Stereolitografia - Concepte de prototipare si scanare 3D

CONCEPTUL DE PROTOTIPARE RAPIDA

Pe perioada ultimului deceniu un nou concept de prototipare rapida fizica, numit fabricare stratificata sau fabricare solida fara forma, a castigat popularitate in lume.Activitatea numita "RP" isi are inceputurile acum 12 ani, odata cu aparitia sistemului de stereolitografiere. Acest proces a avut un foarte mare impact în partea de design. Se baza pe un model 3D CAD si a fost anuntat ca un “proces magic”, implicând surse necunoscute, ca UV si polimeri fotosensibili. În mod clar activitatea de creare rapida a prototipului nu era noua: chiar si un proiectant putea crea modelul 3D fizic cu mâinile lui (bazându-se pe desenele 2D) mai rapid decât orice sistem de RP. Poate fi activitatea acestui proiectant (mestesugar) numita RP sau nu?

Multi autori folosesc definitii limitate ale RP, iar unii includ tehnologiile de creare a prototipului prin depunere în straturi subtiri de material (ca si sistemul de stereolitografiere). Aspectul important al procesului de RP ca si “cutie neagra” este translatia automata a modelului 3D CAD catre modelul fizic, tehnologia folosita neavând importanta prea mare.

Vom defini procesul de RP ca si Lennings: “Procesul care creeaza automat prototipul fizic pornind de la un model 3D CAD, într-o scurta perioada de timp”. Ideea cheie a acestei noi tehnologii de prototipare rapida este bazata pe descompunerea 3D în straturi subtiri de sectiune transversala, urmate de formarea fizica a straturilor si stivuirea lor “strat dupa strat”. Crearea obiectelor 3D în dispunere stratificata este o idee aproape la fel de veche ca si civilizatia umana (piramidele egiptene au fost de asemenea construite bloc cu bloc si strat cu strat). Asezarea în stive a straturilor de materiale în forma individuala are o veche traditie în rândul aplicatiilor de fabricatie, la fel ca turnarea pieselor sau topirea piesei. Ceva mai mult de un deceniu arta constructiei de obiecte 3D cu straturi a fost avansata semnificativ de 3D System Inc., o companie americana din sudul Californiei. Disponibilitatea modelelor 3D computerizate a fost cruciala în realizarea conceptului de creare a obiectelor stratificate, dar alte tehnologii precum sistemele laser si computere puternice au ajutat la definirea acestei tehnologii numite stereolitografie.

Aceasta tehnologie azi este capabila sa produca structuri 3D foarte complexe cu o foarte mica sau chiar deloc contributie umana. Aparând aproape în paralel cu progresul, stereolitografia a fost sistemul alternativ pentru fabricarea stratificata oferita de mai multe companii americane. Sunt incluse sisteme care construiesc obiecte stratificate prin laminarea straturilor de materiale (Helisys) si prin fuziunea stratificata sau legarea materialelor pulverulente (DTM, Soligen) sau extrudarea firelor de sârma (Stratosys).

Progresele au adaugat un sir de materiale noi care sunt mai bune decât polimerii utilizati în stereolitografie. Azi avantajele fabricarii stratificate sunt majoritatea derivate din abilitatile sale de a crea rapid modele fizice, indiferent de complexitatea formei.

TEHNICI DE PROTOTIPARE RAPIDA

Fabricarea cât mai rapida si cu un cost cât mai redus a unui model sau a unui nou produs a fost si este un vis al oricarui inginer tehnolog. Începând cu anii ´90 acest vis s-a transformat si se transforma în fiecare zi în realitate datorita aparitiei si implementarii în practica industriala a tehnologiilor de fabricare rapida a prototipurilor (Rapid Prototyping - RP), care se deosebesc fundamental de tehnologiile cunoscute si utilizate pâna în acel moment. Ca si notiune, prototiparea rapida este asociata cu o seama de procedee tehnologice relativ noi ce permit realizarea rapida a modelului fizic, a prototipurilor functionale, a reperelor, a subansamblurilor sau a sculelor implicate în procesul de dezvoltare a produsului. Aceste tehnici de prototipare rapida folosesc un alt principiu pentru materializarea piesei, prin adaugare de material atât cât este necesar si unde este necesar.

Tehnologiile care pot fi aplicate într-un demers de prototipare rapida, ca alternativa la metodele traditionale de fabricare, sunt numeroase. Principiile folosite si conditiile de aplicare sunt extrem de variate dar, în mod invariabil, aplicarea industriala este dictata de eficacitatea dovedita în ceea ce priveste impactul comercial în sensul reducerii timpului de lansare pe piata a unui produs oarecare.

Frecvent, aplicarea tehnologiilor de prototipare rapida în diferite faze de dezvoltare a produsului, determina o crestere a costurilor globale de lansare. Aceasta situatie este acceptata de factorii de decizie deoarece:

Rezultatul urmarit prin aplicarea acestor tehnologii este realizarea în termen scurt si cu investitie suplimentara neglijabila a unui numar limitat de exemplare din:

O clasificare a tehnologiilor de fabricare rapida a prototipurilor este prezentata în figura de mai sus, clasificare care sugereaza o grupare a acestor tehnologii în doua categorii :

În continuare vor fi prezentate cele mai semnificative tehnici de prototipare rapida:

Stereolitografierea (Stereolithography - SLA)

Principiul:

Stereolitografia este o tehnica de prototipaj rapid care permite fabricarea unor obiecte solide plecând de la un model numeric. Modelul este obtinut prin suprapunerea unor fâsii fine. Dezvoltarea industriala a acestei tehnologii dateaza din anii 1980 si a fost initiata în Statele Unite ale Americii. Mai multe metode sunt bazate pe principiul stereolitografiei: fotopolimerizarea, laminarea si fritajul laser.

Stereolitografia este procedeul care utilizeaza fotopolimerizarea (polimerizarea unui material lichid sub efectul luminii). O platforma mobila este scufundata într-o baie de lichid monomer; un laser vine sa furnizeze energie pe suprafata superioara a lichidului care polimerizeaza dupa o grosime data (câteva zecimi de mm). Grosimea despre care este vorba este cea a lichidului care era deasupra platformei. Când un strat al piesei este realizat, platforma coboara si ciclul reîncepe, pâna la finalizarea completa a piesei. Urmeaza atunci etapa de uscare pentru a creste caracteristicile mecanice ale piesei, în special rezistenta mecanica. Este cel mai cunoscut procedeu si folosit în proportie de 37% pe piata. În procesul SLA, fiecare strat este creat prin tratarea selectiva a unei rasini fotosensibile folosind un laser cu UV.

Deoarece acest proces foloseste rasina lichida ca material de baza, structurile de sustinere sunt cerute pentru a sprijini suprafetele cu orientare în jos. Odata ce piesa a fost construita, trebuie sa fie apoi tratata într-un cuptor cu UV. Odata ce acest proces este terminat, suporturile de sustinere sunt îndepartate. Diferite obiecte, de la 1 cm la 60 cm, sunt fabricate plecând de la modele concepute în CAO, prin solidificarea unei rasini fotopolimerizabile pentru a se obtine prototipuri necesare înainte de orice fabricare în serie. Acest tip de solidificare este numit “punct cu punct”; etapa de uscare în cuptor are drept scop polimerizarea interiorului piesei. Exista totusi un alt procedeu: solificarea strat cu strat, care consta în utilizarea unor masti pentru a solidifica un strat întreg dintr-o data; acest lucru permite realizarea de economie a etapei uscatului.

Exista o gama larga de materiale pentru acest proces, de la cele rezistente la umiditate, la materialele puternice si rezistente la temperaturi înalte, dar ele înca nu pot intra în competitie cu materialele plastice folosite în inginerie, cerute de ingineri.

Avantaje:

Dezavantaje:

Aplicatii:

1) Mentenanta avionului

Northrop Grumman introduce stereolitografia în procesul operatiunilor de mentenanta a avionului. Acest lucru permite efectuarea operatiunilor de mentenanta fara demontare. „Pâna acum introduse în departamentele de inginerie si de dezvoltare - pentru a crea modele reduse de suflerie si alte prototipuri - masinile de prototipaj si de fabricare rapida sunt pe viitor instalate în servicii de productie ale întreprinderii nu pentru a fabrica tipare (matrite) sau prototipuri, ci utilaje utilizate pentru fabricarea sau modificarea avioanelor”, explica Chris Farren, responsabil al aplicatiilor tehnologice în divizia Air Combat Systems Rapid Prototyping & Manufacturing al constructorului de avioane Northrop Grumman.

Kit-ul de reparare rapida este exemplar. Produs într-o rasina Somos conventionala pe baza definitiilor numerice de tip CAO ( concepere asistata de calculator ), kit-ul permite unui tehnician sa realizeze o reparatie complexa în interiorul avionului, fara nicio vizibilitate si cu acces foarte restrâns. O deschidere de doar 300 x 400 mm permite accesul la reparatie. Reparatia consta în a modifica un perete despartitor din titan situat spre trenul de aterizare, evitând un profil care are aproximativ forma unui bumerang. Noua distribuire a sarcinilor mecanice confera ansamblului noi caracteristici.

Kit-ul de reparare se strecoara prin aceasta deschidere si adopta geometria avionului. “Procedeul se aseamana cu chirurgia ortopedica”, indica Chris Farren. Procedeul este mult mai economic decât o metoda conventionala. Doi ani dupa ce au introdus aceasta tehnica în procesul de mentenanta, constructorul american de avioane dispune de peste 700 de utilaje construite din rasina de o masina SLA 250 de 3D Systems . Printre aceste utilaje figureaza sisteme simple de înlocuire de componente si sisteme foarte complexe de înlocuire a motorului, cu functii de aliniere, de aplicare de instrumente, de pozitionare cu precizie, tot ce poate ajuta operatorul sa-si îndeplineasca sarcina de lucru.

2) Numerizarea 3D si stereolitografia în serviciul ciocolatei

Producerea unui model în miniatura de ciocolata a statuii Atena a lui Myron arata cum tehnologiile avansate de numerizare si de fabricare aditiva permit furnizarea unor solutii inovatoare si personalizate pentru industria alimentara. Cu ocazia centenarului aniversar al colectiei de sculpturi antice a muzeului Liebieghaus din Francfort, galeria de arta a oferit vizitatorilor posibilitatea de a cumpara miniaturi de ciocolata reprezentând-o pe Atena de Myron, statuia cea mai recunoscuta a expozitiei. Reproducerea dulce si de înalta calitate a fost realizata gratie tehnicilor de numerizare si de prototipaj rapid. Transformarea statuii Atena de Myron, care masoara în marime naturala 1.73 m într-un ansamblu de date 3D “minuscule” masurând 7 cm, apoi producerea unei miniaturi de ciocolata a cerut iscusinta a numerosi experti din industria alimentara. Rezultatul final, o amintire creativa si gustoasa este demonstratia potentialului semnificativ a acestor tehnologii înalte de fabricare pentru dezvoltarea de noi produse si pentru industria alimentara în general.

Realizarea unei piese model care poate fi utilizata pentru a crea un tipar detaliat este un proiect care a suscitat interesul numeroaselor industrii. Profesorul doctor Menzenz Brinkmann, conservatorul colectiei de antichitati a muzeului si specialist de renume mondial al reproducerii operelor de arta antice, a însarcinat grupul Alpha sa fabrice o “piesa-model” foarte detaliata a Atenei lui Myron. Realizarea “modelului principal” a facut apel la numerizare de înalta definitie, apoi la rasina de stereolitografie Somos NanoTool, un material protocompozit a treia generatie de DSM Somos, care ofera proprietati de robustete, de rigiditate si de rezistenta la temperaturi înalte. În plus, piesele astfel realizate prezinta pereti laterali de calitate si o suprafata foarte neteda, elemente critice pentru reproducerea detaliilor în înalta definitie pe un “model principal” mic. Încarcat puternic cu nanoparticule non-cristaline, NanoTool permite un tratament rapid si necesita finisaj minim, ceea ce accelereaza producerea pieselor.

Ralf Deuke, directorul de productie de la Alphaform, confirma: “Pentru acest proiect, noi am preconizat procedeul aditiv stereolitografic cu utilizarea de NanoTool de Somos pentru producerea modelului principal. NanoTool este materialul capabil sa reproduca detaliile cele mai fine”. Modelul principal a permis apoi lui Clement Chococult sa realizeze un tipar din silicon aprobat de US FDA, care a fost utilizat de Bitter &Zart Chocolaterie, din Francfort pentru a produce miniaturi de ciocolata.

3) Stereolitografia în serviciul ceramicii

Bazata pe stereolitografie laser, imprimarea 3D pe ceramica este o tehnologie unica de prototipaj rapid si de productie. Ea permite realizarea componentelor prin straturi succesive, utilizând un laser care polimerizeaza pasta compusa din rasina fotosensibila si din ceramica. Piesele sunt supuse apoi unui tratament termic care elimina rasina si creste densitatea ceramicii la 100%. Procedeul nu genereaza nicio ruptura a lantului de conceptie numerica. Piesele de ceramica obtinute au aceleasi proprietati ca a celor produse prin presare sau injectie. Utilizarea crescânda a materialelor ceramice în domenii de vârf, de la cel biomedical pâna la cel aerospatial, incita la dezvoltarea tehnicilor de asezare a pieselor cu geometrie complexa.

4) În domeniul medical

În domeniul biomedical este posibil, plecând de la date ce provin din ingineria medicala ( CT-scanner sau IRM ), sa se realizeze piese anatomice complexe de înalta rezolutie prin stereolitografie. Modelele 3D realizate plecând de la date scanografice permit oferirea de informatii asupra formei, orientarii, localizarii relative si a taliei structurilor interne. Acestea sunt utilizate pentru diagnostice, planificarea operatiilor si drept ghiduri chirurgicale. Precizia modelelor permite modelarea protezelor. Modelul devine un tipar pentru producerea de implanturi biocompatibile.

Principiul:

Difera de majoritatea celorlalte sisteme prin faptul ca nu foloseste un laser pentru a crea stratul de material. Materialul sub forma de filament trece printr-un cap de extrudare si este încalzit pâna aproape de punctul sau de topire. Acest material este apoi scos prin capatul capului si depozitat pe masa masinii sub forma unui singur fir de material; aceste „fire” sunt depuse unul dupa altul pentru a crea stratul. Odata ce stratul a fost terminat, masa de constructie coboara cu un strat si procesul continua pâna când urmatorul strat este completat.

Piesele cu suprafete orientate în jos necesita sustinere substantiala. În timp ce la celelalte procese aceste sustineri sunt generate automat, în cazul FDM se foloseste material diferit de cel al piesei. Materialul este un plastic ABS, iar piesele construite în timpul procesului au o tarie de 80% din cea a materialului de origine. Alte materiale includ ceara, ABS medical si un elastomer.

Avantaje:

Dezavantaje:

Aplicatii:

Principiul:

Primul sistem de fabricare LOM a fost dezvoltat în anul 1991 de catre compania Helisys. În LOM, obtinerea straturilor ce compun piesa se face prin decuparea dintr-o foaie de material solid (hârtie), folosind o sursa de laser infrarosu. Materialul care nu formeaza stratul prezent este „facut cuburi” care vor fi îndepartate manual la sfârsitul procesului. Odata ce fiecare strat este terminat, este legat la cel anterior folosind un adeziv (aflat pe partea inferioara a colii de hârtie) activat de caldura.

Exista în prezent un singur material folosit pentru LOM (hârtie), desi sunt o multime de alte materiale în curs de dezvoltare (plastic si compozit). La finalul procesului, piesa este împachetata în materialul în exces, care trebuie îndepartat; datorita acestui lucru, procesul LOM este cel mai potrivit pentru piese mari, care nu au detalii complicate.

Avantaje:

Dezavantaje:

Aplicatii:

Principiul:

Procesul SLS este în prezent unul din cele mai versatile de pe piata, datorita în mare parte numarului mare de materiale disponibile. A fost dezvoltat de compania DTM (3D Systems) în anul 1986. În procesul SLS, pulberea este sinterizata selectiv sau topita de o sursa laser infrarosu. Din nou, odata ce un strat este terminat, patul de pulbere coboara pe o grosime de un strat si un nou strat de pulbere este depus si procesul continua. La fel ca în procesul 3DP, nu sunt necesare dispozitive de sustinere, deoarece pulberea nesinterizata sustine materialul piesei.

În final, suprafata piesei finalizate este putin aspra la atingere. În prezent exista sapte materiale disponibile pentru acest sistem, incluzând doua materiale pentru realizarea de scule: materiale Duraform (Nylon), Glass Filled Duraform, Fine Nylon, Trueform, Elastomer, Copper Polyamide, otel rapid si Sand Form.

Avantaje:

Dezavantaje:

Aplicatii:

SLS este ideala pentru obtinerea pieselor care necesita durabilitate ridicata, pentru testarea functionala a celor mai multe aplicatii, este o metoda rapida pentru dezvoltarea prototipurilor si ofera o precizie ridicata a produselor.

Principiul:

Procesele 3DP dezvoltate de MIT în cursul anilor ‘90 au fost comercializate în mai multe sisteme diferite, desi numai unul, Z Corporation 3D Printer va fi descris aici. În procesele 3DP, un liant pe baza de apa este printat pe suprafata unui pat de pulbere pentru a crea un strat de material. Deoarece liantul are o vâscozitate foarte scazuta, poate fi printat într-o maniera similara unei imprimante cu jet de cerneala si foarte rapid.

Sistemul este apreciabil mai rapid decât orice alta tehnologie de concepte de modelare, cu o rata de constructie verticala de 50.8 mm pe ora. Odata ce stratul a fost printat, patul de pulbere este nivelat la grosimea unui singur strat, un nou strat de pulbere este împrastiat deasupra celuilalt si procesul este repetat pâna când partea este finalizata. Acest proces nu are nevoie de sustinere deoarece pulberea care înconjoara piesa sustine fiecare strat consecutiv. Odata ce piesa este finalizata, este scoasa din masina, excesul de pulbere este curatat si piesa este supusa post-procesarii. În acest proces, piesele rezultate sunt destul de slabe, si au nevoie sa fie infiltrate cu un material aditional. Exista în prezent doua astfel de materiale: ceara si rasina epoxidica.

Datorita versatilitatii acestui proces, potentialului de adaugare de materiale si preciziei relative a procesului, sistemul gaseste o varietate de utilizari în industria de injectie a materialelor polimerice, Concept Modelling. Piesele obtinute prin aceste tehnologii pot fi folosite si pentru testare functionala, realizând însa în prealabil infiltrarea piesei cu rasina epoxidica, crescând astfel cu mult duritatea ei.

Avantaje:

Dezavantaje:

Pasi:

a)- depunerea stratului de pulbere;
b)- printarea zonei care va deveni piesa;
c)- pistonul este coborât pentru urmatorul strat.

Aplicatii:

3DP este folosit pentru producerea rapida a prototipurilor, a pieselor finale si a matritelor. Prin aceasta metoda se pot crea piese de orice geometrie si aproape din orice material, incluzând aici ceramici, metale, polimeri si compozite.
Solid Ground Curing (SGC)

Principiul:

SGC a fost dezvoltat de o companie din Israel, Cubital Ltd.
La fel ca stereolitografia, SGC actioneaza prin tratarea unui polimer fotosensibil strat cu strat pentru a crea un model solid bazat pe date geometrice CAD.

Avantaje:

Dezavantaje:

Aplicatii:

Dezvoltarea Prototiparii Rapide este strâns legata de dezvoltarea aplicatiilor pe calculator din domeniu. Costul în scadere al calculatoarelor, mai ales pentru calculatoarele personale sau minicalculatoare, a schimbat modul în care lucreaza o fabrica. Cresterea utilizarii calculatoarelor a stimulat avansul în multe domenii legate de calculatoare, cuprinzând Proiectarea Asistata de Calculator (CAD), Fabricatia Asistata de Calculator (CAM) si masinile-unelte de Control Numeric pe Calculator (CNC). În particular, aparitia sistemelor RP nu ar fi fost posibila fara existenta CAD.

Totusi, din examinarea atenta a numeroaselor sisteme RP existente în prezent, se poate deduce usor ca multe alte tehnologii, altele decât CAD, si avansuri în alte domenii, cum ar fi sistemele si materialele de fabricatie, au fost la rândul lor cruciale în dezvoltarea sistemelor RP. Desi termenul de prototipare rapida se aplica la început tehnologiilor prin depunere de material, tot mai multi autori folosesc denumirea de SRP (Subtractive Rapid Prototyping), incluzând în aceasta categorie si frezarea.

SRP (Subtractive Rapid Prototyping) este un proces de transformare a modelelor geometrice digitale într-un obiect fizic. Termenul „subtractiv” sugereaza prelevare de material în timpul procesului. Aceasta este tocmai ceea ce face prototiparea rapida CNC. Orice model CAD, CAM poate fi îmbunatatit. Subtractive Rapid Prototyping (SRP) este un proces în care obtinerea prototipului sau a piesei fabricate se realizeaza cu costuri scazute. Modelul digital este remodelat si transformat într-un obiect fizic care poate fi tinut în mâna.

Un proces de prototipare poate fi numit prototipare rapida daca:

„Rapid” trebuie înteles în opozitie cu realizarea manuala a unei piese prototip, lucru care, în general vorbind, ar necesita mai multe saptamâni. Aceasta definitie nu include meseriasii abili, care pot realiza un model din spuma, manual, în sa zicem 10 minute (literar vorbind, prototipare rapida într-adevar!). Aspectul important este ca nu conteaza tipul de proces implicat: sunt cuprinse aici tehnici incrementale (LMT = Tehnica de Fabricare Stratificata), ca si decrementale (CNC = prelucrare Numerica Controlata).

Aplicatia curenta de baza a sistemelor RP consta în reducerea timpului în care un produs nou este (aproape) terminat: chiar înainte de a face cheltuielile ample legate de crearea echipamentelor de fabricatie. Testarea unei piese prototip complet functionala în acest moment ofera oportunitatea localizarii greselilor de proiectare si corectarii lor în conditiile în care costurile schimbarii sunt înca mici, greseli care se poate sa fi ramas neobservate la testarea numai a modelului CAD 3D. Acest test de preproductie este vital: în multe cazuri se realizeaza chiar si o serie limitata de piese prototip în scopuri de testare folosind un proces de prelucrare rapida.

Deoarece aceasta testare de preproductie constituie aplicatia de baza curenta a RP, cei mai multi producatori de sisteme RP de pâna acum s-au concentrat pe dezvoltarea sistemelor RP sofisticate necesare. Totusi, în ultimii ani s-a observat o divergenta între aceste masini pretentioase si un tip nou de masini RP: Modelatoarele de Concept (Throup, 1996; Wohlers, 1997).

Un sistem de Prototipare Rapida poate fi denumit Modelator de concept daca:

Un sistem complet costa mai putin de 10 000 USD (costul cel mai mic este de aproximativ 3 000 USD); piesa prototip poate fi gata în 10 minute (când se alege o precizie redusa si un material usor cum este spuma). Utilizarea prelucrarii CNC pentru crearea de piese prototip este desigur binecunoscuta, cu toate acestea pâna de curând aceasta tehnica nu era tocmai rapida. Problema principala era calcularea traiectoriilor de prelucrare, pentru care era necesar un operator experimentat al programului de calculator CAM. Acest proces ar implica aplicarea mai multor straturi de suprafata, precum si crearea si verificarea traiectoriilor de prelucrare pentru fiecare suprafata separata, lucru ce ar lua mai multe ore (Wall, 1992).

În trecut, abordarea CNC nu era potrivita pentru modelarea conceptuala, datorita investitiilor mari necesare pentru masina si pentru programul de calculator. Ambele probleme au fost rezolvate, iar acum CNC ofera posibilitati de modelare conceptuala ce sunt în fapt superioare LMT. O a patra caracteristica este costul redus al programului, care îl face nimerit pentru Modelarea Conceptuala. Si în ceea ce priveste masina, lucrurile s-au schimbat: se gaseste acum o noua generatie de masini de prelucrare CNC, cu cost redus, pentru birou. Deoarece tehnica de baza pentru CNC este mai simpla decât cea pentru LMT, preturile acestor masini de prelucrat sunt mult mai mici. Suficient de mici pentru a „cumpara pur si simplu una”. Un avantaj important al utilizarii unui sistem CNC pentru modelarea de concept este faptul ca nu sunt necesare imagini tridimensionale veritabile (modele tridimensionale CAD - solide). Asta spre deosebire de sistemele LMT, care nu pot functiona cu solide incomplete. În faza de proiectare conceptuala în cele mai multe cazuri se folosesc modele CAD 3D simple, constând de exemplu numai din suprafete.

Unele birouri de proiectare folosesc chiar programe simple de calculator CAD speciale pentru proiectare conceptuala, care nu sunt capabile cu o modelare solida (tridimensionala) veritabila. Este un lucru cunoscut utilizatorilor CAD experimentati ca, trecerea la o imagine solida veritabila (fara taieturi, goluri, suprafete duplicate, etc.) nu este usoara si poate lua defapt câteva zile.

NOTIUNI LEGATE DE PIESA PROTOTIP

Un prototip este o parte importanta si vitala a procesului de dezvoltare al unui produs. În orice practica de proiectare, cuvântul “prototip” nu este departe de lucrurile în care se implica proiectantii. Totusi, în proiectare, el înseamna deseori mai mult decât un simplu artefact. A fost utilizat adesea ca verb, spre exemplu, prototiparea unui proiect de motor pentru evaluarea tehnologiei, sau ca adjectiv, de exemplu, construirea unui tablou de circuite imprimate (PCB) prototip. Pentru a fi destul de general ca sa acopere toate aspectele semnificatiei cuvântului „prototip” legate de utilizarea sa în proiectare, este definit foarte pe larg aici ca: „o aproximare a unui produs (sau sistem) sau a componentelor sale într-o anumita forma, pentru un scop precis în aplicarea sa”.

Aceasta definitie foarte generala se îndeparteaza de conceptul general acceptat al prototipului fizic. Ea cuprinde toate tipurile de prototipuri utilizate în procesul de dezvoltare al produsului, inclusiv obiectele de genul modelelor matematice, schitelor în creion, modelelor de spuma si desigur aproximarea fizica functionala a produsului. Prototiparea este procesul de realizare a acestor prototipuri. Aici, procesul poate varia de la simpla executare a unui program de calculator la construirea efectiva a unui prototip functional.

Diferite clasificari ale prototipurilor au fost incluse în numeroase lucrari. Definitia generala a prototipului contine trei aspecte de interes:

Aspectul de implementare al prototipului acopera domeniul de prototipare al întregului produs (sau sistem) la prototiparea unei parti, subansamblu sau componente ale produsului.

Al doilea aspect, al formei prototipului, tine seama de prototipul ce este pus în practica. Prototipurile virtuale, ce se refera la prototipuri intangibile, sunt reprezentate de obicei într-o anumita forma nefizica, de exemplu, un model matematic al unui sistem de control. Astfel de prototipuri sunt de obicei studiate si analizate.

Un astfel de prototip se foloseste adesea, fie când prototipul fizic este prea mare si de aceea necesita prea mult timp sa fie construit, fie când realizarea unui anumit prototip este exorbitant de scumpa. Principalul dezavantaj al acestor tipuri de prototipuri este ca se bazeaza pe întelegerea curenta si de aceea ele nu vor putea prevedea niciun fenomen neasteptat. Ele sunt foarte slabe sau total nepotrivite pentru solutionarea problemelor neanticipate. Modelul fizic, pe de alta parte, este manifestarea tangibila a produsului, construit de obicei pentru testare si experimentare. Exemple de astfel de prototipuri includ macheta unui telefon celular ce arata si este perceputa fizic în mare masura ca produsul real, însa fara functiile sale specifice. Un prototip de felul acesta poate fi folosit doar pentru evaluarea factorilor estetic si uman.

Al treilea aspect acopera gradul de aproximare al reprezentativitatii prototipului. Pe de o parte, modelul poate fi o reprezentare foarte aproximativa o produsului dorit, cum ar fi un model din spuma, folosit cu precadere la studierea formei generale si dimensiunilor produsului în faza sa initiala de dezvoltare. Unele prototipuri brute pot nici macar sa nu arate ca produsul final, însa sunt folosite pentru a testa si studia anumite probleme ale dezvoltarii produsului.

Clientilor le place deseori sa vada si sa atinga o piesa prototip a partii actuale înainte de a o achizitiona. Acest lucru este adevarat mai ales când e vorba de o activitate de productie în masa, cum ar fi matritarea prin injectie, extruziunea sau matritarea prin rotatie. Motivul este evident. Întrucât matritele si stantele sunt destul de scumpe, nimeni nu vrea sa investeasca într-un produs a carui finalizare este incerta. Astfel, este esential sa construiesti mai întâi o piesa prototip pentru clientul tau. În functie de marime, forma si material, costurile pentru produsul de încercare vor varia. Schimbarile pot fi facute foarte usor, iar costul este avantajos în aceasta etapa a dezvoltarii. Nu este întotdeauna posibil sa schimbi matrita de injectat. Este fezabil, dar de cele mai multe ori, este foarte scump. Un alt avantaj al piesei prototip este ca atât creatorul acestuia cât si clientul pot lua parte la realizarea si încercarea într-o situatie reala a acesteia. Modificarile necesare pot fi facute pâna când amândoi sunt multumiti de acel produs. Abia atunci poate începe productia cu încrederea de a sti ca partile vor functiona.

Partea delicata în construirea unei piese prototip (PP) este sa o faci sa semene cât mai mult posibil cu produsul final si destul de rezistent pentru a se potrivi aplica?iei. Unele produse pot fi prea mari fata de PP, în marime reala, si atunci o PP în marime redusa ar putea fi o solutie (bineînteles, cu acordul clientului). Aceasta va oferi o imagine despre functionarea si comportamentul produsului final. Se pot gasi modele pentru toate cladirile cu conducte, rezervoare si masini, containere speciale cu anumite functii, capace cu forme speciale, mobilier, componente de automobile si asa mai departe. Subiectul PP este foarte vast si nu cunoaste aproape nici o limita. Dupa cum am mentionat la început, toate produsele pentru productia de masa trebuie sa aiba mai întâi o PP pentru a economisi bani si nervi. Asadar, care este cel mai bun mod pentru a crea o PP? Mai întâi trebuie ascultat clientul pentru a-i întelege nevoile. Uneori va fi necesar sa se faca modificari în proiectul original pentru a se putea produce produsul. Alegerea materialului potrivit care se va comporta bine în functiune este, de asemenea, important. În aceasta etapa este nevoie de multe consultari. Nu trebuie începuta construirea primei PP pâna când nu este finalizat proiectul si materialul. Crearea PP pentru productia de masa este un pas foarte important pentru a fi orientat mai mult catre client si catre costuri eficiente. De asemenea, este o piata buna de achizitionat. Cu cât este mai buna PP, cu atât mai repede se poate face produsul final. Cheia pentru a produce PP bune este sa întelegi nevoile clientului, sa cunosti diferitele aplicatii ale produsului si sa cunosti materialele plastice si cum se lucreaza cu ele.

Proiectarea este o chestiune de echilibru: greutate vs. rezistenta, cost vs. calitate, viteza vs. acuratete, etc. În timp ce dezvoltarea progreseaza, prototipul este o parte esentiala a procesului de echilibrare si reprezinta designerul cu alegerile sale. Tehnologia de proiectare a produsului ce urmeaza a fi injectat ofera o varietate de optiuni. Prototiparea rapida (RP) include stereolitografia, sinterizarea selectiva cu laser, modelarea cu depunere fuzionata, fabricarea prin laminare a obiectului si tiparirea tridimensionala. Fiecare dintre aceste tehnici construieste una câte una, de la modelele 3D-CAD, unind straturile materialului pentru a crea prototipul finalizat.

Fabricatia rapida (Rapid Tooling - RT) foloseste prototiparea rapida pentru a crea initial modelul si apoi pe baza acestuia se poate realiza matrita în care pot fi facute modificari suplimentare. Materialele matritei pot varia de la cauciuc silicon la compusi. În sfârsit, exista si o matritare prin injectie traditionala, care este folosita în primul rând pentru productie, dar ar putea fi folosita usor si pentru a crea PP. Prototiparea rapida este cea mai rapida metoda si poate produce forme foarte complexe, fara nici un cost suplimentar privind sculele, poate fi necostisitoare atât timp cât este nevoie numai de câteva piese. Oricum, RP nu ofera nicio economie din punct de vedere al complexitatii modelului ce se doreste a fi obtinut, iar costurile sale cresc rapid odata cu cantitatea. Piesele pot fi facute numai dintr-o gama limitata de materiale si în mod tipic nu sunt finisate. Fabricatia rapida poate produce uneori parti de o calitate mai buna decât prototiparea rapida, desi alegerea materialelor este oarecum limitata. De asemenea, este si mai lenta si mai costisitoare datorita pasului suplimentar pentru a crea o scula din prototipul original. Nevoia de a crea matrite mareste costurile si poate limita complexitatea formelor care pot fi efectiv duplicate. Matri?area prin injectie rapida foloseste matrite din metal pentru a produce piese cu adevarat functionale, cu un finisaj bun si într-o mare varietate de rasini. Este similara cu matri?area prin injectie traditionala (desi cu mult mai rapida si mai putin costisitoare). Este competitiva cu fabricatia rapida din punct de vedere a vitezei de lucru si ofera economisiri mai bune decât prototiparea rapida sau fabricatia rapida. Matri?area prin injectie traditionala poate produce cea mai complexa si finisata piesa, dar este considerata, în general, prea lenta si costisitoare pentru PP, desi poate fi folosita atunci când este foarte posibil ca matritele vor intra direct în productia de masa.

Caracteristicile unei PP cuprind calitatea, costul si viteza cu care este facuta. Calitatea impusa unei PP poate varia în mare masura. În etapele de proiectare anterioare, asemanarea cu o parte produsa poate fi aproximativa, dar pe masura ce procesul se îndreapta catre sfârsit, PP trebuie sa fie si mai adecvata partii finalizate. Exista doua masuri ale calitatii. Prima este forma si potrivirea în forma, marime, finisare si, chiar, culoare. Cealalta este adecvarea din punct de vedere functional, în rezistenta, durabilitate, rezistenta chimica, toleranta la caldura si altele de acest gen. Evident, nu exista o singura alegere buna pentru toate nevoile. Prototiparea rapida, spre exemplu, poate fi o alegere buna pentru determinarea rapida a formei si corespondentei, dar, în general, produce parti slabe pentru testarea functionala. Matri?area prin injectie rapida, pe de alta parte, este oarecum mai costisitoare, dar produce PP ideale pentru testarea functionala. Multi designeri dezvolta o „trusa de scule” pentru metode de a face prototipuri, alegând o tehnologie specifica care corespunde nevoilor unui proiect sau unei anumite etape dintr-un proiect. Acest lucru le permite sa aloce resurse, folosind banii economisiti într-o etapa pentru a grabi operatiunile în alta etapa. Aceste PP scoase rapid si cu bani relativ putini pot fi utilizate pentru a ajusta imaginea si impresia pe care o lasa piesa. Odata ce a fost determinata o imagine aproximativa, designerii pot sa o duca la testarea functionala, folosind matri?area prin injectie rapida pentru a produce câteva sute de piese. Întrucât aceste piese pot fi produse rapid în oricare din sutele de rasini, ele sunt ideale pentru a testa rezistenta, durabilitatea, rezistenta chimica si toleranta la caldura a unei piese în utilizarea reala sau simulata. Daca este dorita o anumita rasina, pot fi refolosite aceleasi matri?ari prin injectie rapida pentru a produce piesa dintr-un material diferit. Sau, daca sunt depistate erori chiar în proiect, pot fi produse rapid noi matrite. În unele cazuri, matri?arile prin injectie rapide pot fi utilizate chiar pentru a produce functionari mai lungi pentru testarea pe piata.

Daca PP trece testul, matri?ele din otel, traditionale, pot fi cerute pentru derularea productiei finale. În unele cazuri, matritele din aluminiu create pentru matri?area prin injectie rapida pot fi utilizate ca o unealta punte pentru productia preliminara, în timp ce sunt produse matritele din otel. Sau, daca derularea productiei finale nu este prea mare, sau daca timpul pentru vânzare este critic, matritele din aluminiu pot deveni de fapt, matrite de productie. În alegerea metodelor de a face PP, trebuie sa se defineasca atât conditiile tehnice, cât si constrângerile afacerii. Daca forma si adecvarea constituie prioritati, atunci unele optiuni de prototipare rapida sau fabricatie rapida vor functiona întocmai ca si matri?area prin injectie rapida. Daca sunt necesare piese pentru testarea functionala, limitarile materialelor pentru prototipare rapida si fabricatie rapida pot fi o problema. Modelarea prin injectie, rapida sau altfel, ajuta mai mult rasinile care vor fi utilizate în productie. Daca sunt necesare mai putin de 10 produse, prototiparea rapida va fi mai avantajoasa decât matri?area prin injectie rapida sau fabricatia rapida. Între 10 si 100 de produse, o alegere mai buna poate fi matri?area prin injectie rapida sau fabricatie rapida. Pentru piese, care trebuie realizate în mai putin de trei zile, singura alegere poate fi prototiparea rapida. Daca se poate astepta între trei zile si doua saptamâni, cea mai buna solutie o constituie matri?area prin injectie rapida sau fabricatia rapida.

În cazul în care sunt necesare mai mult de 10 000 de produse, cel mai bun pariu îl reprezinta matri?area prin injectie traditionala. Având o gama larga de optiuni în trusa de scule, se poate da o linie aerodinamica procesului de proiectare. Metoda adecvata în etapa potrivita a dezvoltarii economiseste timp si bani, permitând mai multe (sau mai eficiente) emiteri. Banii economisiti pot fi realocati, timpul economisit aduce produsele mai repede pe piata, iar PP mai bune înseamna produse finale mai bune. Pe piata concurentiala de azi, mai rapid, mai bun, mai ieftin este o combinatie foarte greu de depasit.

TEHNICI DE SCANARE PENTRU PIESE INJECTATE DIN MATERIALE PLASTICE

În cadrul tehnicilor de Reverse Engineering un rol aparte revine tehnicilor de scanare ?i a celor de prototipare rapida, chiar daca o procedura de R.E. nu presupune obligatoriu realizarea fizica a prototipului prin R.E. În cele ce urmeaza se prezinta specificul ?i elementele esen?iale ale celor doua tehnici (respectiv a echipamentelor aferente) care vor fi utilizate în cadrul cercetarilor efectuate. Scanerul 3D analizeaza un obiect din lumea reala sau o suprafata din mediul înconjurator pentru a colectiona date despre forma si înfatisarea (culoarea) obiectului. Datele colectionate sunt apoi folosite pentru construirea unui model digital tridimensional în programe cunoscute ca: Autocad, Catia, Solid Works, Pro Enginneer, Surf Cam, 3D Studio Max.

Aici editarea obiectului digital tridimensional poate fi împinsa la maxim, în functie de cerinte si imaginatie. Informatia digitala este exportata în formate standard: STL, DXF, DWG, STEP, IGES.

Materialele tipice care pot fi digitizate includ: piatra, ceramica, sticla, metalul, lemnul, plasticul, cauciucul si lutul. Rezultate comunicate

Chiar daca sunt destinate copierii sau controlului geometric, sau mai degraba realizarii modelelor geometrice virtuale sau realizarii produselor, se disting 2 grupe de tehnologii:

Pentru a îndeplini cerintele actuale ale productiei globale, companiile se concentreaza asupra metodelor lor, adoptând noi tehnici si cautând noi metode de a eficientiza productia si costurile. Printre recentele descoperiri tehnologice, exista un real interes în scanarea laser, care este si rapida si usor disponibila. Companiile cauta tehnica de scanare ca un potential instrument pentru cresterea productivitatii si pentru rezolvarea unor chestiuni în legatura cu nevoia de a crea un fisier 3D digital pentru un obiect, acolo unde acesta nu a existat înainte. Scanând o piesa 3D si trimitând aceasta scanare unor programe de software sau prototyping ofera nu numai avantajul reducerii timpului necesar acestei sarcini, dar si economii. Reproducerea unui obiect prin proiectarea traditionala CAD si apoi introducerea în calculator este dificila, si de obicei, rezultatul nu se potriveste cu originalul. Mai mult de ľ din companii depind de sistemele vizuale pentru a-i ajuta sa-si realizeze designul produselor. Aceasta noua tehnologie îngaduie firmelor mari si mici sa-si realizeze anumite probleme legate de computerizare, probleme care sunt extrem de importante în ceea ce priveste latura lor competitiva. Scanarea laser poate oferi o diferenta masurabila, pentru o calitate marita si pentru accelerarea timpului necesar producerii lor, în timp ce costurile noilor produse se reduc considerabil. Scanarea laser este realizata utilizând un dispozitiv laser care colecteaza un sir de date.

Cea mai comuna metoda pentru achizitia unui sir de date este triangulatia optica. Sirul de date este produs prin plasarea unei valori pe o retea regulata provenita de pe o suprafata a obiectului. Apoi, prin conectarea elementelor triangulare cu cei mai apropiati vecini se creaza o imagine. În general senzorii 1D sau 2D sunt miscati liniar de-a lungul obiectului sau circular în jurul sau. Cum acestia nu dau suficiente informatii pentru a reconstrui întregul obiect ce trebuie scanat, trebuiesc facute mai multe treceri din orientari diferite. Sunt necesari algoritmi speciali pentru a transforma un sir de imagini multiple într-o singura descriere a suprafetei. Desi aceasta tehnologie a fost folosita de peste 20 de ani, recenta descoperire a senzorilor de imagine stabili, precum CCD si fotodiodele cu efect lateral, au marit viteza si precizia sa. Exista diferite tipuri de scanere care realizeaza acest lucru: diferentele primare se gasesc în structura iluminatului, dimensiunea senzorului (un aranjament liniar de CCD), si metodele de scanare (mutarea obiectului sau mutarea scanerului). Unul dintre beneficiile cele mai importante ale scanarii 3D este marirea vitezei cu care poate fi reprodus un prototip. Metodele traditionale (masurare cu subler, micrometru), cer ca obiectul sa fie masurat si redesenat într-un program CAD. Acest lucru ia mult timp, formele organice fiind aproape imposibil de modelat prin utilizarea acestei metode. Scanarea laser este cea mai buna atunci când avem de-a face cu asemenea forme. Adesea, timpul necesar pâna la vinderea produselor poate decide evolutia noului produs. Este mult mai usor de a prezice viitorul când acesta este la câteva saptamâni distanta decât la câteva luni.

În multe cazuri timpul rezultat poate permite unui proiect de fabricare sa înceapa mai târziu. Aceasta înseamna ca companiile au timpul necesar de a lucra cu clientii lor mai mult timp în procesul de conceptie. Detaliile pot fi bine cercetate si necesitatile clientului întelese înainte de etapa de productie. Procesul de scanare si posteditare poate avea loc în doar 4-5 ore. Acest tip de economisire a timpului presupune ca companiile au abilitatea de a raspunde rapid schimbarilor pe piata. Si pentru ca tehnologia laser de scanare este relativ rapida ea este în general mai ieftina decât alte tipuri de scanare. S-au dezvoltat scanere care digitizeaza rapid corpul uman. Un alt avantaj pentru producatori, consta in faptul ca în multe cazuri codul G poate fi creat pentru frezarea CNC direct din date scanate sau dintr-un fisier STL fara a include etapa producerii unui model cu suprafete NURB. Aceasta înseamna ca un prototip poate fi facut si aprobat, scanat, urmat apoi de realizarea matritei care poate fi facuta usor si rapid, toate acestea într-o singura zi. Datele scanate pot fi translatate oricaror formate de fisier : DXF, OBJ, 3D Studio Max, IGES, ASCII si STL.

Verificarea produselor este un alt exemplu al beneficiilor scanarii. Dupa ce un produs a fost realizat, el poate fi scanat si datele rezultate comparate cu modelele geometrice CAD. Deviatiile fata de modelul geometric initial pot fi determinate precis. O alta utilizare pentru scanare, este inspectia periodica a unor piese, pentru a analiza cât de apropiat este produsul fata de original. Aceasta îngaduie un control al calitatii îmbunatatit si ajuta la detectarea greselilor din procesul de fabricare. Un alt avantaj care nu este atât de evident, dar care poate avea un mare efect asupra unei companii, este ca odata ce obiectul se afla în calculator ideile complexe pot fi aplicate usor si precis. În ziua de azi procesele de fabricatie se desfasoara în mai multe filiale a unei companii din diferite locatii de pe glob. Clientul si procesul de design se pot afla într-un loc în timp ce fabricarea se desfasoara în altul. Efectul sinergetic de a avea mai multi oameni colaborând la dezvoltarea unei idei ajuta la realizarea scopului designerului si procesului de fabricare. Odata ce un prototip a fost scanat, ingineria, analiza, controlul calitatii si alte functii care de obicei aveau loc consecutiv pot avea loc în mod concurent înainte de a trimite respectivul produs spre fabricare. Toate partile implicate în proiect pot lucra din acelasi fisier digital. Rezultatul este un ciclu de dezvoltare micsorat care îmbunatateste performantele produsului si o mai mare flexibilitate la fiecare nivel.

În ceea ce priveste aceasta tehnologie, pentru utilizarea ei în industria de consum este important de stiut modul în care este adunata informatia si care sunt avantajele si limitele ei. Exista mai multe variabile care afecteaza laserul si implicit calitatea informatiei. Reflectanta suprafetei, culoarea obiectului, degajarile, deschiderile înguste si muchiile ascutite pot fi dificil de scanat.

Alte lucruri de luat în considerare sunt plasarea obiectului în relatie cu scanerul si experienta operatorului. Aceste consideratii trebuie luate în seama împreuna cu echipamentul adecvat si experienta operatorului. Experienta operatorului este un factor critic la scanarea cu laser. Operatorul trebuie sa urmareasca anumite etape si sa aiba capacitatea de a prezice cum va reactiona laserul. Scanarile individuale trebuiesc facute cu grija înainte de obtinerea unor date acceptabile si de înlaturare a datelor neacceptabile. Si operatorul trebuie sa aiba o idee clara despre felul în care functioneaza laserul. Distanta de la obiect la scaner si culoarea obiectului pot afecta laserul. De mai bine de 20 de ani termenul de „digitizare 3D” a aratat lumii posibilitatile de conceptie virtuala, simulare sau reverse engineering. Numerosi cercetatori au avansat, mai mult sau mai putin spre inteligen?a artificiala, permitându-ne astfel regasirea „reflexelor umane” pe instrumentele noastre, acum familiare, care sunt sistemele informatice. Pe acest teren numeroase tehnologii cu o mai mare sau mai scazuta precizie, flexibilitate sau rapiditate converg spre un singur obiectiv : achizitia si modelarea 3D.

O definitie simplificata precizeaza ca achizitia se realizeaza printr-o interfata materiala, cu ajutorul palpatoarelor cu senzori, si modelarea printr-o interfata „soft” cu ajutorul algoritmilor. Digitizarea sau numerizarea 3D consta în recuperarea dintr-un mediu informatic a unei imagini numerice a unui obiect. În aceste zile, 5 mari familii de aplicatii se disting în procedeele de digitizare-numerizare :

Pe plan tehnic, majoritatea instrumentelor de digitizare a formelor folosesc principii elementare de trigonometrie ?i triangulatie pentru determinarea coordonatelor unui punct în spatiu.

Structura si principiul de functionare al unui palpator cu contact Palpatorul este constituit dintr-o parte fixa legata de carterul palpatorului, o parte mobila si un arc, asa cum se arata si în figura 3.4. Partea fixa cuprinde o bucsa în care sunt trei perechi de bile pozitionate la 1200 si legate printr-un circuit electric. Partea mobila cuprinde un palpator montat pe un tripod ale carui brate sunt cilindrii. Cum acesti cilindrii sunt asezati pe perechile de bile, legatura dintre partea mobila si cea fixa este o legatura încastrata izostatic. Ea este mentinuta de catre arc. Motivul izostatismului acestei legaturi consta în faptul ca daca un efort de contact se exercita asupra bilei de palpare, eforturile rezistente pe cele 6 puncte de sprijin variaza rapid pâna la desprinderea unuia dintre punctele de sprijin. Circuitul electric trecând prin 6 puncte de sprijin montate în serie este astfel deschis si interfata este capabila sa detecteze aceasta deschidere printr-o crestere a impedantei circuitului electric.

Atunci când efortul de contact dintre bila si suprafata palpata este suprimat, repunerea în pozitie a partii mobile în raport cu partea fixa beneficiaza de o repetabilitate excelenta a carei eroare indusa este neglijabila vis a vis de alte cauze ce produc erori. Acest lucru este adevarat atunci când palpatorul este în stare buna, adica atunci când suprafetele de contact sfera-cilindru nu au fost deteriorate datorita unui soc.

Senzorii cu contact sunt standard pe masinile de masurat tipice. În ceea ce priveste abilitatea de a masura caracteristici geometrice 3D pentru localizare, marime si forma, tehnologia cu senzor cu contact este dovedita viabila de-a lungul unui numar mare de aplicatii metrologice. Multe fabricari sunt mai confortabile cu tehnologia cu senzori cu contact deoarece este foarte asemanatoare masurarii. Si abilitatile masurarii cu contact avanseaza continuu.

Palpatori fara contact:
- palpator laser;
- palpator optic.

Senzorii cu laser noncontact si cei vizuali s-au dezvoltat ca si alternativa pentru înlocuirea celor cu contact, unde contactul fizic nu este posibil în cazul suprafetelor fine sau finisate delicat, superfinisate sau cu asperitati mari si cele cu muchii ascutite. Senzorii cu laser au de asemenea posibilitatea de a masura suprafete finisate. Sistemele cu camera video sunt folosite în cazurile în care ceilalti senzori nu pot fi folositi, precum masurarea razelor microscopice cum ar fi gaurile cu diametre mai mici de 1 mm care pot fi usor deformate elastic sau au caracteristici moi. O masina de masurat cu camera video poate creste semnificativ viteza masurarii unor repere care în alte conditii ar necesita consum de timp, pozitionare precisa, sau în cazurile caracteristicilor multiple si mici sau ansamblurilor mici care pot fi vizualizate în acelasi timp. Într-o lume perfecta, sau într-un mediu de productie integrat, sistemele metrologice ar fi capabile sa masoare toti parametri necesari într-o singura etapa, fara erori, si sa redea rezultatele în acelasi fel catre retelele de fabricare dotate cu calculatoare, în formate folositoare pentru controlul masinilor si managementul proceselor.

Un aspect al acestei viziuni utopice este abilitatea unui instrument automat de a masura o piesa, sau o familie de piese într-o singura etapa. Aceasta viziune este ceea ce a condus la cresterea folosirii masinilor de masurat în coordonate, si acum, din ce în ce mai mult spre folosirea masinilor de masurat cu mai multi senzori. Masinile de masurat cu mai multi senzori pot fi numitorul comun în aceasta ecuatie. Masinile de masurat pot combina mai multi senzori, inclusiv palpatori cu contact si fara contact, care conduc la entitati 3D prin achizitie de puncte si senzori vizuali ce sunt capabili sa faca masurari de toate tipurile. Masina de masurat are abilitatea de a lucra în proximitatea procesului de fabricatie. Daca masinile de masurat sunt deja în uz, actionarea capacitatii multisenzor poate fi mai usoara, mai ieftina si sa ofere mai multa functionalitate decât s-ar crede. Daca profilul aplicatiei o justifica, si configuratia masinii de masurat o îngaduie, senzorul si pachetul de soft pot fi înlocuite cu abilitatile multisenzor.

În industrie, achizitia de forme se adreseaza reverse engineering-ului sau reconceptiei, care permite crearea unui model numeric al unui obiect în scopul realizarii unui prototip sau a unei scule de fabricare (exportul datelor achizitionate spre un soft CAD). Nu se poate ignora importanta instrumentelor de achizitie care sunt senzorii cu laser, optici, ultrasonici sau video. Interventiile în lantul de achizitie (senzori, sisteme integrate sau autonome) sunt într-o evolutie constanta înca de la aparitia universului tridimensional virtual. Fiabilitatea, precizia, usurinta integrarii si costurile sunt factorii importanti care necesita ameliorare si suport „soft”, din ce în ce mai inteligent permitând o automatizare a calcului si expresiei rezultatelor în termeni imediat utilizabili (nori de puncte, reconstructia suprafetelor poligonale, export direct spre instrumente de CFAC sau masini de prototipare).

Înainte de a obtine un rezultat optim cu o tehnologie particulara, este primordial a se asigura ca „senzorul de achizitie” corespunde cu aplicatia. Trebuie sa se ia în considerare criterii de precizie, de rezolutie, de rapiditate a achizitiei, de rapiditate a masurarii, de gradele de libertate sau de configuratia adecvata si de repetabilitatea procesului. Precizia globala a unui sistem de achizitie 3D depinde înainte de toate de precizia senzorului si de dispozitivul de achizitie (achizitie cu contact) sau structura de achizitie (achizitie fara contact). Aceasta precizie poate varia de la micron la milimetru si marimea achizitiei de la câteva puncte la câteva mii de puncte pe secunda.

Exista o varietate de tehnologii pentru achizitionarea digitala a formei unui obiect 3D. O clasificare bine stabilita le împarte în doua tipuri: scanere de contact si non-contact. Acestea din urma pot fi împartite în doua categorii principale, scanere active si scanere pasive.

Scanerele 3D cu contact cerceteaza atent obiectul prin atingerea fizica. O CMM (masina coordonata de masurat) este un exemplu de un scanner 3D de contact. Este folosita mai ales în fabricare si poate fi foarte precisa. Dezavantajul CMM-urilor este faptul ca trebuie sa ia contact direct cu obiectul scanat. Astfel, actul de scanare al obiectului s-ar putea modifica sau deteriora. Acest fapt este foarte important atunci când se scaneaza obiecte delicate sau de valoare, cum ar fi artefacte istorice. Un alt dezavantaj al CMM este faptul ca sunt relativ lente în comparatie cu alte metode de scanare. Deplasând fizic bratul pentru ca sonda sa fie montata poate fi foarte lent, iar cea mai rapida CMM poate functiona doar pe câteva sute de hertzi. În contrast, un sistem optic, ca de exemplu un scanner laser poate functiona de la 10 la 500 kHz.

Scanerul timp-de-zbor 3D cu laser este un scanner activ care foloseste lumina laser pentru a sonda obiectul. În centrul acestui tip de scanner se gaseste un telemetru cu laser. Acesta depisteaza distanta suprafetei cronometrând timpul dus-întors al unei raze de lumina. Un laser este folosit pentru a emite un impuls de lumina si o cantitate de timp, înainte ca lumina reflectata sa fie vazuta de catre un detector de timp. Deoarece viteza luminii c este cunoscuta, timpul dus-întors determina distanta de deplasare a luminii, care este de doua ori distanta dintre scanner si suprafata. Daca t este timpul dus-întors, atunci distanta este egala cu ( c • t ) / 2. Exactitatea scanerului 3D timp-de-zbor depinde de cât de precis putem masura timpul; t: 3.3 picosecunde (aproximativ) este timpul necesar luminii pentru a calatori 1 mm.

Telemetrul cu laser detecteaza numai distanta unui punct în directia sa de vedere. Astfel, scanerul scaneaza întregul domeniu vizual al unui punct situat la un moment dat prin schimbarea de directie. Acesta scaneaza diferite puncte. Directia de vedere a telemtrului cu laser poate fi schimbata fie prin rotirea acestuia, fie prin utilizarea unui sistem de oglinzi rotative. Metoda din urma este des folosita deoarece oglinzile sunt mult mai usoare si pot fi rotite mult mai repede si cu o precizie mult mai mare. Scanerul 3D timp-de-zbor cu laser poate masura distanta a 10.000 – 100.000 de puncte pe secunda. Acest dispozitiv este de asemenea disponibil într-o configuratie 2D, numindu-se camera timp-de-zbor.

Scanerele 3D laser de triangulatie sunt, de asemenea, scanere active care utilizeaza lumina laser pentru a sonda mediul. În ceea ce priveste scanerul 3D cu laser timp-de-zbor, scanerul de triangulatie aprinde un laser pe subiect si exploateaza o camera pentru a cauta locatia laserului. În functie de cât de departe loveste laserul o suprafata, capatul laserului apare în locuri diferite în câmpul de vedere al camerei. Aceasta tehnica se numeste triangulatie, deoarece capatul laserului, aparatul de fotografiat si emitatorul formeaza un triunghi. Lungimea unei parti a triunghiului si distanta dintre aparatul foto si emitatorul laser sunt cunoscute. Unghiul de colt al emitatorului laser este, de asemenea, cunoscut. Unghiul coltului camerei poate fi determinat prin examinarea la locul capatului laserului în domeniul vizual. Aceste trei bucati de informatie stabilesc pe deplin forma si dimensiunea triunghiului si ofera locatia coltului capatului laserului a triunghiului. În majoritatea cazurilor, o banda cu laser, în loc de un singur punct, este maturat pe obiect pentru a accelera procesul de achizitie. Consiliul National de Cercetare din Canada a fost printre primele institutii care au dezvoltat tehnologia cu laser de triangulatie pe baza de scanare în 1978.

Scanerele timp-de-zbor si de triangulatie au fiecare puncte forte si puncte slabe care le fac potrivite pentru diferite situatii. Avantajul primelor scanere mentionate este ca acestea sunt capabile sa functioneze la distante foarte lungi, chiar si la ordinea de kilometri. Acestea sunt astfel potrivite pentru scanarea structurilor mari, cum ar fi cladirile sau caracteristicile geografice. Un dezavantaj ar fi exactitatea acestora. Datorita vitezei mari a luminii, durata de timp dus-întors este dificil de aflat si precizia de masurare a distantei este relativ scazuta, cu privire la ordinea de milimetri. Pe de alta parte, scanere cu laser de triangulatie sunt exact opuse. Acestea au o gama limitata, de câtiva metri, dar precizia lor este relativ mare, de ordinul a zeci de micrometri. Precizia scanerelor timp-de-zbor poate fi pierduta în cazul în care laserul loveste marginea unui obiect, deoarece informatiile pe care este trimis înapoi la scanner sunt din doua locatii diferite pentru doar o raza laser. Coordonarea relativa pentru pozitia scanerelor referitoare la un punct care a lovit marginea unui obiect va fi calculata pe baza unei medii si, prin urmare, va pune punct în locul nepotrivit. Când se foloseste o scanare de înalta rezolutie pe un obiect, sansele de a lovi un fascicul de margine sunt crescute, iar datele rezultate vor aparea chiar în spatele marginilor obiectului. Scanerele cu latimea mica a fasciculelor vor ajuta la rezolvarea acestei probleme. Soft-ul poate ajuta, de asemenea, prin determinarea ca primul obiect care urmeaza sa fie lovit de raza laser ar trebui sa-l anuleze pe al doilea.

La o rata de puncte de esantionare 10.000 pe secunda, scanarea rezolutiei mici poate dura mai putin de o secunda, dar scanarile de înalta rezolutie , care necesita milioane de probe, poate dura câteva minute pentru anumite scanere timp-de-zbor. Problema este ca acest lucru creeaza distorsiuni de miscare. Din moment ce fiecarui punct ai este prelevat probe de la un alt moment, orice miscare în obiect sau scanner va denatura datele colectate. Astfel, este de obicei necesar pentru a monta atât obiectul, cât si scanerul pe platforme stabile si pentru a reduce vibratiile. Este foarte dificil de utilizat aceste scanere pentru a scana obiecte în miscare. Recent, au existat cercetari privind compensarea pentru denaturarea de la cantitati mici de vibratii. Atunci când se scaneaza într-o singura pozitie pentru orice perioada de timp poate aparea o circulatie usoara în scanner datorita schimbarilor de temperatura. În cazul în care scanerul este setat pe un trepied si nu exista lumina puternica a soarelui pe o parte a scanerului, acea parte se va extinde si va denatura încet datele de scanare dintr-o parte în alta. Unele scanere cu laser au compensator de nivel construit în ele pentru a contracara orice miscare a scanerului în timpul procesului de scanare.

Într-un sistem conoscopic, un fascicul laser este proiectat pe suprafata si reflectat imediat de-a lungul aceleiasi raze. Reflectiile se transmit printr-un cristal conoscopic si proiectate pe un CCD. Rezultatul este un model de difractie, care poate fi analizat de frecventa pentru a determina distanta pâna la suprafata masurata. Principalul avantaj cu holografie conoscopica este faptul ca drumul unei singure raze este necesara pentru masurare, oferind astfel o oportunitate pentru a masura, de exemplu, adâncimea unei gauri fin forate.

Scanerele de mâna cu laser ar crea o imagine 3D prin mecanismul descris mai sus, triangularea: un punct sau o linie este proiectata cu laser pe un obiect dintr-un dispozitiv portabil si un senzor masoara distanta la suprafata. Datele sunt colectate în raport cu un sistem de coordonate intern si, prin urmare, în cazul în care scanerul este în miscare, pozitia acestuia trebuie sa fie determinata. Aceasta se poate realiza cu ajutorul caracteristicilor de referinta de pe suprafata care se scaneaza (de obicei file adezive reflectorizante), sau prin utilizarea unei metode externe de urmarire, cum ar fi un tracker cu laser (pentru a oferi pozitia senzorului), un aparat foto integrat (pentru a determina orientarea scanerului) sau o solutie fotogametrice, folosind 3 sau mai multe camere. Ambele tehnici au tendinta de a folosi diode infrarosii de lumina atasate la scanner, care sunt vazute de camera foto prin filtre de furnizare a capacitatii de adaptare la lumina ambianta. Datele sunt colectate de un computer si înregistrate ca puncte de date în termen de spatiu tridimensional. Prin procesarea acestuia datele pot fi transformate într-o plasa triunghiulara, iar apoi într-un model de proiectare asistata de computer, de mai multe ori deoarece sunt suprafete neuniforme. Scanerele cu laser de mâna pot combina aceste date cu senzori pasivi si vizibili, care captureaza texturi de suprafata si culori pentru a construi (inginerie inversa) un model complet 3D.

Scanerele 3D cu lumina structurata proiecteaza un model de lumina pe subiect. Acesta poate fi unidimensional sau bidimensional. Un exemplu de model unidimensional este linia. Aceasta este proiectata pe subiect folosind un proiector LCD sau un laser de maturat. O camera, echilibrata putin de la proiectorul model, se uita la forma liniei si foloseste o tehnica similara cu triangulatia pentru a calcula distanta de la fiecare punct pe linie. În cazul unui model cu o singura linie, aceasta este maturata pe câmpul de vedere pentru a aduna informatii privind distanta de la o banda la un moment dat. Un exemplu de un model bidimensional este o retea sau un model cu mai multe linii. O camera este folosita pentru a urmari deformarea modelului, iar un algoritm este utilizat pentru a calcula distanta de la fiecare punct la model. Luati în considerare o serie de benzi verticale paralele cu laser care matura orizontal într-o tinta. În cel mai simplu caz, putem analiza o imagine si sa presupunem ca secventa de la stânga la dreapta de dungi reflecta succesiunea de lasere din matrice, astfel încât imaginea dungii din stânga sa fie primul laser, urmatoarea imagine sa fie a urmatorului laser si asa mai departe. În obiecte non-triviale care au gauri, ocluzii si schimbari rapide în profunzime, totusi, aceasta succesiune se întrerupe pentru ca dungile sunt adesea ascunse si pot aparea pentru a schimba ordinea, de unde rezulta ambiguitatea în banda laser. Aceasta problema poate fi rezolvata utilizând algoritmi de triangulare cu laser multistripe. Scanerele cu lumina structurata sunt înca un domeniu foarte activ de cercetare, cu multe lucrari publicate în fiecare an.

Avantajul scanerelor 3D cu lumina structurata este viteza. În loc de un singur punct de scanare la un moment dat, acestea scaneaza mai multe puncte, sau chiar întreg domeniul de vedere dintr-o data. Acest lucru reduce sau elimina problema de denaturare din miscare. Unele sisteme existente sunt capabile sa scaneze obiectele în miscare în timp real. Un scanner în timp real care foloseste o protectie digitala din franjuri si o tehnica în deplasare (o metoda variata de lumina structurata), a fost dezvoltat pentru a captura, reconstructiona si a reda detalii de înalta densitate ale unor obiecte dinamic deformabile (cum ar fi expresiile faciale), la 40 de cadre pe secunda. Recent, un alt scanner este în dezvoltare. Pot fi aplicate metode diferite asupra acestui sistem. Rata de cadre pentru capturarea si procesarea datelor atinge 120 de cadre pe secunda. Se pot scana de asemenea suprafete izolate, ca de exemplu doua mâini în miscare. Scanerele 3D care moduleaza lumina o aprinde în continua schimbare pe subiect. De obicei, sursa de lumina pur si simplu îsi misca amplitudinea într-un mod sinusoidal. O camera detecteaza lumina reflectata, iar valoarea modelului determina distanta parcursa de lumina. Lumina modulata, de asemenea, permite scanerului sa ignore lumina provenita din alte surse în afara de laser, pentru a nu exista nici un fel de interferente.

Tomografia computerizata este o metoda imagistica medicala, care genereaza o imagine tridimensionala a interiorului unui obiect dintr-o serie mare de imagini bidimensionale de raze X. În mod similar, imagistica prin rezonanta magnetica este o alta tehnica imagistica medicala, care ofera un contrast mult mai mare între diferite tesuturi moi ale corpului decât tomografia computerizata, ceea ce o face foarte utila în neurologie (creier), muschi si schelet, cardiovasculare si în imagistica oncologica (cancer). Aceste tehnici produc o reprezentare volumica discreta 3D, care poate fi vizualizata direct, manipulata sau transformata în suprafete traditionale 3D de catre valoarea medie a algoritmilor de extractie de la suprafata. Desi folosite frecvent în medicina, tomografia computerizata, microtomografia si RMN sunt, de asemenea, folosite în alte domenii pentru achizitionarea unei reprezentari digitale a unui obiect si a interiorului sau, cum ar fi testarea materialelor nedistructive, ingineria inversa sau studiul specimenelor biologie si paleontologice.

Scanerele pasive nu emit nici un fel de radiatii în sine, ci se bazeaza pe detectarea radiatiilor reflectate ambiental. Cele mai multe scanere de acest tip detecteaza lumina vizibila, deoarece aceasta este o radiatie accesibila ambientala. Alte tipuri de radiatii, cum ar fi radiatia infrarosie, ar putea fi, de asemenea, utilizate. Metodele pasive pot fi foarte ieftine, deoarece în majoritatea cazurilor acestea nu au nevoie de un hardware special, doar camere digitale simple.

Exista si alte metode care, bazate pe detectia asistata a utilizatorului si pe identificarea unor caracteristici si forme pe un set de imagini diferite ale unui obiect, sunt capabile de a construi o apropiere a obiectului în sine. Acest gen de tehnici sunt utile pentru a construi apropierea rapida a unor obiecte simple în forma de cladiri. Sunt disponibile diverse pachete comerciale, precum D-Sculptor, iModeller, ImageModeler Autodesk sau PhotoModeler. Acest tip de scanare 3D se bazeaza pe principiile fotogametriei. De asemenea, este oarecum similar în metodologia de fotografie panoramica, cu exceptia faptului ca fotografiile sunt luate de un obiect pe un spatiu tridimensional, în scopul de a se reproduce, în loc sa ia o serie de fotografii dintr-un punct într-un spatiu tridimensional, în scopul de a reproduce mediul înconjurator.

Norii de puncte produsi de scanerele 3D pot fi utilizati direct pentru masurarea si vizualizarea în lumea arhitecturii si a constructiilor. Cu toate acestea, cele mai multe aplicatii folosesc mai degraba modele poligonale 3D, modele de suprafata NURBS sau caractere editabile, bazate pe modelele CAD.

Într-o reprezentare de forma poligonala, o suprafata curbata este modelata ca mai multe suprafete mici place (gânditi-va la o sfera modelata ca o minge disco). Modelele poligon, numite de asemenea si modele Mesh, sunt utilizate pentru vizualizare, pentru CAM (de prelucrare), dar acestea sunt, în general, „grele” (de exemplu seturi foarte mari de date), si sunt relativ needitabile în aceasta forma. Reconstructia modelului poligonal implica gasirea si conectarea punctelor adiacente cu linii drepte, cu scopul de a crea o suprafata continua. Multe aplicatii sunt astfel disponibile (de exemplu MeshLab, kubit PointCloud pentru AutoCAD, CCC 3D Reconstructor, imagemodel, PolzWorks, Rapidform, Geomagic, Rhino, etc.).

Urmatorul nivel de sofisticare în modelare implica utilizarea unei suprafete curbate pentru a forma modelul nostru. Folosind NURBS, sfera noastra este o sfera cu adevarat matematica. Unele aplicatii ofera aspectul patch-urilor de mâna, dar cele mai bune ofera atât aspectul patch-urilor automate, cât si cel al patch-urilor manuale. Acestea au avantajul de a fi mai usoare si mai manevrabile atunci când sunt exportate în CAD. Modelele de suprafata sunt oarecum editabile, dar numai într-un sens sculptural de împingere si tragere pentru a deforma suprafata. Aceasta reprezentare se preteaza bine la modelarea formelor organice si artistice. Furnizorii serviciilor de modelare de suprafata includ Rapidform, Geomagic, Rhino, Maya, etc.

Dintr-o perspectiva de inginerie / de fabricatie, reprezentarea finala a formei digitalizate este editabila, cu ajutorul parametrilor modelului CAD. La urma urmei, CAD este „limba” comuna a industriei pentru a descrie, edita si a mentine forma activelor întreprinderii.

Aceste modele CAD nu numai învelitoarea sau forma obiectului, ci ele întruchipeaza, de asemenea, „intentia de proiectare” (de exemplu, caracteristicile critice si relatia lor cu alte caracteristici). Un exemplu de intentie de proiectare poate fi suruburile tamburului de frâna, care trebuie sa fie concentrice, cu gaura în mijlocul tamburului. Aceasta cunoastere ar conduce succesiunea si metoda de creare a modelului CAD; un designer cu constientizare a acestei relatii nu ar trebui sa proiecteze suruburile raportate la diametrul exterior, ci la centru. Un modelator care creeaza un model CAD va fi obligat sa includa atât forma, cât si intentia de design ale modelului complet CAD. Vânzatorii ofera abordari diferite pentru a ajunge la modelul parametrizat CAD. Unii exporta suprafetele NURBS si lasa proiectantilor CAD sa finalizeze modelul. Altii utilizeaza datele de scanare pentru a crea un model de caracteristica editabil si verificabil, bazat pe modelul care este importat în CAD, rezultând un model complet, nativ CAD, care capteaza si forma, dar si intentia de design. Totusi, alte aplicatii sunt suficient de robuste pentru a manipula puncte limitate sau modele de poligon în mediul CAD (de exemplu, Catia).

Scanerele pentru tomografia computerizata , RMN sau microtomografie nu produc nori de puncte, ci un set de bucati 2D (fiecare numita „tomograf”), care sunt apoi „stivuite împreuna” , pentru a produce o reprezentare 3D. Exista mai multe moduri pentru a face acest lucru, în functie de puterea necesara.

Partile diferite ale unui obiect au de obicei valori diferite ale pragului, sau densitati nuantate în gri. Din aceasta cauza, un model tridimensional poate fi construit si afisat pe ecran. Mai multe modele pot fi construite din mai multe praguri diferite, utilizând culori diferite pentru a reprezenta fiecare componenta a obiectului. Volumul de redare este de obicei folosit doar pentru vizualizarea obiectului scanat.

În cazul în care diferite structuri similare au prag / valori de nuante gri, poate deveni imposibil pentru a le separa pur si simplu prin reglarea parametrilor volumului de redare. Solutia poarta numele de segmentare, o procedura manuala sau automata care poate elimina structurile nedorite din imagine. Software-ul permite segmentarea imaginii, de obicei la export, ale structurilor segmentare în CAD sau format STL pentru manipularea în continuare.

Când utilizam imagini 3D pentru analiza de calcul (de exemplu CFD sau FEA), segmentarea de date si de discretizare din CAD pot deveni consumatoare de timp, si practic greu de rezolvat pentru complexul topologiilor tipice ale imaginilor. Solutia poarta denumirea de discretizarea imaginilor, un proces automatizat de generare a unei descrieri precise si realiste a datelor geometrice de scanare.

Scanarea cu laser descrie o metoda în cazul în care o suprafata este probata sau scanata cu ajutorul tehnologiei laser. Exista mai multe domenii de aplicare, care difera în principal prin puterea laserelor care sunt utilizate, precum si în rezultatele proceselor de scanare. Laserele cu putere redusa sunt utilizate atunci când suprafata scanata nu trebuie sa fie influentata, de exemplu, când este digitalizata. Scanarea cu laser 3D este o metoda folosita pentru a obtine informatii despre suprafata scanata.

În functie de puterea laserului, influenta acestei pe o foaie de hârtie difera: valorile mici de putere sunt utilizate pentru gravura laser, în cazul în care materialul este partial îndepartat de laser. Cu puteri mai mari, materialul devine fluid, iar sudarea cu laser poate fi realizata, sau în cazul în care puterea este suficient de mate pentru a îndeparta materialul complet, se poate efectua taierea cu laser. De asemenea, pentru prototipuri rapide, o procedura de scanare cu laser poate fi utilizata atunci când, de exemplu, un prototip este generat de sintetizare cu laser. Principiul care se utilizeaza pentru toate aceste cereri este acelasi: software-ul care ruleaza pe un PC sau pe un sistem înglobat si care controleaza procesul complet este conectat cu un card scanner. Acest card converteste datele primite vectorial la informatiile de miscare, care sunt trimise la scanhead. Acesta consta din doua oglinzi, care sunt în masura sa devieze raza laser într-un singur nivel (coordonate x,y). A treia dimensiune este – daca este necesara – realizata de un sistem optic specific, care este capabil sa deplaseze punctul focal al laserului în directia adâncimii (axa z).A treia dimensiune este necesara pentru anumite aplicatii speciale, cum ar fi prototipurile rapide, în cazul în care un obiect este construit strat cu strat sau pentru marcare-în-sticla, în cazul în care laserul influenteaza materialul de la pozitiile specifice în cadrul acestuia. Pentru aceste cazuri, este important ca laserul sa aiba punct focal cât mai mic posibil.

Pentru aplicatiile îmbunatatite de scanare cu laser si/sau pentru materialele mari care tranziteaza pe timpul productiei, se utilizeaza sisteme de scanare cu mai mult de un scanhead. Aici, software-ul trebuie sa controleze ceea ce se face exact în termen de o astfel de cerere: este posibil ca toate capetele disponibile pentru marcare sa termine procesul mai repede.

Un exemplu de replicare a obiectului real, prin intermediul scanarii 3D si imprimarii 3D

Digitalizarea obiectelor din lumea reala este de o importanta vitala în diferite domenii de aplicatii. Aceasta metoda este aplicata în special de asigurarea calitatii industriale, pentru a masura dimensiunea geometrica precisa. Procesele industriale, cum ar fi asamblarea, sunt complexe, extrem de automatizate, si de obicei sunt bazate pe datele de tip CAD (Computer Aided Design). Problema este ca acelasi grad de automatizare este, de asemenea, necesar pentru asigurarea calitatii. Este, de exemplu, o sarcina foarte complexa pentru a asambla o masina moderna, deoarece este alcatuita din multe parti, care trebuie sa se potriveasca împreuna la sfârsitul liniei de productiei. Performanta optima a acestui proces este garantata de sistemele de asigurare a calitatii. Mai ales geometria pieselor metalice trebuie sa fie verificata, pentru a se asigura ca au dimensiunile corecte, se potrivesc împreuna, si în cele din urma, lucreaza fiabil.

În procesele foarte automatizate, masurile geometrice care rezulta sunt transferate la masinile care fabrica obiectele dorite. Din cauza incertitudinilor mecanice si abraziunilor, rezultatul poate fi diferit de la nominal la digital. În scopul captarii automate si evaluarea acestor abateri, partea fabricata trebuie sa fie digitalizata, de asemenea. În acest scop, scanerele 3D sunt aplicate pentru a genera probe de pe suprafata obiectului, care sunt în cele din urma comparate cu datele nominale.

Procesul de comparare a datelor 3D împotriva unui model CAD poate fi o tehnica utila pentru aplicatii, cum ar fi stabilirea modelelor de uzura pe matrite si scule, determinarea acuratetei finale a constructiei, analizarea diferentelor de culoare, sau analizarea suprafetelor complexe sculptate. În prezent, scanerele cu laser de triangulatie, cele cu lumina structurata si scanerele de contact sunt tehnologiile predominante folosite pentru scopuri industriale, cu scanerele de contact fiind cele mai lente, dar cu toate acestea, este optiunea cea mai precisa.

Grafica 3D pe calculator, în contrast cu grafica 2D, este un grafic care utilizeaza reprezentarea tridimensionala a datelor geometrice (de multe ori este folosit un reper cartezian), care sunt stocate în calculator în scopul de a efectua calcule si prestarea imaginii 2D. Astfel de imagini pot fi stocate pentru vizionarea mai târziu sau în timp real. În ciuda acestei diferente, grafica 3D pe calculator de bazeaza pe multi din aceeasi algoritmi ca si grafica 2D. Pe computer, în software-ul de grafic, distinctia între 2D si 3D este uneori neclara, aplicatiile 2D pot utiliza tehnici 3D pentru a obtine efecte, cum ar fi iluminatul, iar 3D pot folosi tehnici 2D de redare.

Graficele 3D pe calculator sunt adesea mentionate sub denumirea de modele 3D. În afara de grafica prestata, modelul este continut în cadrul fisierului grafic de date. Cu toate acestea, exista diferente. Un model 3D este matematic reprezentat de orice obiect tridimensional. Un model nu este din punct de vedere tehnic o ilustratie pâna când nu este afisat. Datorita imprimarii 3D, modelele 3D nu sunt limitate la spatiul virtual. Un model poate fi afisat vizual ca o imagine bidimensionala printr-un proces numit traducere 3D, sau utilizat în simulari non-grafice pe computer si calcule. Procesul de creare e graficelor pe calculator poate fi împartit în trei etape de baza: modelare 3D, care descrie procesul de formare a formei unui obiect, aspectul si animatia, care descriu miscarea si plasarea obiectelor într-o scena si traducerea 3D, care presupune producerea imaginii obiectului.

Aceasta tehnica converteste un model într-o imagine, fie prin simularea de transport de lumina pentru a obtine imagini fotorealiste, fie prin aplicarea unor stiluri la fel ca în procesul de traducere non-fotorealistic. Cele doua operatii de baza în traducerea fotorealista sunt transportul (câta lumina se obtine dintr-un loc în altul) si împrastierea (modul în care suprafetele interactioneaza cu lumina). Acest pas este de obicei realizat cu ajutorul software-ului de grafica 3D din calculator sau o grafica 3D API. Procesul de modificare a scenei într-o forma adecvata pentru prestare implica, de asemenea, o proiectie 3D care permite o imagine tridimensionala pentru a fi vizualizata în doua dimensiuni.

Exista o gramada de site-uri proiectate pentru a ajuta la educarea si sustinerea artistilor în grafica 3D. Unele dintre acestea sunt gestionate de catre cei care se ocupa cu dezvoltarea software-urilor si de catre furnizorii de continut, dar exista si site-uri de sine statatoare. Aceste comunitati permit membrilor sa ceara sfaturi, sa posteze tutoriale, sa furnizeze opiniile sau sa posteze exemple ale muncii lor.

Nu toate graficele de pe calculator care apar 3D se bazeaza pe un model wireframe. Graficele 2D care au efecte fotorealiste sunt frecvent atinse fara carcase de modelare si sunt uneori distinse în forma finala. Unele software-uri de arta grafica includ filtre care pot fi aplicate la grafica vectoriala 2D. Artistii vizuali pot, de asemenea, copia si vizualiza efectele 3D si pot crea manual efecte fotorealiste, fara utilizarea filtrelor.

Multi modelatori 3D sunt conceputi pentru a modela diverse entitati din lumea reala, de la plante la automobile si de la automobile la oameni. Unii dintre acestia sunt special conceputi pentru modelul anumitor obiecte, cum ar fi compusi chimici sau organe interne. Modelatorii 3D permit utilizatorilor sa creeze si sa modifice modelele prin intermediul retelei lor 3D. Utilizatorii pot adauga, scadea, extinde si modifica reteaua cum vor dori. Modelele pot fi vizualizate simultan dintr-o varietate de unghiuri. Acestea pot fi rotite, marite si micsorate. Cei mai multi modelatori 3D contin o serie de caracteristici legate, cum ar fi raze marcatoare si alte alternative de traducere si facilitati de mapare a texturii. Unele contin, de asemenea, caracteristici care permit sau sprijina animatia. Unele pot fi în masura sa genereze video full-motion a unei serii de scene prestate.

În modelarea 3D sunt concepte recurente care apar de obicei ca abrevieri. Aici sunt unele dintre cele mai actuale:

Etapa de modelare consta în modelarea obiectelor individuale care sunt folosite mai târziu în scena. Exista o serie de tehnici de modelare, inclusiv:

Scenele de configurare implica aranjarea obiectelor virtuale, lumini, camere si alte entitati pe o scena care va fi ulterior utilizata pentru a produce o imagine statica sau o animatie. Iluminatul este un aspect important al scenei de configurare. Ca si în cazul aranjarii scenei în lumea reala, iluminatul este un factor important care contribuie la rezultarea calitatii estetice si vizuale a muncii terminate. Ca atare, aceasta poate fi o arta greu de stapânit. Efectele de iluminare pot contribui foarte mult la starea de spirit si a raspunsului emotional efectuat de catre o scena, un fapt care este bine cunoscut pentru fotografi si tehnicieni care se ocupa cu iluminarea teatrelor.

De obicei este de dorit sa se adauge culoare pe suprafata unui model într-un mod controlat de utilizator înainte de transformare. Cele mai multe software-uri de modelare 3D permit utilizatorilor sa coloreze nodurile modelului, iar acea culoare este apoi interpolata pe suprafata modelului în timpul transformarii. Cea mai comuna metoda de a adauga informatii color unui model 3D este prin aplicarea unei texturi 2D la suprafata modelului printr-un proces numit maparea texturii. Imaginile texturii nu difera de orice alta imagine digitala, dar pe parcursul procesului de cartografiere a texturii, bucati speciale de informatie (numite coordonatele texturii sau coordonate UV), se adauga la modelul care indica parti ale suprafetei 3D a acestuia. Texturile permit modelelor 3D sa arate în mod semnificativ mai multe detalii si mai realiste, decât prin alte moduri.

Alte efecte, în afara de texturi si de iluminat, pot fi facute pentru modelele 3D pentru a adauga realismul lor. De exemplu, suprafata normala poate fi optimizata pentru a influenta modul în care aceasta este aprinsa, si pot fi aplicate orice alte trucuri pentru transformarea 3D. Modelele 3D sunt adesea animate pentru unele utilizari. Acestea pot fi uneori animate din cadrul modelatoarelor 3D care le-au creat sau exportat spre un alt program.

Daca este utilizata pentru animatie, aceasta faza utilizeaza o tehnica numita „keyframe”, care faciliteaza crearea de miscare complicata în scena. Cu ajutorul acestei tehnici, este nevoie doar de a alege în cazul în care un obiect se opreste sau îsi schimba directia de miscare, de rotatie sau de urcare, structurile din fiecare cadru fiind interpolate. Aceste momente de schimbare sunt cunoscute sub numele de „cadre cheie”. Adesea se adauga date suplimentare la model pentru a-l face mai usor de animat. De exemplu, unele modele 3D de oameni si animale au sisteme osoase, astfel încât acestea vor arata realiste atunci când se deplaseaza si pot fi manipulate prin articulatii osoase, într-un proces numit animatie scheletica.

Avantajele de modelare 3D includ:

Industria scanarii 3D, este în curs de evoluare, ?i într-un proces continuu de rafinare, pentru ob?inerea unor procedee cât mai simplificate ?i productive. Scanarea 3D, cât ?i conceptul de prototipare rapida, sunt strict obligatorii în ob?inerea rezultatelor optime în procesul de construc?ie al piesei finale. Stereolitografia nu este decât unul din procedeele de prototipare rapida, în prezenta lucrare fiind enumerate ?i dezvoltate mai multe tehnici ?i procedee. În final, nu putem decât sa apreciem avansul tehnologic pe care ni l-a oferit tehnologia CAD, ?i a sistemelor automatizate. Este doar începutul unui ?ir lung de procese de rafinare a tehnologiei.

Rapid Prototyping & Manufacturing - Fundamentals of StereoLitography Paul.F.Jacobs, Ph.D
Stereolithography - Materials,Process and Applications = Paulo Jorge Bartolo
Rapid Prototyping - Andreas Gebhardt
Laser Material Processing - William M.Steen Jyotimoy Mazumder

Prof.asist.univ.doc. Mihaila Dan

Realizator Tarca Iulia