели
Задача восстановления износа детали или пожелания заказчика по изменению обязательно потребуют построения твердотельной CAD-модели c конструкторской доработкой.
Для оценки стоимости сканирования детали, пришлите фото и краткое описание задачи!
Или любую другую модель, наверное, уже слышал о том, что на рынке высокотехнологичных устройств есть и такие приборы как 3D сканеры. Для тех, кто не знает что это за аппараты, наша статья.
Определение 3D сканера
3D сканеры представляют устройства, предназначенные для сканирования физических объектов и их точного последующего воспроизведения. Простыми словами, трехмерный сканер делает с объектом то же самое, что 2D сканер, который сканирует изображение на листе бумаги и переносит его на компьютер. Только в случае с 3D принтерами сканируется реальный объект, а на монитор передается объемная модель. Современные модели пространственных сканеров могут иметь вид небольших портативных устройств или серьезных стационарных аппаратов, которые имеют специальные лампы или лазеры для осуществления подсветки. Разброс качества передачи изображения в них может существенно отличаться. Это то же самое, если сравнивать возможности построения моделей двух печатающих трехмерных аппаратов - 3D принтера makerbot replicator и маленького дешевого бытового принтера.
При сканировании точность передачи изображения двух приборов может отличаться на порядок и изменяться от 10 до 100 микрон, эта величина зависит от типа прибора и его возможностей. Кроме этого, сканеры могут передавать изображение с полной цветовой гаммой или переносить только формы поверхности. Кроме различия в качестве получаемого изображения и в функционале, сканеры можно разделить на контактные и бесконтактные, то есть те, которые контактируют непосредственно с объектом или сканируют его на некотором, иногда до нескольких километров, расстоянии.
Преимущества
Если анализировать общие преимущества всех сканеров, то необходимо отметить:
- Максимальную точность сканирования объектов. Воспроизводятся даже самые мелкие его детали.
- Скорость сканирования максимальная- от нескольких секунд до нескольких минут.
- Сканер можно размещать в разных пространственных положениях. Это особенно важно для получения объемных моделей больших предметов (домов, памятников и т.д.).
Если анализировать преимущества контактных и бесконтактных моделей, то первые:
- Качественно сканируют вне зависимости от освещения.
- Максимально точны в работе.
- Просты в управлении.
Бесконтактные приборы могут снимать на больших расстояниях, не контактируя с предметом, и более энергоэкономичные в использовании.
Из недостатков всех сканеров отметим невозможность качественного сканирования движущихся объектов, а также плохое качество изображения объектов, имеющих блестящую или прозрачную поверхность.
Область применения
Возможности сканеров запечатлеть с максимальной точностью форму практически любого объекта, обеспечили им применение в разных сферах жизни человека. Они используются в медицине для сканирования мозга, опорно-двигательного аппарата, сердца, а также для поиска опухолей. В производстве 3D сканирование незаменимо в реверс-инжениринге, а в строительстве для контроля качества, реконструкции автотрасс и в определении пустот под землей.
В различных областях деятельности человека завоевывает свое место не только технологии 3D печати, но и такие интересные приборы, как 3D-сканеры. С помощью такого устройства можно выполнять сканирование различных физических предметов, получая их трехмерные цифровые модели, характеризующиеся высокой точностью. Полученные модели с электронными данными о форме конкретного предмета могут быть задействованы в строительной сфере, медицине и игровой индустрии. На то, что ранее требовалось часы или даже дни, в настоящий момент посредством 3D-сканера необходимы лишь считанные секунды.
Принцип работы и преимущества
3D-сканер исследует физический предмет и воссоздает его точную цифровую модель. Современные 3D-сканеры могут выглядеть как ручной прибор небольшого размера, либо быть стационарным устройством, использующим в качестве подсветки лазер или специальную лампу, чтобы увеличить точность измерений. Принцип работы определяется используемой технологией, однако в любом случае данное устройство имеет дело с определением расстояния до сканируемого предмета.
Сканер исследует расстояние до объекта, задействуя две встроенные камеры и подсветку. С помощью этих «глаз» прибор измеряет расстояние до объекта в разных точках, а затем сопоставляет полученные от камер картинки. Все измеренияз аписываются, после чего проводится анализ и на экран уже выводится готовая цифровая модель. Сканирование может осуществляться и лазерным лучом, который перемещается над поверхностью предмета и измеряет расстояние в конкретной точке. Таким способом записываются координаты всех измеряемых точек, что открывает возможность для создания трехмерной компьютерной модели.
Пользователь может оперировать самим процессом сканирования, устанавливая разрешение и соответствующие области, где требуется более высокая детализация. Современные 3D-сканеры уже научились обеспечивать точность получаемых трехмерных моделей вплоть до нескольких десятков или даже сотен микрометров. Причем имеется возможность сканировать объект с передачей не только его формы, но и цвета. В результате, существенно упрощается процесс создания трехмерных макетов – они создаются не только в короткие сроки, но и с очень высокой детализацией. Кроме того, полученное трехмерное изображение всегда можно открыть в редакторе и осуществить дополнительное редактирование по своему усмотрению.
Разные модели сканеров характеризуются различными параметрами и возможностями, но все они находят применение в тех случаях, когда нужно максимально быстро и точно зарегистрировать форму предмета. Преимущество подобных приборов на практике обеспечивается не только существенным упрощением процесса получения 3Dмакетов и, как следствие, экономией времени, но и возможностью работы со сложными деталями и элементами.
Классификация
Все приборы подобного рода делятся на две большие группы:
— Контактные сканеры
Такие приборы используют, как ни трудно догадаться, контактный способ сканирования, то есть они исследуют сканируемый предмет буквально на ощупь, записывая соответствующие координаты. Для этого в их конструкции предусмотрено наличие специального высокочувствительного щупа. Контактные сканеры обладают такими несомненными плюсами, как высокая детализация, независимость от световых условий, возможность сканирования призматической части объекта. В то же время они довольно медленные в работе и во время сканирования возникает риск повреждения каких-либо хрупких предметов.
— Бесконтактные сканеры
3D сканер Sense
Здесь применяется бесконтактный способ сканирования. Такие приборы бывают активными и пассивными. Активные устройства сами излучают специальные волны, после чего обнаруживают их отражение и анализируют для получения компьютерной модели. В качестве такого излучения может использоваться рентген, ультразвук или световые потоки. Например, рентгеновские лучи и ультразвук используются в сканерах, используемых в медицинских целях. Пассивные приборы не формируют никакого излучения, а лишь обнаруживают отраженное от объекта окружающее излучение. Например, свет. В целом, бесконтактные сканеры отличаются экономичностью, привлекательной технологией сканирования и возможностью использования вне помещений с различной степенью освещенности.
Технологии сканирования
К текущему моменту наибольшее распространение получили две технологии 3D-сканирования:
— Лазерная
Лазерный сканер REVscan из серии ручных самопозиционирующихся сканеров Handyscan 3D
В данном случае устройства основаны на действии лазера. При использовании таких приборов на сканируемый объект, в определенных его точках наносятся особые светоотражающие маркеры, что позволяет обеспечить более высокую точность сканирования. Преимущество лазерных устройств состоит как раз в очень высокой точности создаваемых моделей. Однако лазерные приборы используются для сканирования исключительно статичных объектов и фактическине могут быть задействованы для получения моделей подвижных предметов (в этом случае процесс сканирования отнимает очень много времени). Благодаря тому, что лазерные сканеры дают возможность воссоздать невероятно точную модель, они применяются в разнообразных промышленных сферах, в частности, в машиностроении.
— Оптическая
Лазерные сканеры оказываются практически бесполезными, когда требуется отсканировать объекты, находящиеся в движении. Например, осуществить сканирование человеческого тела для медицинских задач. И тут на помощь приходят оптические приборы. Они осуществляют процесс сканирования предмета путем проецирования на него линий, формирующих своеобразный узор. Данные о поверхности предмета содержатся в искажениях формы проецируемой трехмерной картинки.
Оптические устройства могут похвастаться высокой скоростью работы. Это автоматически устраняет проблему искажения компьютерной модели в случае движения сканируемого объекта. Кроме того, здесь не требуется наносить на предмет специальные метки. То есть оптические сканеры могут с успехом применяться для сканирования подвижных предметов или человеческого тела. Несмотря на то, что оптические приборы уступают по точности создания 3D моделей лазерным аналогам, они характеризуются большей универсальностью. В то же время и у них есть свои минусы. В частности, оптические устройства не способны осуществлять сканирование предметов с зеркальными или блестящими поверхностями.
Области применения
Получение 3D моделей отдельных объектов или предметов является очень важной задачей для многих сфер деятельности человека. Можно перечислить лишь несколько ключевых областей, где 3D-сканеры находят широкое применение:
— Дизайн: создание трехмерного макета, на основе которого можно будет получить серийное изделие, изготовление дизайнерской упаковки, а также возможность получения и исследования формы объекта с ее последующей доработкой.
— Медицина: возможность создания трехмерных моделей суставов, строений кости и отдельных органов человеческого тела, планирование операционных манипуляций, проектирование разнообразной анатомической обуви и ортопедических конструкций.
— Реверс-инжиниринг: получение точной компьютерной модели предметов, которых требуется воссоздать.
— Архитектура: 3D-сканеры могут применяться для сканирования на заказ различных архитектурных деталей и элементов, например, колонн, статуй и декораций.
— Индустрия развлечений: получение анимационных моделей для игр и фильмов, возможность создания цифрового мультимедиа контента, основанного непосредственно из концептуальной модели разработчика. Это актуально, прежде всего, для видеоигр и разработки игровых персонажей, навеянных творческой фантазией.
— Строительная промышленность: получение чертежей мостов и сооружений в трехмерном исполнении, реконструкция автомобильных трасс и магистралей.
— Контроль качества продукции: проверка соответствия создаваемой продукции установленным требованиям и техническим нормам.
— Музейное дело и сохранение культурного наследия: точное восстановление формы устаревших скульптур или памятников для их последующей реконструкции, возможность организации виртуальных музейных экскурсий, сканирование старинных, антикварных предметов.
— Архивирование: создание цифрового архива прототипов изделий.
— Киноиндустрия: получение цветной трехмерной модели человека.
Итак, использование столь технологичного прибора, как 3D-сканер, может облегчить деятельность человека во многих сферах. Это динамично развивающаяся технология, которая предоставляет уникальные возможности – от планирования медицинских операций и создания объемного дизайн-макета до контроля качества создаваемых изделий. 3D-сканеры требуются во всех случаях, когда нужно определить форму предмета с большой точностью и в минимально короткие сроки.
3D-сканер – это устройство, с помощью которого можно создавать точные трехмерные модели реальных объектов.
Преимущества этой технологии:
- высокая степень детализации;
- информация о поверхности, форме и цвете объекта в цифровом виде.
Он преобразует объект в его цифровое изображение подобно тому, как простой 2D сканер преобразует изображение на листе бумаги в изображение на компьютере.
Применение 3D-сканеров
3D-сканеры используются во многих областях промышленности, науки, медицины и искусства. В частности, они успешно решают задачи реверс-инженеринга, контроля формы объектов, сохранения культурного наследия, используются в музейном деле, в медицине и дизайне. Таким образом, они необходимы во всех случаях, когда требуется зарегистрировать форму объекта с высокой точностью и за короткое время. Трехмерные сканеры позволяют упростить и улучшить ручной труд, а порой даже выполнить задачи, которые казались невозможными.
Эти устройства полезны в промышленности для бесконтактного контроля поверхностей сложной геометрической формы, а также для проектирования систем. Они используются:
- для оценки износов оснастки и создания упаковки, точно повторяющей форму изделия;
- в медицине с помощью 3D-сканеров ставят диагнозы, планируют операции и даже делают анатомическую обувь;
- в ортодонтии, где необходимо точное, качественное сканирование объектов небольшого размера.;
- дизайнеры используют 3D-сканеры для получения формы объекта, и её доработки;
- в музейном деле и археологии они применяются для детального сканирования, точного восстановления и реконструкции скульптур и памятников архитектуры;
- сканирование людей (получение цветной 3D-модели человека) уже сегодня используется для киноиндустрии и анимации.
Возможности 3D-сканеров
Как правило, 3D-сканер представляет собой небольшое электронное устройство, ручное (весом до 2 кг) или стационарное, которое использует в качестве подсветки лазер или лампу вспышку.
Точность получаемых моделей объектов варьируется от десятков до сотен микрометров. Возможно сканирование с передачей цвета или только формы поверхности. Эти устройства не только упрощают процесс создания трехмерных моделей – они печатают с максимальной точностью по отношению к исходному оригиналу.
Цена 3D сканеров зависит от технологии, применяемой для сканирования. Сегодня это доступный инструмент, которым пользуются даже небольшие компании.
Классификация 3D-сканеров
3D-сканеры делятся на два типа по методу сканирования:
- Контактные. При таком сканировании происходит непосредственный контакт сканера с исследуемым объектом;
- Бесконтактные.
Бесконтактные устройства в свою очередь подразделяются на две отдельные категории:
- Пассивные сканеры;
- Активные сканеры.
Пассивные сканеры сами ничего не излучают на объект, а видят отраженное фоновое излучение. Большинство сканеров такого типа реагируют на видимый свет - окружающее излучение.
Активные сканеры излучают на объект направленные волны и используют их отражение для анализа. Излучения бывают разными:
- Естественного света;
- Лазерных лучей;
- Инфракрасного излучения;
- Рентгеновских лучей;
- Ультразвука.
Технологии сканирования
Для создания 3D-сканеров используются различные технологии. У каждой из них есть свои ограничения, преимущества и недостатки. Сегодня основными направлениями являются оптическая и лазерная технологии.
Сканирование по оптической технологии осуществляется путем проецирования на объект линий, образующих уникальный узор. Информация о форме поверхности объекта содержится в искажениях формы проецируемого изображения.
В сканировании по лазерной технологии используется лазер, безопасный для зрения. Чтобы привязать 3D-сканер с лазерной подсветкой к объекту сканирования, нередко применяются специальные светоотражающие маркеры, закрепленные рядом с объектом сканирования или прямо на нем, в определённых точках.
Ограничения в сканируемых объектах присутствуют в обоих этих технологиях.
Лазерные сканеры по большей части не применимы для сканирования подвижных объектов, так как этот процесс отнимает слишком много времени. К тому же необходимо нанести специальные светоотражающие метки. Преимущество данной технологии – в высокой точности 3D-модели, но она предназначена для статичных объектов.
Оптические 3D-сканеры не очень хороши при сканировании блестящих, зеркальных или прозрачных поверхностях. Зато у них большая скорость сканирования, что устраняет проблему искажения получаемой модели при движении объекта, и не нужно наносить отражающие метки. Поэтому оптические сканеры можно использовать даже для сканирования человеческих лиц.
Интервью с Георгием Казакевичем, экспертом направления технической поддержки 3D-оборудования компании iQB Technologies
– В первой части интервью мы говорили об обратном проектировании (reverse engineering ). Теперь давайте разберемся, что такое контроль геометрии?
Контроль геометрии – это, по сути дела, контроль качества . Вот смотрите: предприятие получает заготовки, которые оно должно доработать. Если производить входной контроль этих заготовок, можно очень сильно уменьшить себе головную боль на этапе изготовления.
Взгляните на схему (рис. 1): для первой детали первые три пункта выполняются вручную (сканирование, подготовка к анализу и непосредственно анализ), а отчет составляет за вас программное обеспечение. Для следующих 999 деталей вручную делается только сканирование, остальные три этапа выполняет ПО. Таким образом, вы тратите время только на оцифровку. А при контроле геометрии сканирование – это обычно от 5 до 15% затраченного времени, не больше. Следовательно, при потоковом контроле или контроле серийного производства мы начинаем экономить массу времени.
Раньше предприятие могло себе позволить контролировать одну деталь из тысячи, потому что на это уходил день. Внедряя 3D-сканирование, можно контролировать сто деталей из тысячи всего за два дня. В первый день мы делаем всё вручную, и лишь еще один день потратим на 99 деталей – их надо только отсканировать. После чего помещаем CAD-модель в определенную папку и говорим программному обеспечению: «Работай».
Рис. 2. Карта отклонений геометрии футеровки
– Расскажите, пожалуйста, как это работает, на примерах из практики iQB Technologies .
– Была задача измерить толщину футеровки, успешно выполненная главным техническим экспертом нашей компании . Существует узел смешения жидкостей, он металлический, потому что жидкости подаются под давлением. Проблема в том, что должным образом обработать металл внутри – это, во-первых, тяжело, во-вторых, дорого. Ко всему прочему, металл – это материал, который вступает во взаимодействие со многими жидкостями, он может ржаветь, подвергаться коррозии и т.д. Этот узел изнутри покрывается специальным пластиковым составом. Для того чтобы достигалось правильное смешение жидкостей, покрытие должно быть равномерным. Если в нем есть рытвины, если оно неравномерно по толщине, внутри будут появляться завихрения. Они создают дополнительное давление на узел, следовательно, уменьшают срок его эксплуатации.
Раньше предприятие контролировало одну деталь из тысячи, потому что на это уходил день. Внедряя 3D-сканирование, можно контролировать сто деталей из тысячи всего за два дня.
Итак, сначала было выполнено 3D-сканирование узла без покрытия, затем с покрытием, и результаты подвергнуты сравнению. Красная зона на скане (рис. 2) – это покрытие. На правой картинке видно, что оно неровное. Исходя из полученных результатов, заказчик может предъявить претензии субподрядчику, который занимается нанесением этого покрытия.
Рис. 3. Контроль сварной конструкции
Следующий пример – выполненный мной контроль сварной конструкции. Я ездил в Нижний Новгород на завод компании Liebherr, который производит для сборки промышленной техники. Сами металлические листы приходят из Германии, в России свариваются и потом отправляются обратно. Из-за того, что конструкция довольно большая (2 м длиной), предусмотрены посадочные отверстия для крепления к другим конструкциям. Если во время сварки произойдет какой-нибудь перекос, деталь в одном месте присоединится, а в другом нет. Чтобы избежать этого, на заводе решили перед отправкой в Германию все детали предварительно сканировать и оценивать на отклонения, которые получились при сварке. В таблице справа (рис. 3) мы видим фактические размеры, которые показало 3D-сканирование. Отклонения отображаются в виде цветовой карты. Зеленый цвет – хороший результат, желтый – в пределах допуска, красный – неприемлемое отклонение. Конкретно та деталь, которую мы сканировали, естественно, не проходит и считается браком.
– В каких еще отраслях Вы применяли 3D-сканер и ПО для контроля геометрии?
Рис. 4. Контроль геометрии крыла автомобиля
– К примеру, у нас были проекты, связанные с . Запчасти для автомобилей, как вы знаете, достаточно дорогие. Их всегда можно заказать из Китая, но гораздо удобнее наладить производство в России. Наш заказчик, который изготавливает запчасти для машин высокого сегмента, стал получать жалобы: детали «играют», когда их пытаются посадить на место. Мы отсканировали крыло для BMW, сделанное в России, и крыло оригинального BMW. Сравнили их друг с другом и увидели, что российская деталь по размеру чуть больше, чем требуется. На основании этого в производственный цикл были внесены изменения.
Рис. 5. Корпус автобуса
На рисунке 6 вы видите корпус автобуса и результаты 3D-сканирования – это проект, которым занимался Алексей Чехович. В Москве есть предприятие, которое производит автобусы из смолы. Современные смолы по прочности могут соперничать с металлами, при этом они намного легче, а значит, экономичнее с точки зрения расходов топлива. Такой автобус собирается из нескольких частей. На предприятии заметили, что при сборке возникают некоторые перекосы, напряжения. Вначале нас пригласили отснять сделанные заготовки. Мы их отсняли и увидели, что заготовка сама по себе кривая. А в дальнейшем мы выяснили, что проблема даже не в заготовке, а в самой форме, в которой ее делали. То есть заготовка с формой идеально сошлась, а вот сама форма была бракованной, и ее пришлось заменить. После этого было решено, что мы примерно раз в полгода будем проверять форму.
– Контроль качества включает в себя и эксплуатационный контроль. Приходилось ли Вам решать подобные задачи с помощью 3D-сканирования?
Да, и это, как правило, связано со сложными, дорогими устройствами, типа самолета. В процессе эксплуатации на него действуют колоссальные нагрузки, и существуют ограничения на структурные изменения конструкции, которые самолет приобретает в процессе эксплуатации. Компания S7 заказала у нас полное 3D-сканирование Airbus. Анализ мы не выполняли, так как эти данные составляют коммерческую тайну.
Рис. 6. Эксплуатационный контроль Airbus авиакомпании S7
Обратите внимание на скан, где видно наклейку на хвостовой части (рис. 6). Дело в том, что даже такая вещь, как наклейка влияет на расход топлива. Измерительные системы, которые есть в нашем распоряжении, настолько чувствительны, что могут рассчитать оптимальное размещение наклейки. И по просьбе S7 было произведено 3D-сканирование хвоста самолета с наклейкой и без нее, чтобы понять, насколько правильно она расположена.
Рис. 7. Контроль оснастки на авиационном заводе
Упомяну еще один проект из области . Заказчиком iQB Technologies был самолетостроительный завод, изначально поручивший нам анализ листовых изделий довольно большого размера (2 метра и больше). На основании измерений мы выяснили, что деталь гнутая и не укладывается в требуемые допуски. И это при том, что на самом заводе она прошла контроль.
После того как деталь изготовили, ее кладут на деревянный шаблон (рис. 9). Если она лежит ровно, делают вывод, что она годная. Поскольку показывал отклонения, мы предложили проверить шаблон. И вот на скане можно увидеть множество зон с отклонениями. Такие шаблоны больших размеров, по которым изготавливаются узлы или детали, имеют сложный профиль, и поэтому их тяжело контролировать. Негодность самой шаблонной конструкции – это, на самом деле, большая проблема для многих предприятий.
– И здесь на помощь приходит 3D-сканер…
