Reverse engineering nelle tecniche di prototipazione rapida

La tecnologia di prototipazione rapida è un modello CAD guidato direttamente dal rapido completamento di qualsiasi forma complessa di prototipo o di parti di tecnologia di produzione avanzata.

La tecnologia RP comprende la tecnologia CAD, la tecnologia di elaborazione dati, la tecnologia di controllo numerico, la tecnologia di collaudo e rilevamento, la tecnologia laser e altre tecnologie meccaniche ed elettroniche, la tecnologia dei materiali e la tecnologia del software per computer, che è una sintesi organica di varie tecnologie ad alta tecnologia e applicazioni trasversali.

A partire dagli anni '70, con la formazione dell'integrazione del mercato globale, l'industria manifatturiera è diventata molto competitiva e la velocità di sviluppo dei prodotti è diventata sempre più la principale contraddizione nella concorrenza.

Allo stesso tempo, l'industria manifatturiera deve soddisfare le mutevoli esigenze degli utenti, ma necessita anche di una tecnologia di produzione che abbia una forte flessibilità e possa realizzare piccole serie o addirittura produzioni di singoli pezzi senza aumentare il costo del prodotto; pertanto, la velocità di sviluppo del prodotto e la flessibilità della tecnologia di produzione sono diventate molto critiche.

In questo contesto sociale nasce la tecnologia della prototipazione rapida. Alla fine degli anni '80, la tecnologia RP è stata prodotta e commercializzata per la prima volta negli Stati Uniti.

Da allora, la tecnologia RP si è basata sul principio dell'impilamento discreto e, in parole povere, il modello elettronico della parte (ad esempio, il modello CAD) si trasforma in superfici discrete lavorabili, linee discrete e punti discreti e, quindi, mediante l'uso di una serie di mezzi, le superfici discrete, i segmenti di linea e i punti si impilano per formare la forma complessiva della parte.

Poiché il processo non richiede strumenti specializzati, le fasi di pianificazione del processo sono semplici e, in generale, la velocità di produzione è molto più rapida rispetto ai metodi convenzionali.

Per la maggior parte dei prodotti è possibile progettare modelli 3D con comuni software CAD (Solidworks, Pro/Engineering, ecc.) e ottenere i dati corrispondenti.

D'altro canto, dobbiamo anche riprodurre o imitare prototipi noti oppure riprogettare e migliorare i prodotti.

In alcuni casi, a causa dell'esistenza di una serie di fattori da prendere in considerazione, come funzione, processo, aspetto, ecc., la forma di alcune parti è molto complessa ed è difficile progettare con precisione i loro modelli solidi nel software CAD.

Pertanto, è necessario innanzitutto creare un modello fisico del prodotto in piccola scala o in scala reale, come stampi in legno, stampi in ceramica, ecc., e quindi misurare il modello fisico attraverso le misurazioni, per ottenere i dati del modello solido tridimensionale e l'elaborazione nel computer, il che richiede l'uso del reverse engineering.

Concetti di base del reverse engineering

Il Reverse Engineering (RE) è una disciplina emergente, di grande importanza nella progettazione rapida e nella produzione rapida di prodotti.

La RE coinvolge un'ampia gamma di contenuti, tra cui l'inversione della geometria, l'inversione dei materiali, l'inversione dei processi e altri aspetti.

Tra queste, l'inversione geometrica ha una posizione e un ruolo molto importanti nella tecnologia RE; il suo compito principale è quello di costruire un modello CAD basato sui dati misurati dal modello fisico e quindi utilizzare questi modelli e rappresentazioni progettuali per l'analisi e la produzione del prodotto.

Può estrarre facilmente e rapidamente dati da parti difficili da progettare con CAD e da modelli artistici.

Il reverse engineering nella prototipazione rapida consiste nel misurare l'oggetto fisico in tre dimensioni con vari mezzi, per ottenere i dati del prototipo, tra cui struttura, funzione, materiale, ecc., e quindi trasferirli al computer per l'elaborazione e utilizzare i dati di misurazione per costruire il modello CAD tridimensionale.

Con l'aiuto dell'ingegneria inversa, prototipazione rapida la tecnologia può essere utilizzata per replicare rapidamente l'oggetto fisico, inclusi ingrandimento, riduzione, modifica, ecc., e può anche essere il design innovativo di prodotti esistenti. La tecnologia di prototipazione rapida stessa può anche essere conveniente per effettuare misurazioni rapide e accurate del prodotto prototipo, utilizzato per verificare il design tridimensionale e prodotto o parti e il design originale del grado di conformità, per scoprire le carenze del design del prodotto, riprogettare, in modo che il prodotto sia più perfetto.

Si può osservare che l'introduzione del reverse engineering nella tecnologia di prototipazione rapida può formare un sistema di feedback a ciclo chiuso che comprende progettazione, produzione e collaudo di progettazione e produzione rapide, il che può sfruttare appieno i vantaggi della prototipazione rapida e ampliare l'ambito di utilizzo di questa tecnologia.

Pertanto, il sistema generale di prototipazione rapida è supportato da un sistema di reverse engineering.

L'applicazione del reverse engineering coinvolge tre aspetti principali.

1) Utilizzo del reverse engineering per generare file STL da utilizzare direttamente dal software di elaborazione dati del sistema RP per generare codice NC; 2) Utilizzo del reverse engineering per generare file STL da utilizzare direttamente dal software di elaborazione dati del sistema RP per generare codice NC.
2) Utilizzando la tecnologia inversa per generare file di livello (file CLI), questo output è più adatto per una varietà di immagini TC inverse e, poiché l'RP stesso è un metodo di produzione a strati, le immagini tomografiche o le informazioni sui contorni degli strati vettoriali guidano direttamente l'attrezzatura RP strato per strato sovrapposto all'entità tridimensionale del metodo, che è anche una delle aree di ricerca più attive nella comunità accademica.
3) Utilizzare la tecnica inversa per ricostruire il modello solido e trasformarlo in testo STL con l'ausilio del sistema CAD.

Per la tecnologia di prototipazione rapida, lo scopo principale della richiesta inversa è ottenere la modellazione geometrica e i dati strutturali del prodotto.

Attraverso una varietà di digitalizzatori tridimensionali per ottenere dati strutturali e di modellazione delle parti, con l'ausilio della tecnologia di ricostruzione tridimensionale nel software CAD per rielaborare (modifica e ridimensionamento) e quindi convertire in file G-code o STL per apparecchiature di prototipazione rapida, in modo che possano essere elaborati direttamente per produrre i modelli, gli stampi o le parti corrispondenti.

Metodi di misurazione

Gli strumenti di misura sono uno degli hardware fondamentali nel reverse engineering.

Esistono tre metodi di misurazione principali utilizzati nel reverse engineering.

Il primo è il metodo di misurazione tradizionale a contatto, come il metodo di misurazione con misuratore di coordinate; il secondo è il metodo di misurazione senza contatto.

Il secondo è il metodo di misurazione senza contatto, come il reticolo di proiezione, la triangolazione laser, l'olografia e il metodo di misurazione 3D dell'immagine di profondità.

Il terzo è il metodo di misurazione mediante scansione strato per strato, come il metodo industriale, il metodo della risonanza magnetica nucleare e il metodo della tomografia automatica.

Esiste anche un altro metodo distruttivo, ovvero l'accumulo strato per strato del metodo opposto, ovvero la rimozione strato per strato del metodo di misurazione; questo metodo è distruttivo per le parti, ma i dati ottenuti sono estremamente accurati e in molti casi hanno applicazioni.

Questi metodi hanno le loro caratteristiche e il loro ambito di applicazione; la scelta specifica dei metodi di misurazione e delle tecniche di elaborazione dei dati dovrebbe essere basata sulle caratteristiche fisiche dell'oggetto misurato e sugli scopi dell'applicazione.

Attualmente non è stato trovato un metodo di misurazione inversa rapido e preciso, pienamente applicabile alla tecnologia di prototipazione rapida.

Con lo sviluppo della tecnologia informatica e della tecnologia optoelettronica negli ultimi anni, l'elaborazione delle immagini al computer come mezzo principale della tecnologia di misurazione senza contatto, il metodo del reticolo di proiezione e il metodo di triangolazione laser per la tecnologia di prototipazione rapida si stanno sviluppando rapidamente.

Questi metodi di misurazione della velocità, un elevato grado di automazione, adatti a una varietà di modelli complessi di tabelle di misurazione rapida tridimensionali confrontano le caratteristiche dei principali metodi di scansione tridimensionale.

1. Strumento di misura a coordinate (CMM)

Il metodo CMM, noto anche come scansione a sonda, utilizza una sonda a contatto CMM (disponibile in vari diametri e forme) per acquisire punto per punto i dati della superficie del campione.

Questo è uno dei metodi più utilizzati per la digitalizzazione di modelli 3D.

Quando la sonda si muove lungo la superficie del campione, la forza di reazione sulla superficie del campione fa sì che la sonda si deformi; questa deformazione viene collegata alla sonda sulle tre coordinate della molla generata dallo spostamento riflesso dalla dimensione e dalla direzione del sensore misurato dal convertitore analogico, i segnali misurati vengono reinviati al computer tramite gli algoritmi del computer, vengono visualizzate le coordinate del punto tridimensionale misurato e i dati vengono registrati.

Alcune apparecchiature di strumentazione utilizzano il raggio laser come sonda per focalizzare il raggio laser come sonda per la misurazione.

L'uso della CMM può raggiungere un elevato grado di accuratezza della misurazione (+ / – 0.5 um), il materiale e il colore dell'oggetto da misurare non sono generalmente requisiti speciali e il processo di misurazione è relativamente semplice.

Il metodo CMM per cavità interne non complesse, geometria delle caratteristiche, solo un piccolo numero di caratteristiche, parti curve invertite è molto efficace.

Tuttavia, poiché questo metodo è una misurazione a contatto, è facile danneggiare la sonda e graffiare la superficie del campione misurato.

Il grado di interferenza manuale rende difficile realizzare la completa automazione della misurazione; i punti dati di misurazione sono minori e non possono essere recuperati direttamente dal metodo RP, ma è anche necessario modificare il modello o ricostruirlo nel software CAD.

Il prezzo della macchina di misura a coordinate è elevato, anche l'ambiente di utilizzo presenta determinati requisiti e la velocità di misurazione è lenta.

Attualmente viene utilizzato principalmente per misurare parti prive di cavità interne complesse, con numerose geometrie caratteristiche e solo poche superfici caratteristiche.

Dopo aver ottenuto i punti caratteristici del pezzo, la ricostruzione 3D viene eseguita tramite software e il modello solido viene quindi utilizzato per la lavorazione meccanica.

2. Metodo del reticolo di proiezione

Il principio di base del metodo del reticolo di proiezione è quello di proiettare il reticolo sulla superficie della parte misurata, modulando la deformazione della linea d'ombra del reticolo in base all'altezza della superficie del campione misurato.

Attraverso la demodulazione della linea d'ombra deformata del reticolo, è possibile ottenere informazioni sull'altezza della superficie misurata, il principio è illustrato nella Figura 1.

Figure 1

Figura 1 diagramma di principio del metodo del reticolo proiettato

Le persone hanno proiettato l'irradiazione luminosa P sul piano di riferimento sul punto A, posizionato sull'oggetto in prova, e l'irradiazione P sull'oggetto in prova sul punto D; in questo momento, dalla direzione dell'illustrazione, il punto A si è spostato in una nuova posizione, il punto C; la distanza AC trasporta le informazioni sull'altezza z = h (x, y), ovvero l'altezza della superficie in base alla forma della modulazione.

Attualmente, la demodulazione del metodo della linea d'ombra del reticolo deformato avviene principalmente tramite l'analisi di Fourier e il metodo dello sfasamento.

Il metodo di analisi di Fourier è più facile da automatizzare rispetto al metodo dello sfasamento, ma la precisione è leggermente inferiore.

I principali vantaggi del metodo di reticolo sono che l'intervallo di misurazione è ampio, veloce, economico e facile da realizzare. Lo svantaggio è che la precisione è bassa e può misurare solo l'ondulazione della superficie non è un oggetto troppo piatto, per i cambiamenti di superficie nell'oggetto, in un luogo ripido tende a cambiare fase in modo improvviso, quindi la precisione della misurazione è notevolmente ridotta.

3. Triangolazione laser

Il principio di base della triangolazione laser è l'uso di una geometria regolare del raggio laser (ad esempio una sorgente di luce puntiforme, una sorgente di luce lineare) o di una sonda analogica lungo la superficie del campione, la scansione continua della superficie misurata, la formazione della superficie misurata di riflessione diffusa di punti luminosi (bande luminose) nel percorso ottico posizionato sul sensore di immagini (CCD) che acquisisce immagini, secondo il principio di triangolazione, per misurare le coordinate spaziali del punto misurato.

Il principio è illustrato nella Figura 2: se l'altezza del piano bersaglio è relativa al piano di riferimento per s, allora i due nello spostamento dell'immagine del rilevatore.

Figure 2

Dove a e b indicano rispettivamente la lente prima e dopo la lunghezza focale.

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La triangolazione laser è il metodo più maturo e ampiamente utilizzato, si tratta di una misurazione rapida e precisa.

La scansione laser può misurare non solo il pezzo duro, ma anche il campione morbido.

I principali problemi della triangolazione laser sono la rugosità superficiale, la riflettività diffusa e l'inclinazione della superficie misurata è troppo sensibile, c'è un "effetto ombra", che limita l'ambito di utilizzo della sonda; non è possibile misurare il raggio laser non può irradiare la posizione, per la mutazione del gradino e la struttura del foro profondo è facile produrre una perdita di dati; la quantità di dati ottenuti dalla scansione è grande, è necessario passare attraverso il processo di scansione.

La grande quantità di dati ottenuti dalla scansione richiede un software specializzato per l'elaborazione inversa dei dati per creare modelli di superficie, mentre i bordi e le parti combinate della superficie devono essere riparati manualmente.

4. TC e risonanza magnetica

Sebbene il metodo del reticolo di proiezione e il metodo della triangolazione laser siano ampiamente utilizzati, esiste un difetto fatale nell'applicazione della tecnologia di prototipazione rapida, ovvero l'impossibilità di misurare il contorno interno dell'oggetto, a causa dell'uso del metodo di sovrapposizione a strati per la produzione di parti; il processo di prototipazione rapida non necessita solo dei dati del contorno esterno della parte campione, ma anche dei dati del contorno interno, quindi l'ambito di applicazione dei metodi sopra indicati nella tecnologia di prototipazione rapida è stato notevolmente limitato.

Per risolvere questo problema, un buon metodo è quello di utilizzare la tecnologia della TAC e della risonanza magnetica per ottenere direttamente i dati della sezione trasversale dell'oggetto.

La scansione strato per strato è caratterizzata dalla capacità di misurare con precisione la superficie e la struttura interna di una parte senza essere limitati dalla complessità dell'oggetto misurato.

I dati di misurazione ottenuti sono densi e completi e i risultati della misurazione includono la topologia della parte.

Tuttavia, la precisione dei dati ottenuti mediante TC e NMR è bassa, con l'attuale spessore minimo dello strato di 1 mm, e non è possibile realizzare parti meccaniche pratiche con questa precisione.

Inoltre, l'elevato costo della TC e della RM, unito alle dimensioni e ai materiali limitati delle parti misurabili, rende difficile il loro utilizzo per una prototipazione rapida in tempi brevi.

5. Autotomografia

L'autotomografia è un metodo di misurazione distruttiva di oggetti che utilizza una combinazione di rimozione di materiale strato per strato e scansione ottica strato per strato. Rende la struttura di misurazione notevolmente semplificata, riduce i costi, è facile installare l'attrezzatura e può essere venduta come fresatrice CNC per la rimozione di accessori di materiale.

Questo metodo consente la misurazione automatica e accurata della superficie e delle dimensioni interne di una parte ed è adatto per la prototipazione rapida. Ha uno spessore minimo dello strato di 0.01 mm e una precisione di misurazione di +/-0.025 mm.

La differenza tra la TC industriale e l'autotomografia è che la TC industriale non distrugge le parti, mentre l'autotomografia deve rimuovere le parti strato per strato, anche se sono state danneggiate (le parti di valore non dovrebbero essere utilizzate), ma lascia dati completi.

Inoltre, rispetto alla TC industriale, il prezzo è più economico del 70-80%, ma la precisione di misurazione è molto più elevata (la TC industriale nella direzione dell'asse Z ha una precisione di misurazione scarsa, velocità di misurazione lenta, apparecchiature costose, costi elevati e scansione tomografica automatica nella direzione dell'asse Z con una precisione fino a 0.025 mm) e la realizzazione di un'operazione completamente automatizzata, ma il metodo è più lento, la misurazione generale del part-time è di 8-9 ore.

La scansione strato per strato è l'inverso della tecnica RP, che utilizza la somma strato per strato ed è quindi naturalmente associata a RP. I dati scansionati stessi sono costituiti dai punti dati della linea di contorno di una sezione trasversale strato per strato della parte, quindi i dati misurati non devono nemmeno essere convertiti in un file STL per essere elaborati da RP.

Elaborazione dati

La creazione di modelli CAD da punti dati di misurazione è di grande importanza nel reverse engineering. Poiché i dati di misurazione ottenuti da vari metodi numerici 3D sono molto grandi (spesso fino a diversi megabyte, decine di megabyte o persino centinaia di megabyte) e di solito non esiste una relazione topologica corrispondente tra i dati, ma solo un ampio gruppo di nuvole di punti spaziali, tra cui una grande quantità di dati inutili.

Pertanto, prima della modellazione CAD dei dati di misurazione, i dati vengono solitamente pre-elaborati, vale a dire filtrati (rimozione dei punti di impurità), adattati (approssimazione e interpolazione), ricostruiti e mascherati.

La tecnologia RP richiede una fetta della parte e il formato dati comune accettato dalle apparecchiature RP oggi è il file STL. Esistono due modi per ottenere i file STL.

Uno è quello di approssimare il modello CAD con un gran numero di sezioni triangolari per formare un file STL. Lo svantaggio di questo metodo è il lungo processo di conversione, in particolare la fase di conversione dei dati di misurazione in un modello CAD solido o di superficie, che è probabile che sia molto difficile e dispendioso in termini di tempo e potrebbe anche non dare origine a un modello completo di superficie o solido.

Un altro approccio è generare un file STL direttamente dai dati di misurazione. Molti software di ricostruzione 3D o di modellazione della luce attualmente utilizzano algoritmi di superficie triangolare, quindi è sufficiente convertire queste sezioni triangolari in formato file STL. Questo metodo utilizza direttamente i punti dati misurati, con un processo di conversione inferiore e un'elevata precisione. Lo svantaggio è che non è facile aggiungere supporto, quindi non è adatto per l'uso in SLA, FDM e altri processi RP e il file STL è troppo grande, se l'area superficiale della parte misurata è ampia e il suo file STL può raggiungere diverse centinaia di megabyte e può contenere un gran numero di errori, il che rende l'elaborazione successiva delle sezioni molto difficile e non può nemmeno essere un'elaborazione RP.

Anche il formato file STL presenta diversi difetti, quali ridondanza, approssimazione e mancanza di informazioni topologiche, che rendono difficile il recupero del modello CAD originale dal file STL.

Inoltre, STEP è un formato ideale per lo scambio di dati.

Contiene informazioni geometriche, topologiche e di processo durante il ciclo di vita del prodotto, è supportato da tutti i sistemi CAD e può essere utilizzato sia in formati di dati 3D che in formati di slicing, evitando la perdita di informazioni e difetti del modello causati dalla conversione di formato tra sistemi CAD e RPM, e si prevede che diventi un formato di scambio dati standard internazionale. Si prevede che diventi un formato di scambio dati standard internazionale. Ciò faciliterà lo sviluppo, l'applicazione e la promozione delle tecnologie RE e RPM.

Conclusione

La prototipazione rapida e il reverse engineering sono rami importanti della tecnologia di produzione rapida integrata che hanno registrato un rapido sviluppo negli ultimi anni.

La combinazione dei due fornisce un potente supporto per la progettazione innovativa di prodotti esistenti, che può accelerare la velocità di sviluppo del prodotto e migliorare notevolmente la capacità delle aziende di rispondere rapidamente al mercato.

Il reverse engineering ha un ruolo importante nella creazione di modelli basati su misurazioni, scansioni, foto o misurazioni dirette di entità.

Tuttavia, l'attuale livello di reverse engineering ne limita l'ambito di applicazione.

Secondo l'autore, per stare al passo con la tecnologia in rapido sviluppo, è necessario innanzitutto migliorare ulteriormente la velocità di misurazione, la precisione e l'automazione del metodo di misurazione, nonché renderlo indipendente dal materiale dell'oggetto misurato e dalla complessità dei contorni interni ed esterni; in secondo luogo, in termini di elaborazione dei dati, è necessario migliorare ulteriormente la velocità di misurazione, la precisione e l'automazione del metodo di misurazione.

In secondo luogo, in termini di elaborazione dei dati, si dovrebbe sviluppare un software di reverse engineering più completo, che non solo possa gestire direttamente i dati di scansione, ma che abbia anche potenti funzioni di modellazione e calcolo delle superfici, al fine di migliorare l'efficienza e la qualità del reverse.

Una volta risolti questi problemi, le prospettive di mercato saranno molto ampie.

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