Inżynieria odwrotna – czym jest i jakie ma zastosowanie?

Inżynieria odwrotna to popularna w ostatnich latach technika otrzymywania cyfrowego modelu CAD. Polega na analizie rzeczywistego obiekt i przejściu przez jego digitalizację, utworzenie cyfrowej geometrii, optymalizację, aż do wyprodukowania jego fizycznej postaci.

Inżynieria odwrotna – czym jest?

Inżynieria odwrotna (ang. reverse engineering) to w ogólnym ujęciu metoda badania obiektów fizycznych przez wprowadzanie ich do świata wirtualnego. To technologia dająca możliwość otrzymania modelu cyfrowego w systemie CAD np. części form wtryskowych, tłoczników, wykrojników i innych na podstawie istniejącego już obiektu fizycznego.

Proces inżynierii odwrotnej daje możliwość tworzenia rozwiązań ułatwiających pracę np. podczas projektowania elementów form wtryskowych w celu dopasowania ich do istniejących w rzeczywistości zespołów. Daje możliwość wprowadzania zmian, optymalizacji kształtu i analizy wytrzymałości. 

Proces inżynierii odwrotnej możliwy jest do przeprowadzenia przez odpowiednie narzędzia umożliwiające zeskanowanie elementu, który chcemy poddać odtworzeniu. Dzięki możliwości skanowania trójwymiarowego rzeczywistych obiektów jak np. części maszyn jesteśmy w stanie przenosić istniejącą geometrię na postać cyfrową w środowisku CAD. Wówczas konstruktor może wykonać do niego dokumentację techniczną, a następnie przekazać ją do działu produkcji, gdzie część zostanie wykonana. 

Zastosowanie inżynierii odwrotnej – gdzie ją wykorzystać?

Inżynieria odwrotna ma ogromne zastosowanie w generowaniu cyfrowych modeli części maszyn trudno dostępnych na rynku lub takich, do których nie można już zdobyć dokumentacji technicznej. Dlatego jeśli w maszynie pracującej przez wiele lat zepsuje się jakaś część, często stosuje się inżynierię wsteczną w celu jej odtworzenia. 

Inżynieria odwrotna – etapy od skanowania do fizycznego obiektu

Proces odtwarzania modelu w inżynierii odwrotnej może nieco różnić się w zależności od używanych narzędzi i oprogramowania. W większości przypadków wyróżniamy następujące etapy: 

Skan 3D

Najważniejszy etap inżynierii odwrotnej pobranie rzeczywistej geometrii fizycznego modelu za pomocą skanowania 3D. Może do tego posłużyć ramię pomiarowe Hexagon Romer, które świetnie współpracuje z systemem VISI umożliwiającym pełną obróbkę danych.

Od tego etapu zależy efekt końcowy oraz ilość pracy potrzebna do precyzyjnego odtworzenia kształtów badanego elementu. Zatem bardzo ważne jest aby proces akwizycji danych przeprowadzić bezbłędnie zachowując optymalne i równomierne tempo skanowania.

Etap ten zaczyna się od przygotowania elementu. W tym celu pokrywa się go środkiem matującym, przez co podczas skanowania nie będą powstawać zakłócenia, a dodatkowo możliwe będzie skanowanie przeźroczystych ścian. Następnie za pomocą skanera rejestrowane są odkształcenia linii świetlnych rzucanych na badany element i na podstawie zakrzywień tych linii budowany jest plik zawierający chmurę punktów w przestrzeni trójwymiarowej odwzorowującą przeskanowany obiekt.

Wymiary z prostych elementów można oczywiście pobrać za pomocą suwmiarki i kartki papieru rysując daną część w rzutach prostokątnych. Jednak sprawa komplikuje się jeśli mamy do odtworzenia przedmiot o skomplikowanych i nieregularnych kształtach, którego wymiary ciężko będzie pobrać za pomocą standardowych narzędzi pomiarowych. Za pomocą skanowania trójwymiarowego jesteśmy w stanie otrzymać dowolną geometrię szybko i co najważniejsze w precyzyjny sposób. Efektem tego etapu jest geometria, którą w kolejnym kroku należy poddać obróbce.

Obróbka danych i naprawa błędów

Dane po etapie skanowania otrzymujemy w postaci chmury punktów, które w dalszej obróbce zostaną skonwertowane na siatkę trójkątów STL. W dalszej obróbce konieczne jest sprawdzenie czy uzyskana geometria nie posiada wad, artefaktów, braku szczelności czy nakładających się ścianek. W przypadku dużych modeli konieczne jest czasem zmniejszenie ilości trójkątów w celu optymalizacji „wagi” modelu i umożliwienia płynnej pracy. Po usunięciu błędów i niedoskonałości siatki modelu program automatycznie wykryje jego geometrię.

Podczas przygotowania danych należy również pamiętać, że ważnym elementem na tym etapie jest też poprawne ustawienie modelu w układzie współrzędnych. Przemyślane bazowanie pozwoli na łatwiejszą pracę z geometrią w kolejnych krokach. 

Przekształcanie danych w model CAD

Model CAD otrzymuje się w specjalnym oprogramowaniu, które umożliwia konwersję otrzymanych ze skanera danych w geometrię CAD.

Wyróżnia się trzy rodzaje modeli możliwych do uzyskania w procesie inżynierii odwrotnej:

• Model parametryczny – wykorzystywany przy modelowaniu obiektów o kształtach geometrycznych. Daje możliwość zmiany danych i parametrów oraz utworzenia dokumentacji płaskiej.
• Model powierzchniowy – (model nieparametryczny) umożliwia projektowanie form swobodnych trudnych do zmierzenia standardowymi metodami pomiarowymi. Są to takie obiekty jak różnego rodzaju rzeźby czy elementy karoserii samochodu. Celem tego modelu jest idealne odzwierciedlenie geometrii odtwarzanego obiektu wraz ze wszystkimi jego wadami. Znajduje on zastosowanie w projektowaniu samochodów, gdzie powierzchnie muszą należeć do klasy A opisywanych klasami ciągłości typu G2 i G3.
• Model hybrydowy – w tym modelu łączy się powierzchnie parametryczne z powierzchniami swobodnymi. Charakteryzuje się łatwym wprowadzaniem zmian, jak i równie łatwym tworzeniem dokumentacji technicznej modelu.

Weryfikacja otrzymanego modelu

Na tym etapie otrzymujemy gotowy model CAD, jednak zanim to się stanie, należy go dokładnie przejrzeć. Wiele programów do inżynierii odwrotnej posiada zestaw narzędzi do porównywania w jakim stopniu uzyskany model CAD odwzorowuje fizyczny pierwowzór. Tym sposobem możemy ocenić jakość geometrii otrzymanego modelu.

Optymalizacja kształtu

Po weryfikacji naszego modelu mamy już pewność, że odzwierciedla on z wystarczającą dokładnością przeskanowany komponent. Dlatego jest to moment, w którym możemy uzupełnić wszelkie braki otrzymanego modelu występujące także w fizycznym obiekcie. Inżynieria odwrotna to proces często wykorzystywany do ponownego wytworzenia części, które często w swojej geometrii posiadają różnego rodzaju braki czy uszkodzenia. Dlatego mając już wiernie odwzorowany model w systemie CAD możemy je wszystkie odtworzyć i dostosować do obecnych wymagań. 

Rysunek wykonawczy i produkcja części

Na koniec z gotowego modelu tworzy się standardową dokumentację wykonawczą 2D i przekazuje na produkcję. Tym sposobem jesteśmy w stanie wykonać trudne do odwzorowania, często uszkodzone części unikalnych lub wysłużonych maszyn, a następnie dokonać ich naprawy lub modernizacji.

Zalety inżynierii odwrotnej

Projektowanie CAD w połączeni z inżynierią odwrotną daje możliwość odtwarzania rzeczywistych elementów wraz z ich uszkodzoną geometrią. Technologia ta pozwala zatem na oszczędność czasu, a przy częstym wykorzystywaniu także pieniędzy. 

Do głównych zalet inżynierii odwrotnej zaliczamy:

• Możliwość skutecznego odwzorowania w postaci cyfrowej rzeczywistych obiektów.
• Możliwość wprowadzania zmian otrzymanej geometrii.
• Przyśpieszenie procesu produkcyjnego.
• Możliwość badania i analizy konkurencyjnych części / urządzeń / maszyn.

Wady inżynierii odwrotnej

Inżynieria odwrotna umożliwia przyśpieszenie produkcji części tam gdzie ich pomiar jest niemożliwy lub bardzo trudny. Jednak technologia ta jak każda inna posiada też swoje wady. Warto je znać, zanim zdecydujemy się wdrożyć ją do swojego zakładu produkcyjnego.

Wady inżynierii odwrotnej:

• Częsta niedoskonałość geometrii skanowanych obiektów fizycznych i w związku z tym utrudniona technologiczność.
• Dokładność otrzymanego modelu CAD uzależniona jest od dokładności pomiarowej skanera 3D.
• Brak możliwości pełnego odtworzenia uszkodzonych części.

Cele inżynierii wstecznej

Inżynieria odwrotna jak sama nazwa wskazuje, jest odwrotnością standardowego procesu produkcyjnego, gdzie w pierwszej kolejności stworzony zostaje model w postaci cyfrowej, a następnie w dziale produkcyjnym zostaje wykonane jego odwzorowanie fizyczne. 

Celem tej metody jest umożliwienie wykonania trudnych do pomiaru elementów konstrukcyjnych maszyn, które nie posiadają własnej dokumentacji. 

W II połowie XX wieku budziło to wiele kontrowersji i negatywnych skojarzeń. Technologię tę wykorzystywali m.in. inżynierowie państw komunistycznych na kopiowanie zachodnich urządzeń i produktów. Dziś nie stanowi już metody powielania, a udoskonalania i naprawia części oraz kontroli jakości produkowanych wyrobów. Dzięki inżynierii wstecznej na bazie odtworzonego modelu możemy wykonać dokumentacje techniczną i wykonać fizyczny detal, którego odtworzenie było kiedyś niemożliwe. 

Technika ta znajduje zastosowanie m.in. w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, medycznym i stoczniowym urozmaicając zakres metod inżynierskich XXI wieku.