Využíváme data z 3D scanneru ATOS pro přímé modelování v Autodesk Inventoru

Tags: 3D skenování | ATOS | Autodesk | Inventor | Technologie

Technologie 3D scannování je jistě středem zájmu řady odborníků v oblastech, které nejsou vázány na možnost přímého využití konstrukčních dat. Může se jednat například o zpracování výtvarných návrhů, design, ale stejně dobře o problémy v protetice apod. Ve všech těchto oborech mohou být prostorová mračna bodů zdrojem velmi cenných informací, které lze pomocí specifických postupů dále zpracovávat a využívat. Dnešní článek věnujeme bezesporu zajímavým postupům, které nepatří v běžné produkci, kde je v současné době velké procento složitější 3D geometrie výrobků primárně vytvářeno v podobě NURBS ploch.

Mohou ovšem nastat situace, kdy je využití těchto standardních postupů velmi nákladné nebo téměř nemožné. Vlastní ukázkový příklad je řešen pomocí dat pořízených pomocí 3D skeneru ATOS Compact Scan od společnosti GOM a modely jsou zpracovány pomocí aplikace GOM Inspect a Autodesk Inventor 2013.

NURBS plochy, body, polygony

Tradiční postupy vytváření tvarově složitých modelů jsou ve většině CAD aplikací řešeny pomocí NURBS ploch. Jedná se o volně tvarovatelné objekty, které jsou tvořeny osnovami vyhlazených spline křivek. Tvorba tohoto 3D modelu klade díky své koncepci na tvůrce vysoké nároky. Jsou ovšem oblasti, ve kterých pohled technika na 3D model není až tak zásadní a podklad je tvořen již existujícím objektem, například artefaktem památky, fyzickým návrhem apod. V těchto oblastech nastupují postupy, které se snaží do 3D CAD aplikace s vyšší, případně nižší úrovní přesnosti přenést geometrii skutečného modelu.

Podpora automatické konverze polygonů na NURBS objekty v Autodesk Maya

V nedávných dobách bylo možné tyto procedury stavět prakticky pouze na standardním měření primárního modelu. Tyto postupy bylo možné ovšem využívat s výraznými omezením v kvalitě a přesnosti pořízených hodnot. Definice modelu s vyšší přesností s komplexním popisem všech bodů byla prakticky nemyslitelná. Jistou výhrou v této oblasti jsou technologie 3D digitalizace. Ty umožňují rychlé pořízení velkého mračna bodů s 3D souřadnicemi. Technologie snímání modelu může být mechanická nebo optická. V našem případě je využito digitalizace modelu pomocí rastru modrého světla. GOM v této oblasti v posledních letech udělal opravdu kus práce a přesnost měření je obdivuhodná.

Preciznost 3D skenování pomocí produktu ATOS je vynikající včetně softwaru, který umožňuje
analýzy, editaci a optimalizaci sítě, v našem případě o přesnosti 0,05 mm.

Primární určení 3D skenování je prezentováno především jako technologie pro kontrolu existujících výrobků a ne příliš se hovoří o možnosti využití mračna bodů pro přímou tvorbu modelů. Důvodem je poměrně složitá tvarová reprezentace modelu pořízeného pomocí 3D scanneru, která je tvořena v závislosti na přesnosti skenování i milióny bodů. Stěžejní operací, kterou lze nad 3D body provádět, je vytvoření triviálních polygonálních ploch, kdy jsou vždy tři sousední body proloženy polygonem obecně umístěným v prostoru. Vzniká tak struktura velkého obsahu obtížně zpracovatelných objektů.

Mesh Enabler for Autodesk Inventor je účinný nástroj pro sešití polygonů do formy
objemových nebo plošných součástí, který je k dispozici na portálu Autodesk Labs.

CAD aplikacemi, na rozdíl od například animačního softwaru Autodesk Maya, jsou polygonální modely využívány pouze sporadicky. Důvodem je především primární popis polygonálního modelu se specifickým popisem geometrie, na který jsou kladeny zcela jiné požadavky než na běžný 3D model pro strojírenskou výrobu. Ve většině případů jsou popisy 3D geometrie mračnem bodů, respektive polygonů, považovány za pouze obtížně zpracovatelná data. Jistou cestou může být postup tzv. 3D plátování polygonálního modelu, kdy jsou více či méně automaticky nahrazovány sady polygonálních ploch NURBS segmenty. Tento postup je vhodný pro modely s menším množstvím geometrických změn. Výsledek je na druhou stranu prakticky totožný s přímým CAD návrhem. Konverze polygonálních sítí lze přímo provádět pouze v malém množství nákladných aplikací, například ve výše uvedené Autodesk Maye.

Formování digitálního modelu součásti vytvořeného ze sady polygonů
pomocí Mesh Enabler for Autodesk Inventor

S nástupem výkonných počítačů a moderních CAD aplikací se ovšem objevují jistá řešení, jak polygonální modely využít pro přímé modelování objektů bez nutnosti jejich NURBS konverze.

Optimalizujeme polygonální síť

Hlavní překážkou při využití polygonálního modelu získaného ze softwaru 3D scanneru je značné množství zpracovávaných plošných segmentů. I zdánlivě miniaturní model může být popsán stovkami tisíc polygonů. Jak obsáhlý model zvolit pro další pracování, je proto naprosto zásadní a strategické rozhodnutí. GOM má pro tato rozhodnutí výkonné řešení v podobě aplikace GOM Inspect. Tento software je primárně určen pro potřeby porovnávání CAD modelů s výsledky 3D skenování skutečných výrobků, ale zahrnuje také funkce pro modifikace a optimalizace 3D sítí. Pomocí GOM Inspect tak můžeme nejen opravit vady, které vznikly při skenování, ale můžeme síť také dodatečně optimalizovat. Velmi příjemně překvapí především výkon optimalizace sítě a její stabilita s možností náhledu celé operace na zvoleném segmentu.

Za ideální situaci, které lze dosáhnout pomocí správně provedeného 3D skenování a následné úpravy sítě, lze považovat vytvoření obálky 3D modelu, který je polygony bez výjimky popsán a tvoří tak uzavřený kompaktní celek bez překrytí, děr apod. Právě v těchto úpravách je GOM Inspect opravdu jedinečným nástrojem.

Integrace polygonálního modelu s CAD aplikací

Pro využití optimalizovaného polygonálního modelu v CAD aplikaci je podstatná přímá podpora tohoto typu popisu 3D modelu v aplikaci. V našem případě jsme využili velmi zajímavý počin vývojového centra společnosti Autodesk, který je bezplatně dostupný na serveru Autodesk Labs pod názvem Mesh Enabler for Autodesk Inventor. Jedná se o nový projekt, jehož hlavním cílem je sblížit běžné postupy vývoje výrobků s daty pořízenými pomocí polygonálních sítí, respektive 3D scanneru. Nástroje můžeme využít také pro zpracování sítí pořízených například pomocí animačních aplikací Autodesk Maya, 3ds max apod.

Formování polygonálního modelu v Autodesk Inventoru, výpočet
logického rozdílu s přesností 0,05 mm přibližně 30 sekund na CPU I7

Z hlediska použití je nástroj Mesh Enabler jako většina jiných produktů Autodesk Labs integrován přímo s Autodesk Inventorem. Po instalaci je jej možné využívat jako samostatnou funkci v prohlížeči modelu. Mesh Enabler umožňuje snadnou konverzi polygonálních 3D sítí importovaných ze sekundárních zdrojů na objekty Autodesk Inventoru typu konstrukční plocha a součást. V našem případě je v ukázce zvolen ideální případ, ve kterém byl tvarově složitý model digitalizován pomocí 469 176 bodů. Následně byl tento model optimalizován a redukován na přesnost 0,05 mm (19 728 bodů) pomocí GOM Inspect. Výsledek byl načten do Autodesk Inventoru 2013 a zpracován pomocí Mesh Enableru do podoby 3D součásti dále využité pro tvorbu negativní formy. Efektivita tvorby negativní dutiny formy je dána především možností přímé aplikace logických množinových operací v jediném kroku.

Hybridní model je pro zpracování konstrukce formy velmi efektivní volbou.

Pro vytvoření 3D součásti je podstatná především uzavřenost modelu. V opačném případě Mesh Enabler generuje pouze konstrukční plochu s ne již tak elegantními možnostmi snadného zpracování. Proto doporučuji věnovat modifikaci sítě v GOM Inspectu náležitou pozornost. Odměnou je snadná možnost vytvoření hybridního a vysoce přesného modelu v Autodesk Inventoru. Lze tak jednoduše skloubit zdrojová polygonální data modelu například s elegancí snadného modelování technologických částí lisovací formy v Autodesk Inventoru, jak je patrné z příkladu.