3D‑контроль в машиностроении: качественно новый подход к измерениям

В высокотехнологичных отраслях промышленности, таких как машиностроение, требования к точности, надежности и воспроизводимости геометрических параметров изделий постоянно растут. Классические методы измерений – ручные инструменты, координатно-измерительные машины (КИМ), щупы, шаблоны и т.п. – широко применяются, но зачастую не обеспечивают быстрого, полного и всестороннего контроля поверхности изделий со сложной геометрией, особенно в условиях серийного или крупносерийного производства.

Развитие технологий 3D‑сканирования открыло новые возможности: оцифровка деталей обеспечивает гораздо более высокую степень производительности и надежности, сравнение полученных данных с CAD‑моделями, визуализацию отклонений с помощью цветовых карт и автоматизацию отчетности.

3D‑сканер становится особенно ценным инструментом, когда требуется:

• Проверка сложных поверхностей, которые невозможно корректно измерить штангенциркулем, микрометром или даже КИМ без длительной подготовки
• Контроль крупногабаритных или неподвижных изделий, не поддающихся перемещению в измерительную лабораторию, – кузовов, сварных рам, литейных форм, лопастей, элементов станин
• Быстрая обратная связь на производстве – нужно выявить отклонения «здесь и сейчас», прямо в своем цеху или на объекте подрядчика, в любых производственных условиях
• Контроль партий единичных и мелкосерийных изделий, когда традиционные методы слишком затратны или медленны для переналадки
• Сравнение с CAD‑моделью – возможность мгновенно наложить скан на номинальную геометрию и визуализировать отклонения с помощью цветовой карты
• Цифровая архивация – документирование с целью повторного контроля и анализа дефектов благодаря сохранению 3D-моделей и отчетов
• Интеграция в процессы реверс-инжиниринга и метрологического аудита – получение точных цифровых данных для проектирования изделий или анализа старых деталей при отсутствии CAD‑моделей

КЕЙС 1: оценка качества восстановленной законцовки хвостового оперения самолета. По результатам сканирования сформирован отчет контроля симметричности отклонений законцовки в виде цветовой диаграммы с контрольными точками по всей поверхности детали с демонстрацией отклонений в абсолютных величинах (Проект TWIZE)

5 аргументов в пользу 3D‑сканеров

Использование 3D‑сканирования и соответствующего ПО для контроля геометрии имеет несколько очевидных выгод по сравнению с традиционными способами.

Полнота данных: 3D‑сканер захватывает всю поверхность изделия, что позволяет получать исчерпывающую информацию о геометрии и выявлять скрытые дефекты

Производительность: сканирование занимает в разы меньшее время, чем программирование и выполнение измерений на КИМ, особенно при работе со сложными поверхностями. Современные ручные лазерные сканеры выполняют оцифровку со скоростью от 1,3 до 7 млн точек в секунду

Гибкость и мобильность: ручные лазерные или оптические сканеры легко транспортируются и могут быть использованы практически в любом месте

Оптимизация контроля качества: за счет более полного охвата и визуализации можно быстрее выявить и устранить причины отклонений, снизить переработки, улучшить соответствие допускам и уменьшить количество итераций

Экономическая рентабельность: сокращение временных и финансовых затрат на измерения, более быстрый вывод продукта на рынок

КЕЙС 2: контроль сварных узлов погрузчиков до попадания на сборочную линию в компании Xtreme Manufacturing (США). Быстрое выявление дефектов до стадии сборки, сокращение перебоев на производстве, повышение качества выпускаемых узлов (проект Creaform) © creaform3d.com

Этапы 3D‑контроля

Процесс контроля геометрии изделий с применением 3D‑сканеров и специализированного программного обеспечения можно разбить на несколько ключевых стадий.

I. Подготовка и 3D‑сканирование

1. Подготовка объекта сканирования – могут потребоваться фиксация, наклеивание позиционных меток или нанесение матирующего спрея
2. Калибровка сканера
3. Выполнение сканирования c получением облака точек или полигональной сетки
4. Сшивка сканов и финализация модели в ПО сканера
5. Импорт CAD‑модели в ПО для контроля геометрии (к примеру, Geomagic Control X)

II. 3D‑моделирование

1. Сравнение скана с эталонной CAD‑моделью и построение цветовой карты, которая отображает все отклонения
2. Измерение геометрических параметров: расстояния, углы, диаметры отверстий, радиусы, ориентация поверхностей, контроль геометрических допусков и посадок
3. Анализ формы поверхностей: проверка кривизны, толщины стенок, деформаций
4. Выявление тенденций: если проводится серийный контроль, можно анализировать изменение отклонений в партии

III. Отчетность и действия по результатам

1. Генерация отчетов с визуализацией отклонений, измерениями, статистикой
2. Принятие решения: изделие годно либо требуется корректировка производственного процесса, оснастки или инструмента
3. Сохранение данных в цифровом архиве

КЕЙС 3: проверка крупногабаритных литых деталей. Благодаря 3D-контролю измеряемый объект не нужно никуда перемещать, обеспечивается гибкость измерений, в том числе захват внутренних элементов крупных объектов. Контроль геометрии большой отливки может быть выполнен за несколько часов, при этом точность и разрешение достигают 0,01 мм (проект ZG Technology) © 3d-zg.com

3D‑сканирование и мониторинг состояния оборудования

Помимо контроля качества выпускаемых изделий, 3D‑сканирование находит применение в мониторинге состояния технологического оборудования – станков, прессов, крупных узлов, корпусов, рам, резервуаров, запорной арматуры и пр.

3D‑контроль обеспечивает раннее выявление дефектов, отклонений геометрии, деформаций и износа с целью предотвратить простои, увеличить срок службы оборудования и повысить точность выпускаемой продукции.

Примеры решаемых задач:

• измерение деформации рамы или станины после длительной эксплуатации
• сканирование направляющих, плит стола, опорных поверхностей станка и сравнение с исходным состоянием
• контроль изменений геометрии сварных или сборных узлов
• отслеживание прогиба или искривления крупной конструкции под нагрузкой
• инспекция стыков и монтажных поверхностей перед наладкой или после капитального ремонта

КЕЙС 4: мониторинг состояния корпуса ротора паровой турбины для устранения течи через прокладку. На основе 3D-сканов определены зоны с наибольшей деформацией, произведена шлифовка, дефект устранен (проект iQB Technologies)

Когда выгоднее заказывать услуги, а когда – внедрять систему на предприятии

Внедрение 3D‑контроля может идти двумя путями: заказ услуг у специализированных компаний или приобретение собственного оборудования и программного обеспечения. Каждый вариант имеет свои экономические и организационные преимущества.

Аутсорсинг: быстрое решение без капитальных затрат

Заказ услуг 3D‑сканирования у профильных центров или сервисных компаний особенно выгоден, когда:

• предприятие не готово к инвестициям в оборудование и обучение
• контроль требуется периодически, например, при приемке новых пресс-форм, оснастки, опытных партий
• нужны высокоточные измерения единичных изделий, в том числе крупногабаритных, для которых необходимо специализированное помещение
• требуется метрологическое подтверждение от независимого исполнителя (например, для аудита заказчика)

В этом случае завод получает готовый метрологический отчет, не тратя ресурсы на оборудование и обучение специалистов.

Стоимость таких услуг обычно рассчитывается по количеству деталей или времени работы. При небольших объемах или разовых задачах это гораздо рентабельнее, чем покупка сканера и ПО.

КЕЙС 5: 3D-моделирование линии проката листового металла. На основании данных, полученных в результате 3D‑сканирования, создана твердотельная модель каждого элемента и проведен контроль отклонений одного вальца и одного штампа (проект TWIZE)

Собственное оборудование: для серийного и поточного контроля

Если предприятие регулярно контролирует геометрию деталей, особенно серийных или массовых, вложения в оборудование и ПО быстро окупаются.

Этот вариант актуален в следующих случаях:

• проводится ежедневный или еженедельный контроль партий
• важно оперативно корректировать оснастку или процесс, без ожидания внешнего подрядчика
• изделие входит в цикл НИОКР и доработок, где каждый день на вес золота
• предприятие намеревается внедрить цифровизацию контроля качества
• есть специалисты, готовые обучиться 3D‑сканированию и 3D‑моделированию

Комбинированный подход

Многие предприятия начинают с услуг, чтобы оценить технологию на практике, протестировать несколько моделей сканеров, понять трудоемкость и качество данных. После этого, при выполнении регулярных задач, переходят к покупке собственного оборудования. Такой вариант будет оптимальным, он снижает риск ошибок при выборе системы и помогает подготовить персонал и инфраструктуру.

Заключение

3D‑сканер незаменим там, где критичны скорость, полнота информации о геометрии изделия и работа с физически сложными объектами – то есть в большинстве задач современного машиностроения.

Применение ручных лазерных или стационарных оптических 3D‑сканеров вместе с современным ПО выводит контроль геометрии изделий на качественно новый уровень. Инженеры получают полноценную картину, необходимую для быстрой и надежной проверки качества детали, экономят время и ресурсы, оперируют точными и повторяемыми данными, а предприятие может интегрировать процесс 3D‑контроля в комплекс своих цифровых решений.

Полную версию материала читайте на нашем сайте

Мы предлагаем полный комплекс услуг 3D-сканирования, 3D-моделирования, 3D-печати и смежных технологий. Доверьте ваши задачи опытным специалистам TWIZE!