Mechatronika Modul 9: Rychlé vytváření prototypů Učebnice

Transkript

Mechatronika
Modul 9: Rychlé vytváření
prototypů
Učebnice
Cvičebnice
Řešení
(koncept)
Dr. Ing. Bogdan Dybała,
Dr. Ing. Tomasz Boratyński
Dr. Ing. Jacek Czajka
Dr. Ing. Tomasz Będza
Dr. Ing. Mariusz Frankiewicz
Ing. Tomasz Kurzynowski
University of Wroclaw, Poland
Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných
procovníků v globalizované průmyslové výorbě.
EU – Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110
„MINOS++“, platnost od 2008 do 2010
Tento projekt byl realizován za finanční
podpory Evropské unie.
Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá
výlučně autor. Publikace (sdělení)
nereprezentují názory Evropské komise a
Evropská komise neodpovídá za použití
informací, jež jsou jejich obsahem.
www.minos-mechatronic.eu
Partneři pro provádění, hodnocení a šíření výsledků projektů MINOS a MINOS**.
-
Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production
Processes, Germany
np – neugebauer und partner OhG, Germany
Henschke Consulting, Germany
Corvinus University of Budapest, Hungary
Wroclaw University of Technology, Poland
IMH, Machine Tool Institute, Spain
Brno University of Technology, Czech Republic
CICmargune, Spain
University of Naples Federico II, Italy
Unis a.s. company, Czech Republic
Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic
Tower Automotive Sud S.r.l., Italy
Bildungs-Werkstatt Chemnitz gGmbH, Germany
Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany
Euroregionala IHK, Poland
Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen
Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland
Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary
Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary
Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary
Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany
Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden
Obsah studijních podkladů
Minos: moduly 1 – 8 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: základy /
interkulturní kompetence, projektový management / fluidní techniku / elektrické pohony a
řízení/ mechatronické komponenty / mechatronické systémy a funkce / uvedení do provozu,
bezpečnost, vzdálený servis / dálková údržbu a diagnostiku.
Minos **: moduly 9 – 12 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: rychlé
vytváření prototypů / robotiku / migraci / rozhraní.
Všechny moduly jsou dostupné v následujících jazycích:
němčina, angličtina, španělština, italština, polština, čeština a maďarština.
Pro více informací prosím kontaktujte:
Technical University Chemnitz
Dr. Ing. Andreas Hirsch
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz
Tel.: + 49(0)0371 531-23500
Fax.: + 49(0)0371 531-23509
Email: [email protected]
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch www.minos-mechatronic.eu
Mechatronika
prototypů
Učebnice
(koncept)
Rychlé vytváření prototypů - Učebnice
Obsah
1 ÚVOD ..............................................................................................................3 2 CAD .................................................................................................................5 3 CAD – RP KOMUNIKACE ............................................................................10 3.1 4 FORMÁT STL ............................................................................................... 10 3.1.1 Struktura a vytváření souborů STL ................................................. 10 3.1.2 Orientace trojúhelníků ................................................................... 11 3.1.3 Souřadnicový systém a jednotky ve formátu STL ........................... 12 3.1.4 Vytváření souborů STL .................................................................... 13 3.1.5 Nejčastější chyby a defekty STL formátu ........................................ 13 3.1.6 Pravidla vytváření STL souborů ...................................................... 17 3.1.7 Generování *.stl souborů v různých programech ........................... 18 PŘÍPRAVNÉ ČINNOSTI V RÁMCI RP METOD ...........................................24 4.1 EDITOVÁNÍ STL SOUBORŮ .............................................................................. 28 4.2 OPRAVOVÁNÍ STL SOUBORŮ .......................................................................... 31 4.3 GENEROVÁNÍ PODPĚR ................................................................................... 32 5 RYCHLÉ VYTVÁŘENÍ PROTOTYPŮ – RP .................................................35 5.1 STEREOLITOGRAFIE (SLA, SL) ......................................................................... 42 5.2 SELEKTIVNÍ LASEROVÉ SPÉKÁNÍ/TAVENÍ – SLS/SLM ........................................... 44 5.2.1 MCP Realizer II – zařízení od společnosti MCP – HEK ..................... 46 5.2.2 EOSINT M 270 – RP zařízení od společnosti EOS ............................ 47 5.2.3 M3 Linear – zařízení od společnosti Concept Laser ........................ 48 5.2.4 TrumaForm LF 250 – zařízení od společnosti TRUMPF .................. 49 5.2.5 EBM S12 – zařízení od společnosti ARCAM .................................... 50 5.2.6 Sinterisation HiQ System – zařízení od společnosti 3D SYSTEMS ... 51 5.3 LAMINÁTOVÁ VÝROBA OBJEKTŮ (LOM)............................................................ 52 5.4 TVORBA MODELU POSTUPNÝM NANÁŠENÍM ROZTAVENÉHO MATERIÁLU – FDM ..... 54 5.5 LASEROVÉ TECHNOLOGIE FORMOVÁNÍ POMOCÍ PRÁŠKU ...................................... 55 5.6 TRYSKOVÉ TIŠTĚNÍ ......................................................................................... 56 5.7 3DP TROJROZMĚRNÉ TIŠTĚNÍ .......................................................................... 58 5.8 SGC – METODA VYTVRZOVÁNÍ FOTOCITLIVÉHO POLYMERU .................................. 60 6 ZPĚTNÉ INŽENÝRSTVÍ ...............................................................................62 6.1 ÚVOD ......................................................................................................... 62 6.2 OBLASTI VYUŽITÍ ZPĚTNÉHO INŽENÝRSTVÍ .......................................................... 63 6.3 METODY DIGITALIZACE .................................................................................. 66 6.3.1 Kontaktní metody digitalizace ........................................................ 68 6.3.2 Metody založené na optických bodech .......................................... 70 1
Minos++
7 6.3.3 Lineární optické metody ................................................................. 73 6.3.4 Optické metody založené na pásmu .............................................. 74 6.3.5 Destruktivní skenování ................................................................... 76 6.4 VYBAVENÍ A SOFTWARE ................................................................................. 77 6.5 DIGITALIZACE GEOMETRIE .............................................................................. 79 6.5.1 Fáze digitalizace ............................................................................. 79 6.5.2 Plánování digitalizačního procesu .................................................. 80 6.5.3 Získávání dat .................................................................................. 82 6.5.4 Zpracování dat a konstrukce CAD modelu ..................................... 83 POUŽITÁ LITERATURA...............................................................................89 2
Minos++
1 Úvod
V současném vysoce industrializovaném světě neutuchající potřeba
redukovat dobu plánování a projektování výrobků a potřeba zajistit nejvyšší
možnou kvalitu produktu v okamžiku jeho zprovoznění vedou k vývoji
nových technologií, jejichž cílem je redukce výrobní doby před uvedením
produktu na trh.
Nové technologie poskytují nástroje umožňující rozšíření záruky kvality,
od výrobní oblasti po celou životnost produktu. Skládají se z technik a
metod, které umožňují snížení doby vývoje produktu, a to od fáze
formulování požadavků až po fázi uvedení konečného produktu na trh.
Jedním ze základních cílů je minimalizace doby prostoje spolu se
souběžným vylepšením kvality produktu.
Matematický model objektu (CAD 3D) se považuje za základní součást
všech těchto technik. Takový model je sadou dat, která umožňují přesný
popis geometrického tvaru jakéhokoli trojrozměrného objektu. Základní
pravidla a potenciální nástroje jsou známé již léta, ale v důsledku určitých
problémů, zejména spojených s náklady, jsou vyhrazené nástroje, kultura a
aplikace obvykle nasměrovány pouze na velice bohaté nebo strategické
zákazníky.
Matematický model lze získat dvěma různými způsoby:
• Přímo, s použitím počítačových nástrojů pro trojrozměrné
projektování (CAD – počítačem podporované projektování)
• Kopírováním prvku s použitím nástrojů, jako jsou videokamery,
systémy zpětného inženýrství, CAT (počítačová axiální tomografie),
které se zvolí podle typu prvku, oblasti aplikace, požadované
přesnosti, atd.
Jakmile se model získá, může se používat k různým účelům, od archivace
po možnost provádění testů, vylepšování geometrie, používání
v multimediálních aplikacích, stejně jako v analýzách a FEM testech
skutečných výrobních procesů, v přípravě prototypů a forem s použitím
technik rychlého vytváření prototypů a rychlého vytváření nástrojů [19].
Techniky rychlého vytváření prototypů a rychlého vytváření nástrojů jsou
takovými technologiemi. Tyto systémy, instalované na moderních
zařízeních a využívající různé technologie a materiály, dokážou připravit
v cílovém materiálu prototyp nebo sérii prototypů objektu na základě jeho
numerického modelu získaného z CAD 3D systému nebo procesu
zpětného inženýrství. Při způsobu konstruování prototypu, který se vytváří
s použitím bezodpadového procesu, se jednotlivé vrstvy přidávají podle
údajů obsažených v STL souboru.
3
Minos++
RP, což je vizuální nástroj, pomáhá společnostem snížit pravděpodobnost
uvedení druhořadého nebo nekvalitního produktu na trh. Takové modely
mají mnohá využití. Poskytují dokonalou vizuální pomůcku při výměně
nápadů se spolupracovníky nebo klienty. Kromě toho se dají využít
v testovacích fázích. Například letecký inženýr může použít model letadla a
změřit na něm brzdu aerodynamického tlaku (odporové síly). Kromě
přípravy prototypů se RP techniky mohou použít k výrobě nástrojů
(takzvané rychlé vytváření nástrojů) nebo dokonce i vysoce kvalitních
produktů (rychlá výroba).
Rychlé vytváření prototypů pochopitelně není dokonalé. Objem vytvářených
součástek je omezený, jejich velikost závisí na typu zařízení. V případě
hromadných výrobních sérií nebo jednoduchých objektů jsou obvykle
ekonomičtější tradiční výrobní techniky. Pokud však tato omezení
ignorujeme, rychlé vytváření prototypů je technologie stojící za povšimnutí,
která výrazně napomáhá výrobnímu procesu.
Časem výzkum a vývoj umožní další vývoj těchto systémů, pokud jde o
účinnost (kratší doba konstrukce, menší odchylky, lepší kvalita povrchu,
zvýšená odolnost RP modelů vůči počasí, stejně jako vůči mechanickým,
teplotním a chemickým podmínkám). Jednoznačné přijetí na trhu a budoucí
úspěch těchto technologií jsou potvrzeny, což je důsledkem přirozené
tendence redukovat dobu vývoje nových produktů. To je také hlavním
faktorem úspěchu.
4
Minos++
Minos++
2 CAD
CAD je zkratka pro “Computer Aided Design”. Tento typ softwaru umožňuje
konstrukci prvků s mnoha detaily, nebo inženýrem navrženého zařízení.
CAD systémy podporují proces konstrukce a navrhování, používají se pro
skicování a geometrické modelování. Geometrické modelování slouží k 3D
znázornění modelovaných dílů a sestavených celků. Zobrazení celků
zahrnuje také popis struktury celků, nazývané struktura výrobku. 3D
znázornění dílů a celků slouží ke tvorbě technické dokumentace, např.
kreseb, výčtu dílů, seznamu materiálů.
První vyvinuté CAD systémy poskytovaly funkčnost, které umožňovala
vytváření ploché dokumentace. V průběhu času byly přidány funkce pro
vytváření 3D modelů. Byla zpřístupněna knihovna základních tvarů (kužel,
válec, koule, atd.), které bylo možné použít při vytváření 3D modelů.
Předpokládalo se, že bude nejprve vytvořena 2D dokumentace, na jejímž
základě se budou stavět 3D modely. Tento přístup se však časem změnil
kvůli dynamickému vývoji 3D modulů. Nakonec se nástroje pro 3D
modelování staly natolik výkonnými a jednoduchými, že se z nich stal
základní modul CAD systému, zatímco 2D kresby se začaly používat pouze
pro doplnění. Poté bylo konstatováno, že 2D kresby nejsou nic jiného, než
prezentace 3D modelu, což umožňuje vytvořit 2D dokumentaci téměř
automaticky.
CAD systémy obsahují knihovny předem připravených objektů (šrouby,
ložiska, klíny, atd.), které lze použít při projekční práci. Konstruktér tedy
nemusí používat různé druhy katalogů, když hledá určitý prvek. Může ho
najít v základní galerii, nebo pro svůj návrh dodatečně stáhnout jeho 3D
model. Knihovny dílů jsou obvykle otevřené a uživatelé je mohou doplňovat
díly, které sami vytvořili. Ty jsou pak zpřístupněny pro ostatní uživatele ve
společnosti, kteří pracují s CAD systémem a mají přístup ke knihovnám
dílů. Knihovny tohoto typu zefektivňují proces navrhování.
Geometrické modelování je technika, která se používá pro rýsování tvarů
určitého předmětu. CAD systémy umožňují jak vylepšit proces navrhování,
tak zkrátit dobu potřebnou k vývoji výrobku.
Používání počítačů a grafických programů usnadňuje či vylepšuje činnosti
spojené s navrhováním výrobku – od představy po archivaci. Práce s CAD
systémem je interaktivní práce na počítači, které vede k modelování dílů.
Na sestaveném modelu pak lze provádět řadu operací.
5
Definice
Současné CAD systémy umožňují parametrické modelování, založené na
obousměrném vztahu mezi dimenzemi, které mohou být zobrazeny v
režimu náčrtu, v 3D režimu, v režimu 2D kreslení a 3D geometrie a naopak.
Znamená to, že v jakékoli fázi projektování dílů můžeme změnit každý již
dříve zadaný rozměr. Příklady takových programů jsou SolidWorks a
CATIA. Tyto systémy zaznamenávají každý krok projektování a veškerá
historie vytváření modelu je znázorněna ve formě stromu. Změna
parametrů modelu nastává prostřednictvím nalezení operace ve stromě a
editování jejích parametrů. Náčrty, na jejichž základě operace vznikla, se
rovněž dají modifikovat. Po uložení změn se aktualizuje celý model.
Aktualizace modelu může být neúspěšná, protože následující operace
mohou být založeny na geometrii modifikované operace. V takovém
případě systém určí, které operace jsou problematické a vyžadují zásah
uživatele.
V současné době všechny uznávané CAD systémy umožňují:
• vytváření trojrozměrných projektů,
• vytváření kreseb konstrukce z několika samostatných prvků,
přezkoušení, zda do sebe zapadají
• spolupráci mnoha lidí na velkých projektech,
• automatické aktualizace všech kreseb konstrukce při každé změně
jakéhokoliv detailu,
• automatické vytvoření seznamu detailů, odhadu nákladů,
spolupráce se skladištěm, atd.,
• vizualizace,
Hlavními rysy CAD systému jsou:
• geometrické modelování objektu,
• vytváření a upravování konstrukční dokumentace
• ukládání a uchovávání dokumentace v elektronické podobě – jako
soubory i jako databáze,
• výměna dat s jinými systémy,
• vytváření trojdimenzionálních projektů vytvořených prvků,
• vytváření kreseb konstrukce z několika samostatných prvků,
• spolupráce mnoha lidí na jediném projektu,
• automatické aktualizace všech kreseb konstrukce při změně
jedné z nich,
• automatický odhad nákladů, spolupráce se skladištěm, atd.
6
Minos++
Počítačem podporované navrhování tvoří tři úrovně:
• koncepce, kdy je provedena analýza, shromaždování možností
řešení a posudek řešení z pohledu jejich správnosti,
• vývoj koncepce, kdy se specifikuje koncept řešením, stanoví se
rozsah projektu a přistoupí se ke konstrukci modelu a posouzení
řešení,
• detail, kdy dojde na reprezentaci jednotlivých dílů a posouzení
řešení.
CAD proces se skládá z 6 fází [7]:
• rozpoznání potřeb,
• definování problému,
• syntéza,
• analýza a optimalizace,
• evaluace,
• prezentace.
Obr. 2.1 Proces navrhování za použití CAD
7
Minos++
Výhody používání CAD systémů:
• možnost určit optimální řešení,
• zlepšení kvality získaného řešení (precizní matematické modely
(CAD 3D)),
• projektant je zbaven časově náročné a většinou nudné práce
(skicování, výpočty),
• více možností zužitkování existujících návrhářských řešení díky
počítačovým databázím stávajících norem a katalogů
• možnost simulovat chování navrženého předmětu za různých
podmínek již ve fázi navrhování.
Výhody vyplývající ze zavedení CAD systému jsou nesporné a společnost
může tímto způsobem vylepšit svou konkurenční pozici. Nosná pozice
představujícího technologickou úroveň celé továrny je pouze jedním okem
v řetězu činností pro přípravu technické výroby. Není-li vhodně a
interaktivně spojena se všemi ostatními oblastmi, které spadají know-how
továrny, pak ani instalace těch nejlepších CAD systémů nepřinese
společnosti jako celku velké výhody (kromě zvýšení pohodlí, vzdělanosti a
efektivity práce v konstrukčním oddělení).
Obr. 2.2 Modely předmětů v CAD systému
8
Minos++
U CAD se používají dva druhy geometrických modelů:
1. plochý – využívá obrysů
• grafický 2D model, kde některá uspořádání čar spojují skupinu
bodů, při tvorbě modelu se používají prvky jako např.: rovné čáry,
oblouky, kruhy, paraboly, atd.
• grafické 2,5D modely, tj. modelování spektrálních či rotačních
předmětů,
charakterizované
používáním
plochých
prvků
(translačním či rotačním pohybem plochých povrchových prvků
okolo osy otáčení se vytvoří objemový model předmětu).
2. prostorový – využívá trojrozměrných prvků
• objemové modelování spočívající v sestavení trojdimenzionální
kresby ze základních matematických těles, jako je válec nebo torus;
• plošné modelování, používané pro vytváření plošných objektů, které
se skládají z hran, spojených plochami, tzv. fazetami (objeví se
polygonální síť, jejíž povrch je hladký);
• drátěné modelování, používané pro vytváření předmětů – koster
tvarů, za použití lineárních a obloukových prvků.
CAD softwary se v podstatě používají pro navrhování konstrukcí, tudíž jsou
spojeny hlavně s mechanikou. Mezi nejpopulárnější CAD systémy patří:
CATIA, Solid Works, Pro/Engineer, SolidEdge, Unigraphics, Inventor,
AutoCAD.
Dodatečné informace ohledně jednotlivých systémů lze nalézt na
internetových stránkách výrobce.
CAD systémy se používají kvůli následujícím rysům:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
přesnost kresby,
méně práce,
možnost analyzovat modely,
prostorové zobrazení,
automatizace kreslení,
rychlé provádění změn,
jednoduché ovládání projektu,
možnost integrace s ostatními systémy,
jiné.
9
Minos++
3 CAD – RP komunikace
3.1 Formát STL
S nápadem vytvořit formát STL (Standard Triangulation Language, tedy
“Standardní triangulační jazyk”) přišla společnost 3D Systems, která je
pionýrem v oblasti stereolitografie. Na její podnět společnost Albert
Consulting Group v roce 1987 vytvořila první verzi STL. Tento formát se
stal brzy základním formátem užívaným pro výměnu dat u procesů
rychlého vytváření prototypů. STL za tento úspěch vděčí své
jednoduchosti, originalitě a dostatečně preciznímu vyjádření (mapování)
navrženého modelu. Hlavním úkolem zmíněného formátu je přenos CAD
3D modelů do přístrojů pro rychlé vytváření prototypů. V současné době
nabízí většina CAD/CAM programů možnost uložit model ve formátu STL,
který mohou přečíst téměř všechny systémy Rychlého vytváření prototypů
[8].
3.1.1 Struktura a vytváření souborů STL
STL je tvořen rejstříky trojúhelníkových ploch, kterým se také říká
trojúhelníková mřížka. Můžeme ji definovat jako soubor vrcholů, hran a
trojúhelníků, navzájem spojených tak, že každá hrana a každý vrchol jsou
sdíleny minimálně dvěma přiléhajícími trojúhelníky (pravidlo “vrchol k
vrcholu”). Jinými slovy, trojúhelníková síť aproximací přibližně vyjadřuje
plochy 3D modelu, uloženého ve formátu STL. Toto vyjádření ovšem
vynechává prvky, jako jsou body, přímky, křivky, vrstvy a barvy.
Obr. 3.1 Aproximační model využívající trojúhelníky BRAK FOTO
Soubory STL se ukládají s příponou *.stl, část programů však umožňuje
použít i jiné přípony. Velikost souboru závisí na počtu trojúhelníků, na
jejichž plochy byl model rozdělen, a v důsledku toho na přesnosti, s jakou
trojúhelníky odráží geometrii modelu.
10
Minos++
Obr. 3.2 Rozdíl v zobrazení geometrie modelů při různých počtech
trojúhelníků
Uložení 3D modelu ve formátu STL zabírá hodně místa kvůli rozdělení stěn
tělesa na trojúhelníkové plochy, které jsou popsány souřadnicemi X, Y, Z
pro každý vrchol a normálovým vektorem, směřujícím pryč od dané plochy
a ven z modelu.
Obr. 3.3 Popis trojúhelníkové plochy
3.1.2 Orientace trojúhelníků
Trojúhelníky, na které byly rozděleny stěny 3D modelu, tvoří také hranice
mezi jeho vnitřní a vnější stranou. Jejich orientaci lze určit dvěma způsoby:
1. Podle normálového vektoru, který směřuje ven.
2. Pozorujeme-li model z vnější strany, vrcholy jsou označeny v protisměru
hodinových ručiček (dnes běžná metoda).
11
Minos++
Obr. 3.4 Orientace trojúhelníkových ploch
Na výše uvedeném obrázku jsou znázorněny dvě trojúhelníkové plochy.
Plocha na levé straně je otočena vnitřní stranou nahoru, což je vyznačeno
uspořádáním označení vrcholů ve směru hodinových ručiček a směrem
normálového vektoru. V případě trojúhelníku napravo je tomu naopak, zde
vidíme vnější stranu modelu.
3.1.3 Souřadnicový systém a jednotky ve formátu STL
Jedním z požadavků formátu STL je, aby zobrazovaný model ležel v kladné
části souřadnicového systému. To znamená, že žádná ze souřadnic
vrcholů trojúhelníku nesmí být nižší nebo rovná nule. Příklad programu,
který neumožňuje vytváření souborů STL, pokud jsou souřadnice vrcholů
záporné nebo nulové, je AutoCAD. Existuje však mnoho CAD programů,
které povolují jakékoliv umístění modelu.
Soubor uložený ve formátu STL neobsahuje žádné informace o rozměrech
modelu. Proto je důležité, aby byl model definován před převedením,
protože mnoho programů pro rychlé vytváření prototypů má funkci
obnovení jednotek na základě přiložených rozměrů.
12
Minos++
3.1.4 Vytváření souborů STL
Aby bylo možné vytvořený 3D model uložit ve formátu STL, je třeba
následovat tento postup:
•
Zvolení dílu (dílů), které mají být převedeny do formátu STL.
•
Nastavení odchylky parametrů procesu.
•
Zvolení formátu, ve kterém je soubor uložen (ASCII nebo binární).
•
Uložit soubor.
V případě plošných modelů je ukládání ve formátu STL o něco
komplikovanější, a skládá se z následujících kroků:
•
Určení všech přiléhajících ploch.
•
Rozdělení všech ploch na trojúhelníky.
•
Nastavení normálového vektoru, který ukazuje k vnější části každé
z ploch.
•
Uložení souboru.
Je důležité si zapamatovat, že pro ukládání souboru ve formátu STL jsou
stanoveny následující parametry:
•
Odchylka rozdělení do trojúhelníků, která určuje, jak “jemný” 3D
model bude (standardní hodnota: 0,0025” nebo 0,05 mm).
•
Odchylka přiléhání trojúhelníků (standardní hodnota: 0,005” nebo
0,12 mm).
•
Automatické generování normálových vektorů (zapnuto/vypnuto).
•
Zobrazování normálových vektorů (zapnuto/vypnuto).
•
Zobrazování trojúhelníkových ploch (zapnuto/vypnuto).
•
Informace o souboru (zapnuto/vypnuto).
3.1.5 Nejčastější chyby a defekty STL formátu
STL formát, jako většina CAD/CAM formátů, může obsahovat některé
chyby, které mohou mít negativní vliv na manuální analýzu modelu.
Nekompatibilita s pravidlem vrchol-k-vrcholu.
Kompatibilita s pravidlem vrchol-k-vrcholu je jednou ze základních
podmínek, kterou je třeba splnit, aby soubor mohl být uložen v STL
formátu. Podle tohoto principu musí každý trojúhelník sdílet dva vrcholy se
sousedními trojúhelníky a žádný vrchol trojúhelníku nesmí ležet na straně
jiného trojúhelníku.
Na následujícím obrázku jsou znázorněny dva obrázky (čtverce), které byly
rozděleny na trojúhelníky.
13
Minos++
Trojúhelník 1 na obrázku „a“ obsahuje čtyři „vrcholové body“, zatímco
pouze tři z nich jsou skutečné (bod X nelze považovat za vrchol, neboť leží
na straně trojúhelníku). Spodní levý vrchol trojúhelníku 1 však není sdílen
s žádným jiným trojúhelníkem popsaného obrázku. Pokud však jde o
trojúhelníky 2 a 3 na tomtéž obrázku, oba dva obsahují jeden správný bod
sdílený s trojúhelníkem 1 a jeden nesprávný bod X, který není skutečným
vrcholem trojúhelníku 1.
Obr. 3.5 Pravidlo vrchol-k-vrcholu
Aby bylo pravidlo „vrchol-k-vrcholu“ splněno, trojúhelník 1 by měl být
rozdělen do dvou trojúhelníků, jak je znázorněno na obrázku „b“, nebo by
se měly trojúhelníky 2 a 3 spojit jako na obrázku „c“.
Variabilita (netěsnost)
Všechny plochy obsažené v STL souboru by měly vytvořit alespoň jednu
konstantní jednotku podle Eulerova pravidla pro pravidelná pevná tělesa:
F-E+V=2B
kde:
F – počet ploch,
E – počet hran,
V – počet vrcholů,
B – počet jednotlivých těles.
Příkladem splnění tohoto pravidla může být krychle znázorněná na začátku
(Obr. 3.5), pro kterou platí:
F = 6, E = 12, V =8 a B =1, odtud:
6– 12+8 = 2x1
2=2
14
Minos++
Pokud výše uvedená podmínka není splněna, pak je STL model považován
za „netěsný“. Ve chvíli, kdy je netěsný STL soubor použit k procesu
generování vrstev podle vypočteného algoritmu, tento algoritmus nemusí
odhalit chybu a v důsledku toho vzniknou neuzavřené hranice. Pokud je
model, který byl takto nesprávně vygenerovaný, použit v RP procesu, laser,
fréza nebo jakýkoli jiný nástroj, který vytváří jednotlivé vrstvy modelu, a
který narazí na díru v povrchu, může tuto díru považovat za záměrnou a
model nebude vyroben v souladu s našimi očekáváními, nebo bude
v průběhu procesu deformován do takové míry, že způsobí zablokování
zařízení.
Obr. 3.6 Příkladová chyba v *.stl souborech – křížení ploch (V případě
modelu, na němž byly provedeny booleovské operace s příliš malou
přesností, je netěsnost běžnou chybou. Je to patrné díky skutečnosti, že
správné geometrické prvky se vždy nezobrazí).
Obr. 3.7 Příkladová chyba v *.stl souborech – díry na hranici plochy (Díry,
které se objeví na hranici plochy, mohou být způsobeny softwarovými viry
nebo nesprávně konfigurovaným *.stl souborem)
Existují však programy, jako je 3D LightYear od společnosti 3Dsystems
nebo Magics, které umožňují opravení chyby přidáním segmentu
spojujícího přerušené hranice.
15
Minos++
„Degenerované“ plochy
Degenerace ploch není tak závažnou chybou, jako jsou chyby uvedené
výše. Může však někdy způsobit určité poškození konstrukce modelu.
Obr. 3.8 Příklad degenerace plochy
Obrázek výše znázorňuje tři vrcholy určité plochy. Podstatnou skutečností
je, že jsou nebo se staly kolineárními. Jejich kolinearita je důsledkem
dřívějšího zkrácení nekolineárních souřadnic, ke kterému došlo během
importu.
Ačkoli degenerace ploch není závažnou chybou, neměla by být ignorována,
protože:
•
za prvé, data týkající se plochy, zvětšují velikost STL souboru,
•
za druhé, degenerované plochy zmatou algoritmy, které analyzují
procesy rychlého vytváření prototypů,
•
za třetí, jejich editování bude mnohem obtížnější.
Degenerace plochy může také vést k další chybě, totiž k dírám (otvorům)
v trojúhelníkové síti. Problém spočívá ve skutečnosti, že trojúhelníky,
z nichž se při importu aplikací do formátu STL stanou přímky, mohou
způsobit vznik děr (otvorů) v geometrických bodech s velkým zakřivením.
Obr. 3.9 Díry v trojúhelníkové síti
16
Minos++
Chyby v modelech
Tento typ chyb nevzniká při konverzi do STL formátu, ale v důsledku chyb,
které nastaly při vytváření modelu. Pokud se nesprávně vymodelované
pevné těleso uloží v STL formátu, všechny údaje ohledně chyb se
nezobrazí. Je tedy zásadní, aby se nesprávně vymodelované pevné těleso
opravilo ještě před uložením do STL formátu. Jinak může dojít k výrazné
nekompatibilitě s procesem rychlého vytváření prototypů, a nalezení a
opravení chyby v rámci modelu uloženého v STL formátu je mimořádně
obtížným a pracným procesem.
Nadbytečnost
Základním defektem STL formátu je jeho vysoká nadbytečnost
(nadměrnost), která vyplývá ze zdvojení vrcholů a hran trojúhelníků.
Obr. 3.10 Nadbytečnost v STL souboru
3.1.6 Pravidla vytváření STL souborů
Generování *.stl souborů je obvykle snadnou úlohou. Každý výrobce CAD
3D softwaru však používá jiné podmínky a parametry k ukládání souborů,
jako jsou *.stl. Nicméně není zapotřebí znát všechny parametry, aby bylo
možné uložit správně vygenerovaný model v *.stl formátu. Postupování
podle následujících pokynů zaručuje vytvoření správného *.stl souboru.
1. Typickým příkladem trojúhelníkové sítě, která zaručuje dobrou
kvalitu vygenerovaného *.stl souboru, je síť o velikosti mezi 0,02
mm (0,001”) a 0,05 mm (0,002”). Je však třeba mít na paměti, že
snížení odchylky sítě vždy nezpůsobí zvýšení přesnosti prototypu.
Vysoce propracované pevné těleso s velkým množstvím zakřivení a
zaoblení musí mít větší přesnost než geometricky jednodušší
model.
2. Upřednostňuje se ukládat STL soubory raději v binárním formátu
než v ASCII.
17
Minos++
3. V případě objemového modelování v CAD 3D programu existuje
výrazně nižší riziko dopuštění se chyby ve výsledném *.stl souboru
než v případě plošného modelování, kde by se mělo modelovat
takovým způsobem, aby byly všechny plochy vzájemně spojené a
nekřížily se. Generování *.stl souboru z nesprávného modelu je
možné, ale později bude vyžadovat opravu.
4. V případě plošného modelu musí být před exportováním do STL
formátu všechny plochy navzájem spojeny tak, aby tvořily jeden
model. Pokud plochy nejsou ořezané (zkrácené) nebo přerušené,
stále existuje možnost vytvořit STL soubor, ale ten nebude správný
a jeho oprava bude obtížnější.
5. Minimální velikost (tloušťka) modelu, ze kterého se vygeneruje *.stl
soubor, je 0,02 mm.
6. V některých CAD programech se během konverze modelu do STL
formátu mohou objevit varování, upozorňující na to, že geometrie
části modelu se nachází mimo pozitivní oblast os X,Y a Z – tato
hlášení můžete ignorovat.
7. V případě, že chcete vytvořit prototyp s permanentní montáží, je
třeba takovou montáž vytvořit s použitím CAD programu, a teprve
pak uložit v *.stl formátu.
3.1.7 Generování *.stl souborů v různých programech
Generování *.stl souborů ve většině programů spočívá v provádění stále
těch stejných činností a je dostupné pouze z příkazu SOUBOR/Uložit
jako… Jednotlivé kroky, které je třeba učinit při exportování modelu do *.stl
formátu, byly ukázány na dvou příkladových CAD systémech, kde je jak
v SolidWorks, tak ve většině dalších programů ukládání dostupné přes
„Uložit jako…“, zatímco v systému CATIA se používá k tomu určený modul.
1. Za účelem uložení 3D modelu v STL formátu v softwaru Solid
Works postupujte následovně:
2. Otevřete model, který se má exportovat do STL formátu.
3. Vyberte soubor z horního roletového menu, a zvolte Uložit jako…
4. V dialogovém okně je třeba: zvolit cílový adresář (složku), název
modelu a typ formátu, totiž STL (*.stl).
5. Poté musí být definovány parametry souboru, a proto byste měli ve
stejném dialogovém okně kliknout na Možnosti… Otevře se další
okno nazvané Možnosti exportu (Obr. 3.11)
18
Minos++
Obr. 3.11 Okno s možnostmi exportu
V okně lze definovat následující parametry:
Výstupní data, jako je:
•
Binární formát,
•
ASCII formát,
•
Jednotka (milimetry, centimetry, metry, palce, stopy).
Obr. 3.12 Výstupní data
Rozlišení. Tento parametr ovládá trojúhelníkovou síť. Jsou zde k dispozici
tři možnosti rozlišení:
•
Hrubozrnné,
•
Jemnozrnné,
•
Uživatelsky přizpůsobené (upravené).
Volba poslední možnosti umožňuje nastavení úhlu a odchylky. Dovolená
odchylka reguluje síť celé části, zatímco dovolený úhel ovlivňuje především
znázornění detailů.
Rozdíly vznikající při zavádění změn jsou znázorněny dvěma soustřednými
kružnicemi umístěnými vedle tyče řízení.
19
Minos++
Obr. 3.13 Nastavení rozlišení (přesnosti)
V obou případech volba nižších hodnot umožňuje vytvoření přesnějšího
modelu v STL formátu, ale tento proces je mnohem časově náročnější.
Zobrazit STL údaje před uložením souboru. Zvolení tohoto parametru
povede (po kliknutí na tlačítko Uložit) k zobrazení dialogového okna
s následujícími údaji: počet trojúhelníků, velikost souboru, formát souboru,
a cesta adresáře a název souboru.
Zvolení parametru Zobrazit povede k zobrazení náhledu modelu v grafické
oblasti, a údajů ohledně počtu trojúhelníků a velikosti souboru.
Obr. 3.14 Náhled STL souboru. Část dialogového okna Možnosti exportu a
grafický náhled exportovaného modelu.
Nepřenášejte (nepřesouvejte) STL výstupní data do první čtvrtiny
souřadnicového systému. Zvolení tohoto parametru způsobí, že model
ukládaný v STL formátu si zachová svou původní polohu v globálním
prostoru ve vztahu k počátku souřadnic.
20
Minos++
Uložte všechny součásti celku do jednoho souboru. Tento parametr se
týká pouze celků. V případě, že tento parametr nebude nenastaven,
jednotlivé části celku se uloží v samostatných souborech.
Zkontrolujte výskyt protínání. Tento parametr se také používá pouze
v případě celků. Jeho zvolení umožňuje kontrolu protínání v dokumentu
celku před uložením souboru.
Výstupní souřadnicový systém. Změna tohoto parametru bude mít za
následek změnu souřadnicového systému použitého k exportu souboru.
Standardní volba způsobí, že se nepoužije žádná transformační matrice.
Poslední fází ukládání souboru v STL formátu je kliknutí na tlačítko OK
v dialogovém okně Možnosti exportu a kliknutí na Uložit v okně Uložit
jako…
Za účelem uložení 3D modelu v STL formátu v CATIA softwaru postupujte
následovně:
3D model, který se má exportovat, by se měl otevřít v STL modulu rychlého
vytváření prototypů.
Obr. 3.15 Otevření STL modulu rychlého vytváření prototypů
Dalším krokem je definování parametrů trojúhelníkové sítě. Za tímto
účelem klikněte na možnost Mozaikovat ikonu objektu.
21
Minos++
Otevře se dialogové okno Mozaikování, kde může konstruktér upravit
hodnoty, jako jsou:
Pokles – parametr definující výšku tětivy mezi plochou modelu a rovinou
dotykového trojúhelníku. Standardní nastavení je 1,08mm. Jeho snížení má
za následek koncentraci (zjemnění) trojúhelníkové sítě, a tedy zvýšení
přesnosti znázornění modelu a velikosti souboru (Obr. 3.16).
Obr. 3.16 3D model exportovaný do STL formátu v CATIA softwaru. a) Pokles
= 1,08mm (počet trojúhelníků = 140), b) Pokles = 0,5mm (počet trojúhelníků =
180)
Stupeň. Tento parametr nastavuje maximální délku strany plochy
trojúhelníku popisujícího model. Snížení tohoto parametru tedy způsobí
koncentraci trojúhelníkové sítě a jeho zvýšení způsobí její zředění (Obr.
3.17).
22
Minos++
Obr. 3.17 Různé hodnoty parametru Stupeň: a) Stupeň = 20mm (počet
trojúhelníků = 970), b) Stupeň = 10mm (počet trojúhelníků = 4214), c) Stupeň
= 200mm (počet trojúhelníků = 140)
Doporučuje se, aby exportování modelu do 3D formátu probíhalo na hraně,
neboť po změně jednotlivých parametrů, výběru modelu a kliknutí na
tlačítko Použít existuje možnost zobrazit STL model. Za účelem pokročení
k další fázi se volba parametrů potvrdí tlačítkem OK.
Klikněte na Soubor, a poté na Uložit jako.... Otevře se dialogové okno
Uložit jako, kde je nutné zvolit cílový adresář (složka), název ukládaného
modelu a formát souboru, což je stl. Vše se potvrdí tlačítkem Uložit.
23
Minos++
4 Přípravné činnosti v rámci RP metod
Po dokončení CAD modelu v STL formátu by se měl model připravit na
výrobní proces v jednom ze zařízení na rychlé vytváření prototypů.
Přípravné činnosti se mohou provádět v jednom z programů určených pro
toto použití, což umožňuje zpracování STL souborů.
Software tohoto typu může importovat většinu standardních přípon
souborů, jako jsou: STL, VDA, IGES, STEP, VRML a individuální formáty
jednotlivých CAD programů, jako jsou následující: UniGraphics, Parasolid a
CATIA.
Také v důsledku zvyšujícího se počtu souborů uložených ve formě
bodového mraku je takový import a export dat možný. Importovaná data ve
formě bodových mraků se konvertují do CAD modelů s přesností, kterou
stanoví uživatel.
Proces zpracování zahrnuje opravu vyskytujících se chyb. V důsledku toho
se získá STL model, který je připraven k výrobě v RP zařízení bez nutnosti
dalších konverzí. Software tohoto typu je pro každý RP proces nutností.
Tato fáze se nedá žádným způsobem vynechat za účelem ušetření času,
který byl pro takovou práci vyhrazen.
Obr. 4.1 Schéma přípravných činností
Šetření času během opravy STL souborů
Protože CAD systém vždy do STL formátu neexportuje bezchybnou
geometrii, její oprava je nezbytná, aby se do STL zařízení poslaly soubory
s daty týkajícími se modelu. Tento program diagnostikuje vadný model a
navrhne chyby, které se mají opravit. Díky dostupným nástrojům oprava
chyb zabere málo času, samozřejmě podle počtu a komplikovanosti
problémů. Nástroje dostupné v programech umožňují odpovídající orientaci
normálových vektorů trojúhelníků, spojování oddělených okrajů, vyvažování
nedostatků (děr), odstraňování dvojitých trojúhelníků, ořezávání ploch,
kombinování obalů a provádění booleovských operací.
24
Minos++
Obr. 4.2 Chyby označené červeně v stl, a vedle opravený model
Zavádění změn do modelu
Za účelem opravení modelu není třeba danou opravu provádět na
mateřském CAD modelu – může se vykonat přímo na STL modelu.
Programy obsahují několik užitečných nástrojů, které optimalizují a zkracují
průběh celého procesu. Např. nástroj na tahání ploch, který se dá použít
k přidání přebytečného materiálu pro pozdější mechanické zpracování;
nástroj na řezání modelů, aby seděly na pracovní plošinu RP zařízení. Pro
snadnější identifikaci jednotlivých částí se dá použít nástroj na označování
a popisování ploch modelů.
Obr. 4.3 Natahování plochy jako přebytečného materiálu pro případné
dodatečné opracování (dokončení)
Umisťování modelů na pracovní plochu
Modely se na pracovní plochu dají umisťovat jak manuálně, tak
automaticky. V případě pouhých několika modelů není zapotřebí generovat
automatickou distribuci (uspořádání), v případě velkého množství spolu
s komplikovanou geometrií je však snadnější generovat automatické
uspořádání, které bude nanejvýš optimální, pokud jde o obsazený prostor a
rychlost výrobního procesu.
25
Minos++
Obr. 4.4 Optimální uspořádání modelů na pracovní plošině
Nesprávná automatická orientace modelu v pracovním prostoru je také
možná, pokud předpokládáme lepší kvalitu jedné z ploch. Jak je známo,
konstrukční proces spočívá ve spojování následujících vrstev jednu po
druhé, což způsobuje větší hrubost povrchu orientovaného v úhlu nebo
paralelně ke směru inkrementu vrstev (osa Z inkrementu vrstev). Jediný
hladký povrch je kolmý na směr inkrementu vrstev (příčný řez roviny X-Y).
V takovém případě musí být model orientován manuálně na pracovní
plošině. Pokud nezáleží na přesnosti daného povrchu (např. tehdy, když
model podstoupí dodatečné opracování), model by se měl na nejkratší
dobu konstrukce orientovat tak, aby byla jeho výška v ose Z minimální (osa
inkrementu vrstvy).
Dalším krokem je vytváření vrstev na modelech, které se vyrobí pomocí RP
procesů, jednu po druhé. Za účelem vytvoření prototypu v RP zařízení se
STL model musí rozdělit do tenkých vrstev. To je poslední operace, která
se na souboru před zahájením konstrukčního procesu provede. Hustota
vrstev se pohybuje mezi 0,01 a 0,7 mm.
26
Minos++
Obr. 4.5 Model rozdělený do vrstev
Dále program vygeneruje podpůrné konstrukce (podpěry) za účelem
správného postupu procesu.
Obr. 4.6 Podpůrná konstrukce (podpěry)
Model připravený tímto způsobem se pošle do RP zařízení k přípravě
prototypického fyzického modelu.
Možnosti zpracování STL dat
•
Vizualizace, možnost provádění měření, zpracování *.stl modelu,
•
Opravování *.stl souborů, ořezávání ploch, zjišťování dvojitých
trojúhelníků,
•
Příprava průřezů STL souborů, děr (děrování), natahování ploch,
vytváření retroverzí,
•
Booleovské operace, redukce trojúhelníků, vyhlazování, přidávání
textu nebo označení (znaků),
•
Detekce kolize,
•
Barvení STL souborů,
27
Minos++
•
Rozdělování modelů do vrstev,
•
Generování podpůrných konstrukcí.
4.1 Editování STL souborů
Díky široké řadě dostupných nástrojů je práce s STL soubory v programech
připravující na konstrukci v RP zařízeních velice účinná.
STL údržba
• Intuitivní a snadno použitelné nástroje umožňují rychlé otáčení,
posouvání, dávkování a vytváření.
• Možnosti velkých měřítek se dají využívat jako alternativa
k tradičním papírovým nákresům.
Jak 2D, tak 3D měření vzdálenosti, poloměrů a úhlů se dají provádět na
základě rovin, válců, os, sfér, apod.
Obr. 4.7 Provádění měření
•
•
•
•
Polo-pohledy a částečné průřezy se dají generovat pro snadnější
pochopení a čtení součástek,
Uživatel může definovat a pracovat na několika lokálních
souřadnicových systémech,
Specializované funkce zajišťují snadnou orientaci v polohování
modelů,
Přídavné formáty umožňují sníženou délku generovaných STL
souborů.
28
Minos++
Účinné zpracování STL souborů
Inteligentní a velice účinný zpracovací nástroj umožňuje projektování přímo
na STL modelech:
Na modely se dají psát texty s použitím jakéhokoli Windows True Type
fontu, v jakékoli velikosti a na jakoukoli plochu modelu. Údaje (např. sériové
číslo) se na součástku mohou vyrýt nebo vyrazit.
Obr. 4.8 Text napsaný na modelu
Barvení modelů rovněž nepředstavuje žádný problém. Barvy se na povrch
nebo jednotlivé trojúhelníky mohou přidávat manuálně nebo automaticky;
*.bmp obrázky se také dají zakreslit.
29
Minos++
Obr. 4.9 Přidávání barev na jednotlivé součástky
Součástky se dají ořezávat a děrovat, což umožňuje vytváření modelů s
větším gabaritem v několika částech. Pro lepší kontakt mezi plochami
řezané části pro pozdější slepování se dá použít pokročilá možnost řezání.
Obr. 4.10 Řezání součástky umožňuje její přizpůsobení na pracovní plochu
RP zařízení
Retroverze se dá využít k získání výplně o pevném objemu z obalu nebo
přidávání nadbytečného materiálu pro případné dodatečné zpracovávání,
lakování, pískování, atd.
Jsou k dispozici booleovské operace. Je možné přidávat nebo ubírat na
objemu prostřednictvím přidávání nebo ubírání z STL modelu.
Je možné proděravět dokonce i součástky s těmi nejkomplikovanějšími
tvary. Tyto součástky se nejen vyrábí rychleji, ale také zajišťují méně častý
vznik vnitřních pletenců během výrobního procesu v zařízeních na rychlé
vytváření prototypů, stejně jako šetří materiál.
30
Minos++
Obr. 4.11 Implementace úspory materiálu slupkového modelu při výrobě
fyzické součástky
Je také možné vytvářet objekty, jako například sféry, válce, kužely, jehlany,
hranoly a další.
Existuje možnost natahování plochy jako nadbytečného materiálu na
mechanické zpracování.
Manipulace a zpracování naskenovaných dat
Bodové mraky z 3D scannerů se dají změnit do velkých STL souborů.
Dále, díky redukci trojúhelníků s použitím speciálních nástrojů, je ukládání
dat mnohem jednodušší v důsledku redukce velikosti souboru.
Během generování STL souborů z dat získaných z 3D scannerů nastávají
interference. Díky možnosti vyhlazení se takové defekty dají eliminovat, což
vylepšuje kvalitu povrchu.
Obr. 4.12 Nástroj na vyhlazování povrchu
4.2 Opravování STL souborů
Vizualizace
Vizualizační nástroje upozorňující na chyby v STL výrazně usnadňují jejich
polohování. Označí se trojúhelníky s obrácenými normálovými vektory,
31
Minos++
špatnými okraji, dírami, apod. Bez jakýchkoli problémů si uživatel může
všimnout, kde se chyby vyskytují.
Podrobná analýza STL souborů je rovněž možná, postačí zkontrolovat
vlastnosti. Údaje týkající se rozměrů, počtu trojúhelníků v souřadnicové síti,
počtu chyb, objemu, atd. jsou tam obsaženy.
Automatické opravy
Díky implementaci inteligentních algoritmů lze většinu oprav STL souborů
provést automaticky, což šetří mnoho času.
Obrácené trojúhelníky, s normálovými vektory nasměrovanými v opačném
směru, se dají obrátit automaticky. Program nastaví vnitřní a vnější části
modelu a po pořádku zkontroluje, zda směr odpovídá popisu. Pokud ne,
směr se změní.
Nesprávné hrany – přerušené dírami mezi trojúhelníky – se dají
automaticky sešít. Postačí označení polohy děr a program provede záplatu
bez ztráty tolerance.
Automatická triangulace v záplatování děr výrazně šetří čas. Dokonce i díry
s komplikovanými obrysy se dají snadno opravit pomocí nástroje na
záplatování děr s komplikovanými tvary. Funkce vyplní díry, přičemž přiblíží
tvar výplně k ploše obklopující díru.
Odhalí se dvojité plochy a trojúhelníky, které se dají odstranit v závislosti na
požadavcích uživatele.
Manipulace a zpracování
Manuální oprava poškozených modelů je rovněž možná. Zvolený
trojúhelník lze smazat, normálové vektory obrátit a vytvořit další trojúhelník,
Programy umožňují provádění booleovských a opravných operací,
Oddělené modely nebo součástky se dají snadno propojit,
Po označení se vyčnívající plochy ořežou podél okraje modelu.
4.3 Generování podpěr
Generování podpěr je klíčovou operací při správné konstrukci modelu
v stereolitografickém zařízení nebo zařízení na spékání práškových kovů.
Přídavná podpůrná konstrukce je nezbytná k zajištění stability modelu, a
aby každá součást vyráběné součástky zůstala na svém místě. Softwarová
funkce na generování podpěr umožňuje jejich rychlé a snadné vytvoření a
případnou pozdější úpravu. Spolehlivost, integrita součástí a snadné
odstranění podpěr jsou klíčovými faktory rychlého vytváření prototypů.
Generátor podpěr automaticky přidává podpěry ke každému modelu.
Software analyzuje plochy modelů, identifikuje ty, které vyžadují podpůrné
konstrukce a vygeneruje optimální podpěry v závislosti na geometrii plochy.
Celý proces se zakládá na parametrech definovaných uživatelem, což
zajišťuje plnou kontrolu nad prací programu. Navrhování těch
nejkomplikovanějších podpůrných konstrukcí nevyžaduje zvláštní technické
32
Minos++
dovednosti. V důsledku redukce výrobní doby podpěr se zvyšuje
produktivita práce.
Navzdory vysokému stupni automatizace programy do značné míry
umožňují individualizaci. Všechny automaticky vygenerované podpěry se
dají modifikovat podle potřeb, požadavků nebo preferencí uživatele.
Propracovaná vizualizace funkčně umožňuje posouzení a vyhodnocení
každého místa zvlášť. Velice snadným způsobem můžeme změnit stávající
podpůrnou konstrukci v jinou, která nám vyhovuje více. Software nám dává
možnost přidat do podpůrných konstrukcí ozubení, a tak omezit jejich
kontakt s plochou objektu. Přidání ozubení také usnadňuje pozdější
odstraňování podpěr a zvyšuje kvalitu povrchu.
Obr. 4.13 Ozubení v podpěrách výrazně usnadňuje jejich odstraňování
Dalším usnadněním v odstraňování podpěr, stejně jako v „kapání“
pryskyřice, je děrovaná podpůrná konstrukce.
Děrování zajišťuje úsporu materiálu, zkracuje dobu výroby a usnadňuje
odstraňování konstrukce z modelu.
33
Minos++
Obr. 4.14 Děrované podpěry
Všechny tyto funkce umožňují kompletní individualizaci v generování
podpůrných konstrukcí.
Generování vyztužovacích podpěr
Tato systémová možnost je určena pro zařízení založená na práškových
materiálech (kovy, keramika, sádra, apod.).
Podpěry jsou, v těchto technologiích, potřebné k zajištění stability při
vyjímání vyrobených součástek u některých technik, stejně jako k vyztužení
vytvořených počátečních vrstev, aby se při nanášení další vrstvy
práškového materiálu předtím vytvořená vrstva a výztuhy vyčnívajících
součástí modelu nepoškodily.
34
Minos++
5 Rychlé vytváření prototypů – RP
Technologie rychlého vytváření prototypů se uplatňují ve výrobě fyzických
modelů s použitím RP zařízení přímo z:
•
matematického modelu definovaného v CAD 3D systému,
•
dat nasbíraných prostřednictvím skenování skutečného modelu
(zpětné inženýrství).
Všechny metody jsou si navzájem podobné a jsou založeny na rostoucí
(bezodpadové) výrobě modelů. Naprosto se tedy liší od klasických metod
výroby fyzických modelů (soustružením, frézováním, apod.), kde se
tvarování objektů provádí prostřednictvím mechanického odstraňování
materiálu (odpadové zpracovávání). Vytváření modelů pomocí RP technik,
kde je každá následující vrstva přesným odrazem sekce modelu v určité
rovině, se zakládá na přidávání vrstveného materiálu.
Modely, které byly vytvořeny pomocí RP technik, podléhají vyhodnocením,
která provedou technici, manažeři a zákazníci. Technici ověří použitá
konstrukční řešení a odhalí případné nedostatky projektu dlouho před tím,
než dojde ke zhotovení nástrojů pro hromadnou výrobu, zatímco manažeři
mají za úkol modely zhodnotit po stránce vizuální a estetické. Zákazníci
nakonec potvrdí, zda potenciální produkt vyhovuje jejich požadavkům.
Prototypické
modely
slouží
k provádění
prvních
odolnostních,
bezpečnostních, montážních, přepravních a jiných testů. Nejsou pouze
průkazním materiálem v obchodních, technických a marketingových
jednáních, ale také jsou většinou mnohem vítanější a snadněji vnímané
než standardní 2D nákresy. Lepší pochopení koncepce vede k šetření jak
času, tak peněz.
Rychlé vytváření prototypů se hojně využívá v různých průmyslových
odvětvích a jeho sféra působnosti se každým dnem rozrůstá, což lze
pozorovat zejména v automobilovém průmyslu, kde se pomocí této
technologie vyrábí 25% všech prototypů.
Obr. 5.1 Oblasti využívání technik rychlého vytváření prototypů [1]
35
Minos++
Prvenství technik rychlého vytváření prototypů lze pozorovat při srovnání tří
metod vývoje produktů, jako jsou například:
•
•
•
Tradice
Simultánní konstruování – CE
Simultánní konstruování v režimu rychlého konstruování – RENG
Při tradičním projektování se prototyp vytvoří v úplně poslední fázi
vývoje produktu, brzy poté, co se stanoví řešení, zvolí se materiály a
dokončí se analýza společně s výběrem konečné varianty. Takovým
prototypem je obvykle nákres konečného produktu, podléhající funkčním
testům, které mají poskytnout informace ohledně případných technických a
technologických úprav, stejně jako ohledně rozsahu, v němž lze vybrat
exploatační parametry, a toho, jak by se výrobek měl používat.
Obr. 5.2 Vytváření prototypu tradičním postupem [1]
Projektování a vyvíjení produktu podle koncepce simultánního
konstruování (též nazývané paralelní nebo konkurentní inženýrství)
s sebou nenese žádné speciální efekty, pokud jde o fázi vytváření prvního
prototypu. V projektové fázi této metody pouze šetříme čas díky
paralelnímu vývoji produktu prováděnému meziodvětvovým týmem
projektantů, který pracuje v integrovaném síťovém prostředí CAx systémů.
Produkt se vyvíjí souběžně v oblastech konstrukce, technologie, plánování
výrobního postupu a zásobování materiály nebo polohotovými artikly.
Práce týmu projektantů se zakládá na jednotlivých úkolech a provádí se
v souladu se stanoveným realizačním plánem projektu. Takový tým má
také na starosti porady týkající se změn a úprav v projektové dokumentaci.
První prototyp se vytvoří podobně jako v případě tradičního postupu – po
zvolení konečného konstrukčního řešení.
36
Minos++
Obr. 5.3 Vytváření prototypu postupem simultánního konstruování [1]
Rychlé konstruování projektantovi umožňuje vytvářet různé druhy
fyzických modelů, které mají podle jeho potřeb prototypické vlastnosti.
Takový způsob projektování umožňuje výrobu prototypů ve všech fázích
vývoje produktu, od nápadu a koncepce přes úpravy až po konečné řešení.
Virtuální geometrický model CAD 3D je nezbytnou podmínkou vytvoření
prototypu.
Obr. 5.4 Vytváření prototypu postupem rychlého konstruování v rámci CE [1]
V současné době se metody využívané ve vytváření prototypů dají
rozdělit s ohledem na způsob, jakým se model vytváří, přesnost provedení,
stav agregace/použité materiály, nebo konečně s ohledem na uplatnění
modelu. Modely lze rovněž rozdělit s ohledem na jejich použití, jako
například:
•
ty, které přibližně odrážejí podobu hotového výrobku a zajišťují
předběžné ověření tvaru nebo rozměrů,
•
funkční – sestávající z některých parametrů přibližných nebo
identických s parametry příslušného produktu a umožňující
představení potenciálního produktu,
•
hotové součástky vyrobené s použitím RP metod coby řada vzorků,
které mají všechny parametry charakteristické pro daný produkt.
37
Minos++
Při určování použití našeho modelu bychom měli zvolit jednu
z dostupných metod, stejně jako uvážit materiál (plast, papír, kov,
keramický materiál), rozměry, přesnost provedení, konstrukci modelu a
výrobní náklady.
Obr. 5.5 Klasifikace RP metod s ohledem na použité postupy a materiály [1]
38
Minos++
Obr. 5.6 Klasifikace RP metod s ohledem na použitou konstrukci modelu [1]
Pro všechny metody RP je typické, že fungují rychle a výhodně, co se týče
nákladů, modelových/vzorových součástek a prototypů; navíc pracují přímo
na základě CAD dat a bez použití forem a nástrojů.
Můžeme rozlišovat mezi dvěma způsoby rychlého vytváření
prototypů prostřednictvím následujícího:
•
laminátový inkrement z konstrukčního plastu, který má zobrazovat
geometrický tvar CAD 3D modelu ve fyzickém objektu. Tato třída
představuje všechny RP techniky pracující na základě speciálních
polymerizovaných materiálů, které se spékají, taví nebo slepují.
Nadále tyto techniky budeme nazývat RP techniky.
•
laminátový odpad z konstrukčního plastu, často realizovaný pomocí
odpadového zpracovávání (obrábění, elektroerozivní obrábění).
Díky používání nástrojů z moderních materiálů, moderních
obráběcích technologií a konstrukčních řešení u obráběcích strojů
využívaných na HSM – vysokorychlostní frézování lze dosáhnout
vysoké účinnosti, stejně jako velice přesného zpracování kovů a
dalších materiálů. Objekty, které se tímto způsobem vyrobí, mohou
sloužit jako vzorové prototypy, nástroje připravené k dotváření
(matrice, razítka) nebo formy pro technologie, jako je injekční
vstřikování a odlévání plastů.
39
Minos++
RP techniky se často spojují s RT technikami (rychlé vytváření nástrojů).
Podobně jako v případě RP technik, i zde můžeme rozlišovat mezi mnoha
výrobními a aplikačními metodami či technikami tohoto druhu. Kromě toho
mají výše zmíněné techniky sloužit k dalšímu vývoji produktů (přiřazování
vlastností hotového produktu, jako například: aplikace náležitých materiálů,
barvy, textury, apod. na vzorové modely s použitím RP metod), a také mají
za úkol vytvářet speciální typy nástrojů na výrobu nových artiklů v malých
sériích. Produkty vyrobené takovým způsobem se obvykle využívají
v marketingovém průzkumu nebo se představují na různých veletrzích a
výstavách. Jsou také základem pro schválení a ochranu použitých šablon
autorskými právy a jsou nezbytné pro získání náležitých certifikátů a
patentových nároků. Pouze tehdy, když je produkt uznán trhem a určitými
certifikačními institucemi, může začít jeho hromadná výroba.
Obr. 5.7 Srovnání času a nákladů vynaložených na výrobu prototypických
modelů s použitím RP a RM-HSM metod [1]
Termín RP lze tedy chápat jako metody obecně využívané v laminátové
výrobě součástek a prototypů na různých úrovních obtížnosti. Různé
technologie jsou založeny na jednom základním principu. Trojrozměrné
geometrické modely objektu vytvořené v CAD 3D se rozdělí do vrstev, a tak
se redukují na dvourozměrné a snadno zpracovatelné struktury. Ve většině
RP metod jsou materiály přesně vytvrzeny laserovými paprsky
(fotochemické metody). Takový postup se opakuje u všech vrstev
vyráběného objektu. Metody, které jsou alternativní k RP, jsou založeny na
laminátovém vyřezávání obrysů pomocí laserového paprsku/tavidla nebo
na spojování práškového materiálu s použitím pojiva.
40
Minos++
V současné době lze pomocí metod rychlého vytváření prototypů zpracovat
následující materiály: fotopolymery, vosk, plast, nylon, keramické materiály,
dřevěné materiály, papír nebo dokonce i kovový prášek. Je pro ně také
typické, že nedodávají objektu tvar prostřednictvím odstraňování materiálu,
jako je tomu v případě obrábění, ale díky přidávání vrstvy materiálu.
Objekty komplikovaného tvaru lze tedy vytvořit ve velmi krátké době,
dokonce za několik hodin.
Nezbytnou podmínkou a zároveň výchozím bodem aplikace všech RP
metod je vytvoření kompletního trojrozměrného geometrického popisu
vyráběné součástky. V ideálním případě by to byl objemový model, ale
rovněž je možné zpracovat plošná data díky využití specifických RP
programovacích nástrojů. CAD geometrie objektu je nejprve popsána proto,
aby se zjednodušilo další matematické zpracování, poté se provede
triangulace, aby se geometrie mohla konvertovat do standardního formátu
výměny dat (*.stl) pro RP metody. Výška tětivy a kontrola úhlu jsou pro
triangulaci velice důležité, protože do značné míry určují kvalitu vyrobené
součástky. S pomocí „výšky tětivy“ je maximální povolená chyba nastavena
v minimetrech, zatímco „kontrola úhlu“ určuje maximální povolený úhel
mezi dvěma trojúhelníky. Nakonec se *.stl data objektu ještě jednou
zpracují tak, že se 3D geometrie rozdělí do určitých sekcí (vrstev) o
specifické výšce – Příčný řez, formát (SLI). Obvyklá tloušťka těchto vrstev
je 0,1 až 0,2 minimetru.
Obr. 5.8 CAD 3D model (a), jeho model zaznamenaný v *.stl formátu (b),
fyzický model vytvořený pomocí techniky stereolitografie (c) a hotový
produkt (d)
41
Minos++
Minos++
Některé metody, jako je například stereolitografie, vyžadují sestavení
podpůrných konstrukcí, které zajistí, že vyráběná součástka se dá vyjmout
z nosné desky zařízení; tyto konstrukce vyráběnému modelu také
poskytnou ochranu proti deformaci, k níž může dojít během výrobního
procesu. Většina metod vyžaduje dodatečné zpracování, aby měl hotový
model velmi dobré parametry. V tabulce níže se nachází přehled všech
výhod a nevýhod rychlého zpracovávání.
Tabulka 1 Hlavní výhody a nevýhody RP technik
Výhody
•
•
•
•
•
Nevýhody
rychlé vytváření fyzických modelů,
modelová
součástka
je
k dispozici
dokonce
i
během
vypracovávání
konstrukce,
jsou obzvláště vhodné v následujících
situacích:
¾ součástky
komplikované
geometrie
(většinou pro vnitřní obrysy)
¾ plochy volných tvarů.
nízké náklady na realizaci ve srovnání
s jinými metodami (frézování, soustružení,
apod.), zejména pokud se jedná o nízký
počet artiklů,
možnost využít různé metody v rozsahu
celého
řetězce
procesů
(rychlé
konstruování)
•
•
•
•
•
omezené
rozměry
vyráběných
objektů,
omezený výběr materiálu,
součástky
splňují
mechanické
požadavky pouze v omezeném
rozsahu,
omezená přesnost (přibližně +/0,1mm), zatímco kvalita povrchu je
podmíněna
použitou
technikou
provedení,
velice často je zapotřebí dodatečné
vyhlazení.
5.1 Stereolitografie (SLA, SL)
Stereolitografie je nejstarší, nejběžnější a nejznámější metodou
rychlého vytváření prototypů. Byla vyvinuta americkou společností 3D
System Inc. v roce 1987. Je to technologie vytváření trojrozměrných
modelů prototypů na základě generované geometrie a s pomocí CAD
systému, RE technik nebo počítačové tomografie. Jedná se o laminátové
tvrzení epoxidové nebo akrylové pryskyřice prováděné laserem s nízkým
výkonem. První fáze realizace SLA metody se týká geometrického
modelování CAD 3D modelu. V další fázi se tento geometrický model
konvertuje do souboru s příponou *.stl, což je provedeno pomocí CAD 3D
programu. Takový *.stl model se pak rozdělí do tenkých vrstev o přibližné
tloušťce 0,3 – 0,1 mm pomocí programování SLA zařízení. Tloušťka těchto
vrstev závisí na nastavené přesnosti/toleranci a na výkonu laseru [11].
42
Obr. 5.9 Princip činnosti stereolitografie [21]
Vrstvy jsou základem generování souborů, které se použijí k počítačovému
ovládání stereolitografického přístroje. Zatímco se model vyrábí, laserový
paprsek se pohybuje přes povrch tekuté foto-tvrditelné pryskyřice podle
obrysů dané vrstvy; to se provádí pomocí soupravy snímacích zrcadel,
která jsou řízena motory. Práci motorů reguluje systém na základě dat
týkajících se CAD modelu. Fotopolymerizace, jinými slovy tvrzení, se
objevuje v místě, kde se pryskyřice ozařuje ultrafialovým paprskem. První
vrstva se vytvoří přímo na ponořené nosné desce. Po jejím vytvoření se
pracovní deska spustí přesně o hodnotu nastavené vrstvy. Přesně v tom
okamžiku pryskyřice vyteče na spuštěný model a vytvoří další vrstvu
nezbytnou k fotopolymerizaci. Pryskyřice je však lepkavá, a aby se
vyrovnal povrch, speciální stěrač se nad ním pohybuje a stírá nerovnosti, a
tak povrch pryskyřice vyhlazuje.
Poté se vytvrdí další vrstva. Každá následující vrstva se vytvoří na předešlé
a tímto způsobem se zkonstruuje pevné těleso. Tento postup pokračuje,
dokud není hotov celý model. SLA proces může vyžadovat podpůrnou
konstrukci, pokud má model vyčnívající (vystupující) části (takzvané
přesahy), která se využije za účelem zamezení případným deformacím.
Používání podpěr je běžnou praxí při vyrábění modelů SLA metodou a
vyžaduje zvážení času navíc na realizaci přípravných činností před
zahájením samotného procesu. Po dokončení vlastní výroby se podpěry
odstraní, součástka se očistí od přilehlého a nevytvrzeného polymeru, a
poté se celý vytvořený model vytvrdí ve speciální komoře a podrobí se
ultrafialovému záření.
43
Minos++
Vytváření prototypů pomocí stereolitografické metody může probíhat
v několika fázích. V první fázi se vytvoří geometrický model v CAD 3D
programu. Poté se tento model uloží v *.stl formátu s požadovanou
přesností. Pak je model pomocí speciálního programu připraven k výrobě
ve stroji (přípravné činnosti před zahájením samotné výroby).
Obr. 5.10. Podpěry podpírající model
Provádí se tedy následující akce:
•
ověření správnosti dat uložených v *.stl formátu,
•
orientace modelu a podpůrná konstrukce (je-li zapotřebí),
•
vygenerování souborů ovládajících přístroj.
Po vytvoření modelu se vykoná konečné opracování, které zahrnuje
odstranění tekuté pryskyřice a podpěr, konečné vytvrzení a opracování,
jako například: obroušení, leštění, lakování, atd.
5.2 Selektivní laserové spékání/tavení – SLS/SLM
Metoda SLS byla vyvinuta na austinské univerzitě v USA.
V podstatě tato metoda představuje pokládání po sobě jdoucích
práškových vrstev materiálu, které se pak v určitých místech ztuží
prostřednictvím spékání prachových zrn pomocí laserového paprsku.
44
Minos++
Obr. 5.11 Princip činnosti SLS [15]
Obr. 5.12 Nákres podstaty metody SLS
Selektivní laserové spékání – SLS, další RP technika, tvoří základ
procesu, v němž se vrstvy práškového materiálu pokládají na sebe a
v určitých místech své plochy se ztuží prostřednictvím spékání prachových
zrn pomocí zaměřeného a dozadu ohnutého laserového paprsku. Proto je
tento proces velmi podobný metodě SLA, co se týče podstaty jeho činnosti;
namísto tepelně tvrditelné pryskyřice se však používá snadno tavitelný a
spékavý materiál ve formě prášku. V pracovní komoře se pomocí válečku
pokládá tenká vrstva tohoto prášku (obvykle o tloušťce 0,02-0,2 mm), ve
válci u posouvací plošiny (osa Z). Pak laserový paprsek o relativně
45
Minos++
vysokém výkonu, ovládaný scannerem v rovině X-Y, provede selektivní
spojení prášku v místě stanoveném geometrií určitého příčného řezu
konstruovaného modelu, pod podmínkou, že záření tohoto laserového
paprsku je regulováno tak, aby tavení prášku probíhalo pouze na jednom
místě [6].
Tento typ vytváření modelů na rozdíl od metody SLA nevyžaduje přídavné
podpůrné prvky. Materiál, ze kterého se model vyrábí, je prvek podpírající
všechny vyčnívající prvky, a nebude podléhat spékání. Takzvané podpěry
se používají pouze u některých modelů a mají je „upevnit“ tak, aby
nepoškodily, neposunuly nebo nezničily předtím vytvořenou vrstvu, zatímco
pokládají další vrstvu práškového materiálu.
Brzy po dokončení výrobního procesu a snížení teploty jak modelu, tak
materiálu můžeme součásku očistit. Poté je připravena k použití bez
dodatečného zpracovávání. V případě, že jsou požadovány velice
specifické plošné parametry, může být model postoupen k procesu
odpadového zpracování. Celý proces je regulován programem
nainstalovaným v počítačové sekci. Tento program vyžaduje poskytnutí
objemového modelu vytvořeného v CAD systému a uloženého v *.stl
formátu.
Některá vybraná zařízení využívaná k selektivnímu laserovému spékání a
založená na kovových prášcích jsou dostupná na trhu, jako například:
5.2.1 MCP Realizer II – zařízení od společnosti MCP – HEK
MCP Realizer II je zařízení využívající SLM metodu – selektivní laserové
tavení [19] k vytváření vysoce přesných modelů téměř z jakéhokoli
kovového prášku, například z titanu, nerezové oceli, slitiny Co-Cr.
Vytvářené modely mají homogenní konstrukci a hustotu dosahující až ke
100%, v závislosti na předpokladech. Díky tomu není zapotřebí provádět
žádné přípravné činnosti před zahájením samotného procesu (vypalování,
infiltrace, apod.). Proces výroby objektů má vysoké rozlišení, je plně
automatizovaný a výroba probíhá v nízkých teplotách.
46
Minos++
Obr. 5.13 MCP Realizer II – zařízení od společnosti MCP – HEK
5.2.2 EOSINT M 270 – RP zařízení od společnosti EOS
EOSINT M270 vytváří součástky pomocí DMLS metody – přímé laserové
spékání kovů [18]. Tato metoda přeměňuje kovový prášek v pevný materiál
prostřednictvím lokálního tavení materiálu pomocí zaměřeného laserového
paprsku. Stejně, jako je tomu v případě každé RP metody bez výjimky,
model se vytváří vrstvu po vrstvě. Dokonce i nejkomplikovanější geometrie
se dá vytvářet přímo z CAD 3D dat díky kompletní automatizaci procesu,
což se dá provést během několika hodin. Získaná součástka/artikl se
vyznačuje vysokou přesností, dobrou kvalitou povrchu a dokonalými
mechanickými parametry. Rovněž lze použít širokou škálu materiálů, od
slitin přes ocel až po kompozitní materiály.
Obr. 5.14 EOSINT M270 – RP zařízení od společnosti EOS
47
Minos++
Výroba součástek prostřednictvím aplikace DirectPart.
EOSINT M270 se hojně používá při výrobě pozitivních součástek přímo
z CAD 3D dat. Tato aplikace se nazývá DirectPart. Vyráběné komponenty
mohou být prototypy, výrobní série nebo náhradní díly. Díky takové aplikaci
se dá funkční kovový prototyp zkonstruovat během jednoho dne; kromě
toho se dají vyrobit dokonce i ekonomické série stovek individualizovaných
implantátů z biokompatibilních slitin.
Výroba nástrojů prostřednictvím aplikace DirectTool
Aplikace na výrobu nástrojů se nazývá DirectTool. EOSINT M270, který se
vyznačuje vysokou povrchovou přesností a kvalitou, je ideálním zařízením
na úlohy tohoto typu. Negativní nástroje se zkonstruují během jediné noci
nebo dokonce i několika hodin. Svoboda designu a velmi komplikované
tvary (tj. konformní trubkové vedení pro formy na injekční vstřikování)
nepůsobí žádné obtíže. DirectTool je nejznámější v oblasti výroby nástrojů
na formování plastů, ale využívá se i k výrobě jiných typů nástrojů
sloužících k hustění, výtlačnému lisování a tlakovému lití.
5.2.3
M3 Linear – zařízení od společnosti Concept Laser
Zařízení M3 Linear je modulární systém laserové výroby [17]. Kromě
standardní schopnosti vyrábět prototypové modely také nabízí možnost
provádět erozivní obrábění a označování modelů.
Obr. 5.15 M3 Linear – zařízení od společnosti Concept Laser
Modul 1 – technologie LaserCUSING
Vytváří homogenní modely z kovových prášků.
Tento modul umožňuje konstruování součástek vrstvu po vrstvě z velkého
počtu kovových prvků (mimo nerezové a nástrojové oceli).
48
Minos++
Takový kovový prášek se vrstvu po vrstvě taví, dokud není dosažena 100%
hustota. Tato speciálně vyvinutá strategie záření umožňuje výrobu
součástek o značném gabaritu bez deformací. Následné patentní
povrchové zpracování, které se provádí ihned po dokončení výroby,
zajišťuje vynikající povrchovou kvalitu a tvrdost.
2 – 3D Erozivní modul
Je určen k erozivnímu obrábění.
Tento modul umožňuje provádění erozivního obrábění na jakémkoli typu
volné plochy. Díky čidlu integrovanému se softwarem je možné ovlivnit
hustotu dokončeného erozivního obrábění.
Tato možnost je alternativou k frézování – bez dodatečného generování
komplikovaných programů nebo výroby elektrod.
Modul 3 – Označovací modul
Opatřuje plastové a kovové součástky štítky/značkami.
Můžeme označit nebo i vyrýt označení na nejrůznější typy materiálů.
Označovací modul lze také individualizovat, což závisí na potřebách.
Výhody:
•
šetření času a peněz. Tři výše uvedené technologie se dají využít
k výrobě nejen nástrojů a forem, ale také prototypů.
•
používání jednoho laseru v rámci tří různých technologií, což rovněž
umožňuje šetření nákladů.
•
velice flexibilní technologie. Moduly umožňují rychlé přenastavení
z jedné technologie na druhou během pouhých několika minut.
•
maximální přesnosti a kvality laserového paprsku lze dosáhnout
díky malému rozsahu snímání, kdy je snímací hlava umístěna nad
objektem, který právě vyrábějí řadové motory.
•
100% hustota během laserového formování homogenní součástky.
Umožňuje ji patentní systém záření.
•
erozivní obrábění volných ploch. Měřicí laserové čidlo, které měří
hustotu dokončeného erozivního obrábění, je integrováno se
softwarem. Eroze může probíhat na každé ploše, nezávisle na jejím
tvaru.
5.2.4 TrumaForm LF 250 – zařízení od společnosti TRUMPF
DFL – přímé laserové formování [23] je proces založený na tavení
kovového prášku, čímž se vytvoří homogenní metalurgická struktura bez
použití pomocných spojovacích prvků. Jakýkoli geometrický objekt lze
vytvořit přímo z počítačového CAD modelu.
49
Minos++
Přímé laserové formování umožňuje výrobu forem na injekční vstřikování a
nástrojů, které se pomocí tradičních metod nedají vyrobit vůbec nebo jen
stěží. Tato technologie umožňuje vytváření chladicích kanálů hned pod
povrchem během výroby, stejně jako umožňuje vytváření forem, které jsou
lehké, mají funkční detaily a konečně šetří materiál.
Myšlenka dvojité komory umožňuje značné rozšíření mnohostrannosti
zařízení LF TrumaForm. V průběhu chladicího procesu v první komoře je
možno v druhé komoře aktivovat další práci, a v případě potřeby s použitím
jiného kovového prášku.
Obr. 5.16 TrumaForm LF 250 – zařízení od společnosti TRUMPF
5.2.5 EBM S12 – zařízení od společnosti ARCAM
Tavení elektronovým paprskem – EBM
Acram EBM S12 (tavení elektronovým paprskem) umožňuje tvarování bez
forem (FFF) – vytváření objektů různých tvarů přímo z CAD dat [12] a
z kovových prášků. Systém nabízí jedinečné geometrické možnosti při
výrobě s použitím kovových prášků. Acram EBM S12 je systém založený
na technologii zpracování kovů Acram CAD. Základní myšlenkou této
techniky „od CAD po kov“ je laminátová výroba modelů z kovových prášků,
jejichž jednotlivé vrstvy se taví elektronovým paprskem přesně v místě,
které na každé vrstvě určil CAD systém.
Hlavní výhodou použití tohoto elektronového paprsku namísto laseru je
větší absorpce energie, kterou elektrony vyzařují, což není případ laseru
využívajícího prachová zrna, protože laserový paprsek se od povrchu zrn
do určité míry odráží. Elektrony jsou systémem EBM vyzařovány rychlostí,
která se rovná polovině rychlosti světla, a projektovány na práškový kovový
materiál. EBM proces je účinný a zaručuje kompletní roztavení materiálu.
Navíc se modely vyrábějí ve vakuové komoře. Díky vakuu má vyzařovaný
elektronový paprsek volnou cestu ke kovovému prášku, takže také zajišťuje
čistotu výrobního prostředí, jejímž důkazem jsou dokonalé vlastnosti
materiálu. Kromě toho vakuum zajišťuje dobré tepelné podmínky a vede ke
stabilitě výrobního procesu a kontrole nad tepelným aspektem vyráběné
součástky. Zařízení Arcam EBM S12 tedy umožňuje přímou výrobu
50
Minos++
funkčních kovových součástek, které vyžadují velice pevný materiál a
odolné vlastnosti. Konečné zpracování součástek může proběhnout
s použitím běžných metod, jako je: frézování, soustružení, obrušování,
apod.
Obr. 5.17 EBM S12 – zařízení od společnosti ARCAM
5.2.6 Sinterisation HiQ System – zařízení od společnosti 3D
SYSTEMS
Selektivní laserové spékání (SLS)
SLS proces – selektivní laserové spékání se zakládá na kombinování
určitých prachových zrn, která jsou pokryta polymerním pojivem, laserovým
paprskem [11]. Vzhledem ke skutečnosti, že zde nedochází ke
kompletnímu roztavení materiálu, je tento proces několikrát rychlejší než
procesy popsané výše. Jeho hlavní nedostatek se však týká nezbytnosti
provádět navíc dodatečné opracování, aby se odstranilo pojivo (spékání
modelů), a poté je velice důležité infiltrovat vyrobenou součástku například
bronzem, což může trvat další 2-3 dny.
51
Minos++
Obr. 5.18 HiQ Sinterisation System – zařízení od společnosti 3D SYSTEMS
5.3 Laminátová výroba objektů (LOM)
Zkratka LOM znamená laminátovou výrobu objektů, která byla
vyvinuta americkou společností – Helisys. Je to metoda výroby objektů
laminu po lamině (vrstvu po vrstvě). Je založena na pokládání materiálu,
který je ve formě fólie, na jednu hromadu a slepování jednotlivých vrstev
prostřednictvím laseru nebo zahřátého válečku. Vstupní materiál se může
rozprostřít z válečku nebo může být ve formě listů. Je pokryt (na spodní
části) lepidlem. První vrstva fólie se položí na hladký podklad. Poté se
v určité vrstvě fólie vyřízně tvar vhodný pro konkrétní příčný řez produktu.
Provede se to prostřednictvím laseru nebo, v některých variacích LOM také
zkráceně nazývaných SAHP, s pomocí číslicově řízeného řezného
nástroje. Po vyříznutí tvaru se hromada zmenší o tloušťku další vrstvy, a
další vrstva se položí na vrstvu předtím přidanou. Stlačí se na spodní
vrstvu pomocí zahřátého válečku, a v následující fázi se na povrchové
vrstvě vyřízne tvar příčného řezu, který je tentokrát vhodný pro novou
vrstvu budoucího produktu. Tento cyklus se opakuje, dokud se nevytvoří
celý model. Zbývající materiál, který se nachází mimo tvar příčného řezu,
se nařízne. Usnadní se tak jeho odstranění po dokončení výroby modelu.
V průběhu vytváření modelu slouží jako podpůrná konstrukce.
Slepování vrstev fólie se může provádět na celé ploše (dokonce i
před vyříznutím tvaru laserem) nebo pouze v místě příčného řezu objektu.
Poté se aktivuje lepidlo v důsledku působení žáru vycházejícího
z laserového paprsku nebo pod vlivem stlačování zahřátým válečkem.
Rovněž lze použít metodu vtisknutí masky na transparentní fólii. Odráží
tvar příčného řezu náležícího konkrétní vrstvě. Stlačením fólie na hromadu,
což se provede prostřednictvím skleněné plochy a pod vlivem UV záření
vydávaného lampou, se lepidlo aktivuje v místě, kde se na fólii nenachází
žádný tisk. Pořád je však nutné použít lepidlo, které je citlivé na ultrafialové
záření.
52
Minos++
Obr. 5.19 Princip činnosti LOM [11]
Hlavní výhodou LOM je skutečnost, že se při ní dají využívat různé
materiály, jako například: papír (celulóza), kovy, plasty, syntetické a
kompozitní materiály. Za účelem spojení papírových vrstev se používají
lepidla, která jsou aktivována UV zářením nebo teplem válečku. Keramika
se může uplatnit s použitím lisovacích, zahřívacích a reakčních spojovacích
procesů. Vrstvy kovu se však dají spojovat přesným svářením laserem,
svářením plamenem nebo tvrdým pájením. Lze také využít mechanické
spojování, stejně jako kombinace vyjmenovaných procesů. LOM metoda je
velice levná a díky ní je možné vyrábět objekty s velkým gabaritem. Její
slabá stránka se nicméně týká faktu, že je složité odstraňovat odpadový
materiál, například z vnitřních dutin, protože se jedná o tvrditelný materiál.
V případě kapalin nebo prášku (SLA, SLA metody) je to mnohem
snadnější. Přesnost modelů získaných LOM metodou je v rovině X-Y
srovnatelná s přesností modelů vyrobených prostřednictvím jiných RP
metod. Přesnost se však stále zmenšuje v rovině Z, a to je směr, ve kterém
se model konstruuje. Děje se to v důsledku nestejnoměrných tlouštěk
vrstev pokládaných během výroby objektů, deformací při lepení a
stlačování hromady válečkem v průběhu výrobního procesu. LOM metoda,
která k vytvoření modelu využívá kovové desky, se uplatňuje k výrobě
forem na injekční vstřikování na plasty, matric na vozidlové karoserie,
razítek na hluboké lisování, apod. Aplikace papírových listů umožňuje
používání této metody jako takzvaný „koncepční modelář“, jinými slovy
výrobu koncepčních modelů a nástrojů k tvarování podle formy. [2], [5].
53
Minos++
5.4 Tvorba modelu postupným nanášením roztaveného
materiálu – FDM
FDM metoda byla vyvinuta společností Stratasys. Jejím základem je
nanášení po sobě jdoucích vrstev z termoplastického vlákna, které
prochází termálními hlavami. V případě, kdy konstrukce vytvářeného
modelu vyžaduje podpěru, v každé vrstvě je kromě příslušného obrysu
modelu poskytnut materiál pro vystavění takové podpěry. Ty materiály na
konstrukci modelu a podpěry se pokládají ve formě vlákna navinutého na
kotouči v zadní části zařízení. Poté se vlákna rozvinou a přesunou k hlavě;
pak se zahřejí na teplotu přibližně o 1°C vyšší, než je teplota tavení kovů,
aby se docílilo polokapalného stavu, a nanesou se ve formě vrstvy, která
rychle ztuhne a spojí se s předchozí vrstvou, a tak vznikne podklad pro
všechny následující vrstvy. Hlavy se pohybují v rovině X-Y, zatímco pěněná
rovina, na níž je model umístěn, se pohybuje po směru osy Z vždy o
stanovenou hodnotu po vytvoření každé vrstvy [11].
Obr. 5.20 Princip činnosti FDM [16]
54
Minos++
Tloušťka vytvořených vrstev se pohybuje v rozsahu 0,005-0,8 mm, zatímco
jejich šířka je v rozsahu 0,3-2,5 mm. Pokud jde o docílené přesnosti
modelu, odchylka je ±0,13 mm.
Materiály, které se při této metodě nejčastěji využívají, jsou
akrylonitrilbutadienstyren, zkráceně ABS, vosk na přesné odlévání,
metylmetakrylát akrylonitrilbutadienstyren, zkráceně MABS, elastomery,
polyamidy a další směsi [4].
Poté, co stroj dokončí svou práci, model získá odpovídající mechanické
vlastnosti a od toho okamžiku nevyžaduje dodatečnou úpravu za účelem
vytvrzení. Model by se měl pouze vyjmout z montážní plochy a měly by se
odstranit podpěry.
5.5 Laserové technologie formování pomocí prášku
Tato metoda se od metod popsaných výše liší. Jejím základem je
aplikování přiměřeného množství prášku spolu s jeho bezprostředním
tavením přímo na vyráběný model. Laser s vysokým výkonem (od několika
wattů po 20kW) taví prášek aplikovaný koaxiálně pomocí laserového
paprsku vyzařovaného hlavou, která aplikuje dávky na model.
Obr. 5.21 Princip činnosti LENS (laserové tvarování)
Laserový paprsek prochází přímo středem hlavy nanášející materiál, a
probíhá to v zaměřeném objektivu nebo soupravě objektivů, díky čemuž se
již roztavený kov dostane na vytvářený model. Deska (plošina), na níž se
model vyrábí, se pohybuje v rovině X-Y tak, aby se materiál nanesl na
celou sekci určité vrstvy, která se právě vytváří. Po dokončení vrstvy se
dávkovací hlava posune ve směru osy Z o hodnotu požadovanou tloušťkou
následující vrstvy. Tento postup se opakuje a poslední vrstva modelu se
nevytvoří, dokud nebude celý model hotov. Prášek se dávkuje gravitačně
nebo pod tlakem nosných plynů. Prostředí těchto plynů se využívá
55
Minos++
k ochraně roztaveného materiálu proti atmosferickému prostředí, což se
provádí za účelem lepší kontroly nad vlastnostmi modelu a zajištění lepší
přilnavosti mezi jednotlivými vrstvami. Takové plyny se však používají i
v případech, kdy je dávkování materiálu nevyžaduje, ale dělá se to za
účelem zajištění lepších vlastností a parametrů produktu. Tato metoda
poskytuje mnoho možností, pokud jde o použité materiály. Lze použít
nerezovou ocel, měď, hliník a dokonce i titan. Kompozice materiálů se
může měnit kontinuálním a dynamickým způsobem u modelů, které to
nevyžadují, a kde se vylučují jiné technologie a metody. Nejsilnější
stránkou této technologie je možnost vytvářet plně tavitelné kovové
součástky s dobrými metalurgickými vlastnostmi a se zachovanými
rozumnými parametry výrobního procesu. Vyrobené modely se dají
považovat za konečné, doporučuje se však ještě mechanické opracování.
Takové modely mají dobrou zrnitou strukturu a parametry podobné nebo
dokonce i lepší, než jsou parametry vlastních materiálů. Selektivní laserové
spékání (SLS) a podobné metody jsou v současné době jediné komerční
RP procesy, které mohou vytvořit kovové součástky přímo z kovových
prášků. Metoda laserového formování prostřednictvím prášku má nicméně
omezenější využití než metoda SLS a jí podobné, protože nevyžaduje
dodatečné opracování jako některé metody z rodiny SLS, což je její hlavní
a velice zásadní výhoda. Dá se využít buď ve výrobě nebo opravě
součástek.
5.6 Tryskové tištění
Tryskové tištění je metoda používaná k laminátové výrobě modelů, která je
prováděna prostřednictvím proudu balistických kapek IJP materiálu. Kapky
materiálu nebo pojiva kapou z trysek s velmi vysokou frekvecí. Stroj
navržený na realizaci tohoto procesu sestává ze dvou sad
piezoelektrických trysek. Jedna z nich dávkuje materiál nezbytný pro
konstrukci modelu, zatímco druhá dávkuje pojivo. Stroj je vybaven
pohyblivou plošinou posunující se ve směru osy Z, na níž se model
konstruuje, a má lampu vyzařující ultrafialové záření, které utužuje pojivo.
Tento proces výroby modelu je založen na nanášení vrstvy materiálu
potřebné k vytvoření jakéhokoli modelu na celou plochu plošiny. Tloušťka
této vrstvy se rovná množství, které bylo vypočteno během nastavování
výrobních parametrů na stroji. Může dosáhnout dokonce až 16 µm. Poté se
prostřednictvím dalších trysek nanese pojící materiál. Velice často je
v podobě teplem tvrditelné pryskyřice. Kapky této pryskyřice se dávkují
přesně v místech, která jsou vhodná pro plochu příčného řezu patřícího
k určité vrstvě výrobku. Později se ta stejná pryskyřice vytvrdí
prostřednictvím UV záření vycházejícího z lampy, a tímto způsobem se
dokončí první vrstva. Poté plošina klesne o tloušťku následující vrstvy a
trysky nanesou další vrstvu materiálu a pryskyřice na příslušná místa
plochy tak, aby se vytvořil daný model. V důsledku UV záření se vytvrdí
další vrstva a zároveň se spojí s vrstvou předtím nanesenou. Tímto
způsobem se vytvoří celý model. Zbývající materiál, který nebyl spojen,
tvoří podklad pro konstrukci podpírající vyráběný produkt.
56
Minos++
Obr. 5.22 Princip výroby produktů s použitím tryskového tištění [ 20]
Prostřednictvím IJP metody se vyrábí produkty z plastů, které jsou určeny
pro koncepční, funkční a podobné modely, a které se dají volně
přizpůsobovat [ 4]. IJP metoda se rovněž dá využít jako technologie
rychlého vytváření nástrojů k výrobě jader a forem na kovové odlitky
(především z hliníku). V takových případech se využije dvoukomponentní
mikrodávkování prostředků, které spojí uvolněnou hmotu. Tato hmota
(která připomíná písek) se nanáší na celý povrch plošiny. Poté se na tuto
hmotu v místech předpokládaného příčného řezu produktu nanese pojivo,
na které se nalije tvrdící látka. Jak pojivo, tak tvrdící látka se nanáší pomocí
trysek.
Tímto způsobem se vytváří následující vrstvy za účelem získání celého
produktu. Výroba modelu s použitím IJP metody se podobá výše popsané
RP metodě, při níž je tento proces automatický. Má také své varianty
nazvané balistická výroba částic – BPM, kde trysky vypouštějí kapky
roztaveného materiálu a nanášejí je na sebe, a 3D vytváření modelů, které
je úplně stejné jako BPM pouze s tím rozdílem, že vytvářené vrstvy modelu
se frézují za účelem zajištění dlouhotrvající přesnosti a kvality. IJP metoda
se používá hlavně jako pomůcka pro konstruktéra nebo technika při
vyhodnocování funkčnosti, technologičnosti apod. produktu, aby se
usnadnilo rozhodování na základě vytvořeného modelu. Její hlavní
výhodou je skutečnost, že je levná, rychlá a snadno použitelná.
57
Minos++
5.7
3DP trojrozměrné tištění
Tato metoda byla navržena na Massachusettském technologickém institutu
(MIT) v Cambridgi. Princip její činnosti je velmi podobný SLS metodě,
pouze s tím rozdílem, že u 3DP je navíc materiál spojující prášek, z něhož
se součástka vytváří.
Obr. 5.23 3DP tiskárna
Prostorové tištění je v zásadě založeno na vytváření produktu přidáváním
po sobě následujících vrstev materiálu. K realizaci této metody se využívá
přístroj, jehož provedení obsahuje jednotku modifikovaných tiskových
trysek podobných těm, které se používají v tryskových tiskárnách. Tyto
trysky jsou připevněny k mobilnímu nosiči, který se pohybuje na ose X-Y, a
připojeny k nádobě, v níž je uloženo palivo. Konstrukce navíc obsahuje dvě
mobilní plošiny umístěné v komorách. Jedna komora se používá ke
konstrukci modelu a ve druhé je uložen stavební materiál na model ve
formě prášku. Mobilní váleček se používá k posunování konstrukčního
materiálu z plošiny úložné komory k plošině konstrukční komory.
Konstrukce modelu spočívá v tištění spojovacího materiálu na vrstvu
konstrukčního materiálu.
58
Minos++
V počáteční fázi výroby produktu se plošina komory skladující konstrukční
materiál posune směrem dolů a plošina používaná k tvoření modelu se
posune směrem nahoru. V průběhu výroby produktu se pozice plošin
změní. Během výroby mobilní váleček nanáší práškový konstrukční
materiál na povrch plošiny a rozprostírá ho tak, aby byla tloušťka vrstvy
adekvátní a povrch rovný. Poté tiskové trysky nanesou vrstvu kapalného
pojiva na připravenou vrstvu prášku. Spojovací materiál se dávkuje přesně
v těch místech, která odpovídají tvaru příčného řezu dané vrstvy produktu.
Poskytnuté pojivo spojuje konstrukční materiál, a tak se získá první vrstva
produktu. Oddělený prášek vytváří podpůrnou konstrukci, což je veliká
výhoda, protože není potřeba konstruovat a stavět umělé podpěry. Poté
plošina komory, na níž se produkt vyrábí, klesne o vzdálenost odpovídající
tloušťce další vrstvy a plošina v komoře skladující materiál stoupne, a tak
umožní dávkování další „porce“ prášku. Mobilní váleček rozprostře a
vyrovná prášek na povrchu vytvořeném předtím jednotlivými vrstvami.
V následující fázi tiskové trysky nanesou na vhodná místa spojovací
materiál. V důsledku spojení prášku s pojivem se vytvoří další vrstva a
zároveň pojivo způsobí splynutí nové vrstvy spojeného prášku s již
vytvořenou vrstvou. Stejným způsobem se realizují následující fáze
konstrukce modelu, dokud se nezíská celý produkt. Proces probíhá
automaticky.
Obr. 5.24 Princip 3D tiskové metody [11]
Po dokončení konstrukce produktu se prášek, který nebyl spojen, velice
jednoduše odstraní, např. profouknutím stlačeným vzduchem. Po vyrobení
součástek a stvrzení pojiva se získá produkt v takzvané „zelené“ formě.
Takový produkt je děrovaný a části hlavního materiálu se navzájem spojí
malými můstky pojiva. Tento produkt je křehký, a proto je zapotřebí provést
dokončovací opracování. Takové opracování je možno provést různými
způsoby. Výrobky jsou tedy velmi často infiltrovány. Objekt se impregnuje
vhodnými materiály, jako jsou například: polyuretany, polystyreny, vosk,
epoxidová pryskyřice, kyanakrylátové lepidlo, apod., aby se vyplnily otvory
a vyztužilo pojivo.
59
Minos++
5.8
SGC – metoda vytvrzování fotocitlivého polymeru
Vytvrzování fotocitlivého polymeru – SGC metoda byla vyvinuta izraelskou
společností – Cubital Ltd. Je trochu podobná metodě stereolitografie, jsou
však mezi nimi také některé rozdíly. Model se vytváří z teplem tvrditelné
pryskyřice nebo fotopolymeru, ale laser už není zdrojem spékání – to je
ultrafialová lampa. Další rozdíl se týká skutečnosti, že vrstva se vytváří
prostřednictvím záření předtím vytvořené skleněné plochy patřící k obrysu
konkrétní vrstvy. Tato plocha je vyrobena na základě negativa příčného
řezu vrstvy, jinými slovy, panel je transparentní a propouští UV záření
v místech tvrzení, zatímco zbývající plocha tohoto panelu vůbec
transparentní není. Hlavní výhodou týkající se použití panelu je možnost
vytváření masek s rozmanitým využitím. Nádoba s modelem se nepohybuje
pouze vertikálně za účelem vytvoření další vrstvy, ale také horizontálně,
což je nezbytné pro realizaci následujících fází vytváření modelu
v příslušných stanovištích SGC zařízení.
Obr. 5.25 Princip činnosti SGC
Po vytvoření další vrstvy se srovná pryskyřice, vytvořený prázdný prostor
se vyplní voskem, což umožní tvorbu komplikovaných tvarů bez nutnosti
navrhovat přídavné podpěry. Vosk se utuží kovovou plochou a každá nově
utužená vrstva se vyrovná frézováním. Na takový vyrovnaný povrch se pak
nanese další vrstva pryskyřice [ 1].
60
Minos++
Proces:
Počítač analyzuje CAD soubory a prezentuje objekt jako hromadu „plátků“.
Znázornění aktivního plátku je „vytištěno“ skleněnou fotomaskou využívající
elektrostatický proces podobný laserovému tištění. Část „plátku“
představující materiál zůstává transparentní.
Na pracovní povrch se nanese tenká vrstva fotoaktivního polymeru a
rovnoměrně se rozprostře.
Na nově rozprostřenou vrstvu tekutého polymeru tato fotomaska nasměruje
ultrafialové světlo. Ozářená pryskyřice (vhodná pro pevný materiál příčného
řezu patřícího k objektu) polymerizuje a ztvrdne.
Nevyužitá tekutá pryskyřice se vysaje.
Přes pracovní plochu se rozprostře tekutý vosk, který vyplní otvory, v nichž
předtím byla neozářená tekutá pryskyřice.
Studená plocha vosk utuží. Celá vrstva, vosk a polymer nyní mají pevný
tvar.
Vrstva se frézuje, dokud nedosáhne správné tloušťky.
Proces se opakuje s následujícími vrstvami a každá vrstva se slepí
s vrstvou předchozí, dokud se nevytvoří objekt.
Vosk se z konečného prototypu odstraní tavením nebo v lázni. (Alternativou
je ponechat vosk na prototypu, dokud se nepřeveze a není chráněn).
Metoda SGC má o 10 až 15% vyšší účinnost než jiné metody založené na
fotocitlivých polymerech. Je možné vytvořit jakýkoli geometrický tvar
v jakékoli orientaci. Součástky se dají vyrábět v noci nebo hromadně a
nevyžadují dodatečné tvrzení poté, co se vytáhnou ze stroje. Používání
vosku znamená, že není potřeba stavět podpěry pro přečnívající části.
Práce se dá navíc zastavit, např. za účelem vyrobení jiného projektu nebo
odstranění vadných vrstev.
61
Minos++
6 Zpětné inženýrství
6.1 Úvod
Zpětné (rovněž označováno reverzní) inženýrství (anglická zkratka RE –
“Reverse Engineering”) je technologie, která umožňuje znovu objevit
konstrukční pravidla již existujících předmětů. Slouží k určení hypotéz,
podle nichž byl předmět navržen a vyroben. Ve výrobním průmyslu obvykle
zahrnuje rekonstrukci geometrie výrobku, způsobu fungování, a někdy také
materiálů, které byly použity na jeho výrobu. Zpětné inženýrství je známé i
v jiných oblastech, např. v informatice, kde znamená analýzu existujícího
programu za účelem pochopení jeho funkce a/nebo obnovení jeho
zdrojového kódu [20].
Narozdíl od tradičního chápání inženýrství je u zpětného inženýrství
výchozím bodem hotový výrobek, u nějž již neexistuje žádná konstrukční a
technologická dokumentace, údaje o materiálu, atd., a je úkolem zpětného
inženýrství tyto informace získat. V mnoha případech se zpětného
inženýrství využívá také pro doplnění tradičních procesů vývoje výrobku.
To platí pro situace, kdy objevnost návrhu není hlavním cílem a vyvíjený
výrobek je založen na existujícím a ověřeném řešení (které bylo v
některých případech vyvinuto konkurenční společností).
Zpětné inženýrství se v průmyslu nejčastěji spojuje s digitalizací geometrie
fyzických předmětů. Jejím výsledkem je digitální model, který tvoří základ
pro další konstrukční práci, počítačová analýza (např. používání metody
konečných prvků) nebo srovnání fyzického a počítačového modelu. Získání
digitální podoby modelu také umožňuje přímé využití dat ve stále častěji
používaných technologií počítačově podporované výroby pro číslicově
řízené obráběcí stroje, ve výrobě využívající metody založené na vrstvách
jako je rychlé vytváření prototypů, rychlé vytváření nástrojů, rychlá výroba,
atd.
Zpětné inženýrství se uplatní vždy, když je třeba počítačový model
fyzického předmětu. Mezi oblasti, v nichž se využívá, patří mimo jiné:
•
strojírenský průmysl, zvláště automobilový (obrábění, kontrola
jakosti, obnovení dokumentace, atd.)
•
balný průmysl (výrobky, které mají nejrůznější, často atypické tvary,
navržené stylisty)
•
potravinářský průmysl (např. navrhování tvarů čokolád a bonbónů)
•
rytí medailí a numizmatika (rekonstrukce tvaru mincí a medailí)
•
obuvnický průmysl (digitalizace šablon a nářadí)
•
klenotnický a dárkový průmysl (např. miniatury přírodních objektů)
•
lékařství (rekonstrukce vnitřních anatomických objektů, navrhování
implantátů)
•
hračkářský průmysl (výroba tvarů založených na uměleckých
projektech)
•
historie umění (archívování a vytváření kopií předmětů – soch,
budov, atd.)
•
vývoj nových výrobků za použití technologií jako je rychlé vytváření
prototypů a rychlé vytváření nástrojů [20].
62
Minos++
6.2 Oblasti využití zpětného inženýrství
Proces rekonstrukce geometrie předmětů je ve výrobním průmyslu dobře
známý. Nachází uplatnění v následujících úkolech:
•
zavádění změn do prototypů již vyrobených prvků
•
vyvíjení výrobních postupů založených na jedinečných výrobcích
•
kontrola jakosti u výrobních procesů
•
obnovení či tvorba dokumentace daného výrobku
Mnoho výrobků ve fázi vývoje musí mít kromě svých technických rysů také
atraktivní design, aby uspěly na trhu. Než lze přistoupit k návrhářské práci,
je proveden marketingový průzkum, který umožní určit potřebnou sadu
funkčních rysů a předběžně stanovit design výrobku. Dále je na stylistech,
aby se vnějšímu designu věnovali do detailů, a připravili model ze sádry, z
hlíny nebo ze dřeva. Dalšími kroky jsou digitalizace (Obr. 6.1), vytváření
technické dokumentace a zahájení výroby projektu.
Obr. 6.1. Digitalizace koncepčního modelu auta [27]
Dalším úkolem zpětného inženýrství v oblasti vyvíjení nových výrobků je
provádění změn v technické dokumentaci. Když se na základě
počítačového modelu vytvoří první prototyp nového výrobku, často se
stane, že je nezbytné provést různé testy. Jejich výsledem je provedení
změn na prototypu (obvykle manuálně), a po několika podobných
opakováních se mezi geometrií fyzického prototypu a modelem, na němž
byl založen, objeví velká odchylka. Pak nastane nutnost použít digitalizaci,
aby bylo možné pokračovat v realizaci projektu za použití takto získaného
3D modelu.
63
Minos++
Atraktivní vzhled a funkčnost výrobků v mnoha případech nestačí. Často je
nezbytné vzít do úvahy ergonomiku, která se dostává ke slovu ve všech
situacích, kdy musí být návrhy upraveny podle lidské anatomie. Tento
požadavek vzniká především kvůli pohodlí a bezpečnosti použití, a je
obzvláště důležitý v případě výrobků, se kterými jsou lidé v přímém
fyzickém kontaktu. Příkladem takového individualizovaného výrobku může
být držadlo tenisové rakety zobrazené na obr. 6.2. Bylo navrženo na
základě prve digitalizovaného otisku ruky v plastickém materiálu. Poté byl z
tohoto modelu vytvořen stereolitografický model, a konečný výrobek byl
zhotoven technologií vakuového lití.
Obr. 6.2 Individualizované držadlo tenisové rakety
64
Minos++
Výroba tohoto druhu výrobků je často řízena příslušnými normami, které
daný výrobek musí splňovat. Zároveň je skvělý design výrobku, který
zohledňuje jak ergonomický tvar povrchu, tak jeho estetičnost, klíčem k
obchodním úspěchům. Převážná většina výrobků na nejvyšších příčkách
úspěšnosti má své vlastní návrhářské kanceláře, které zaměstnávají
specialisty z různých oblastí, včetně ergonomiky. Jejich úkolem je
navrhnout řešení, která by byla ve srovnání s konkurenčními výrobky lepší,
pohodlnější a měla jednodušší použití. Donedávna představoval zásadní
problém přenos přirozených tvarů, vycházejících z lidské anatomie, do
počítačového systému, v němž byl projekt vytvářen. V této oblasti přišel
průlom s nástupem optických 3D scannerů. Ty umožnily výrazné zvýšení
rychlosti digitalizace ve srovnání s ostatními metodami, a především
zvýšení přesnosti přenášení tvarů do formátů CAD systémů (až na
odchylku pouhých 0,1 mm).
Za několik let již nebude problém, objednat si výrobek přizpůsobený tvaru
lidského těla, např. helmu na motocykl tvarovanou podle hlavy majitele.
Údaje získané digitalizací se skombinují s modelem výrobku, a poté se
hotová dokumentace předá výrobnímu místu, které individualizovaný
výrobek za několik dní dodá zákazníkovi.
Podobnou záležitostí je výroba balení, jehož tvar by byl přizpůsoben
danému předmětu. (Obr. 6.3). V případě nových výrobků, které mají své
počítačové modely, nepředstavuje výroba takového balení žádný problém.
S předměty, které takovou dokumentaci nemají, je to něco jiného. Je
zapotřebí vytvořit počítačové modely za použití systémů zpětného
inženýrství. Ačkoliv toto úsilí může být náročné z pracovního i finančního
hlediska, někdy je nezbytné. Týká se především drahocenných předmětů
(např. muzejních exponátů), které by měly být řádně chráněny proti
možnému poškození během přepravy a manipulace.
65
Minos++
Obr. 6.3 Balení, jehož tvar je přizpůsoben předmětu [20]
Techniky zpětného inženýrství se stále více uplatňují v průmyslu, nejen
jakožto nástroje pro navrhování a vývoj, ale také jakožto systémy pro
kontrolu výroby. Umožňují rychlé kontrolní měření prakticky jakéhokoliv
vyrobeného kusu. Taková zkouška zabere od několika sekund do čtvrt
minuty a zahrnuje digitalizace částečného či celého povrchu výrobku a
srovnání získaných výsledků s počítačovým modelem. (Obr. 6.4).
Obr. 6.4. Fyzický model a výsledek jeho porovnání s počítačovým modelem
6.3 Metody digitalizace
Techniky získávání dat pro 3D geometrii se liší metodou měření a
příležitostně i typem dat, získaných výsledkem použití určité metody.
Vezmeme-li v úvahu míru automatizace, může být měření vykonáno v
manuálních, semi-automatických či automatických režimech. Manuální
režim, v němž uživatel musí kontrolovat měřící zařízení, se používá pro
66
Minos++
čtení rozměrů modelů s relativně jednoduchou geometrií, nejčastěji
hranolovou, jejíž model člověk může kompletně vytvořit v CAD systému. V
semi-automatickém režimu měřící zařízení ukládá geometrické prvky
zkoumaného předmětu, které uživatel zvolí, což předběžnou definici oblastí
měření. V případě, že je třeba změřit povrch celého předmětu, může se
stát, že bude nutné jej naskenovat na několikrát, načež se jednotlivé části
naskenovaného povrchu v počítači spojí do jednoho digitálního modelu. V
automatickém režimu však můžeme získat geometrii celého zkoumaného
předmětu, aniž bychom museli do digitalizačního procesu manuálně
zasahovat, přičemž výchozí data budou odrážet úplný trojdimenzionální
model předmětu, který zkoumáme.
Podle stavu zkoumaného předmětu po ukončení procesu digitalizace se
metody měření rozdělují na destruktivní a nedestruktivní, a s ohledem na
typ vzájemné interakce mezi měřícím zařízením a předmětem se dále dělí
na metody kontaktní (mechanické) a nekontaktní. Nekontaktní metody
mohou být optické (využívají viditelného světla - laser, interferometrie) nebo
neoptické (rentgen, elektromagnetická radiace, ultrazvuk). Některé metody
(zvýrazněné v Obr. 6.5) umožňují zkoumání vnitřní struktury předmětu.
Obr. 6.5. Rozdělení nejpopulárnějších geometrických metod digitalizace
(zvýrazněné metody umožňují zkoumání vnitřní struktury předmětu)
67
Minos++
6.3.1 Kontaktní metody digitalizace
Kontaktní scannery
Široká paleta předmětů, které mohou být digitalizovány, vyžaduje od
měřících systémů co největší možnou flexibilitu. Typické souřadnicové
měřicí přístroje umožňují přesné měření dílů s relativně jednoduchou
geometrií. Na základě získaných výsledků může uživatel sestrojit model v
CAD systému. Tento postup selhává v případě složitých předmětů s
neohraničeným povrchem, který vyžaduje ohromné množství měřených
bodů.
Kontaktní skenování je jednoduchá metoda pro automatické získávání
velkého množství měřících bodů, prováděná pomocí kontaktních scannerů
(Obr. 6.6). Sestává z udržení kontaktu s povrchem předmětu měření síly,
která působí na měrnou sondu. V průběhu procesu skenování zajišťuje
kontrolní jednotka zařízení konstantní spouštěcí sílu sondy, odhaluje jeho
odchylky a zajišťuje okamžité vyrovnání. Elektronické konvertory s vysokým
rozlišením nepřetržitě zaznamenávají polohu sondy a odesílají data do
počítače [23].
Obr. 6.6. Kontaktní scanner
Kontaktní scannery kombinují jednoduchost použití a rychlost kontaktních
měření, která jsou vykonávaná pomocí CMM s funkčností nepřetržitého
snímání a práce, neboť využívají obou metod. Některé kontaktní scannery
jsou navíc vybaveny laserem za účelem dosažení vyšších rychlostí
nepřetržitého skenování a umožňují digitalizaci předmětů, vyrobených z
ohebných materiálů (které použitím kontaktních metod nelze skenovat).
68
Minos++
Kontaktní scannery mohou měření ploch provádět různými způsoby,
počínaje jednoduchými geometrickými měřeními (délka, průměr, úhel, atd.)
přes 2D skenování zvolené plochy, až po 3D skenování, které se
uskutečňuje několika způsoby (podél osy X, podél osy Y, pod jakýmkoliv
úhlem nebo paprskovitě). Kromě toho je možné provést digitalizaci v
manuálním režimu, který je založen na ručním vedení sondy po povrchu
předmětu.
Měřící ramena
Obr. 6.7 Měřící ramena [24]
Měřící rameno se skládá ze základny, několika tyčí spojených pohyblivými
klouby a hlavy, zakončené měrnou sondou. Každý kloub je vybaven
jemnými ložisky, která mu zajišťují volnou rotaci po ose, a obsahuje optický
senzor, který měří jeho rotační úhel. Rameno je vyrobeno z pevného kovu
s co nejnižším koeficientem lineární expanze.
69
Minos++
Známe-li rotační úhly všech pohyblivých kloubů a délky všech prvků,
můžeme určit souřadnice každého bodu, který leží v dosahu zařízení.
Měření jednoho bodu se provádí tím, že se konec sondy dotkne povrchu
předmětu. Měření se potvrdí stisknutím tlačítka, umístěného na měrné
hlavě. Tímto principem lze měřit průměry, úhly, vzdálenosti prolínání
geometrických prvků. Některá řešení umožňují souvislé zaznamenávání
měřených bodů v momentě, kdy dojde ke kontaktu mezi sondou a
předmětem, a integraci ramene s laserovou skenovací hlavou.
Hlavní výhodou měřících ramen, kromě jejich relativně nízké ceny ve
srovnání s ostatními systémy, je jejich pohyblivost. Lze je využít ve všech
případech, kdy by převoz předmětu do měřící laboratoře nebyl možný. Jsou
také součástí vybavení výrobních linek, kde vykonávají neustálou
dimenzionální kontrolu vyrobených dílů. Přístroj může být namontován na
stojanu nebo připevněn na ploše měřeného předmětu.
6.3.2 Metody založené na optických bodech
U metod založených na bodech může měření probíhat tak, že v každém
měřícím cyklu získáme pouze jeden bod. Aby se zvýšila funkčnost zařízení,
která fungují na tomto principu, jsou vybavena dodatečným optickým
obvodem, který umožňuje získat velký počet dat při jediném měření
(přímka nebo síť). Nejčastěji jde o otáčející se zrcadlo, díky němuž laserový
paprsek přejede povrch zkoumaného předmětu, aniž by bylo nutné hýbat
celým systémem. Takové řešení ovšem zvyšuje složitost zařízení, a tím i
jeho rozměry.
Metoda měření vzdálenosti
Tato metoda využívá měření času pro určení vzdálenosti hlavy scanneru
od předmětu. Scanner vysílá laserové impulsy ve směru neprůhledného
předmětu, a měří se doba, za kterou dojdou k předmětu a – poté, co se
odrazí z jeho povrchu – zpět ke scanneru.
70
Minos++
Obr. 6.8. Měření na základě principu “čas letu” [25]
Hlavní výhodou této metody je skutečnost, že přesnost měření je
konstantní, bez ohledu na to, jak daleko od scanneru se předmět nachází,
je však závislá na používaném systému měření času. Umožňuje použít
zařízení pro měření objektů ve velké vzdálenosti, například mostů nebo
budov, avšak čas, potřebný k zaznamenání jednoho bodu [5], v takovém
případě podstatně narůstá.
Funkčnost scannerů založených na této metodě měření lze umocnit
použitím pohyblivého zrcadla. V takovém případě je ovšem podstatné znát
současnou pozici takového zrcadla, aby bylo možné určit souřadnice sledu
zaznamenaných bodů. V současné době se zařízení tohoto typu
nepoužívají pro rychlá měření, obzvláště ne v případě malých a středně
velkých předmětů.
Laserový radar
Laserový radar (zkratka LIDAR – Light Detection and Ranging) také využívá
nepřímé metody měření vzdálenosti. Použití modulovaného laserového
paprsku umožňuje po řádné kalibraci měřit vzdálenost na základě fázového
posunu.
71
Minos++
Obr. 6.9. Laserový radar [25]
Obr. 6.10. Fázový posun v měření při použití LIDARu [25]
Zařízení založená na tomto principu umožňují výrazně rychlejší měření a
jsou schopna nepřetržitě získávat data, což v tomto případě může
způsobit chyby.
Laserová triangulace založená na bodech
Laserová triangulace je jednou z nejběžnějších technik získávání 3D dat.
Využívá zaměřeného světelného zdroje a videokamery pro změření
vzdálenosti od předmětu. Obr. 6.11 znázorňuje tento princip měření.
72
Minos++
Obr. 6.11. Laserová triangulace založená na bodech [21]
Laserový paprsek je zrcadlem odkloněn ve směru snímaného předmětu.
Poté je laserové světlo rozptýleno po povrchu předmětu a zaznamenáno
videokamerou, umístěnou v určené vzdálenosti od laseru (triangulační
vzdálenost). Čočka a CCD detektory, které se v těchto zařízeních
používají, jsou ploché, takže úhel β a pixelová pozice rozptýleného světla na
sobě vzájemně závisí. Známe-li ohniskovou vzdálenost ƒ čočky kamery,
analýza video obrazu nám umožní určit úhel dopadu rozptýleného světla β.
Navíc, známe-li hodnotu úhlu ∂, která je výsledkem momentální pozice
otáčejícího se zrcadla, dokážeme najít souřadnice bodu v prostoru [15] za
použití jednoduché trigonometrie.
Scannery, které využívají této měřící metody, jsou určeny pro měření v
malém rozsahu, protože jejich přesnost klesá se vzrůstající vzdáleností
předmětu od přístroje.
6.3.3 Lineární optické metody
Scannery, které využívají lineární metody digitalizace, vykonávají jednotlivé
série měření v podobě čar na povrchu snímaného předmětu. Probíhá-li
zároveň měření směrnic bodů, pak se tato metoda zdá být mnohem
rychlejší, než metoda, při níž se zaznamenávají jednotlivé body.
73
Minos++
Laserová lineární triangulace
Laserová triangulace může být snadno rozšířena na lineární triangulaci,
která umožňuje současné měření celé řady bodů na povrchu předmětu. Její
princip spočívá v použití laseru, který namísto bodu vytváří na povrchu
předmětu přímku, a detektoru v podobě dvoudimenzionální senzorové
matice. Obvykle jde o klasickou CCD kameru, u níž řady senzorů v
detektoru odpovídají za měření po sobě následujících bodů v přímce.
Obr. 6.12. Laserová triangulace založení na přímkách [25]
U lineární metody nastane podobná situace jako v případě bodové laserové
triangulace, a projeví se problémem okluze. K jejímu překonání můžeme
snížit úhel mezi kamerou a generátorem, nebo použít dva světelné zdroje.
Jiný způsob spočívá v použití dodatečné kamery, to však vyžaduje učení
vzájemné pozice kamer. Triangulační úhel tedy nikdy není nulový, protože
neustále existuje možnost okluze.
6.3.4 Optické metody založené na pásmu
Pásmové metody jsou nejefektivnějším způsobem měření povrchu, avšak
jsou mnohem komplikovanější a obvykle vyžadují mnoho “expozic”
digitalizovaného předmětu.
Fotogrammetrie
Fotogrammetrie (stereovize) je jednou z metod založených na triangulaci.
Těží ze skutečnosti, že zaznamenání stejného bodu na několika snímcích,
vyfotografovaných z různých perspektiv, umožňuje určit jeho polohu v
prostoru. Vedeme-li kolmé přímky ze souhlasných bodů, pak bod, který
chceme zjistit, leží v jejich průřezu (Obr. 6.13).
74
Minos++
Obr. 6.13 Fotogrammetrie [25]
Využívání této metody vyžaduje pořízení několika fotografií stejného
záběru z různých pozic. Toho lze dosáhnout tak, že pohybujeme jedním
fotoaparátem, nebo můžeme použít několik fotoaparátů, avšak jedině
tehdy, pokud systém umožňuje současně probíhající měření. Kromě toho je
také možné použít jeden statický fotoaparát, který je vybaven objektivem s
nastavitelnou ohniskovou vzdáleností. Pozměnění ohniskové délky má
stejný účinek jako pohyb fotoaparátů po optické ose, což umožňuje
triangulaci.
Jednou ze zásadních nevýhod fotogrammetrie je nezbytnost hledání
shodných bodů na různých fotografiích. Tradiční fotogrammetrie vyžaduje,
aby uživatel zadal tyto body ručně, což je jednodušší, pokud má snímaný
povrch strukturu. Nejlepší způsob, jak se vypořádat s tímto problémem při
digitalizaci předmětů, které nemají strukturu, je použít strukturální světlo v
podobě sítě.
Profilometrie
Triangulaci lze využít i pro měření povrchu pomocí posunující se laserové
čáry (obměna lineární laserové triangulace) nebo souběžného promítání
mnoha čar. Vytvořená síť se promítne na povrch pomocí projektoru, a
kamera ji pod určitým úhlem pozoruje. Použitím referenčního snímku,
nebo zaznamenáním několika fotografií, na kterých je promítaná síť vždy o
něco posunutá, je možné určit umístění každého bodu. Proces snímání
povrchu obvykle trvá několik sekund, proto je nutné předmět při měření
znehybnit.
.
75
Minos++
Obr. 6.14. Profilometrie [25]
6.3.5 Destruktivní skenování
Jedním ze způsobů digitalizace, který umožňuje rozeznávání vnitřní
struktury objektu, je destruktivní skenování. Je to nejsnadnější metoda
tohoto typu a nevyžaduje žádné nákladné speciální vybavení, jako je tomu
v případě lékařského snímání. Používá se však pouze tehdy, když si
můžeme dovolit ztrátu zkoumaného objektu.
Destruktivní skenování je založeno na cyklickém řezání tenké vrstvy
objektu a fotografování odkryté plochy. Tloušťka této vrstvy se zvolí dříve
za účelem dosažení vyhovující přesnosti. Trojrozměrný model objektu se
vytvoří na základě sady fotografií znázorňujících po sobě následující vrstvy
příčného řezu, což se ve skutečnosti podobá technikám lékařského
snímání.
Před prováděním skenování se objekt zalije tvrditelnou pryskyřicí, která jej
chrání proti případnému poškození během zpracování a zajišťuje
odpovídající kontrast fotografií. Na objekty s jasnými barvami se aplikuje
tmavá pryskyřice a naopak. Za účelem zajištění správnosti získaných dat
musí pryskyřice k objektu pevně přiléhat a vyplňovat všechny díry [26]; po
zalití formy s objektem se tedy vše umístí do vakuové komory, aby se
odstranil vzduch [22].
76
Minos++
Obr. 6.15. Schéma destruktivního skenovacího procesu [22]
Obr. 6.16. Zařízení na měření předmětů použitím destruktivní metody [22]
6.4 Vybavení a software
Proces geometrické 3D rekonstrukce můžeme rozdělit do dvou základních
fází: digitalizace a zpracování dat. Aby bylo možné zahájit první fázi, musí
být k dispozici vhodné vybavení, umožňující zaznamenávání informací o
tvaru povrchu předmětu. Nejčastěji používanými přístroji jsou kontaktní a
optické scannery.
Ještě nedávno byly jediným zdrojem přesných dat pro rekonstrukci 3D
předmětů souřadnicové měřicí přístroje. Tyto přístroje poskytují informace o
základních rozměrech předmětů, což umožňuje jejich kompletní
vymodelování v CAD systémech. Konstrukční a operační princip
souřadnicových měřících přístrojů neumožňují rychlou digitalizaci
77
Minos++
rozsáhlých neohraničených ploch. Kontaktní scannery se s takovýmto
úkolem dokážou vypořádat mnohem lépe, díky tomu, že jejich konstrukce
je podobná souřadnicovým měřicím přístrojům, a nadto jim rychlejší pohon
os a vhodný software umožňuje souvislé vysokorychlostní skenování.
Jejich způsob fungování je založen na vedení sondy po povrchu předmětu
a zaznamenávání souřadnic po sobě jdoucích bodů, které jsou od sebe
vzdáleny o přednastavený interval. Tímto způsobem se vytvoří digitální
obraz povrchu předmětu v podobě bodového mraku.
Kontaktní skenování má jednu zásadní nevýhodu, kterou je nemožnost
digitalizace předmětů, vyrobených z měkkých materiálů, např. z gumy. V
této situaci je nutné využít optického skenování, které využívá techniku
laserového skenování. Tato metoda je založena na zaměření laserového
paprsku a daný předmět. Když paprsek dopadne na předmět, odráží se, a
je zaznamenán přístrojem. Software těchto zařízení dokáže změřit
vzdálenost bodu od scanneru i jeho souřadnice v prostoru. Tuto techniku
lze uplatit jak pro malé předměty (laserová triangulace), tak pro velké
předměty (laserový radar), jako jsou budovy a jejich okolí. Často se buď
předmět, nebo scanner umístí na otočnou plochu, což umožňuje
automatickou digitalizaci celého předmětu či okolí.
U digitalizačních zařízení je metoda bodového laserového skenování
(laserová triangulace) často rozšířena na metodu digitální, s níž v jednom
cyklu získáme informace o skupině bodů, ležících v jedné přímce na ploše
předmětu. Takové řešení umožňuje rychlejší skenování a je možné jej
využít u ručně ovládaných scannerů. Princip týkající se měření samotného
zůstává v tomto případě nezměněn; vyvstává ovšem nutnost změřit pozici
skenovací hlavy. Ručně držený scanner je často připevněn na měřícím
ramenu, které umožňuje přesné určení momentálních souřadnic hlavy.
Nejefektivnější řešením z časového hlediska je současně probíhající
digitalizace celé dostupné plochy předmětu, což je možné s pomocí
zařízení používajících strukturální světlo. Obvykle přenáší zvláštní projektor
bílé světlo na povrch předmětu, který je zastíněn šablonou, vytvářející řadu
paralelních pruhů. Takto osvícený předmět je sledován CCD kamerou,
přičemž analýza paralelního zkreslení pruhů umožňuje vypočítat
souřadnice mnoha bodů celé pozorované plochy. Oskenování jedné
expozice obvykle u tohoto typu zařízení trvá několik minut.
78
Minos++
Nezávisle na použitém vybavení vyžadují data získané pomocí scanneru
(např. bodový mrak) další zpracování. Pomocí speciálního softwaru, který
dokáže přečíst naměřené údaje, případně sloučí několik souborů dat (v
případě, že byl předmět skenován na několikrát), můžeme tyto údaje
opravit a konečně je převést do podoby plošných modelů (trojúhelníková
síť). Model v podobě sítě trojúhelníků pak lze upravovat (např. rozříznutí
rovinou, zarovnávání povrchu, škálování, atd.) a uloživ v STL formátu.
Ačkoliv tato data v této podobě umožňují vizualizaci, či dokonce konstrukci
fyzického prototypu pomocí technologií založených na vrstvách, není
vhodné je dále zpracovávat v CAD systémech. Další funkce programů
zpětného inženýrství proto je, převést modely z trojúhelníkové sítě na
NURBS plochy (neohraničené plochy), které přibližují tvar skenovaného
předmětu. Údaje tohoto typu se pak importují do CAD/CAM systémů a
umožní vytvoření skutečného povrchu nebo dokonce objemového modelu
a provedení změn v geometrii, potřebných pro další fáze vývoje.
6.5 Digitalizace geometrie
6.5.1 Fáze digitalizace
Proces 3D digitalizace geometrie lze rozdělit do následujících čtyř fází
(Obr. 6.17):
Obr. 6.17. Fáze digitalizace
Prvním krokem 3D digitalizace je plánování procesu, jehož úkolem je zvolit
měřicí vybavení, způsob měření a formu výstupních dat, rozvinout měřicí
strategie, stejně jako nastavit digitalizační parametry. Získávání dat, které
je založeno na odpovídající aplikaci vstupních zařízení za účelem získání
údajů ohledně geometrie objektu, je další fází. Obvykle se výstupní data
získávají tímto způsobem; jsou ve formě sady souřadnic bodů x,y,z ležících
na ploše objektu a vztahují se k lokálnímu souřadnicovému systému. Tyto
body se navíc dají uspořádat, avšak to je určeno použitou měřicí metodou.
Třetí fáze je založena na aplikaci počítačového softwaru, s jehož pomocí je
možné číst měřená data ve formě bodového mraku, jehož zpracování je
založeno především na opravě a konverzi dat, dokud se nedosáhne plošné
79
Minos++
formy (sítě trojúhelníků). Taková reprezentace objektu umožňuje jeho
použití jak ve vizualizaci objektu (virtuální realita), tak ke generování
zpracovacích programů na číslicově řízených nástrojích. V této fázi je
rovněž možné zkonstruovat fyzický model pomocí technologií založených
na vrstvách (rychlé vytváření prototypů, rychlé vytváření nástrojů a rychlá
výroba). Tyto aplikace někdy vyžadují základní editovací zásahy
umožňující činnosti, jako je například: škálování modelu, obrábění
s použitím vybrané roviny nebo vyhlazování povrchu. Model ve formě
trojúhelníkové sítě lze exportovat (STL formát) do systémů numerických
analýz a CAD/CAM softwaru, avšak data v této formě zahrnují příliš mnoho
údajů, což zdržuje manipulaci s modelem a zpomaluje výpočty. Většina
CAD systémů, které umožňují exportování a importování modelů v STL
formátu, také neposkytuje možnosti dalšího editování. Pak je nezbytné
změnit model, který je ve formě trojúhelníků, do NURBS ploch
(neomezených ploch), které přibližují tvar skenovaného objektu. Data
tohoto druhu se importují do CAD/CAM systémů a umožňují vytvoření
pevného objektu a zavedení požadovaných změn v jeho geometrii.
6.5.2 Plánování digitalizačního procesu
Plánování je fáze o vysoké důležitosti v procesu digitalizace a výrazně
ovlivňuje jeho průběh, stejně jako konečný výsledek. Zahrnuje následující
body:
•
volba metody a měřicího zařízení,
•
plánování měřicích strategií,
•
stanovení formy výstupních dat.
Digitalizační úlohy lze obvykle provést s pomocí několika druhů
zařízení, avšak kromě aspektu dostupnosti vybavení existuje několik
faktorů, které ovlivňují výběr správné měřicí metody. Je to především
požadovaná přesnost a doba měření, ale také se stává, že typ objektu,
zejména jeho gabaritové rozměry, je rovněž velice důležitý. Je klíčový
v případě zařízení s omezeným pracovním prostorem. Polovina takových
zařízení však umožňuje změnu týkající se jejich polohy s ohledem na
digitalizovaný objekt, a umožňuje také následnou počítačovou kombinaci
po sobě jdoucích skenů do kompletního modelu, což se však pojí se
ztrátou přesnosti.
Pro zařízení používající laserové světlo je zásadní, aby zkoumaná plocha
měla správné optické vlastnosti (např. neprůhlednost), což je rovněž
relevantní při používání zařízení s kontaktní sondou; jinými slovy je
důležité, aby plocha např. nebyla příliš flexibilní. V případě typických
digitalizačních úloh nicméně hrají klíčovou roli dva hlavní faktory, které jsou
ve vztahu k většině zařízení ve vzájemném rozporu – rychlost a přesnost.
Na obr. 6.18 je porovnání několika skenovacích zařízení tohoto typu,
s rekonstrukcí typických objektů pohybujících se od několika málo do více
centimetrů.
80
Minos++
Obr. 6.18. Porovnání vlastností různých skenovacích zařízení [20]
Přesnost je úzce spojena s použitou měřicí metodou a vztahuje se pouze
na výstupní data scanneru, která jsou sadou bodů v prostoru. Bodový mrak
popisující geometrii objektu pak podstoupí konverzi do 3D modelu, což má
za následek další chyby. Mělo by tedy být jasné, že navzdory použití
přesného vybavení se přesnost konečného modelu nikdy nevyrovná
přesnosti zařízení. Je obtížné odhadnout jeho hodnotu, a z toho důvodu by
se v případě, kdy jsou takové údaje zásadní, měla provést zkušební
digitalizace objektu, jehož rozměry jsou známé; po konverzi do CAD
modelu by se mělo provést vyhodnocení.
Doba je faktor, který je v rozporu s přesností, a přesto je v některých
situacích velice důležitý. Zdá se to tak v případech skenování objektů, které
se během digitalizace mohou pohnout, jako je např. lidské tělo. Na trhu
existují optické scannery, které dokážou digitalizovat objekt ve speciálním –
rychlém režimu (jediná expozice) během 0,3 s (např. Konica Minolta VI-910
[20]), ale přesto na úkor přesnosti ve srovnání s normálním režimem. Často
doba digitalizace sahá od několika minut v optických systémech do
několika hodin v případě strojů měřících souřadnice a kontaktních
scannerů.
81
Minos++
Důležitou úlohou během plánování průběhu je rozhodnout, zda bude
možné objekt naskenovat najednou, nebo zda je nutné skenování provést
v několika fázích. V případě skenování objektu v několika fázích (kontaktní
scannery) nebo z několika stran (optické scannery) je výsledkem bodový
mrak, který je pak třeba připojit k celku.
Je rovněž důležité určit formu dat, do níž by se měl získaný model
konvertovat, což určuje požadavky týkající se softwaru. Pokud má být
získaný model základem numerických výpočtů, nevyžaduje se velká
přesnost, nicméně (kvůli jejich rychlosti), eventuálně malá velikost dat je
významná. Mění se to v situaci, kdy se má skenovaný objekt stát základem
pro zavádění modifikací – pak se na přesnost klade větší důraz. Pokud
výsledek digitalizace slouží ke kopírování objektu, postačí, pokud bude
plocha objektu prezentována ve formě trojúhelníkové sítě, ale software by
měl umožnit vygenerování programu na NC nástroji.
6.5.3 Získávání dat
Získávání dat je založeno na transformaci fyzického modelu do digitální
formy díky čtení souřadnic patřících k jednotlivým bodům, které leží na
ploše trojrozměrného objektu. Realizuje se s pomocí přístrojů měřících
souřadnice a prostorových scannerů. Získaná data jsou ve formě sady
souřadnic x,y,z vztahujících se k lokálnímu souřadnicovému systému a
nazývají se bodový mrak (Obr. 6.19).
Obr. 6.19. Digitalizovaný objekt ve formě bodového mraku
Tyto body obvykle nejsou uspořádané, avšak u některých z měřicích metod
(např. kontaktní scannery a přístroje měřící souřadnice) je možné určit
hranice (Obr. 6.20) a směr skenování, což ve skutečnosti poskytuje bodový
mrak připomínající sadu křivek ležících na ploše objektu (Obr. 6.21).
Poskytuje to možnost zpracovat výstupní data manuálně za účelem získání
přesného 3D modelu.
82
Minos++
Obr. 6.20. 2D profil jako hranice skenování
Obr. 6.21. 2D profil s přesahujícími oblastmi různých směrů skenování
6.5.4 Zpracování dat a konstrukce CAD modelu
Software používaný ve zpětném inženýrství může mít mnoho nástrojů,
které umožňují editování a manipulaci s daty nasbíranými během
digitalizace, ale jeho hlavní úlohou je konverze bodového mraku
pocházejícího ze scannerů do užitečnějšího znázornění ve formě
trojúhelníkové sítě nebo NURBS neomezených ploch s eventuálně velkou
přesností. V obecných případech, kdy jsou výstupní data ve formě
bodového mraku, je zpracování dat založeno na realizaci následujících
úloh:
•
Import bodového mraku, velice často zaznamenaný ve formě
souborů, jako jsou: XYZ, DXF nebo IGES.
•
Vyhodnocení úplnosti dat a případné editování bodového mraku
založené na odstranění nevhodných bodů (Obr. 6.22). Polovina
bodů, o nichž je známo, že jsou ploché, se v této fázi dají z ploch
odstranit. Omezí se tím počet trojúhelníků vytvářených
v následujícím kroku. Kdyby několik objektů podstupovalo
digitalizaci zároveň, bodový mrak by se měl rozdělit do menších
částí představujících jednotlivé objekty.
83
Minos++
Obr. 6.22 Editování bodového mraku – odstranění nevhodných bodů
„Pokrytí“ bodového mraku trojúhelníkovou sítí (Obr. 6.23).
Obr. 6.23 Konverze bodového mraku do trojúhelníkové sítě
Obr. 6.24. Odstranění „děr“ v trojúhelníkové síti
84
Minos++
Případná editace trojúhelníkové sítě založená na opravě chyb, jako jsou:
díry v síti, křížící se trojúhelníky, atd. (Obr. 6.24). V případě, kdy byl objekt
skenován v několika fázích, se kroky 1-3 provedou pro všechna data, a
v této fázi se získané části plochy modelu spojí do jednoho modelu (Obr.
6.25). Pokud je požadovanou formou výstupních dat polygonální model, je
možné v tomto bodě zastavit a zaznamenat výsledek ve formě souboru,
jako je: STL nebo VRML. Ve vizualizačních aplikacích (virtuální realita) se
požaduje vysoká plynulost provedení, které zabraňuje příliš velký počet
trojúhelníků v modelu. Programy tedy umožňují provádění redukce počtu
trojúhelníků, což určitým způsobem ovlivňuje přesnost projekce (Obr. 6.26).
Obr. 6.25. Kombinování několika částí plochy modelu
Obr. 6.26. Redukce počtu trojúhelníků ze 100 % (a) na 10 % (b)
Konverze trojúhelníkové sítě do NURBS ploch, pokud se vyžaduje
přesnější popis tvaru modelu. Tato operace může proběhnout automaticky
nebo manuálně a spočívá v rozprostření volných ploch na trojúhelníkovou
síť. Tyto plochy jsou obvykle pravoúhlé a model by se měl rozdělit do
těchto ploch za účelem získání podrobné projekce jeho plochy. Čím více se
tvar dané plochy odchyluje od pravoúhelníku, tím horší je její přizpůsobení
trojúhelníkové síti.
85
Minos++
Obr. 6.27. Chyba v NURBS ploše
Nejčastěji automatická konverze do NURBS plochy způsobuje chyby
v případě geometricky komplikovaných modelů (Obr. 6.27). Pak je řešením
provést manuální konvertování do NURBS plochy, což spočívá v provedení
následujících činností:
Detekce hran modelu (Obr. 6.28),
Obr. 6.28. Detekce hran
Rozdělení modelu do oblastí a jejich editace za účelem získání sítě, která
bude co nejpravoúhlejší (Obr. 6.29),
86
Minos++
Obr. 6.29. Vytváření a editace záplat
Vytváření sítě (Obr. 6.30),
Obr. 6.30. Vytváření sítě
Úprava NURBS plochy (Obr. 6.31).
Obr. 6.31. Úprava NURBS plochy
87
Minos++
Porovnání vytvořené NURBS plochy s daty získanými ze scanneru –
bodový mrak (Obr. 6.32)
Obr. 6.32. Porovnání NURBS plochy s bodovým mrakem
Konečným krokem je uložení modelu ve formě IGES souboru v jednom
z jeho typů: 128, 143 nebo 144. Je to nejběžnější formát pro přenos
NURBS ploch do CAD/CAM aplikací.
88
Minos++
Minos++
7 Použitá literatura
[1]
Chlebus E. „Techniki komputerowe Cax w inżynierii produkcji”
WNT, Warszawa 2000
[2]
Dybała B., Kolinka P., Techniki inżynierii odwrotnej w rozwoju
produktu, Automatyzacja produkcji. AP 2003. Nauka - wiedza innowacje. Wrocław 2003. T. 1. Referaty plenarne i sesyjne, s.
413-420
[3]
Oczoś K. ; „Postęp w szybkim kształtowaniu przyrostowym Rapid Prototyping”, Mechanik, 1999 Nr 4
[4]
Oczoś K. ; „Postęp w szybkim opracowywaniu produkcji
wyrobów prezentowany na 8. Światowych Targach EuroMold
2001 Część II. Nowe materiały i urządzenia do realizacji metod
RP.”, W: Mechanik, 2002, Nr 4
[5]
Oczoś K. ; „Rapid Prototyping – znaczenie, charakterystyka
metod i możliwości.”, Mechanik, 1997, Nr 10
[6]
Oczoś K. ; „Szybciej, dokładniej, ekonomiczniej 6. Światowe
Targi Budowy Oprzyrządowania, Projektowania i Rozwoju
Wyrobu Euromold `99 we Frankfurcie n. Menem.”, W:
Mechanik, 2000, Nr 2
[7]
Oczoś K. „Niekonwencjonalne sposoby przyrostowego
kształtowania przedmiotów – szybkie wykonywanie prototypów”
Mechanik (1995)8/9
[8]
Skołud B., „ Komputerowo Zintegrowane Wytwarzanie”,
Wydawnictwo Politechnika Śląska, Gliwice 1997
[9]
http://adm.ing.unibo.it/Atti
Steinbichler.pdf
[10]
http://rpdrc.ic.polyu.edu.hk/content/rp_for_arch_short_guide.ht
m
[11]
http://www.3dsystems.com
[12]
http://www.arcam.com
[13]
http://www.cadcamforum.pl
[14]
http://www.cadcamnet.com
[15]
http://www.cgiinspection.com
[16]
http://www.concept-laser.de
[17]
http://www.eos-gmbh.de
[18]
http://www.faro.com
[19]
http://www.impactstudiostv.com/laser_scan_site/htm/technology
.htm#laser
[20]
http://www.konicaminolta-3d.com
[21]
http://www.mcp-group.de
[22]
http://www.moldmakingtechnology.com/articles/030107.html
[23]
http://www.moldmakingtechnology.com/articles/100003.html
[24]
http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn3292
89
Seminario
Italo-Spagnolo/11
[25]
http://www.prz.rzeszow.pl/mech/kkm/rapid_prototyping.htm
[26]
http://www.trumpf.com
[27]
www.cs.tcd.ie/publications/tech-reports/reports.99/TCD-CS1999-46.pdf
[28]
www.RTCN.org - materiały archiwalne ITMA
90
Minos++
Mechatronika
prototypů
Cvičebnice
(koncept)
Rychlé vytváření prototypů - Cvičebnice
1.
Co je to CAD? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
2.
Co je to geometrické modelování? ....................................................
....................................................
....................................................
3.
Jak lze zrychlit konstruování? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
4.
Jaké jsou hlavní rysy CAD systémů? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
5.
Jaké jsou výhody používání CAD systémů? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
1
Minos++
Minos++
6.
Jaké jsou fáze konstrukčního procesu u CAD systému? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
7.
Vyjmenuj typy modelů u CAD. ....................................................
....................................................
....................................................
8.
Co je to STL? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
9.
Jak je tvořen STL model (obrázek vám může napovědět)? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
2
10. Co nám říká pravidlo “vrchol k vrcholu”? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
11. Jaké parametry popisují trojúhelníkovou plochu? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
3
Minos++
12. Jak lze v STL určit orientaci trojúhelníku? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
13. Jaké jsou nejčastější chyby a defekty STL formátu? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
14. Jaké jsou přípravné činnosti v rámci Rapid Prototyping? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
4
Minos++
15. Uveďte alespoň 4 operace, které jsou možné během přípravné činnosti v rámci Rapid Prototyping. ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
16. Co jsou to vyztužovací podpěry a k čemu jsou určené? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
17. Co je to Rapid Prototyping (rychlé vytváření prototypů)? ....................................................
....................................................
....................................................
18. Jak se odlišuje technologie Rapid Prototyping od konvenční? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
5
Minos++
19. Jaké je hlavní využití modelů vyrobených technologií Rapid Prototyping? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
20. Jak se využívají prototypy při tradičním konstrukčním procesu? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
21. Jak se využívají prototypy při koncepci Concurrent engineering? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
6
Minos++
Minos++
22. Jak se využívají prototypy při koncepci Rapid Engineering? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
23. Jak se dají rozdělit metody vytváření prototypů? ....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
....................................................
24. Co bychom měli vzít do úvahy při rozhodování o použití modelu prototypu? ....................................................
....................................................
....................................................
7
Minos++
25. Klasifikujte RP metody s ohledem na použité postupy a materiály. 26. Co je to Rapid Tooling? ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
27. Jaké materiály mohou být použity u technologie Rapid Prototyping? ..................................................
..................................................
..................................................
28. Jaké jsou hlavní výhody technologie Rapid Prototyping? ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
8
29. Jaké jsou hlavní nevýhody technologie Rapid Prototyping? ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
30. Jak může být charakterizována stereolitografie? ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
31. Jakým způsobem můžeme charakterizovat Selektivní laserové spékání (SLS)? ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
32. Jak lze charakterizovat technologii Selektivního laserového tavení (SLM)? ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
9
Minos++
33. Uveďte alespoň 3 technologie, které používají kovový prášek jako surový materiál. ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
34. Čím se odlišuje technologie Electron Beam Melting od ostatních technologií používajících kovový prášek? ..................................................
..................................................
35. Jak můžete charakterizovat technologii Laminated Object Manufacturing (LOM)? ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
36. Jak můžete charakterizovat technologii tvorby modelu postupným nanášením roztaveného materiálu (FDM – Fused Deposition Modeling)? ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
10
Minos++
37. Jak můžete charakterizovat technologii trojrozměrného tištění (3DP)? ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
38. Co rozumíte pod pojmem Reverse Engineering? ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
39. Uveďte 2 příklady využití zpětného inženýrství v průmyslu. ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
11
Minos++
40. Jakým způsobem může zpětné inženýrství pomoci s vývojem výrobku konstruovaného stylisty? ..................................................
..................................................
..................................................
41. Je možné u nového výrobku vycházet z geometrie existujícího objektu? Vysvětlete. ..................................................
..................................................
..................................................
42. Jak lze pomocí metody zpětného inženýrství vyhodnotit geometrickou přesnost výrobku? ..................................................
..................................................
..................................................
43. Jaké jsou dvě základní rozdělení digitalizačních metod? ..................................................
..................................................
..................................................
44. Kdy je smysluplné použít destruktivní metodu digitalizace? ..................................................
..................................................
..................................................
45. Které metody zpětného inženýrství umožňují sledování vnitřní struktury objektu? ..................................................
..................................................
..................................................
46. Charakterizujte process destruktivního skenování. ..................................................
..................................................
..................................................
12
Minos++
47. Co je to kontaktní skenování? ..................................................
..................................................
..................................................
48. Jaké jsou nevýhody kontaktního skenování? ..................................................
..................................................
..................................................
49. Která digitalizační metoda je nejrychlejší? ..................................................
..................................................
..................................................
50. Co je typickým výsledkem digitalizace pomocí metod reverzního inženýrství? ..................................................
..................................................
..................................................
51. Vyjmenujte metody založené na optických bodech. ..................................................
..................................................
..................................................
13
Minos++
52. Jakým způsobem dostanete povrch modelu ve formě trojúhelníkové sítě? ..................................................
..................................................
..................................................
53. Charakterizujte měřící možnosti kontaktních skenerů. ..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
54. Jaké jsou výhody měřících ramen oproti ostatním digitalizačním zařízením? Kdy je smysluplné použití ramen? ..................................................
..................................................
..................................................
55. Které otázky je potřeba zvážit, když se plánuje digitalizace? ..................................................
..................................................
..................................................
56. Kdy je trojúhelníková síť dostatečným výsledkem rekonstrukce? ..................................................
..................................................
..................................................
57. Co může být výsledkem rekonstrukce typického procesu reverzního inženýrství? ..................................................
..................................................
..................................................
14
Minos++
Mechatronika
prototypů
Řešení
(koncept)
Rychlé vytváření prototypů - Příručka pro učitele
1.
Co je to CAD? CAD je zkratka pro “Computer Aided Design”. Tento typ softwaru
umožňuje konstrukci prvků s mnoha detaily, nebo inženýrem
navrženého zařízení. CAD systémy podporují proces konstrukce a
navrhování, používají se pro skicování a geometrické modelování.
2.
Co je to geometrické modelování? Geometrické modelování je technika, která se používá pro rýsování tvarů určitého předmětu. CAD systémy umožňují jak vylepšit proces navrhování, tak zkrátit dobu potřebnou k vývoji výrobku. 3.
Jak lze zrychlit konstruování? CAD systémy obsahují knihovny předem připravených objektů (šrouby,
ložiska, klíny, atd.), které lze použít při projekční práci. Konstruktér
tedy nemusí používat různé druhy katalogů, když hledá určitý prvek.
Může ho najít v základní galerii, nebo pro svůj návrh dodatečně
stáhnout jeho 3D model.
4.
Jaké jsou hlavní rysy CAD systémů? Hlavními rysy CAD systému jsou: 5.
• geometrické modelování objektu, • vytváření a upravování konstrukční dokumentace • ukládání a uchovávání dokumentace v elektronické podobě – jako soubory i jako databáze, • výměna dat s jinými systémy, • vytváření trojdimenzionálních projektů vytvořených prvků, • vytváření kreseb konstrukce z několika samostatných prvků, • spolupráce mnoha lidí na jediném projektu, • automatické aktualizace všech kreseb konstrukce při změně jedné z nich, • automatický odhad nákladů, spolupráce se skladištěm, atd. Jaké jsou výhody používání CAD systémů? Výhody používání CAD systémů: • možnost určit optimální řešení, • zlepšení kvality získaného řešení (precizní matematické modely (CAD 3D)), • projektant je zbaven časově náročné a většinou nudné práce (skicování, výpočty), • více možností zužitkování existujících návrhářských řešení díky počítačovým databázím stávajících norem a katalogů • možnost simulovat chování navrženého předmětu za různých podmínek již ve fázi navrhování. 1
Minos++
Minos++
6.
Jaké jsou fáze konstrukčního procesu u CAD systému? CAD proces se skládá z 6 fází: •
•
•
•
•
•
7.
rozpoznání potřeb, definování problému, syntéza, analýza a optimalizace, evaluace, prezentace. Vyjmenuj typy modelů u CAD. U CAD se používají dva druhy geometrických modelů: • plochý – využívá obrysů • prostorový – využívá trojrozměrných prvků 8.
9.
Co je to STL? STL ‐ Standard Triangulation Language – je základním formátem užívaným pro výměnu dat u procesů rychlého vytváření prototypů. Hlavním úkolem zmíněného formátu je přenos CAD 3D modelů do přístrojů pro rychlé vytváření prototypů. V současné době nabízí většina CAD/CAM programů možnost uložit model ve formátu STL, který mohou přečíst téměř všechny systémy Rychlého vytváření prototypů. Jak je tvořen STL model (obrázek vám může napovědět)? STL je tvořen rejstříky trojúhelníkových ploch, kterým se také říká trojúhelníková mřížka. Můžeme ji definovat jako soubor vrcholů, hran a trojúhelníků, navzájem spojených tak, že každá hrana a každý vrchol jsou sdíleny minimálně dvěma přiléhajícími trojúhelníky (pravidlo “vrchol k vrcholu”). Jinými slovy, trojúhelníková síť aproximací přibližně vyjadřuje plochy 3D modelu, uloženého ve formátu STL. Toto vyjádření ovšem vynechává prvky, jako jsou body, přímky, křivky, vrstvy a barvy. 2
10. Co nám říká pravidlo “vrchol k vrcholu”? Verze 1
Každá hrana a každý vrchol jsou sdíleny minimálně dvěma
přiléhajícími trojúhelníky.
Verze 2
Každý trojúhelník musí sdílet dva vrcholy se sousedními trojúhelníky a
žádný vrchol trojúhelníku nesmí ležet na straně jiného trojúhelníku.
Aby bylo pravidlo „vrchol‐k‐vrcholu“ splněno, trojúhelník 1 by měl být rozdělen do dvou trojúhelníků, jak je znázorněno na obrázku „b“, nebo by se měly trojúhelníky 2 a 3 spojit jako na obrázku „c“. 11. Jaké parametry popisují trojúhelníkovou plochu? Trojúhelníková plocha je popsána souřadnicemi X, Y, Z pro každý vrchol a normálovým vektorem, směřujícím pryč od dané plochy a ven z modelu. 3
Minos++
12. Jak lze v STL určit orientaci trojúhelníku? 1. Podle normálového vektoru, který směřuje ven. 2. Pozorujeme‐li model z vnější strany, vrcholy jsou označeny v protisměru hodinových ručiček (dnes běžná metoda). Na výše uvedeném obrázku jsou znázorněny dvě trojúhelníkové plochy. Plocha na levé straně je otočena vnitřní stranou nahoru, což je vyznačeno uspořádáním označení vrcholů ve směru hodinových ručiček a směrem normálového vektoru. V případě trojúhelníku napravo je tomu naopak, zde vidíme vnější stranu modelu. 13. Jaké jsou nejčastější chyby a defekty STL formátu? • Nekompatibilita s pravidlem vrchol‐k‐vrcholu • Variabilita (netěsnost) • „Degenerované“ plochy • Chyby v modelech • Nadbytečnost 14. Jaké jsou přípravné činnosti v rámci Rapid Prototyping? CAD modelu exprotovaný do STL formátu by se měl připravit na výrobní proces v jednom ze zařízení na rychlé vytváření prototypů. Přípravné činnosti se mohou provádět v jednom z programů určených pro toto použití, což umožňuje zpracování STL souborů. 4
Minos++
15. Uveďte alespoň 4 operace, které jsou možné během přípravné činnosti v rámci Rapid Prototyping. • Vizualizace, možnost provádění měření, zpracování *.stl modelu, • Opravování *.stl souborů, ořezávání ploch, zjišťování dvojitých trojúhelníků, • Příprava průřezů STL souborů, děr (děrování), natahování ploch, vytváření retroverzí, • Booleovské operace, redukce trojúhelníků, vyhlazování, přidávání textu nebo označení (znaků), • Detekce kolize, • Barvení STL souborů, • Rozdělování modelů do vrstev, • Generování podpůrných konstrukcí. 16. Co jsou to vyztužovací podpěry a k čemu jsou určené? Vyztužovací podpěry jsou určeny pro zařízení založená na práškových materiálech (kovy, keramika, sádra, apod.). Podpěry jsou, v těchto technologiích, potřebné k zajištění stability při vyjímání vyrobených součástek u některých technik, stejně jako k vyztužení vytvořených počátečních vrstev, aby se při nanášení další vrstvy práškového materiálu předtím vytvořená vrstva a výztuhy vyčnívajících součástí modelu nepoškodily. 17. Co je to Rapid Prototyping (rychlé vytváření prototypů)? Technologie rychlého vytváření prototypů se uplatňují ve výrobě
fyzických modelů s použitím RP zařízení přímo z matematického
modelu definovaného v CAD 3D systému.
18. Jak se odlišuje technologie Rapid Prototyping od konvenční? Všechny metody jsou si navzájem podobné a jsou založeny na rostoucí (bezodpadové) výrobě modelů. Naprosto se tedy liší od klasických metod výroby fyzických modelů (soustružením, frézováním, apod.), kde se tvarování objektů provádí prostřednictvím mechanického odstraňování materiálu (odpadové zpracovávání). Vytváření modelů pomocí RP technik, kde je každá následující vrstva přesným odrazem sekce modelu v určité rovině, se zakládá na přidávání vrstveného materiálu. 5
Minos++
19. Jaké je hlavní využití modelů vyrobených technologií Rapid Prototyping? Prototypické modely slouží k provádění prvních odolnostních, bezpečnostních, montážních, přepravních a jiných testů. Nejsou pouze průkazním materiálem v obchodních, technických a marketingových jednáních, ale také jsou většinou mnohem vítanější a snadněji vnímané než standardní 2D nákresy. Lepší pochopení koncepce vede k šetření jak času, tak peněz. 20. Jak se využívají prototypy při tradičním konstrukčním procesu? Při tradičním projektování se prototyp vytvoří v úplně poslední fázi vývoje produktu, brzy poté, co se stanoví řešení, zvolí se materiály a dokončí se analýza společně s výběrem konečné varianty. Takovým prototypem je obvykle nákres konečného produktu, podléhající funkčním testům, které mají poskytnout informace ohledně případných technických a technologických úprav, stejně jako ohledně rozsahu, v němž lze vybrat exploatační parametry, a toho, jak by se výrobek měl používat. 21. Jak se využívají prototypy při koncepci Concurrent engineering? Projektování a vyvíjení produktu podle koncepce simultánního konstruování (též nazývané paralelní nebo konkurentní inženýrství) s sebou nenese žádné speciální efekty, pokud jde o fázi vytváření prvního prototypu. V projektové fázi této metody pouze šetříme čas díky paralelnímu vývoji produktu prováděnému meziodvětvovým týmem projektantů, který pracuje v integrovaném síťovém prostředí CAx systémů. Produkt se vyvíjí souběžně v oblastech konstrukce, technologie, plánování výrobního postupu a zásobování materiály nebo polohotovými artikly. Práce týmu projektantů se zakládá na jednotlivých úkolech a provádí se v souladu se stanoveným realizačním plánem projektu. Takový tým má také na starosti porady týkající se změn a úprav v projektové dokumentaci. První prototyp se vytvoří podobně jako v případě tradičního postupu – po zvolení konečného konstrukčního řešení. 6
Minos++
22. Jak se využívají prototypy při koncepci Rapid Engineering? Rychlé konstruování projektantovi umožňuje vytvářet různé druhy fyzických modelů, které mají podle jeho potřeb prototypické vlastnosti. Takový způsob projektování umožňuje výrobu prototypů ve všech fázích vývoje produktu, od nápadu a koncepce přes úpravy až po konečné řešení. Virtuální geometrický model CAD 3D je nezbytnou podmínkou vytvoření prototypu. 23. Jak se dají rozdělit metody vytváření prototypů? V současné době se metody využívané ve vytváření prototypů dají rozdělit s ohledem na způsob, jakým se model vytváří, přesnost provedení, stav agregace/použité materiály, nebo konečně s ohledem na uplatnění modelu. Modely lze rovněž rozdělit s ohledem na jejich použití, jako například: • ty, které přibližně odrážejí podobu hotového výrobku a zajišťují předběžné ověření tvaru nebo rozměrů, • funkční – sestávající z některých parametrů přibližných nebo identických s parametry příslušného produktu a umožňující představení potenciálního produktu, • hotové součástky vyrobené s použitím RP metod coby řada vzorků, které mají všechny parametry charakteristické pro daný produkt. 24. Co bychom měli vzít do úvahy při rozhodování o použití modelu prototypu? Při určování použití našeho modelu bychom měli zvolit jednu z dostupných metod, stejně jako uvážit materiál (plast, papír, kov, keramický materiál), rozměry, přesnost provedení, konstrukci modelu a výrobní náklady. 7
Minos++
Minos++
25. Klasifikujte RP metody s ohledem na použité postupy a materiály. 26. Co je to Rapid Tooling? Rapid Tooling (RT) znamená rychlé vytváření nástrojů. RP techniky se často spojují s RT technikami. Podobně jako v případě RP technik, i zde můžeme rozlišovat mezi mnoha výrobními a aplikačními metodami či technikami tohoto druhu. Kromě toho mají výše zmíněné techniky sloužit k dalšímu vývoji produktů (přiřazování vlastností hotového produktu, jako například: aplikace náležitých materiálů, barvy, textury, apod. na vzorové modely s použitím RP metod), a také mají za úkol vytvářet speciální typy nástrojů na výrobu nových artiklů v malých sériích. 27. Jaké materiály mohou být použity u technologie Rapid Prototyping? V současné době lze pomocí metod rychlého vytváření prototypů zpracovat následující materiály: fotopolymery, vosk, plast, nylon, keramické materiály, dřevěné materiály, papír nebo dokonce i kovový prášek. 28. Jaké jsou hlavní výhody technologie Rapid Prototyping? • rychlé vytváření fyzických modelů, • modelová součástka je k dispozici dokonce i během vypracovávání konstrukce, • jsou obzvláště vhodné v následujících situacích: ¾ součástky komplikované geometrie (většinou pro vnitřní obrysy) ¾ plochy volných tvarů. • nízké náklady na realizaci ve srovnání s jinými metodami (frézování, soustružení, apod.), zejména pokud se jedná o nízký počet artiklů, • možnost využít různé metody v rozsahu celého řetězce procesů (rychlé konstruování) 8
29. Jaké jsou hlavní nevýhody technologie Rapid Prototyping? • omezené rozměry vyráběných objektů, • omezený výběr materiálu, • součástky splňují mechanické požadavky pouze v omezeném rozsahu, • omezená přesnost (přibližně +/‐ 0,1mm), zatímco kvalita povrchu je podmíněna použitou technikou provedení, • velice často je zapotřebí dodatečné vyhlazení. 30. Jak může být charakterizována stereolitografie? Stereolitografie zahrnuje tvrzení epoxidové nebo akrylové pryskyřice prováděné laserem s nízkým výkonem. Zatímco se model vyrábí, laserový paprsek se pohybuje přes povrch tekuté foto‐tvrditelné pryskyřice podle obrysů dané vrstvy. Fotopolymerizace, jinými slovy vytvrzování, se objevuje v místě, kde se pryskyřice ozařuje ultrafialovým paprskem. Po jejím vytvoření se pracovní deska spustí přesně o hodnotu nastavené vrstvy. Přesně v tom okamžiku pryskyřice vyteče na spuštěný model a vytvoří další vrstvu nezbytnou k fotopolymerizaci. 31. Jakým způsobem můžeme charakterizovat Selektivní laserové spékání (SLS)? Selektivní laserové spékání – SLS, představuje ztužení vrstev práškového materiálu v určitých místech své plochy prostřednictvím spékání prachových zrn pomocí zaměřeného a dozadu ohnutého laserového paprsku. V pracovní komoře se pomocí válečku pokládá tenká vrstva tohoto prášku (obvykle o tloušťce 0,02‐0,2 mm), ve válci u posouvací plošiny (osa Z). Pak laserový paprsek o relativně vysokém výkonu, ovládaný scannerem v rovině X‐Y, provede selektivní spojení prášku v místě stanoveném geometrií určitého příčného řezu konstruovaného modelu, pod podmínkou, že záření tohoto laserového paprsku je regulováno tak, aby tavení prášku probíhalo pouze na jednom. 32. Jak lze charakterizovat technologii Selektivního laserového tavení (SLM)? Selektivní laserové tavení zahrnuje selektivní (lokální) tavení kovového
(rovněž keramického) prášku pomocí koncentrovaného laserového
paprsku, vrstvu po vrstvě, dokud není vytvořen kompletní model.
Jednotlivé vrstvy modelu se získají vyrovnáním tenké vrstvy kovového
prášku a jeho lokálním natavením pomocí laseru.
Kovový prášek je pokládán z pohyblivého zásobníku s nanášecím
břitem (pro hladké vyrovnání vrstvy prášku). Po natavení první vrstvy
modelu je základní deska s modelem snížena u určený krok (tloušťku
vrstvy), posléze je nanesena další vrstva prášku, laser nataví tuto
vrstvu a základní deska opět popojede dolů.
9
Minos++
33. Uveďte alespoň 3 technologie, které používají kovový prášek jako surový materiál. • Selektivní laserové tavení (SLM ‐ Selective Laser Melting) • Přímé laserové spékání kovů (DMLS ‐ Direct Metal Laser Sintering) • Tavení elektronovým paprskem (EBM ‐ Electron Beam Melting) • Selektivní laserové spékání (SLS ‐ Selective Laser Sintering) 34. Čím se odlišuje technologie Electron Beam Melting od ostatních technologií používajících kovový prášek? U EBM technologie se používá pro tavení prášku elektronový paprsek.
U ostatních technologií (např. SLM) je zdrojem energie laser.
35. Jak můžete charakterizovat technologii Laminated Object Manufacturing (LOM)? Technologie LOM je založena na pokládání materiálu, který je ve formě fólie, na jednu hromadu a slepování jednotlivých vrstev prostřednictvím laseru nebo zahřátého válečku. Vstupní materiál se může rozprostřít z válečku nebo může být ve formě listů. Je pokryt (na spodní části) lepidlem. První vrstva fólie se položí na hladký podklad. Poté se v určité vrstvě fólie vyřízne tvar vhodný pro konkrétní příčný řez produktu. Provede se to prostřednictvím laseru nebo, v některých variacích LOM také zkráceně nazývaných SAHP, s pomocí číslicově řízeného řezného nástroje. Po vyříznutí tvaru se hromada zmenší o tloušťku další vrstvy, a další vrstva se položí na vrstvu předtím přidanou. Stlačí se na spodní vrstvu pomocí zahřátého válečku, a v následující fázi se na povrchové vrstvě vyřízne tvar příčného řezu, který je tentokrát vhodný pro novou vrstvu budoucího produktu. Tento cyklus se opakuje, dokud se nevytvoří celý model. Zbývající materiál, který se nachází mimo tvar příčného řezu, se nařízne. Usnadní se tak jeho odstranění po dokončení výroby modelu. V průběhu vytváření modelu slouží jako podpůrná konstrukce pro další vrstvu. 36. Jak můžete charakterizovat technologii tvorby modelu postupným nanášením roztaveného materiálu (FDM – Fused Deposition Modeling)? FDM je založena na nanášení po sobě jdoucích vrstev z
termoplastického vlákna, které prochází termálními hlavami. V případě,
kdy konstrukce vytvářeného modelu vyžaduje podpěru, v každé vrstvě
je kromě příslušného obrysu modelu poskytnut materiál pro vystavění
takové podpěry. Ty materiály na konstrukci modelu a podpěry se
pokládají ve formě vlákna navinutého na kotouči v zadní části zařízení.
Poté se vlákna rozvinou a přesunou k hlavě; pak se zahřejí na teplotu
přibližně o 1°C vyšší, než je teplota tavení kovů, aby se docílilo
polokapalného stavu, a nanesou se ve formě vrstvy, která rychle
ztuhne a spojí se s předchozí vrstvou, a tak vznikne podklad pro
všechny následující vrstvy. Hlavy se pohybují v rovině X-Y, zatímco
pěněná rovina, na níž je model umístěn, se pohybuje po směru osy Z
vždy o stanovenou hodnotu po vytvoření každé vrstvy.
10
Minos++
37. Jak můžete charakterizovat technologii trojrozměrného tištění (3DP)? Prostorové trojrozměrné tištění je v zásadě založeno na vytváření produktu přidáváním po sobě následujících vrstev materiálu. K realizaci této metody se využívá přístroj, jehož provedení obsahuje jednotku modifikovaných tiskových trysek podobných těm, které se používají v tryskových tiskárnách. Tyto trysky jsou připevněny k mobilnímu nosiči, který se pohybuje na ose X‐Y, a připojeny k nádobě, v níž je uloženo palivo. Konstrukce navíc obsahuje dvě mobilní plošiny umístěné v komorách. Jedna komora se používá ke konstrukci modelu a ve druhé je uložen stavební materiál na model ve formě prášku. Mobilní váleček se používá k posunování konstrukčního materiálu z plošiny úložné komory k plošině konstrukční komory. Konstrukce modelu spočívá v tištění spojovacího materiálu na vrstvu konstrukčního materiálu. V počáteční fázi výroby produktu se plošina komory skladující
konstrukční materiál posune směrem dolů a plošina používaná k
tvoření modelu se posune směrem nahoru. V průběhu výroby produktu
se pozice plošin změní. Během výroby mobilní váleček nanáší
práškový konstrukční materiál na povrch plošiny a rozprostírá ho tak,
aby byla tloušťka vrstvy adekvátní a povrch rovný. Poté tiskové trysky
nanesou vrstvu kapalného pojiva na připravenou vrstvu prášku.
Spojovací materiál se dávkuje přesně v těch místech, která odpovídají
tvaru příčného řezu dané vrstvy produktu. Poskytnuté pojivo spojuje
konstrukční materiál, a tak se získá první vrstva produktu. Oddělený
prášek vytváří podpůrnou konstrukci, což je veliká výhoda, protože
není potřeba konstruovat a stavět umělé podpěry. Poté plošina
komory, na níž se produkt vyrábí, klesne o vzdálenost odpovídající
tloušťce další vrstvy a plošina v komoře skladující materiál stoupne, a
tak umožní dávkování další „porce“ prášku. Mobilní váleček rozprostře
a vyrovná prášek na povrchu vytvořeném předtím jednotlivými
vrstvami. V následující fázi tiskové trysky nanesou na vhodná místa
spojovací materiál. V důsledku spojení prášku s pojivem se vytvoří
další vrstva a zároveň pojivo způsobí splynutí nové vrstvy spojeného
prášku s již vytvořenou vrstvou. Stejným způsobem se realizují
následující fáze konstrukce modelu, dokud se nezíská celý produkt.
38. Co rozumíte pod pojmem Reverse Engineering? Zpětné (rovněž označováno reverzní) inženýrství (anglická zkratka RE – “Reverse Engineering”) je technologie, která umožňuje znovu objevit konstrukční pravidla již existujících předmětů. Slouží k určení hypotéz, podle nichž byl předmět navržen a vyroben. Ve výrobním průmyslu obvykle zahrnuje rekonstrukci geometrie výrobku, způsobu fungování, a někdy také materiálů, které byly použity na jeho výrobu. 39. Uveďte 2 příklady využití zpětného inženýrství v průmyslu. • zavádění změn do prototypů již vyrobených prvků • vyvíjení výrobních postupů založených na jedinečných výrobcích • kontrola jakosti u výrobních procesů • obnovení či tvorba dokumentace daného výrobku 11
Minos++
40. Jakým způsobem může zpětné inženýrství pomoci s vývojem výrobku konstruovaného stylisty? Model výrobku se připraví ze sádry, z hlíny nebo ze dřeva. Dalšími kroky jsou digitalizace do počítačového modelu, vytváření technické dokumentace a zahájení výroby. 41. Je možné u nového výrobku vycházet z geometrie existujícího objektu? Vysvětlete. Ano, u zpětného inženýrství můžeme digitalizovat fyzický object, a na základě těchto dat vyvíjet nový výrobek, který bude vycházet z tohoto tvaru. 42. Jak lze pomocí metody zpětného inženýrství vyhodnotit geometrickou přesnost výrobku? Vyhodnocení geometrické přesnosti výrobku pomocí zpětného inženýrství je založeno na digitalizaci vyrobeného produktu a porovnání takto získaných dat s počítačovým modelem výrobku. 43. Jaké jsou dvě základní rozdělení digitalizačních metod? Podle stavu zkoumaného předmětu po ukončení procesu digitalizace se metody měření rozdělují na destruktivní a nedestruktivní, a s ohledem na typ vzájemné interakce mezi měřícím zařízením a předmětem se dále dělí na metody kontaktní (mechanické) a nekontaktní. 44. Kdy je smysluplné použít destruktivní metodu digitalizace? Destruktivní skenování používáme v případě, kdy potřebujeme znát vnitřní strukturu objektu a je přitom možno měřený objekt zničit. 45. Které metody zpětného inženýrství umožňují sledování vnitřní struktury objektu? Sledování vnitřní struktury objektu je možné pomocí destruktivního skenování, metod využívajících rentgenové záření (počítačová tomografie), elektromagnetického vlnění (magnetická resonance) a ultrazvuku (ultrasonograf). 46. Charakterizujte process destruktivního skenování. Destruktivní skenování je založeno na cyklickém řezání tenké vrstvy objektu a fotografování odkryté plochy. Tloušťka této vrstvy se zvolí dříve za účelem dosažení vyhovující přesnosti. Trojrozměrný model objektu se vytvoří na základě sady fotografií znázorňujících po sobě následující vrstvy příčného řezu. 12
Minos++
47. Co je to kontaktní skenování? Kontaktní skenování je založeno na vedení sondy po povrchu
předmětu a zaznamenávání souřadnic po sobě jdoucích bodů, které
jsou od sebe vzdáleny o přednastavený interval. Tímto způsobem se
vytvoří digitální obraz povrchu předmětu v podobě bodového mraku.
48. Jaké jsou nevýhody kontaktního skenování? Kontaktní skenování má jednu zásadní nevýhodu, kterou je nemožnost
digitalizace předmětů, vyrobených z měkkých materiálů, např. z gumy.
49. Která digitalizační metoda je nejrychlejší? Nejefektivnější řešením z časového hlediska je současně probíhající
digitalizace celé dostupné plochy předmětu, což je možné s pomocí
zařízení používajících strukturální světlo.
50. Co je typickým výsledkem digitalizace pomocí metod reverzního inženýrství? Bodový mrak:
51. Vyjmenujte metody založené na optických bodech. • Metoda měření vzdálenosti • Laserový radar • Laserová triangulace založená na bodech 13
Minos++
52. Jakým způsobem dostanete povrch modelu ve formě trojúhelníkové sítě? Je to možné prostřednictvím poligonizace bodového mraku:
53. Charakterizujte měřící možnosti kontaktních skenerů. Kontaktní scannery mohou měření ploch provádět různými způsoby,
počínaje jednoduchými geometrickými měřeními (délka, průměr, úhel,
atd.) přes 2D skenování zvolené plochy, až po 3D skenování, které se
uskutečňuje několika způsoby (podél osy X, podél osy Y, pod
jakýmkoliv úhlem nebo paprskovitě). Kromě toho je možné provést
digitalizaci v manuálním režimu, který je založen na ručním vedení
sondy po povrchu předmětu.
54. Jaké jsou výhody měřících ramen oproti ostatním digitalizačním zařízením? Kdy je smysluplné použití ramen? Hlavní výhodou měřících ramen, kromě jejich relativně nízké ceny ve
srovnání s ostatními systémy, je jejich pohyblivost. Lze je využít ve
všech případech, kdy by převoz předmětu do měřící laboratoře nebyl
možný.
55. Které otázky je potřeba zvážit, když se plánuje digitalizace? Prvním krokem 3D digitalizace je plánování procesu, jehož úkolem je
zvolit měřicí vybavení, způsob měření a formu výstupních dat,
rozvinout měřicí strategie, stejně jako nastavit digitalizační parametry.
56. Kdy je trojúhelníková síť dostatečným výsledkem rekonstrukce? Trojúhelníková síť je forma dat, která umožňuje vizualizaci objektu
např. pomocí systému virtuální reality a dále výrobu repliky objektu.
57. Co může být výsledkem rekonstrukce typického procesu reverzního inženýrství? Obvykle je to NURBS model (model neomezených ploch).
14
Minos++

Mechatronika Modul 9: Rychlé vytváření prototypů Učebnice

Transkript

Podobné dokumenty

Mechatronika - TU Chemnitz

Příručka_programování_3D_tisk.

vědci vyfotili astrální parazity lidí

Přehled technik využívaných při Rapid Prototyping

Výroba mikrostruktur metodou UV fotolitografie

6.3 Strategie testování výrobků - rychlé prototypování