NX CAD i skanowanie 3D – którą drogę wybrać?

Rozwój skanerów 3D przejawiający się m.in. w zwiększeniu precyzji skanowania (nawet do 0,005 mm) oraz dostępność urządzeń wykonujących skany obiektów o małych, średnich oraz dużych gabarytach sprawiły, że obecnie znaleźć można wiele różnych zastosowań tej technologii w kilku różnych obszarach przemysłu czy usług. Przykłady to skanowanie pod kątem projektowania, kontrola wymiarowa, protetyka i stomatologia, wizualizacja produktów, inwentaryzacja budynków czy instalacji, a nawet medycyna sądowa i kryminalistyka.

W świecie CAD/CAM skanery 3D bardzo często wykorzystywane są do uzyskania cyfrowej postaci przedmiotu celem jego modyfikacji/naprawienia i reprodukcji lub wykorzystania jego geometrii jako odniesienie dla innego projektowanego obiektu.

Model uzyskany za pomocą skanera 3D – w zależności od potrzeb, rodzaju urządzenia, jego ustawień oraz gabarytu skanowanego obiektu – może być chmurą punktów lub zestawem fasetek. Dane te z kolei mogą się od siebie różnić rozmiarem, dokładnością, spójnością czy też kompletnością.

NX CAD może wczytać geometrię zeskanowaną na 3 różne sposoby:

1. Import chmury punktów z pliku punktów

Pliki punktów są plikami tekstowymi o różnych formatach (.ASC, .TXT, .DAT, .PTS, .XYZ), które zawierają w sobie informacje o współrzędnych XYZ każdego z zeskanowanych punktów. Niektóre z urządzeń skanujących mają możliwość zapisu jedynie do takiego zestawu danych. Poniżej (rys.1) widoczna jest geometria (skan obudowy pewnej maszyny) składająca się z 347283 punktów.

Rys. 1 Geometria składająca się z ponad 347 tysięcy punktów wraz z przybliżeniem wybranego obszaru

Na poziomie funkcjonalnym chmura punktów ma niewielką użyteczność. Mamy oczywiście wiedzę o współrzędnych i przybliżonym kształcie przestrzennym zeskanowanego obiektu, a same punkty mogą posłużyć do wytyczenia położenia nowych obiektów (jak krzywe, czy powierzchnie niektórego typu) jednak nie istnieją tu żadne obiekty analityczne, czy nawet reprezentacje ścian rzeczywistego obiektu. Te na szczęście można w prosty sposób odtworzyć, mimo, że skaner nie posiadał takiej funkcjonalności. NX CAD jest w stanie przeprowadzić triangulację chmury punktów (polecenie Siatka z chmury) efektem czego jest uzyskanie geometrii jak poniżej – z fasetkami, czyli trójkątami rozpiętymi na kolejnych, pobliskich sobie punktach skanu (rys.2).

Rys. 2 Fasetki wygenerowane automatycznie (na podstawie chmury punktów z rysunku 1) wraz ze zbliżeniem wybranego regionu

Po uzyskaniu z chmury punktów geometrii fasetkowej pojawiają się przed nami kolejne wyzwania, ale również o wiele więcej możliwości, o których mowa w kolejnym punkcie.

2. Import geometrii uproszczonej (fasetkowej)

Większość skanerów ma możliwość zapisu skanu do fasetek. Pliki z takimi skanami mogą być wczytane do NX za pomocą kilku rozszerzeń:.STL, .OBJ, .3MF, .WRL. Najpopularniejszy i najbardziej rozpowszechniony w programach CAD jest format STL, jednak bywa kłopotliwy ze względu na to, że jego forma od momentu powstania (lata 80) nie uległa usprawnieniom. Nie przenosi informacji o kolorach fasetek, a im większy obiekt i/lub rozdzielczość, tym więcej fasetek (trójkątów) musi zostać utworzonych, by reprezentować geometrię. Z kolei nowszy format .OBJ może zawierać informacje o kolorach obiektów oraz odzwierciedlać geometrię bardziej dokładnie - za pomocą innych wielokątów, jak np. czworokąty lub sześciokąty. Jego minusem jest z kolei większy rozmiar pliku niż w przypadku .STL, z wyjątkiem sytuacji, gdy plik .STL ma bardzo wysoką rozdzielczość.

W tym miejscu warto wspomnieć, że w NX istnieją 3 typy fasetek, których wybór jest możliwy w momencie importu lub eksportu danych:

Po zaimportowaniu danych do NX, w zależności od potrzeb (oraz typu fasetek), skorzystać możemy z dwóch metod pracy z geometrią uproszczoną:

- Modelowanie konwergentne

Technologia Convergent Modeling (modelowania konwergentnego) w NX umożliwia pracę bezpośrednio na geometrii uproszczonej; pochodzącej ze skanera 3D, ale także z oprogramowania do modelowania wielokątowego, (np. Blender), czy będącej wynikiem optymalizacji topologii obiektu. Dzięki technologii modelowania konwergentnego, możliwe jest wykorzystywanie geometrii uproszczonej w tworzeniu dokumentacji 2D i 3D, konstruowaniu złożeń, analizach inżynierskich, projektowaniu narzędzi czy wytwarzaniu przyrostowemu (druk 3D) lub ubytkowemu (rys. 3).

Rys. 3 Modelowanie konwergentne w systemie NX oferuje bezpośrednie wykorzystanie geometrii uproszczonej z wielu źródeł w wielu różnych obszarach

Jest to nowe podejście do pracy z geometrią uproszczoną, które pozwala w wielu przypadkach całkowicie zrezygnować z konwersji skanu do geometrii użytkowej, np. za pomocą opisanej niżej inżynierii odwrotnej. Wiele różnych funkcji z zakresu modelowania bryłowego czy powierzchniowego może wykorzystać geometrię fasetkową jako narzędzie czy odniesienie.

Najprostszym przykładem może być dopasowanie geometrii natywnie utworzonej w NX do importowanej geometrii uproszczonej (rys. 4).

Rys. 4 Obiekt bryłowy (koloru niebieskiego) dopasowany swoją geometrią do obiektu uproszczonego (koloru szarego) bez konieczności jej konwersji

Dane pochodzące ze skanu bardzo rzadko są idealnej jakości, dlatego NX oferuje w zakresie dostosowania i naprawy geometrii wiele różnych poleceń, np: wygładzanie obiektów uproszczonych i ich ponowne fasetkowanie (rys. 5). Dzięki tym i podobnym zabiegom geometria uproszczona jest łatwiejsza w dalszej obróbce, a sama praca w NX jest szybsza i wydajniejsza, ze względu na przewidywalny kształt i optymalną ilość fasetek reprezentującą kształt.

Rys. 5 Efekt wygładzania i ponownego fasetkowania geometrii uproszczonej pochodzącej ze skanu

Modelowanie konwergentne to także zaawansowane funkcjonalności pozwalające na zastępowanie ścianek o konkretnych kształtach ściankami analitycznymi, morfing kształtu (plastyczne przeobrażanie kształtu skanu za pomocą otaczającej go siatki), nanoszenie tekstur 3D, czy też środowisko modelowania wielokątowego.

Rys. 6 Przykład zmodyfikowanego i wygładzonego kształtu geometrii uproszczonej wraz z uzupełnieniem o dodatkowy kształt

- Inżynieria odwrotna

Jej użycie jest zasadne, kiedy potrzebujemy odbudować dokładny model bryłowy danej części. Typowy proces inżynierii odwrotnej wygląda następująco (chociaż może być inny):

- Analiza kształtu geometrii uproszczonej; automatyczne wyznaczenie wypukłości i wklęsłości lub też wykrycie podstawowych kształtów geometrycznych (płaszczyzny, walce, stożki, sfery i pozostałe). Dzięki tej czynności znane są granice ukształtowania lub wręcz konkretne kształty tworzące obiekt (rys. 7).

Rys. 7 Analiza kształtu geometrii uproszczonej pozwala lepiej zrozumieć jej budowę oraz wyznaczyć granicę poszczególnych ścian

- (Opcjonalnie) Ręczne kolorowanie fasetek, aby jeszcze bardziej wyszczególnić jakieś konkretne obszary

- Dopasowanie obiektów analitycznych do poszczególnych kolorów, np. wstawienie płaszczyzn o kształcie walcowym i konkretnym promieniu w miejsca, gdzie analiza kształtu wykazała obecność ścianek walcowych (rys. 8)

Rys. 8 Analityczne powierzchnie (płaszczyzny i walce) dopasowane do poszczególnych obszarów geometrii

- Połączenie w odpowiedni sposób (wydłużenie, przycinanie, naroża, szycie) poszczególnych dopasowanych powierzchni, by w efekcie uzyskać lokalne lub całościowe odwzorowanie kształtu. Oczywiście nie każdy kształt da się łatwo odwzorować za pomocą automatycznie dopasowanych kształtów podstawowych, jednak NX oferuje bardzo szeroki wachlarz funkcjonalności z zakresu modelowania bryłowego, powierzchniowego czy też swobodnego, którymi można wspomagać się w każdym momencie rekonstrukcji.

- Porównanie odchyłek zrekonstruowanej geometrii z geometrią skanu (rys. 9). Na jej podstawie można zweryfikować dokładność odtworzenia i wprowadzić odpowiednie modyfikacje, jeśli będą konieczne.

Rys. 9 Częściowe wyniki analizy odchyleń pomiędzy odtworzonymi ściankami i skanem

- Efektem końcowym jest obiekt (najczęściej) bryłowy, z naniesionymi cechami szczegółowymi, takimi jak otwory, zaokrąglenia i fazy.

3. Import referencyjnej chmury punktów

Niektórzy użytkownicy mają także potrzebę pracy ze skanami 3D dużych obiektów: hal, placów, budynków, pomieszczeń itp. Zwykle nie chodzi wówczas o rekonstrukcję jakiejś geometrii, a o pomiary tego obiektu, czy też projektowanie w odniesieniu do jakieś lokalizacji, np. budowanie wirtualnego złożenia linii produkcyjnej w otoczeniu hali, gdzie ta linia ma docelowo funkcjonować (rys. 10.)

Rys. 10 Skany bardzo dużych obiektów (np. hal produkcyjnych) mogą być wczytane w NX jako chmury referencyjne - na przykład do celów pomiarowych czy projektowania w kontekście docelowego otoczenia

Często pliki z zapisanymi skanami dużych obiektów mają rozmiar kilku GB, jednak wczytanie ich w NX jako obiekty referencyjne (odniesienia) pozwala na szybką i wygodną pracę. Użytkownik może zdecydować o kolorze, gęstości czy rozmiarze chmury punktów.

Drogi czytelniku, jeśli dotrwałeś do końca tego artykułu i chciałbyś sprawdzić możliwości NX CAD  – służymy pomocą i czekamy na KONTAKT >>>

Autor: Jakub Kręcisz