Hvordan velge en 3D-metrologisk skanner?

Hva er 3D-metrologi?

3D-metrologi er det vitenskapelige studiet av fysiske målinger. I produksjonssammenheng dreier det seg om nøyaktig måling av verktøy, fiksturer og bearbeidede komponenter. 3D-metrologi brukes til å måle lengde, avstand og høyde (langs de tre aksene x, y og z) ved hjelp av geometriske punkter på et objekts overflate, noe som gir uendelig mye mer data enn konvensjonelle målemetoder.

Disse målingene utføres ofte ved hjelp av en koordinatmålemaskin (CMM), men nye fremskritt innen sensorteknologi for automatisert optisk inspeksjon (AOI) fremmer utviklingen av 3D-metrologiske teknikker som ikke lenger er avhengige av en koordinatmålemaskin.

3D-metrologisk skanner brukes også aktivt i reverse engineering. Når det for eksempel ikke finnes noen opprinnelig tegning av et objekt, er det mulig å skanne det ferdige produktet og deretter foreta endringer.

Slik fungerer CMM

CMM-målinger er basert på koordinatsystemer – selve maskinen og objektet som måles. Førstnevnte representerer måleinstrumentets X-, Y- og Z-bevegelse, mens sistnevnte representerer emnet, som har sine egne koordinater referert til et punkt på overflaten.

Kravet om å måle nøyaktig betyr at objektet må innrettes mot koordinatmåleren, noe som er en tidkrevende prosess. Hvis et emne med mange hull, avrundinger, hjørner eller en svært kompleks geometrisk form skal bearbeides, blir måleprosessen lang og resultatene unøyaktige.

Ved hjelp av programvare korrigeres de fleste feilene, noe som øker målenøyaktigheten, men dette er ikke nok i enkelte bransjer, for eksempel innen romfart. Derfor fikk designerne i oppgave å lage en måleteknisk enhet som kan samle inn data i form av en sky av alle punkter på overflaten av det målte objektet uten unntak. 3D-skanneren ble en slik enhet, som erstatter klumpete utstyr.

Sammenligning av koordinatmålere og 3D-skannere: fordeler og ulemper

KIM

Fordeler:

• Det mest nøyaktige måleutstyret.
• Det eneste mulige alternativet for førstegangs produktgeometri og sluttkontroll av deler med små toleranser som ikke kan erstattes av annen teknologi.

Minuser:

• Høye CMM-kostnader ved oppskalering av produksjonen og økning av antall inspeksjoner
• Behov for høyt kvalifisert personell
• Store dimensjoner

Metrologi 3D-skannere

Fordeler

• Mindre faglært personell på grunn av brukervennlighet og tilpasning;
• Utstyrets bærbarhet
• Målenøyaktighet
• Høy pålitelighet
• Evne til å skanne produkter av ulike størrelser, typer og belegg.
• Mulighet for å måle direkte i produksjonshallene
• Redusere arbeidsmengden for CMM-maskiner i produksjonen
• Evne til å eliminere eksterne forstyrrelser
• Gjennomføre flere inspeksjoner

Minuser:

• Manglende utskifting av visse kontroller

CMM-applikasjoner

Integreringen av 3D-metrologi starter i planleggingsfasen av ethvert produksjonsprosjekt med det enkle spørsmålet “Hvordan måler jeg denne delen?”. Når delen er designet, spiller dette spørsmålet en rolle for om designen kan produseres. For å kunne produsere delen må produksjonsteamet være i stand til å måle den for å sikre at de produserte komponentene samsvarer med det opprinnelige designet som planlagt.

Det finnes flere globale sektorer der 3D-metrologi er uunnværlig: reverse engineering, berøringsfri måling, inspeksjon og modellering.

Omvendt utvikling

I industrien er det ofte behov for omvendt utvikling:

• gjenoppretting av produktet i tilfelle tap eller fravær av designdokumentasjon;
• omarbeide deler som er designet før CAD-tiden;
• gjennomføre sammenlignende tester og analysere konkurrentenes produkter.

Deler i alle størrelser, inkludert flyskrog og skipsskrog, kan bearbeides.

Les mer om reverse engineering i vår egen artikkel.

Måling for kvalitetskontrollformål

Etter at produktet er produsert, kontrolleres det for samsvar med spesifikasjonene. Det vil si at data samles inn fra målingene og sammenlignes med verdiene som er tilordnet CAD-modellen.

Modellering

Testing av den ferdige modellen gjør det mulig å avgjøre om funksjonaliteten oppfyller de spesifiserte parametrene. For eksempel beregnes en parameter som aerodynamikk i et spesialdesignet rom. Hvis formen på delen må justeres, beregner ingeniørene nye verdier, gjenstanden produseres på nytt og sendes til testing på nytt.

Hvis en materialmodell digitaliseres, kan materialets egenskaper bestemmes før det produseres. Analyse av en CAD-modell gir ikke et fullstendig bilde, siden denne modellen anses som ideell. De mest nøyaktige resultatene får man imidlertid ved å samle inn data fra overflaten på den virkelige delen og bearbeide dem i spesialprogrammer. Denne tilnærmingen til produktfremstilling gjør det mulig å optimere produksjonsprosessene, redusere sløsing og forbedre den generelle produktkvaliteten.

Foto https://youtube.com

Shining 3D tilbyr en universell løsning for alle de ovennevnte oppgavene – kompakte, presise og innovative måletekniske instrumenter – 3D-skannere. De brukes til å utføre tredimensjonale målinger for å samle inn data om objekter og videre behandling ved hjelp av avansert digital teknologi. Målingene er berøringsfrie og kan brukes på alle typer objekter. I motsetning til tradisjonelle koordinatmålere kan en 3D-skanner generere en rekke punkter med høy tetthet, noe som gir uovertruffen målenøyaktighet.

Du kan se prosessen med automatisk måling av deler i den spesialiserte 3D-inspeksjonsprogramvaren Geomagic® Control X på YouTube-kanalen vår.

Kriterier for valg av 3D-metrologisk skanner

Når du skal vurdere egenskapene til ulike 3D-skanningsenheter, er følgende punkter de viktigste:

På brukerens side:

• krav til datakvalitet, nøyaktighet og granularitet;
• bruksscenarier, størrelse på skannede objekter, teksturer og digitaliseringstid;
• budsjett.

På produsentens side:

• brukeranmeldelser;
• merkevare og tjenester som tilbys;
• programvare og oppgraderinger.

Vi tilbyr en sammenligning av to eksempler på 3D-skanningssystemer i vårt sortiment:

FreeScan UE og UE PRO håndholdt 3D-laserskanner

Med FreeScan UE 3D-skanneren kan du digitalisere mellomstore til store objekter og arbeide med mørke og reflekterende overflater. Eksempler er støpeformer, leiremodeller, bilkarosserier, flymotorer, store vinger og skovler og lignende. Bruksområdene omfatter blant annet bilindustrien, jernbanetransport, energisektoren og byggebransjen.

FreeScan UE Pro er en multifunksjonell håndholdt 3D-laserskanner med 26+5+1 linjer blå laser og integrert fotogrammetrisk modul. Nøyaktighet ned til 0,02 mm, gir stabile skanneresultater.

3D-teknikk i racingbransjen

I motorsportindustrien brukes 3D-skannere til å designe prototyper av racerbiler og til og med til å gjenskape retromodeller av biler. Hvis man får tak i en digital kopi av en historisk bil som kjørte løp for flere tiår siden, kan man lage en nøyaktig kopi ved hjelp av den nyeste teknologien.

FreeScan UE 11 var ideell for digitalisering av deler og komponenter. Bildene ble eksportert til Verisurf, et prosesseringsprogram som er kompatibelt med Shining 3D-skannerprogramvaren. Reverse engineering-teknologien gjorde det mulig å produsere deler som opprinnelig ikke var i CAD-format.

I artikkelen”Revival of historical motorsport icons” kan du lese om hvordan FreeScan UE 11 Shining 3D-metrologisk skanner ble brukt til å gjenskape en historisk modell av en racerbil.

Les også en casestudie av en vellykket 3D-inspeksjon av store deler ved hjelp av en Shining 3D FreeScan UE 3D-laserskanner og et DigiMetric fotogrammetrisystem.

OptimScan 3D-metrologisk skanner og blå LED strukturert belysningsteknologi

OptimScan er utviklet for digitalisering av relativt små objekter med høy presisjon og detaljrikdom: støpte og smidde deler, støpeverktøy, plastkomponenter, fint detaljerte produkter og lignende. Den kan brukes sammen med samarbeidende robotmanipulatorer, f.eks. til digitalisering av store objekter som bilkarosserier, stansede deler osv. Bruksområdene omfatter blant annet bil- og transportbransjen, elektronikk, støping og støperiverktøy og romfart.

Integrering av 3D-måleutstyr i produksjonsprosessen gir uovertrufne resultater, noe suksesshistoriene om OptimScan 3D-skannere viser.

Bruk av OptimScan-5M til å reparere metallkomponenter

Enkelte kostbare komponenter som må skiftes ut regelmessig på grunn av slitasje, kan produseres på nytt og dermed forlenge levetiden, noe som reduserer kostnadene for bedriften. Ved hjelp av additiv teknologi har ingeniørene funnet en billig og rask metode for å reparere komplekse komponenter. Hovedoppgaven var å gjenopprette den forstyrrede geometrien, noe som ble gjort ved å digitalisere den slitte delen og sammenligne den med en referanse. Behandlingen av dataene i programmet gjorde det mulig å få et sett med kommandoer for å bestemme banen til 3D-skriverens skrivehode og CNC-maskinverktøyet.

Digitaliseringen ble utført med 3D-metrologisk skanner OptimScan-5M, som bruker avansert skanningsteknologi med blått lys og garanterer høy nøyaktighet og raske resultater. Du kan lese mer om den vellykkede bruken av enheten i artikkelen”Missouri University of Science and Technology brukte OptimScan-5M til laserreparasjon av metallkomponenter”.

Løsning på problemet med skanning av små, svarte objekter til medisinske formål

Det er utfordrende å ta bilder av et miniatyrisert objekt med svart eller blank overflate, spesielt når det stilles krav til økt nøyaktighet i den digitale kopien. Slike krav er tradisjonelle for medisinsk utstyr. OptimScan 5M 3D-skanneren bidro til å løse denne oppgaven ved å digitalisere en 5,5 cm lang, svart beinnål.

Etter at delen var klargjort, ble den skannet, og det digitale bildet ble behandlet i programvaren. Resultatet er et 3D-bilde av tappen som er klar til å skrives ut. Den trinnvise prosessen med å lage en digital kopi er beskrevet i detalj i artikkelen”Overcome difficulties in scanning small black objects and obtaining high-precision data”.

Bruk av 3D-skanner i luftfartsindustrien

Ved produksjon av flydeler er det spesielt viktig å kontrollere at den produserte komponenten er i samsvar med designberegningene. Avvik fra de spesifiserte parametrene bør ikke overstige 40 mikrometer. Ved å erstatte CMM-maskinen med en 3D-skanner kunne ingeniørene innhente overflatedata for delen og sammenligne dem med de opprinnelige parametrene.

Måleprosessen med OptimScan 5M-Plus 3D-metrologisk skanner fra Shining 3D tok noen minutter, og skanningen ble behandlet i en programvare som analyserer de innsamlede dataene og genererer en rapport med en liste over avvik. Artikkelen”3D Quality Control of Aircraft Blades” beskriver hvordan skanningen og den påfølgende behandlingen ble utført.

AutoScan Inspec automatisk 3D-skanner på skrivebordet

AutoScan Inspec er en automatisk, stasjonær 3D-metrologisk skanner som bruker innovativ teknologi for 3D-skanning og 3D-inspeksjon med høy nøyaktighet. Automatisk drift muliggjøres av en intelligent skannealgoritme og en målenøyaktighet på 10 µm for små deler. Denne ytelsen oppnås ved hjelp av en avansert skannemetode med blått lys, noe som er svært viktig for inspeksjon av produktkvalitet. Det 3-aksede skanningssystemet gjør det mulig å skanne fra flere vinkler. To 5-megapikselkameraer sørger for detaljert skanning av små objekter, inkludert komplekse former.

Når du vurderer utstyrets egenskaper, er det fire ting du må ta hensyn til:

• Metrologisk nøyaktighet. Skanning med blått lys gir avbildningsnøyaktighet innen 10 µm.
• Helautomatisk modus. Den automatiserte skrivebordsenheten er klar til bruk med et museklikk, slik at brukerne raskt og enkelt kan få en digital 3D-kopi av originalprøven.
• Detaljert avbildning av små objekter. Det doble 5-megapikselkameraet sørger for nøyaktig og detaljert 3D-skanning av små og komplekse modeller.
• Kraftig programvare. Programvaren UltraScan er utviklet av Shining 3D-programmerere for industrielle applikasjoner, og har et brukervennlig grensesnitt og enkel betjening. Kompatibel med CAD/CAM-pakker.

FreeScan Trak, et bærbart, trådløst CMM-skanningssystem

Shining 3D FreeScan Trak er et bærbart målesystem som består av en 3D-skanner og en optisk tracker som er utviklet for å arbeide med mellomstore og store prøver. Skanneren kobles trådløst til PC-en og trackeren. Under drift fikserer trackeren skannerens posisjon i rommet. Alle endringer i koordinatene spores i sanntid, noe som eliminerer behovet for å plassere reflekterende markører på overflaten av det skannede objektet.

• Skanneren kan brukes sammen med sporingsenheten eller frittstående for å utføre en rekke oppgaver.
• Det trådløse kommunikasjonssystemet mellom enhetene sikrer uhindret tilgang til vanskelig tilgjengelige områder, selv under kjøring.
• Med en nøyaktighet på 30 µm og en oppløsning på 5 µm kan instrumentet brukes til metrologiske formål.
• Den høye repeterbarheten i resultatene gjør det mulig å redusere tidsintervallet for etterbehandling av skannedata.
• Den integrerte prosessoren eliminerer behovet for å kommunisere med en PC under drift.

Disse egenskapene er avgjørende for anvendelsen av Shining 3D FreeScan Trak i bransjer som romfart, flyproduksjon, bilindustri, maskinteknikk og kraftproduksjon.

 

Funksjoner i to varianter av 3D-skannere

3D-skannere med strukturert belysningsteknologi: presisjon og detaljrikdom

Høypresisjonssystemer som bruker strukturert LED-belysningsteknologi og håndholdte 3D-laserskannere genererer punktskyer på forskjellige måter. Førstnevnte bygger skyen med individuelle hele bilder, mens sistnevnte genererer skyen ved å kombinere og slå sammen bilder med delvis representasjon av objektet.

Spesifisiteten til 3D-strukturert lysskanning gir:

• stabil måleteknisk nøyaktighet, opptil 0,005 mm for OptimScan 3D-skannere;
• gode detaljer.

Detaljnivået ved digitalisering med OptimScan 3D-skanneren. Det høyeste nøyaktighetsnivået i OptimScan-serien er 0,005 mm.

Håndholdte 3D-laserskannere: kompakt og allsidig

Fordelen med denne typen 3D-skannere er at de er kompakte og kan tilpasses et bredt spekter av materialer ved hjelp av laseremittere:

• 3D-skanneren FreeScan UE veier bare 750 gram og bruker omtrent ti minutter på å digitalisere en bil;
• Bredt utvalg av kompatible materialer: Mørke og reflekterende overflater kan digitaliseres uten behov for matteringsspray;
• høy nøyaktighet, for FreeScan UE opp til 0,02 mm, med høy repeterbarhet.

Viktige punkter når du skal velge mellom to typer 3D-måleskannere

Det viktigste å ta hensyn til er krav til datakvalitet og arbeidsforhold.

Ved høye krav til kvalitet og detaljrikdom anbefaler vi å bruke 3D-skannere med strukturert belysningsteknologi. Eksempler:

Hvis du har høye krav til kompakthet og allsidighet, er håndholdte 3D-skannere veien å gå. Eksempler:

 

Generelt er 3D-strukturert lysskanning best egnet for bruksområder der det stilles strenge krav til nøyaktighet og detaljrikdom. Når du arbeider med mørke og reflekterende overflater, kan du bruke matteringsspray. Håndholdte 3D-laserskannere er derimot godt egnet for arbeid på trange steder og er svært kompatible med ulike typer overflater.

Det er en misforståelse at 3D-skanningssystemer med strukturert belysningsteknologi ikke er allsidige nok og har for lav ytelse. Faktisk har disse 3D-skannerne høy registreringshastighet og god repeterbarhet, spesielt når man skanner objekter på roterende plattformer, arbeider med komplekse geometrier og til og med når det kreves repeterbarhetskontroll for serieproduksjon.

Det tar for eksempel bare ett minutt å digitalisere et pumpehjul med en diameter på 8 cm ved bruk av dreieskiven.

I tillegg er 3D-strukturerte lysskanningssystemer med høy presisjon svært effektive sammen med fleraksede robotmanipulatorer og koordinatmålemaskiner med automatisk databehandling.

Eksempler på metrologiske anvendelser av 3D-skannere

3D-skanning ved hjelp av strukturert LED-belysning

Eksempel nr. 1: 3D-skanning av bunnen av det optiske modemets hus

Eksempel nr. 2: 3D-skanning av mobiltelefonkomponenter

Eksempel nr. 3: Digitalisering av tynne vegger med en tykkelse på minimum 0,16 mm

Eksempel 4: Digitalisering av en del med en diameter på 6 mm

Eksempel nr. 5: Digitalisering av en form med en nødvendig nøyaktighet på 0,03 mm

Bruk av håndholdte 3D-skannere

Eksempel nr. 1: 3D-skanning av en flymotor

Eksempel nr. 2: 3D-skanning av støpte metalldeler

Eksempel nr. 3: 3D-skanning av en støpeform med reflekterende overflate

Konklusjon

Vi håper at vi har kunnet gi deg nyttig informasjon når du skal velge det best egnede utstyret. For å oppsummere:

• Bruk 3D-inspeksjonsskannere med strukturert LED-belysningsteknologi for presis 3D-skanning av små til mellomstore deler;
• Velg håndholdte 3D-laserskannere for mellomstore til store deler;
• Mange brukere med krevende inspeksjonsbehov foretrekker å ha både strukturerte lysskanningssystemer og 3D-laserskannere tilgjengelig, og bruker den ene eller den andre avhengig av oppgaven, og forbedrer dermed den generelle effektiviteten i design- og produksjonsprosessene.

Hvis du er interessert i 3D-skanningssystemer av industriell kvalitet og trenger ytterligere råd, kan du kontakte oss via sales@shining3d.com, så hjelper vi deg med å finne det utstyret som passer best for deg.