Как выбрать метрологический 3D-сканер?

Благодаря непрерывному развитию технологий рынок 3D-сканирования может похвастаться широким выбором брендов, категорий устройств и ценовых диапазонов. Сегодня мы подробно рассмотрим ключевые критерии выбора промышленного 3D-сканера и предоставим информацию о характеристиках и областях применения различных типов метрологических систем.

Что такое 3D-метрология?

3D-метрология — это научное исследование физических измерений. В контексте производства она включает в себя точные измерения инструментов, приспособлений и обработанных компонентов. Она используется для измерения длины, расстояния и высоты (по трем осям x, y, z) путем получения геометрических точек поверхности объекта, обеспечивая бесконечно больше данных, чем обычные методы измерения.

Эти измерения часто выполняются с помощью координатно-измерительной машины (КИМ), однако новые достижения в технологии датчиков для автоматизированного оптического контроля (АОИ) способствуют развитию методов 3D-метрологии, которые больше не зависят от КИМ.

Метрологический 3D-сканер также активно используется в реверс-инжиниринге. Например, когда нет изначального чертежа какого-либо объекта, можно отсканировать готовое изделие,  и потом делать его последующую доработку.

Критерии выбора метрологического 3D-сканера

При оценке возможностей различных 3D-сканирующих устройств наиболее важную роль играют следующие пункты:

Со стороны пользователя:

• требования к качеству данных, точности и детализации;
• сценарии использования, размер сканируемых объектов, текстуры и время оцифровки;
• бюджет.

Со стороны производителя:

• пользовательские отзывы;
• бренд и предлагаемые услуги;
• программное обеспечение и обновления.

Предлагаем сравнить два примера 3D-сканирующих систем в нашем ассортименте:

Принципы работы КИМ

В основу измерений при помощи КИМ положены системы координат — самой машины и измеряемого объекта. Первая отражает перемещение по осям X, Y и Z измерительного прибора, а вторая — детали, обладающей своими координатами, привязанными к точке, лежащей на ее поверхности.

Требование к точности измерения обуславливает необходимость выравнивания объекта относительно КИМ, что занимает много времени. Если необходимо обработать элемент с множеством отверстий, закруглений, углов, то есть обладающий сверх сложной геометрической формой, процесс измерения будет долгим, а результаты с погрешностями.

С помощью программного обеспечения бо́льшая часть погрешностей корректируется, что повышает точность измерений, но этого бывает недостаточно в некоторых областях индустрии, например в аэрокосмической отрасли. Поэтому перед конструкторами была поставлена задача создать метрологическое устройство, которому доступен сбор данных в виде облака всех без исключения точек поверхности измеряемого объекта. Таким устройством стал 3D-сканер, заменивший собой громоздкое оборудование.

Сравнение КИМ и 3D-сканеров: плюсы и минусы

КИМ

Плюсы:

• Самое точное метрологическое оборудование.
• Единственный возможный вариант для контроля геометрии первого изделия и окончательного контроля деталей с жесткими допусками, который нельзя заменить другой технологией.

Минусы:

• Высокие затраты на КИМ при масштабировании производства и увеличения количества проверок
• Необходимость в высококвалифицированных кадрах
• Большие габариты 

Метрологические 3D-сканеры

Плюсы

• Менее квалифицированный персонал, за счет простоты использования и настройки;
• Портативность оборудование
• Точность измерений
• Высокая надежность
• Возможность сканирования изделий разных размеров, типов и покрытий.
• Возможность измерения непосредственно в производственных цехах
• Снижение нагрузки на КИМ на производстве
• Возможность устранения внешних помех
• Проведение большего количества проверок

Минусы:

• Невозможность заменить некоторые виды контроля

Ручной лазерный 3D-сканер FreeScan UE и UE PRO

3D-сканер FreeScan UE позволяет оцифровывать средне- и крупногабаритные объекты, а также работать с темными и отражающими поверхностями. Примеры включают литейные матрицы, глиняные макеты, автомобильные кузова, авиационные двигатели, крупногабаритные лопасти и лопатки, и тому подобное. Области применения включают автомобилестроение, железнодорожный транспорт, энергетический сектор, строительство и другие.

Многофункциональный лазерный ручной 3D-сканер FreeScan UE Pro использующий 26+7+1 линий синего лазера и интегрирован фотограмметрический модуль. Точность до 0,02 мм, обеспечивает стабильные результаты сканирования.

3D-инжиниринг в гоночной индустрии

В индустрии автоспорта 3D-сканеры применяются для проектирования прототипов гоночных транспортных средств и даже воссоздания ретромоделей автомобилей. Если получить цифровую копию исторической машины, участвующей в гонках десятки лет назад, то, используя новейшие технологии, можно воспроизвести точную реплику.

FreeScan UE 11 идеально подошел для оцифровки деталей и компонентов. Изображения было экспортированы в программу обработки Verisurf, совместимой с ПО 3D-сканера Shining 3D. Технология обратного проектирования позволила получить детали, которых изначально не было в формате CAD.

Об опыте применения метрологического сканера FreeScan UE 11 Shining 3D в решении задачи по воссозданию исторической модели гоночного автомобиля можно узнать из материалов статьи «Возрождение икон исторического автоспорта».

Читайте также пример успешной 3D-инспекции больших деталей с помощью лазерного 3D-сканера Shining 3D FreeScan UE и фотограмметрической системы DigiMetric.

Метрологический 3D-сканер OptimScan и технология структурированной подсветки синими светодиодами

Система OptimScan предназначена для оцифровки относительно небольших объектов с высокой точностью и детализацией: литых и кованых деталей, формовочной и литейной оснастки, пластиковых компонентов, изделий с мелкой детализацией и тому подобного. Возможно использование в связке с коллаборативными роботами-манипуляторами, например для оцифровки крупных объектов — автомобильных кузовов, штампованных деталей и так далее. Области применения включают автомобилестроение и транспорт, производство электроники, формовочной и литейной оснастки, аэрокосмическую отрасль и другие.

Интеграция 3D-метрологических устройств в производственный процесс дает непревзойденные результаты, что подтверждают успешные примеры применения 3D-сканера OptimScan.

Применение OptimScan-5M для ремонта металлических компонентов

Некоторые дорогостоящие комплектующие, требующие регулярной замены вследствие износа, можно восстановить и тем самым продлить срок их службы, снизив затраты предприятия. Применив аддитивные технологии, инженеры нашли недорогой и быстрый метод ремонта сложных компонентов. Главная задача — восстановить нарушенную геометрию, для чего изношенную деталь оцифровывали и сравнивали полученную копию с эталоном. Обработка данных в программе дала возможность получить набор команд для определения траектории движения печатающей головки 3D-принтера и инструмента станка с ЧПУ.

Оцифровка проводилась метрологическим 3D-сканером OptimScan-5M, работающем по передовой технологии сканирования синим светов и гарантирующим высокую точность и скорость получения результатов. С подробностями успешного опыта применения устройства можно ознакомиться в статье «Миссурийский университет науки и технологии использовал «OptimScan-5M» в лазерном ремонте металлических компонентов». 

Решение проблемы сканирования маленьких черных объектов для медицинских целей

Захват миниатюрного объекта с черной или блестящей поверхностью вызывает сложности, особенно когда предъявляются требования к повышенной точности цифровой копии. Для создания медицинских приспособлений такие требования традиционны. Решить поставленную задачу помог 3D-сканер OptimScan 5M, с помощью которого оцифрован черный костный штифт длиной 5,5 см.

После предварительной подготовки детали было выполнено ее сканирование, а цифровой снимок обработан в программе. В результате получено трехмерное изображение штифта, готовое к отправке на печать. Поэтапный процесс создания цифровой копии подробно описан в статье «Преодоление трудностей при сканировании небольших черных объектов и получение высокоточных данных». 

Использование 3D-сканера в аэрокосмической отрасли

В производстве деталей летательных аппаратов особое значение имеет проверка изготовленного компонента на соответствие проектным расчетам. Отклонение от заданных параметров не должно превышать 40 микрон. Заменив КИМ 3D-сканером, инженеры смогли получить данные поверхности детали и провести сверку с исходными показателями.

Процесс измерения метрологическим 3D-сканером OptimScan 5M-Plus от Shining 3D заняло несколько минут, скан подвергся обработке в программе, анализирующей собранные данные и формирующей отчет со списком отклонений. Как выполнялось сканирование и последующая обработка рассказано в статье «3D-контроль качества лопастей летательных аппаратов».

Автоматический настольный 3D-сканер AutoScan Inspec

AutoScan Inspec — автоматический настольный метрологический 3D-сканер использует в работе инновационные технологии для 3D-сканирования с высокой точностью и 3D-контроля. Автоматический режим работы обеспечивается интеллектуальным алгоритмом сканирования и применимой к мелким деталям метрологической точностью 10 мкм. Достигаются такие показатели благодаря передовому методу сканирования в голубом свете, что очень важно для проверки качества изделий. 3‐осевая система сканирования дает возможность выполнять съемку под несколькими углами. Сканы небольших объектов, в том числе сложной формы, получаются детализированные за счет двух 5-мегапиксельных камер.

Рассматривая особенности оборудования, следует обратить внимание на четыре момента:

• Метрологическая точность. Сканирование в синем свете обеспечивает точность съемки в пределах 10 мкм.
• Полностью автоматический режим. Автоматизированное настольное устройство готово к работе по одному щелчку мыши, что дает возможность пользователям легко и быстро получить трехмерную цифровую копию исходного образца.
• Детальная съемка мелких объектов. За точное и детальное 3D-сканирование небольших и сложных моделей отвечает двойная камера с разрешением 5 мегапикселей.
• Мощное ПО. Программное обеспечение UltraScan разработано программистами Shining 3D для промышленного применения, отличается удобным интерфейсом и простотой управления. Совместимо с пакетами CAD / CAM.

Портативная беспроводная система сканирования КИМ FreeScan Trak Pro

Shining 3D FreeScan Trak — портативный метрологический комплекс, состоящий из 3D-сканера и оптического трекера и предназначенный для работы с образцами средних и больших размеров. Сканер подключается к ПК и трекеру беспроводным способом. В процессе работы трекер фиксирует в пространстве положение сканера. Все изменения координат отслеживаются в реальном времени, что исключает необходимость размещения светоотражающих маркеров на поверхности сканируемого объекта.

• Сканер может работать как в комплексе с трекером, так и автономно для выполнения ряда задач.
• Беспроводная система связи между устройствами обеспечивает беспрепятственный доступ оператора к труднодоступным зонам, в том числе в процессе движения.
• Точность 30 мкм и разрешение 5 мкм позволяют использовать прибор для метрологических целей.
• Высокая повторяемость результатов дает возможность сократить интервал времени, затрачиваемого на постобработку данных сканирования.
• Встроенный процессор позволяет отказаться от обязательной связи с ПК в процессе работы.

Эти особенности обуславливают применение комплекса Shining 3D FreeScan Trak в таких областях индустрии, как аэрокосмическая, производство летательных аппаратов, авто- и машиностроение, энергетика.

Особенности двух разновидностей 3D-сканеров

3D-сканеры по технологии структурированной подсветки: точность и детализация

Формирование облака точек высокоточными системами по технологии структурированной светодиодной подсветки и ручными лазерными 3D-сканерами происходит по-разному. Первые выстраивают облако отдельными цельными кадрами, а вторые генерируют облако совмещением и объединением кадров с частичным отображением объекта.

Специфика 3D-сканирования структурированным светом обеспечивает:

• стабильную точность метрологического уровня, в случае с 3D-сканерами линейки OptimScan достигающую 0,005 мм;
• хорошую детализацию.

Уровень детализации при оцифровке 3D-сканером OptimScan. Наивысший уровень точности серии OptimScan достигает 0.005 мм

Ручные лазерные 3D-сканеры: компактность и универсальность

Этот тип 3D-сканера обладает преимуществами в плане компактности и способности подстраиваться под широкий спектр материалов за счет использования лазерных излучателей:

• характеризуется гибкостью, удобством эксплуатации и скоростью: 3D-сканер FreeScan UE весит всего 750 граммов, а на оцифровку автомобиля уходит около десяти минут;
• широкий диапазон совместимых материалов: темные и отражающие поверхности поддаются оцифровке без необходимости использования матирующих спреев;
• высокая точность, в случае с FreeScan UE достигающая 0,02 мм, с высокой повторяемостью.

Ключевые моменты выбора между двумя типами метрологических 3D-сканеров

Главное, на что стоит обратить внимание, — требования к качеству данных и условия работы.

При высоких требованиях к качеству и детализации рекомендуем использовать 3D-сканеры по технологии структурированной подсветки. Примеры:

Если на первом плане требования к компактности и универсальности, стоит использовать ручные 3D-сканеры. Примеры:

В целом 3D-сканирование структурированным светом лучше всего подходит в тех случаях, когда имеются строгие требования к точности и детализации. При работе с темными и отражающими поверхностями можно использовать матирующие спреи. Ручные лазерные 3D-сканеры, с другой стороны, хорошо подходят для работы в стесненных условиях и отличаются высокой совместимостью с различными видами поверхностей.

Существует заблуждение, что 3D-сканирующие системы по технологии структурированной подсветки недостаточно универсальны и обладают слишком низкой производительностью. На самом деле такие 3D-сканеры демонстрируют высокую скорость захвата и хорошую повторяемость, особенно при сканировании объектов на поворотных платформах, работе со сложными геометрическими структурами и даже в тех случаях, когда требуется контроль повторяемости изготовления серийных партий.

Например, оцифровка крыльчатки импеллерного насоса диаметром 8 см при использовании поворотной платформы занимает всего около одной минуты.

Кроме того, высокоточные системы 3D-сканирования структурированным светом весьма эффективны в связке с коллаборативными многоосевыми роботами-манипуляторами и координатно-измерительными машинами с автоматической обработкой данных.

Области применения

Интеграция 3D-метрологии начинается на этапе планирования любого производственного проекта с простого вопроса «Как измерить эту деталь?». Когда деталь проектируется, этот вопрос играет роль в технологичности конструкции. Для того чтобы изготовить деталь, производственная команда должна иметь возможность измерить ее, чтобы убедиться, что произведенные компоненты соответствуют первоначальному проекту, как и планировалось.

Можно выделить несколько глобальных секторов, в которых 3D-метрология незаменима: реверс-инжиниринг, бесконтактное измерение, контроль и моделирование.

Обратное проектирование

В промышленности часто возникает потребность в обратном проектировании:

• восстановление изделия в случае утраты или отсутствия проектной документации;
• доработка деталей, спроектированных до эры САПР;
• проведение сравнительных тестов и анализ изделий конкурентов.

При этом обрабатывать допускается детали любых размеров, включая фюзеляжи самолетов и корпуса судов.

Более подробно об обратном проектировании читайте в нашей отдельной статье.

Измерение с целью контроля качества

После изготовления изделия, его проверяют на соответствие спецификациям. То есть в результате измерений собираются данные, которые сравниваются со значениями, присвоенными CAD-модели.

Моделирование

Испытания готовой модели позволяют определить соответствие ее функциональности заданным параметрам. Например, такой параметр, как аэродинамика, вычисляется в специально предназначенном для этого помещении. Если форму детали необходимо корректировать, инженеры рассчитывают новые значения, объект изготавливают заново и опять отправляют на испытания.

Если материальную модель оцифровать, можно определить ее рабочие характеристики до ее изготовления. Анализ CAD-модели не дает полной картины, так как эта модель считается идеальной. Зато сбор данных с поверхности реальной детали и их обработка в специальных программах обеспечивают максимально точные результаты. Такой подход к производству изделий позволяет оптимизировать производственные процессы, уменьшить количество отходов и повысить общее качество продукции.

Shining 3D предлагает универсальное решение для реализации всех поставленных выше задач — компактные, точные, инновационные метрологические приборы 3D-сканеры. С их помощью выполняются трехмерные измерения с целью сбора данных об объектах и дальнейшей обработки с применением передовых цифровых технологий. Измерения проводят бесконтактным методом, и действия могут быть приложены к любому материальному объекту. В отличие от традиционных КИМ, 3D-сканер способен сгенерировать массив точек высокой плотности, что обеспечивает непревзойденную точность измерений.

Ознакомиться с процессом автоматического измерения детали в специализированном программном обеспечение для 3D-инспекции Geomagic ® Control X Вы можете на нашем youtube канале

Примеры применения метрологических 3D-сканеров

3D-сканирование методом структурированной светодиодной подсветки

Пример № 1: 3D-сканирование нижней части корпуса оптического модема

Пример № 2: 3D-сканирование компонентов мобильного телефона

Пример № 3: оцифровка тонких стенок с минимальной толщиной 0,16 мм

Пример № 4: оцифровка детали диаметром 6 мм

Пример № 5: оцифровка формы с требуемой точностью 0,03 мм

Применение ручных 3D-сканеров

Заключение

Мы надеемся, что смогли предоставить полезную информацию для выбора оптимально подходящего оборудования. Резюмируя:

• для прецизионного 3D-сканирования деталей малого и среднего размера используйте инспекционные 3D-сканеры по технологии структурированной светодиодной подсветки;
• для работы со средне- и крупногабаритными деталями выбирайте ручные лазерные 3D-сканеры;
• многие пользователи с высокими требованиями к измерительному контролю предпочитают держать под рукой как системы сканирования структурированным светом, так и лазерные 3D-сканеры, используя тот или иной тип в зависимости от поставленной задачи и тем самым повышая общую эффективность проектных и производственных процессов.

Если вас интересуют 3D-сканирующие системы промышленного уровня и необходима дополнительная консультация, свяжитесь с нами через [email protected], и мы поможем подобрать наиболее подходящее оборудование.