3D-сканирование и обратное проектирование: новый инструмент для старых задач

Толковый словарь Мерриама-Уэбстера определяет реверс-инжиниринг как процесс разборки и изучения продукта или устройства для выявления концепций, использованных при его производстве, обычно с целью создания чего-то подобного.

Это старая концепция, восходящая к древним временам, когда реверс-инжиниринг в основном использовался в военное время для разгадки технологических секретов противников. Относительно недавний и хорошо известный пример — немецкая шифровальная машина «Энигма», которую союзники взломали во время Второй мировой войны.

В настоящее время реверс-инжиниринг чаще ассоциируется с процессом преобразования геометрии физических объектов в цифровые 3D-модели в прямой противоположности типичным процессам проектирования. Такой «современный» реверс-инжиниринг возможен только с относительно новыми технологиями, такими как 3D-сканирование.

До появления технологий 3D-сканирования реверс-инжиниринг требовал чрезвычайно трудоемких ручных операций с использованием таких инструментов, как штангенциркуль. Это серьезно ограничивало область применения обратного проектирования, учитывая высокие стандарты качества деталей и продуктов на современном рынке и связанные с этим совокупные затраты.

3D-сканирование способно чрезвычайно быстро и точно фиксировать геометрию даже самых сложных деталей. Например, недавно с помощью лазерного 3D-сканера всего за двадцать минут удалось оцифровать огромный насос, используемый для откачки воды из сухого дока.

Эта технология позволяет использовать реверс-инжиниринг в ситуациях, выходящих за рамки простого сравнительного анализа и воспроизведения деталей.

Основные варианты применения 3D-сканирования и реверс-инжиниринга

Обратное проектирование с помощью 3D-сканирования предлагает множество возможностей в плане разработки и производства. В целом, варианты использования реверс-инжиниринга можно разделить на три основных направления: копирование деталей, модификацию деталей и разработку совершенно новых компонентов на основе существующей среды или объектов.

1. Воссоздание и копирование деталей

Одно из самых популярных применений 3D-сканеров — воссоздание поврежденных или изношенных деталей, недоступных у поставщиков оригинального оборудования или не имеющих надлежащей документации. Это распространенная проблема при работе со старым оборудованием и антикварными автомобилями, и в таких случаях сложно обходиться ручными измерительными инструментами.

Однако, с хорошим 3D-сканером и соответствующим программным обеспечением задача значительно упрощается. Кацуя Танабики, например, поделился процессом реверс-инжиниринга крепления защитного щитка на старом мотоциклетном шлеме. Одно из двух креплений сломалось, а найти новое оказалось слишком сложно. Эта небольшая деталь была оцифрована с помощью 3D-сканера EinScan Pro 2X в стационарном режиме, а затем изготовлена методом 3D-печати.

Аэрокосмическая и автомобильная отрасли используют обратное проектирование для оцифровки компонентов и создания цифровых запасов устаревших деталей — так называемых «цифровых двойников».

Здесь 3D-сканирование незаменимо, учитывая сложность деталей, строгие требования к размерной точности и стандарты, которым они должны соответствовать. Возьмем, к примеру, маленькую турбину, реконструированную компанией Print3DD: в точности воспроизвести геометрию лопаток без 3D-сканирования было бы невозможно.

2. Совершенствование деталей

Еще одна цель реверс-инжиниринга — использование оцифрованных деталей для создания новых и улучшенных вариантов, а не просто воспроизведения оригиналов.

Этот метод позволяет значительно сокращать временные и финансовые затраты на разработку новых деталей, а также обеспечивает идеальную подгонку компонентов в составе сборок.

Тайваньская компания Kiden Design проиллюстрировала процесс реверс-инжиниринга и оптимизации трубы с использованием 3D-сканирования, системы автоматизированного проектирования и 3D-печати.3D-сканер EinScan Pro HD в ручном режиме зафиксировал неправильную геометрию трубы с противоположных сторон, а полученные сканы затем были сшиты в единую, точную 3D-модель для оптимизации в системе автоматизированного проектирования.

Еще один хороший пример применения реверс-инжиниринга в создании новых версий физических объектов — кастомизация мебельных деталей, выполненная компанией Voxel 3D за счет 3D-сканирования и обработки станком с ЧПУ. В этом проекте резные орнаменты одного предмета мебели были оцифрованы с помощью 3D-сканера и интегрированы в разные детали.

3. Создание деталей с нуля

Появление 3D-сканирования сделало возможным еще одно решение — использование оцифрованных деталей в качестве эталонов для совершенно новых изделий.

Например, эта процедура используется, когда требуется кастомизация с плотной посадкой новой детали. Чтобы проиллюстрировать это, давайте рассмотрим пример от автомобильной мастерской Fuller Moto. Брайан Фуллер и его команда использовали 3D-сканер EinScan Pro 2X Plus для оцифровки всего пространства для ног в автомобиле Lincoln Continental 1967-го года. Оцифрованная область использовалась в качестве эталона для проектирования новой кик-панели, а точная 3D-модель пространства позволила новой детали точно вписаться в отведенное место.

Этот метод также широко практикуется медицинскими работниками, поскольку части тел уникальны, и их сложно точно измерить ручными методами. Здесь 3D-сканирование еще раз зарекомендовало себя как эффективный инструмент оцифровки.

Одним из примеров служат ушные вкладыши, помогающие проводить звук от слуховых аппаратов к ушным каналам. Создание новых ушных вкладышей с нуля может занимать несколько недель, в течение которых пациентам приходится страдать от проблем со слухом.

Благодаря методам обратного проектирования с использованием 3D-сканирования и 3D-печати клиника Hearing Beyond Audiology в Торонто имеет возможность изготавливать временные вкладыши всего за один день. Такие временные аксессуары облегчают жизни пациентов в ожидании изготовления или обслуживания постоянных слуховых аппаратов.

Подобные методы обратного проектирования с 3D-сканированием также используются в производстве лицевых протезов и индивидуальных ортопедических стелек.

От чего зависит качество реверс-инжиниринга

Приведенные выше примеры демонстрируют центральную роль 3D-сканирования в реверс-инжиниринге. Неудивительно, что эффективность и точность данных, получаемых с помощью 3D-сканирования, имеют решающее значение в успешном обратном проектировании.

Тем не менее, программные инструменты, используемые для обработки данных и работы с 3D-моделями, также необходимы для достижения желаемых результатов. Чтобы понять важность хороших данных и адекватного программного обеспечения, давайте пройдемся по основным этапам реверс-инжиниринга с помощью 3D-сканирования.

1. Сбор данных

Самый первый шаг в любом процессе реверс-инжиниринга — это сбор данных. Независимо от метода правильное планирование и подготовка могут определить разницу между хорошими и неудовлетворительными данными.

При 3D-сканировании это включает в себя выбор правильного устройства и конфигурации (ручного или стационарного 3D-сканирования), а также аксессуары, такие как поворотные столы, калибровочные панели и другие приспособления. Правильная калибровка устройства важна для получения качественных данных.

Участки объектов или детали, подлежащие оцифровке, обычно требуют некоторой подготовки. Помимо хорошей очистки некоторые 3D-сканеры также требуют использования маркеров и/или специальных покрытий на отражающих поверхностях — матирующих спреев.

Перед началом оцифровки следует учесть условия окружающей среды. Контролируемая среда (например, в помещении, без прямого солнечного света, с чистой столешницей и т. д.) всегда предпочтительнее для уменьшения шума в данных, но это не всегда возможно.

Все вышеперечисленные факторы будут влиять на качество данных, что в свою очередь определит, насколько быстро и легко данные будут обрабатываться на следующих этапах.

2. Обработка данных

Следующий шаг — обработка полученных данных или «облака точек». На этом этапе данные 3D-сканирования обрабатываются программными инструментами, такими как EinScan, в результате чего получаются трехмерные сетки оцифрованных объектов.

3D-модель на этом этапе обычно требует некоторой доработки — удаления ненужных захваченных данных, восстановления поверхностей и заполнения пробелов.

Здесь становится понятно, почему так важен этап сбора данных: чем выше качество данных, тем меньше потребуется постобработки и исправлений.

На этапе обработки также назначаются эталонные объекты для 3D-модели — процедура, которая помогает ускорять следующий этап обратного проектирования.

3. Доработка в САПР

Последний этап — преобразование сетки объекта в твердотельную трехмерную модель.

Какой бы точной ни была сетка, она не подойдет для большинства приложений обратного проектирования, используемых в целях модификации, исправления повреждений или проектирования новых деталей.

На этом этапе обработанная сетка служит эталоном для создания 3D-модели в системе автоматизированного проектирования с использованием параметрических инструментов.

Теоретически с этим может справиться любая универсальная САПР, но специальное программное обеспечение, ориентированное на реверс-инжиниринг, может значительно упростить процесс и дать наилучшие результаты.

Соответствующее программное обеспечение для обратного проектирования также сможет сравнивать оцифрованные детали с параметрическими моделями, позволяя проверять геометрические и размерные отличия.

Технологии 3D-сканирования расширяют спектр промышленных применений обратного проектирования, принося пользу как предприятиям, так и потребителям. Тем не менее, качество захватываемых данных имеет решающее значение в получении удовлетворительных результатов обратного проектирования. Правильный выбор 3D-сканера в зависимости от возможностей играет ключевую роль в успехе всего процесса. Программное обеспечение, используемое на более поздних этапах обратного проектирования, часто упускают из виду или недооценивают, но оно также имеет важное значение.