Scanare 3D cu laser

În urma unei scanări 3D cu laser se obţine o imagine tridimensională al unei suprafeţe, care, datorită densităţii sale ridicate (mili­oane de puncte) este denumită „nor de puncte”.

Ce se poate obţine cu un scanner laser 3D?

Scanarea cu laser în contextul metrologiei industriale poate fi utilizată pentru mai multe sco­puri distincte. Brațul de măsură ROMER Absolute Arm SI este echipat cu software-ul PC-DMIS și scanner laser 3D integrat, realizând cu acuratețe toate aceste funcții într-un singur sistem. Encoderele Absolute „cunosc" poziția brațului în orice moment (eliminând astfel procedurile homing). Cu ergono­mia zero-G Counterbalance brațul pare că „pluteşte” în mâna operatorului. (foto 1)

FOTO 1. Un nor de puncte care reprezintă o piesă fizică. Diferitele culori reprezintă treceri individuale de scanare deasupra piesei. FOTO: Hexagon Manufacturing Intelligence

Controlul 3D şi validarea

Norul de puncte 3D creat cu ROMER Absolute Arm 7 axe, împreună cu software-ul PC-DMIS pot fi folosite pentru control dimensional sau GD&T, iar rezultatele comparate cu valorile nominale CAD. Cu opțiunea de comparare Cloud-to-CAD, norul de puncte poate fi suprapus peste modelul matematic - CAD pentru un control vizual rapid al deviațiilor față de nominal. Această comparație se numeşte  harta de culori sau harta meteo. Scanarea laser poate fi folosită de asemenea pentru controlul fără model 3D, folosind construcţie de elemente/carac­teristici sau dimensionări.

Exemplul de aplicaţii de control si validare:

• Validarea unei piese care îndeplineşte cerinţele conform model CAD, pentru control: incoming, în timpul procesului sau de validare finală
• Pentru a determina uzura matriţelor sau sculelor, evaluarea reparaţiilor sau verificarea modificărilor
• Control de tip First Article Inspection
• Măsurare a conturului, comparând piesele cu modelul CAD, secţiuni transversale 2D sau 3D
• În producţie sau fine tuning în procesul de asamblare
• Control pentru asamblare a două piese

Reverse Engineering

Reverse Engineering este un proces care porneşte de la o piesă fizică, măsurarea acesteia pentru a determina caracteristicile şi prelucrarea datelor pentru obţinerea unui model CAD. Acest proces este folosit frecvent în cazurile în care pro­cesul de proiectare a produsului implică procese manuale semnificative, cum ar fi domeniul de design auto.

În ciuda progreselor din domeniul software- urilor de modelare, multe desene sau proiecte încep de la un model fizic, care trebuie apoi să fie trans­format în format electronic.

Norul de puncte generat prin scanarea cu laser este prelucrat în diverse moduri în vederea pregătirii pentru conversia în CAD. Software-ul de Reverse Engineering, cum ar fi PC-DMIS Reshaper, este utilizat pentru obţinerea sau import al noru­lui de puncte scanat, manipularea, îmbunătăţirea calităţii din punct de vedere matematic si pentru combinarea datelor scanate astfel încât un model de tip surface - model să poată fi creat.

Exemple aplicaţii de reverse engineering:

• Obţinerea unui model 3D pentru proiectare sau adaptare.
• Caracterizarea unei suprafeţe de asamblare, astfel încât o altă piesă poate fi conectată
• Crearea unei piese „legacy” sau „golden”, în cazul în care nu există niciun CAD sau desen
• Obţineţi modelul „as-built” astfel încât poate fi comparată uzura în timp
• Analiză / comparaţie piesă / produs
• Arhivarea sau conservarea patrimoniului istoric pentru a crea o înregistrare 3D sau o replică
• Copiere / Scalare si Prototipare rapidă

Replici de tip one-off nu necesită întotdeauna crearea unui model CAD complet. Modele de tip stereo-litografie sau de tip CAM, în multe cazuri, se pot face direct din datele scanate (nor de puncte) sau model mesh. Redimensionarea sau scalarea modelului este posibilă. Software-ul de tip CAM este folosit pentru citirea datelor de scanare si pentru a produce instrucţiuni de prelucrare pentru masini - unelte cu comandă numerică.

Exemplu de aplicaţii:

• Conservarea patrimoniului istoric sau cultural în care artefactele sunt scanate pentru a observa uzura sau deteriorarea
• Prototipare rapidă pentru modele executate manual
• Scalare pentru un model fizic scanat
• Scanare de elemente pentru scopuri electronice, cum ar fi filmele si jocurile video

Cât de rapidă este Scanarea?

Viteza de scanare depinde în mod semnificativ de scanner şi câmpul de vizualizare al acestuia (Field of View - FOV). Pentru scannerele cu laser, în general, veţi putea vedea punctele achiziţionate „pe ecran”, în timp real. Uneori, acest lucru este denumit „vopsirea piesei”. Realizarea de scanări la unghiuri diferite pentru a se asigura că toate geo­metria este acoperită permite obţinerea unui nor de puncte, cum ar fi cel realizat în America pentru Liberty Bell, exemplu în care se pare că cineva a exagerat cu vopsea tip spray.

De asemenea, este importantă caracteristica scanner-ului privind numărul de puncte pe secundă scanate, lăţimea sau banda de scanare şi densitatea de puncte pe linie. Foto 2 compară diferenţa dintre două scanere diferite, scanner cu o bandă îngustă şi scanner cu o bandă largă, capturând o piesă pătrată plană de 1 metru, la un câmp de vizualizare mediu. Un scanner cu bandă de 105mm, relevează suprafaţa în mai puţin 3 minute, în timp ce pentru un scanner cu lăţimea mai îngustă ar dura peste 13 minute pentru aceeaşi piesă.

• Scanner cu lăţime de bandă îngustă Bandă de 44mm at la FOV mediu 23 de treceri necesare 13min,2sec
• Scanner cu lăţime de bandă mare 105 mm la FOV mediu 10 treceri necesare 2min 50sec

FOTO 2. FOTO: Hexagon Manufacturing Intelligence

Aplicaţia este un factor care contribuie la alegerea scanerului. Aplicaţiile unde viteza si aco­perirea suprafeţei sunt extrem de importante, dar detaliile fine nu sunt importante, pot necesita un scaner cu o viteză mai mare. Alte aplicaţii cu, piese mai complexe, sau mai mici, pot lucra mai bine cu o lăţime de bandă mai mică. Unele scanere, cum ar fi HP-L-20.8 permit utilizatorului să selecteze o lăţime de bandă care se potriveşte cel mai bine aplicaţiei.

Lumina ambientală afectează senzorul?

De multe ori, lumina din laborator sau din me­diul de fabrică poate avea un efect negativ asupra unui dispozitiv optic. Unele tipuri de dispozitive de scanare lucrează numai într-un mediu controlat de lumină, însă acest lucru nu este valabil pentru scanner-ul utilizat cu ROMER Absolute Arm. Aceste scannere laser folosesc o mulţime de tehnici pentru a înlătura efectele luminii ambientale, inclusiv filtre optice şi control al expunerii laserului, tehnici con­cepute pentru a ignora lungimile de undă ale lumi­nii, cu excepţia celor din apropierea laserului utilizat. Efectul net este că lumina de la incandescenţă, vapori de mercur, halogen sau alte sisteme de iluminat sunt respinse şi nu afectează senzorul.

Condiţiile de suprafaţă pot afecta senzorul laser?

În mod tradiţional precizia de măsurare a fost afectată de finisarea suprafaţei. Crom-ul foarte lus­truit şi suprafeţele negre lucioase au fost cel mai greu de scanat. Suprafeţele multi-colorate sau suprafeţele reflective pot cauza probleme pentru multe scanere. Braţele ROMER folosesc instrumente pentru a face faţă acestor situaţii, astfel majoritatea suprafeţelor şi culorilor pot fi scanate cu succes. Scannerul HP-L- 20.8 foloseşte controlul automat al expunerii şi tehnologia flying-dot pentru a permite adaptarea în mod automat în timp real pentru modificarea culorii materialului şi reflectivitatea.

Piesa trebuie acoperită cu spray?

În toate cazurile, mai puţin cel al suprafeţelor transparente, răspunsul este nu. Pregătirea suprafe­ţei prin pulverizare cu spray (pentru reducerea reflexiei şi a crea o suprafaţă uniformă) nu este de dorit din mai multe motive, începând cu timpul supli­mentar necesar pentru pregătirea suprafeţei până la adăugarea de variabilitate datorită spray-ului în sine (studii arată că acest lucru poate să fie de până la 100 microni diferenţă). În trecut piesa trebuia să fie acoperită cu spray în cele mai multe dintre cazuri, însă acum acest lucru nu mai este necesar.

Temperatura şi condiţiile de mediu pot afecta senzorul?

Mediile tipice de producţie sau de atelier sunt acceptabile pentru funcţionarea braţelor ROMER cu scanner laser. Instrumentul nu este potrivit pentru apă sau ulei direct deoarece acestea pot adera la senzor sau la cameră. Temperatura trebuie să fie de obicei între 15 şi 35°C, iar umiditatea între 0 şi 90% fără condensare. Mediile încărcate de impurităţi care pot adera la senzor trebuie evitate, deoarece acest lucru poate influenţa performanţa măsurătorilor. Aceşti senzori sunt capabili să funcţioneze în mod fiabil 24/7 în medii de producţie pentru mulţi ani.

Date filtrate sau date nefiltrate ...

Care este diferenţa, într-adevăr? Datele filtrate sunt date furnizate de senzor, care au fost „prelu­crate” pentru generarea norului de puncte. Acest lucru se realizează de obicei prin software în timp ce datele de la senzor sunt citite. Datele brute sunt compromise, deoarece sunt filtrate în timpul măsurătorii şi, prin urmare, calitatea datelor este o necunoscută. Datele nefiltrate sunt date furnizate de senzor în stare brută, inclusiv toate datele aberante, indiferent de cauză. Datele originale pot fi evaluate în mod independent. Cu ajutorul datelor nefiltrate se observă adevărata capacitate a senzorilor de a scana cu precizie; pentru o comparaţie corectă a datelor reale cu datele nominale (desen sau CAD).

Capacitatea de a capta date brute, nefiltrate independent de software-ul 3D utilizat este de prefe­rat, pur şi simplu pentru că vă permite să decideţi ce este de făcut şi elementele care să fie excluse din setul de date. De multe ori, datele aberante sunt datorate performanţei slabe a scaner-ului, deci cu cât scanerul este capabil de a capta suprafaţa reală şi să nu fie „păcălit” de factori externi, cum ar fi iluminatul, culoarea sau reflectivitatea suprafeţei, mai multă încredere aveţi în rezultate. Cele mai multe pachete de software au instrumente pentru a elimina sau de a ignora datele aberante la discreţia utilizatorului.

După ce scanez o piesă, pot obţine imediat un model de CAD?

Acesta este, probabil, aspectul cel mai des înţeles greşit în ceea ce priveşte scannerele laser. Instrumentul relevează geometria piesei într-un format de tip nor de puncte 3D. Acest lucru este pur şi simplu un fişier de puncte (x,y,z) însă nu este un fişier CAD. Pentru a obţine un fişier CAD, tre­buie să creaţi mai întâi un model poligonal extras din norul de puncte, apoi modelul poligonal trebuie prelucrat pentru a defini suprafeţele şi caracteris­tici - similar unui model CAD, de multe ori într-un sistem CAD. Aceşti paşi se realizează offline, procese ce au loc o dată ce colectarea datelor de scanare este finalizată, şi este de fapt etapa care consumă cel mai mult timp de lucru. Imaginea din dreapta reprezintă un nor de puncte cu zonele scanate eviden­ţiate sub diferite patch-uri colorate, modelul din stânga reprezintă aceleaşi date convertite într-un model poligonal, doar primul pas spre o conversie completă CAD.

• FOTO 3. De la nor de puncte la model poligonal. FOTO: Hexagon Manufacturing Intelligence

Gabriela Georgescu este Hexagon Manufacturing Intelligence Romania