3D skaneerimine moodsas tootearenduses

By bonamore 23.04.2021

Amper Engineeringu juht Tõnis Vanaselja: 3D skaneerimine on tootearenduses suisa kuritegelikult alakasutatud

Vana rahvatarkus „Seitse korda mõõda, üks kord lõika“ vähemalt tootearenduses ei kehti, sest see tähendab seitset ebaõnnestunud prototüüpi. Kui palju raisatakse üha uusi prototüüpe valmistades inseneride ja disainerite väärtuslikku aega, on Eesti konkurentsivõime seisukohalt suisa kuritegelik. Samas 3D skaneerimisel ja disainmodelleerimisel põhinev tootearendus, mis need probleemid välistab, on meil paljude jaoks veel tundmatu maa.

Pöördprojekteerimine

Hiljuti pöördus meie poole üks murelik ettevõtja, kes soovis hakata kunagi varem tehtud prille uuesti tootma. Õnnetul kombel polnud säilinud ei vorme ega jooniseid. Amperis leiti murele kiirelt lahendus: prillide kõik detailid 3D skaneeriti ükshaaval sisse ning modelleerimise käigus tehti tootele ka mitu uuendust. Nii et prillid said mitte ainult moodsa joone, vaid ka olid ka funktsionaalselt märksa paremad kui varem. 3D-jooniste põhjal valmisid uued vormid ning praegu on prillid juba tootmises.

Tegemist on pöördprojekteerimisega ehk ühe tüüpilise valdkonnaga, kus 3D-skaneerimine teeb tootmisettevõtete tegevuse märksa efektiivsemaks. Katkine või deformeerunud detail 3D skaneeritakse ning arvutis luuakse selle 3D versioon, seejärel juba CAD mudel. Vajadusel toodet parendatakse ja CNC pink lõikab toote ka sealsamas välja. Just nõnda sai Amper Engineeringus hiljuti uue täiustatud karteri nõukaaegne kart CZ-125.

CZ125 on N-liidu aegse kardi edasiarendus, kus kõik näeb väljast välja nagu vana kuid sisu on uus. Võiks öelda et tegu on eesti esimese resto-mod võistluskardiga

Kvaliteedikontroll

Teine valdkond, kus 3D skaneerimist üha rohkem kasutatakse, on kvaliteedikontroll. Arvuti võrdleb skaneeritud toodet algse 3D-mudeliga. Klient saab täpse aruande, milles toote hälbed on graafiliselt välja toodud. Raport on lihtsalt loetav ka nende jaoks, kel inseneriharidust pole. Ettenähtust kõrgemad kohad on märgitud punaste toonidega, madamalad sinistega.

Kvaliteedikontrolli raport, kus toote hälbed on värvide abil välja toodud, on igaühele arusaadav

3D skaneerimist kasutavad üha enam nii valuvormide tootjad kui klaasplastist toodete (vannid, kütusepaagid jm) tegijad. Valuvorm võib olla ju perfektne, ent klaasplast on materjal, mis kuivades sageli deformeerub. Nii juhtus ka ühel Rootsi ettevõttel, kes valmistab väga kvaliteetseid tünnisaunu. Klaasplastist sisemine tünn deformeerus kuivamisel just täpselt niipalju, et ehkki saunalised ei märganud midagi, polnud välimus täiuslik. Tünn ei mahtunud enam perfektselt puidust ümbrise sisse. Amperis 3D-skaneeriti plasttünn sisse ning juba samal päeval mõni tund hiljem nägi klient, millised kohad täpselt ja kui palju deformeerunud olid. Uut valuvormi polnud seekord vaja, piisas puitkonstruktsiooni kohendamisest.

Hämmastav täpsus ja kiirus

3D skannerid pole siin maailmas midagi uut, nende ajalugu ulatub juba 1960. aastatesse. Tõsi, esimesed seadmed olid kohmakad ja aeglased, koordinaate sisestati digijoonlaua abil ühe punkti kaupa.
1990 aastatel kiirendas oluliselt 3D skannerite arengut nende kasutamine filmitööstuses. Protsessorite võimsuse kasv viimase 10-15 aasta jooksul on toonud kaasa 3D skannerite uuestisünni. Kunagisest keerulisest tehnikaimest on saanud mugav tööriist ning on lähema 5 aasta küsimus, kui 3D skannerid muutuvad tootearenduses ja kvaliteedikontrollis sama igapäevaseks kui pastakas.
Piltlikult öeldes on 3D skänner nagu väike GPS, kaardistades iga punkti kolmemõõtmelisel skaalal. 3D skaneerimise tulemusena saame täpse ja realistliku vaate kogu nähtavast pinnast lihtsas ja kõigile arusaadavas formaadis.
Kaasaegsete profiskännerite täpsus ja võimsus on hämmastav. Profiskännerite mõõtmistäpsus on 0,025 mm (ehk kaks ja pool sajandikku mm!). Igas sekundis kaardistab skänner 1,5 miljonit punkti. Seadmega, mis näeb välja kui kahe objektiiviga peegelkaamera, saab pastaka sisse skännida umbes 2-3 minutiga. Kirvereegel on, et selliste esemete skaneerimiseks, mida inimene jõuab süles tassida, kulub umbes tund. Seega ei pea enam ammu paika kunagine uskumus, et 3D skaneerimine on kallis ja aeganõudev.

Laserskännerid igaks otstarbeks

3D laserskännereid liigitatakse väga mitme kriteeriumi järgi, muuhulgas ka tööpõhimõtte ja kasutusotstarbe järgi. Rääkides tööstusest ja tootearendusest,  on enamlevinud 3D skänneriteks professionaalsed käsiskännerid, kaasaskantavad koordinaatmõõtemasinad ja robotiseeritud skännerid.

  • Käsiskänner mahub reeglina käsipagasi mõõtudega kohvrisse. Skaneeritavale esemele kleebitakse suvaliselt kleebised-punktid, tänu millele saab skänner end objekti suhtes tuvastada.
  • Kaasaskantavad koordinaatmõõtemasinad – mis on ülitäpsed, markerite kleepimist ei nõua. Mõõteseadet jälgib täiendav seade.  Robotiseeritud skännereid, mis mõõdavad suurel hulgal ühesuguseid detaile, kasutatakse  tehaste koosteliinidel.
  • Olemas on skännerid ka liikuvate objektide ning suurte objekte, näiteks lennukite skaneerimiseks.

OLDBAC toob maale Creaformi skännereid. Valik langes Creaformi kasuks mitmel põhjusel. Ehkki on tegemist profitööriistadega (mõõtetäpsus 0,025 mm räägib ise enda eest!), on neid lihtne kasutada. Metroloogiainseneri diplomit keegi ei nõua, samuti pole vaja luua laboratoorset keskkonda.

OLDBAC

Oldbac on ettevõte, mis on keskendunud just kaasaegsele tootarendusele, mille asendamatud osad on 3D skaneerimine ja modelleerimine. See tähendab, et kui klient tuleb salvrätijoonisega kohale, siis, tänu modelleerimisele ja valmis sõlmede (hinged, lülitid, kiibid jms) 3D skaneerimisele, lahkub klient tootmisvalmis 3D joonistega ning  soovi korral ka tootega, mis on meie juures võimekal CNC pingil valmis tehtud.
Sel viisil on meie ettevõttes valminud ka väga nõudlikke detaile, nagu näiteks ühe lennuki mootorite kinnitused. Valminud on ka roostevabast terasest mesilaste 3D mudelid Maarjamäe kommunismiohvrite memoriaali jaoks. Loodusmuuseumist toodud päris mesilastest tegid 3D mudelid valmis Amper Engineeringu spetsialistid. Selle tarbeks tuli kolmest mesilasest, kes lõppvalikusse jäid, teha igaühest üle 1800 detailse foto.
Ka TTÜ isesõitva bussi alusvanker skaneeriti sisse Amper Engineeringus. Tänu sellele sai iseautot ehitav tiim sinna peale modelleerida kere ja töötada välja parima kombinatsiooni vajaliku aparatuuri (elektroonika, akud jm) paigutamiseks.
Prototüübi arendamisel arvutis on veel üks suur eelis: see võimaldab teha enne selle rauda raiumist mitmeid analüüse: tugevusarvutused, aerodünaamilised testid jm. Selle meetodi suureks eeliseks ongi vigade varajane avastamine.