3D-сканирование и реинжиниринг: новый инструмент для старой задачи
Издание Merriam-Webster определяет обратный инжиниринг как процесс разборки и изучения продукта или устройства для выявления концепций, задействованных в его производстве, обычно с целью создания чего-то схожего.
Это не новая концепция, восходящая к древним временам, когда обратный инжиниринг использовался в основном в военное время для раскрытия технологических секретов противников. Несколько более поздним и известным примером является машина Enigma, которую союзники разгадали во время Второй мировой войны.
В настоящее время реинжиниринг чаще всего ассоциируется с процессом преобразования геометрии физического объекта в цифровую 3D-модель, принимая обратное направление типичного рабочего процесса проектирования. Но этот "современный" вид реинжиниринга возможен только при использовании относительно новых технологий, таких как 3D-сканирование.
До появления 3D-сканирования традиционный реверсивный инжиниринг предполагал выполнение чрезвычайно трудоемких ручных задач и использования таких инструментов, как штангенциркули. Это сильно ограничивало спектр применения реинжиниринга, учитывая стандарты качества деталей и изделий на современном рынке и совокупные затраты.
3D-сканирование позволяет эффективно и чрезвычайно быстро получить геометрию даже самых сложных деталей. Например, недавно с помощью лазерного 3D-сканирования всего за 20 минут был снят большой стыковочный насос.
Эта технология позволила использовать реинжиниринг в ситуациях, не ограничивающихся простым сравнительным анализом и воспроизведением деталей, о чем мы расскажем в следующем разделе.
Основные области применения 3D-сканирования и реинжиниринга
Реинжиниринг с помощью 3D-сканирования открывает множество возможностей для разработки и производства продукции. В целом, различные виды использования реверс инжиниринга можно разделить на три основные области применения: копирование деталей, создание вариаций существующих деталей или разработка совершенно новых деталей на основе существующей среды или объекта.
1.Воссоздание и тиражирование деталей
Одно из самых популярных применений 3D-сканеров - воссоздание поврежденных или изношенных деталей, которые отсутствуют у оригинального поставщика или не имеют надлежащей документации. Это распространенная проблема при работе со старым оборудованием или раритетными автомобилями, и ее всегда сложно решить с помощью ручных инструментов реверс-инжиниринга, таких как штангенциркули.
Однако при наличии хорошего 3D-сканера и соответствующего программного обеспечения это может стать простой задачей. Кацуя Танабики, например, поделился своим процессом обратного проектирования выемки для щита на старом мотоциклетном шлеме. На шлеме было две выемки для щитка, но одна была сломана, а достать замену было слишком сложно. Эта крошечная деталь была отсканирована 3D-сканером EinScan Pro 2X в зафиксированном положении, а затем напечатана на 3D-принтере.
Однако фактическое изготовление детали не всегда является конечной целью. Аэрокосмическая и автомобильная промышленность, среди прочих, сознательно используют реинжиниринг для оцифровки компонентов и создания цифровых запасов устаревших деталей. Эти оцифрованные компоненты известны как "цифровые двойники".
Здесь 3D-сканирование незаменимо, учитывая сложность этих деталей и строгие требования к размерам и стандартам, которым они должны соответствовать. Возьмем, к примеру, эту небольшую турбину, реверсированную Print3DD. Отличительную геометрию ее лопастей было бы невозможно точно воспроизвести без 3D-сканирования.
2.Улучшение существующих деталей
Еще одна цель реинжиниринга - использовать оцифрованные детали для создания новых и улучшенных вариантов вместо их простого воспроизведения.
Этот метод позволяет значительно сократить время и затраты на создание деталей с нуля, а также обеспечивает идеальную подгонку компонентов, входящих в состав крупных узлов.
Тайваньская компания Kiden Design проиллюстрировала процесс оптимизации трубы с помощью 3D-сканирования, CAD и 3D-печати. 3D-сканер EinScan Pro HD, используемый в режиме Handheld, запечатлел неправильную геометрию трубы с двух противоположных сторон, которые затем были сшиты вместе в программном обеспечении. Благодаря полученной точной 3D-модели геометрию можно было легко оптимизировать в CAD.
Еще одним хорошим примером использования реинжиниринга для создания новых версий физических объектов является изготовление деталей мебели на заказ с помощью 3D-сканирования и резьбы по дереву с ЧПУ компанией Voxel 3D. В этом проекте резные орнаменты одного предмета мебели были оцифрованы с помощью 3D-сканирования и интегрированы в различные детали.
3.Создание совершенно новых деталей
Появление 3D-сканирования позволило создать еще одно приложение для реинжиниринга - использование оцифрованных деталей в качестве эталона для создания совершенно новых деталей.
Эта процедура обычно применяется, когда требуется плотная подгонка существующей детали, которая слишком сложна или имеет неправильный интерфейс.
Чтобы проиллюстрировать это, давайте рассмотрим пример из практики мастерской Fuller Moto по изготовлению автомобилей на заказ. Брайан Фуллер и его команда использовали EinScan Pro 2X для 3D-сканирования всего пространства для ног автомобиля Lincoln Continental 1967 года. Оцифрованная область была использована в качестве эталона для проектирования новой панели для ног, а точная 3D-модель панели для ног позволила новой детали безупречно вписаться в автомобиль.
Эта техника также широко используется медицинскими работниками, поскольку части тела уникальны и сложны для точного воспроизведения ручными методами. И здесь 3D-сканирование вновь доказало свою эффективность в качестве инструмента для оцифровки человеческих частей и поверхностей.
Например, ушные вкладыши - это специфические для пациента детали, которые помогают проводить звук от слуховых аппаратов к ушному каналу. Обслуживание или создание новых ушных вкладышей с нуля может занять несколько недель, в течение которых пациенты испытывают проблемы со слухом без них.
Однако благодаря методам обратного проектирования с использованием 3D-сканирования и 3D-печати в аудиологической клинике Hearing Beyond в Торонто можно изготовить временные ушные вкладыши всего за один день. Временное приспособление позволяет пациентам сохранить слух в ожидании изготовления или обслуживания ушных вкладышей в других учреждениях.
Подобные методы реинжиниринга с 3D-сканированием также используются для изготовления лицевых протезов и специальных индивидуальных протезов.
Что способствует хорошей работе в области реинжиниринга?
Приведенные выше примеры использования наглядно демонстрируют центральную роль 3D-сканирования в реинжиниринге. Неудивительно, что эффективность и точность данных, полученных с помощью 3D-сканирования, имеют решающее значение для успешного процесса реинжиниринга.
Однако программные инструменты, используемые для обработки данных и работы с 3D-моделями, также важны для достижения желаемых результатов в реинжиниринге.
Чтобы понять важность хороших данных и адекватного программного обеспечения, давайте рассмотрим основные этапы реинжиниринга с помощью 3D-сканирования.
1.Сбор данных
Самым первым шагом в любом процессе реинжиниринге является сбор данных. Независимо от метода, правильное планирование и подготовка могут сделать разницу между хорошими и плохими данными.
При 3D-сканировании это включает в себя выбор правильного устройства для работы, включая правильную конфигурацию (ручное или стационарное) и аксессуары, такие как поворотные столы, приспособления и калибровочные панели. Правильная калибровка устройства также является жизненно важной для получения качественных данных.
Области или детали, подлежащие оцифровке, обычно требуют определенной подготовки. Помимо хорошей очистки, некоторые устройства 3D-сканирования также требуют использования маркеров или даже специальных покрытий на отражающих поверхностях.
Перед началом процесса оцифровки необходимо также учитывать условия окружающей среды. Контролируемая среда (например, в помещении, без прямого солнечного света, очищенная столешница, ...) всегда предпочтительнее для уменьшения шума в данных, но это не всегда возможно.
Все вышеперечисленные факторы будут способствовать правильному сбору данных, что в свою очередь определит, насколько быстро и легко данные могут быть обработаны в дальнейшем.
2.Постобработка
Следующий шаг в процессе реинжиниринга связан с постобработкой полученных данных, или "облака точек". Здесь облако точек обрабатывается программными инструментами - например, программой EinScan - в результате чего создается трехмерное сетчатое представление оцифрованного объекта.
В любом случае, 3D-модель на этом начальном этапе обычно требует доработки, например, удаления нежелательных захваченных данных, исправления поверхностей и заполнения пробелов.
Здесь мы можем понять, почему этап сбора данных так важен: чем лучше качество данных, тем меньше потребуется постобработки и исправлений.
На этапе постобработки 3D-модели присваиваются эталонные сущности, что должно ускорить следующий этап процесса реинжиниринга.
3.Разработка CAD
Последним шагом в процессе реинжиниринга является преобразование сетчатого представления физического объекта в твердую 3D-модель.
Какой бы точной ни была сетчатая модель, она недостаточна для большинства задач обратного проектирования, требующих дополнительной обработки, например, устранения физических повреждений, создания вариаций или разработки новых деталей.
На этом этапе доработанная сетчатая модель, полученная на предыдущем этапе, служит точным эталоном для воссоздания модели с помощью параметрических инструментов CAD.
Хотя теоретически с этим может справиться любая CAD-программа общего назначения, специально разработанное программное обеспечение для обратного проектирования может значительно упростить этот процесс и дать гораздо лучшие результаты.
Соответствующее программное обеспечение CAD для обратного проектирования может также сравнивать оцифрованную модель с параметрической, позволяя пользователям проверять геометрические и размерные различия.
Заключение
Реверсивное проектирование прошло долгий путь от милитаристских применений, которые оно имело в прошлом. Технологии 3D-сканирования расширили спектр промышленных применений реинжиниринга, принося пользу как предприятиям, так и потребителям.
Тем не менее, качество полученных данных имеет решающее значение для получения хороших результатов в реинжиниринге. Выбор устройства для 3D-сканирования, а также его возможности и функции играют центральную роль в успехе всего процесса.
Программное обеспечение, используемое на последующих этапах реинжиниринга, также имеет большое значение, хотя его часто упускают из виду или недооценивают. Конкретные встроенные инструменты для этой работы могут иметь большое значение для хорошо выполненного процесса реинжиниринга.
