Optické 3D skenovanie dobýva priemysel a výrobu

Príspevok pôvodne vznikol pre bulletin č. 8/2021 Národného centra Priemyslu 4.0

Vďaka 3D skenovaniu získate vernú digitálnu kópiu fyzickej predlohy – dielu, ku ktorému už nemáte výrobnú dokumentáciu, súčiastky, u ktorej potrebujete porovnať odchýlky z výroby, objektu pre výskumné účely alebo vzácneho artefaktu pre archiváciu. Trojrozmerný sken dnes stále častejšie slúži ako podklad pre rozmerovú inšpekciu a reverzné inžinierstvo, 3D modelovanie a rýchlu 3D tlač náhradných dielov. Pozrime sa v krátkosti na súčasné možnosti a trendy.

 

Ak zostane u dvoch základných princípov 3D skenovania, využívame buď šošovky kamery, ktorá sníma svetlo odrazené od objektu (u bezkontaktných 3D skenerov), alebo sú informácie získavané zo sondy dotýkajúce sa priamo snímacieho povrchu (u tých bezkontaktných). Oba prístupy možno kombinovať – je potrebné pri snímaní tvarovo zložitých dielov s hlbokými vreckami, kde je možné dotykovú sondu využiť i tam, kam by kamera z viac uhlov už nedohliadla. Skenovať pritom môžete veľmi malé diely s drobunkými detailami, a taktiež niekoľkometrové predlohy. Pomocou špeciálnych skenerov dokonca celé prevádzky či rovno exteriéry, ani nehovoriac o výpočetnej tomografii schopnej odhaliť vnútorné vady dielov.

 

Vráťme sa ale k dnes najbežnejším a najprístupnejším, optickým skenerom pre priemysel a výrobu. U nich si môžete vybrať z veľmi širokej ponuky zhruba rozdelenej od stolných (dostupnejších) cez príručné (najuniverzálnejšie) až po metrologické 3D skenery (s certifikovanou presnosťou). Líšia sa schopnosťou snímať rôzne veľké objekty s rôznou presnosťou, s rozličnými povrchmi. Optické skenery potrápi najmä tie reflexné a veľmi tmavé, avšak i na to už existujú šikovné riešenia.

Ako sa nestratiť v mračne bodov

Nasnímané data si môžete predstaviť ako oblak bodov s priestorovými súradnicami. Stále chytrejšie softwarové aplikácie ich následne prevádzajú do užitočnej formy – povrchového 3D modelu tvoreného sieťou trojuholníkov. U niektorých optických zariadeniach, ktorým sa budeme venovať, môžete rovno získať i farebnú textúru povrchu. Aplikácie vám následne pomôžu s úpravami povrchovej siete i zacelením obtiažne snímateľných miest. Model sa stane „vodotesným“, čo je dôležité pre následnú 3D tlač kópií dielov, ku ktorým už neexistuje dokumentácia.

 

Predovšetkým u presných, metrologických riešení môžete nad dátami s výhodou vykonávať rozmerovú inšpekciu – názorne vidíte odchýlky výrobku voči pôvodnému konštrukčnému návrhu – i úlohy tzv. spätného inžinierstva. Pokročilé aplikácie ponúknu prevod povrchov do parametrického modelu, ktorý využijete v CAD systému pre ďalšie modelovanie. Ukážky takých postupov nájdete vo videu Presné 3D skenovanie pre priemysel a výrobu.

 

Nové možnosti rýchlo nachádzajú uplatnenie

V posledných rokoch sa objavuje rada 3D skenerov (a príslušenstva), ktoré búra predchádzajúce obmedzenia. Malé stolné skenery s otočnými stolíkmi, vhodné napríklad pre výuku a jednoduchšie projekty, sú dnes za podobnú cenu ďaleko presnejšie než predtým, pohodlnejšie sa ovládajú. Príručné 3D skenery zas vedia kombinovať viac druhov svetla v jednom ľahkom zariadení – ako modré LED s modrým laserom ako Shining 3D EinScan HX (na obrázku). Výrazne tým rastie ich univerzálnosť, dokážete s nimi nasnímať rôzne veľké, tmavé i reflexné objekty. Nehovoriac o vysokom rozlíšení a rastúcej rýchlosti i presnosti strednej triedy veľmi praktických, dobre prenosných príručných riešení. Ak odskočíme v tejto kategórii na chvíľu od výroby k vývoju ergonomických pomôcok, kde je treba skenovať ľudské telo a tvár, nájdete tu kombináciu s neviditeľným infračerveným svetlom (sesterský EinScan H). Umožňuje skenovať ľudskú tvár bez nepríjemne ostrého svetla, rovnako ako plnofarebne a v rade minút celú postavu, vrátane tmavších povrchov a vlasov.

 

Vyššia všestrannosť i cenová dostupnosť priťahujú nových záujemcov tiež v kráľovskej triede presných a certifikovaných metrologických skenerov. Tie spresňujú snímanie dát, splňujú nekompromisné požiadavky pre rozmerovú 3D inšpekciu, zber dát k simuláciám a trendovým analýzam, u reverzného inžinierstva i vývoji výrobkov. Príkladom za všetky môže byť známa česká značka ZEISS, pod ktorou dnes patria i skenery GOM. U metrologických skenerov môžete voliť od tých kompatkných a ľahko prenosných cez príručné, skvele prenosné v prevádzke aj teréne až po modulárne riešenie umožňujúce 3D snímanie bez nutnosti prípravy dielu, ktorá zahŕňa optický sledovací systém alebo dotykovú sondu (na obrázku).

Spresnenie, ale i uľahčenie práce

Stále väčší počet výrobných firiem v Česku používa 3D skenovanie k rozmerovej kontrole alebo i reverznému inžinierstvu u tvarovo zložitých dielov. Hlavnými výhodami bývajú časová úspora pri meraní posuvným meradlom, nasnímaná predloha eliminuje väčšinu chýb oproti ručnej digitalizácii atď. Nehľadiac na zložité tvary, ktoré často ani ručne zmerať nejde.

 

Pre ilustráciu čerstvý príklad z praxe: Aplikační inžinieri spoločnosti 3Dwiser využili 3D skenovanie vnútorných priestorov stroja, aby uľahčili ich následnú zástavbu. Dáta nasnímané priamo v prevádzke umožnila získať toľko potrebný prehľad o skutočných priestorových možnostiach a zjednodušila celú nasledujúcu úpravu stroja. Už nebolo potrebné sa spoliehať na drahú a zradnú metódu pokus-omyl.

 

Hoci 3D skenovanie rozhodne nie je novinkou, v digitalizácii pre priemysel 4.0 (a v modernej vývojovej a výrobnej prevádzke vôbec) dnes nachádza širšie uplatnenie. Nie je výnimkou, že užívateľská prívetivosť, presnosť a názornosť výstupu motivujú k pravidelnému využívaniu trojrozmerného snímania nielen metrológmi, ale tiež priamo konštruktérmi a vývojármi naprieč odvetviami. Dobre si v nasledujúcich rokoch všímajte, ako sa to v praxi bude všestrannými 3D skenermi len hemžiť.

 

Tomáš Vít

 

 

Presnosť vs. rozlíšenie

Rozlíšenie určuje vzdialenosť medzi dvoma bodmi v trojrozmernom modeli a je jedným z najdôležitejších faktorov 3D skenovania. Pri vysokom rozlíšení je vzdialenosť bodov veľmi malá a vyniknú detaily, nižšie rozlíšenie zas umožňuje snímať rýchlejšie.

 

Presnosť poskytuje informáciu o vernosti 3D modelu voči skutočnému objektu. Znalosť presnosti skeneru je veľmi dôležitá. Rozhoduje, či je použiteľný ku kontrole kvality, spätnému inžinierstvu, v zdravotníctve a pre ďalšie náročné aprikácie. Obvykle platí, že čím presnejší je skener, tým vhodnejší je pre väčšie množstvo aplikácií – avšak taktiež rastie jeho cena.

Aj presné metrologické 3D skenery dnes dokážu byť užívateľsky prívetivé, ako ukazuje nový GOM Scan 1. Podobne všestranné riešenia sú veľmi vhodné v spojení s 3D tlačou, pre reverzné inžinierstvo a inšpekciu dielov.

Vďaka kombinácii modrého LED svetla a modrého laseru dnes dokážete s jediným ľahkým príručným 3D skenerom nasnímať rôzne veľké, tmavé i reflexné objekty. Napríklad priamo v stiesnenom interiéri automobilu, ako ukazuje Shining 3D EinScan HX.

Prehrať video

Ukážky presného, metrologického 3D skenovania a spracovania dát názorne ukazuje Šimon Piksa na zariadeniach značiek ZEISS a GOD (video).

Prehľad 3D skenerov pre každú príležitosť >

Kam nedohliadne šošovka optického skeneru, tam sa uplatní dotyková sonda. U modulárneho riešenia ZEISS T-Scan pomáha zachytiť jednotlivé meriace pozície, hodí sa pre jednobodobé merania v miestach skosených hrán i v opticky ťažko dostupných oblastiach.

Keď nemôže diel do metrologického laboratória, musí metrológ za ním. S prenosným skenermi to už našťastie nie je problém (na snímke ZEISS T-Scan Hawk).

Stolné, priručné a metrologické skenery v našej ponuke  >