Középpontban a 3D szkennelés és nyomtatás – a lengyel Arrinera Hussarya szuperautó fejlesztése

Az Arrinera Hussarya névre keresztelt, első lengyel szuperautó koncepciója sokakból már a kezdetektől erőteljes érzelmeket és reményt váltott ki, akik abban bíztak, hogy a projekt újra visszahozhatja a lengyel autóipar egykori hírnevét. Az első működőképes, sportautó-színvonalú prototípusok előállítása kapcsán a pontosság és a tartósság nélkülözhetetlen elvárásként fogalmazódott meg.

A legtöbb, jelenleg futó lengyel autóipari projekthez képest, az Arrinera Hussarya jellegzetessége, hogy azt teljesen az alapoktól építették fel. Az autó karosszériáját, motorját és belsejét is – annak ellenére, hogy kialakításuknál gyakran alkalmaztak már bevált technológiákat – úgy alakították át, hogy az ne csupán megfeleljen minden elvárásnak, de egyúttal olyan esztétikai értéket is képviseljen, mely méltó egy szuperautóhoz.

SMARTTECH_Arrinera_post1

Csökkenő előállítási költségek a visszamodellezésnek köszönhetően

Egy szuperautó áttervezése nem csupán rendkívül időigényes, hanem hihetetlenül költséges folyamat is. Az Arrinera tervezői sokáig kutattak olyan módszerek, megoldások után, melyekkel a fejlesztés felgyorsítható, és a költségek csökkenthetők. Végül a Reverse Engineering – Visszamodellezés alkalmazása mellett döntöttek, melynek lényege, hogy az áttervezés érdekében egy már létező alkatrész műszaki dokumentációját “rekonstruálják”.

1.1 ábra: A projekt kiindulópontjául szolgáló tengelykapcsolóház

1.1 ábra: A projekt kiindulópontjául szolgáló tengelykapcsolóház

A szuperautó áttervezésén dolgozó mérnököket egy SMARTTECH 3D szkenner alkalmazása segítette abban, hogy az autóalkatrészek geometriájáról gyors és részletes információkhoz jussanak. A 3D szkennelési technológiában rejlő lehetőségek kihasználására tökéletes példát nyújtott a tengelykapcsolóház tervezése és legyártása: nem titok, hogy a sportautóknál alkalmazott tengelykapcsolóknak teljesen más terhelést kell elviselniük, mint a hétköznapi autókban használt társaiknak. 810 Nm-es nyomatéknál már nem egyszerűen csak megbízható, hanem egyúttal extra könnyű váltókapcsolóra van szükségünk. A 3D szkenner lehetővé teszi, hogy egy a piacon már létező váltókapcsoló műszaki dokumentációjára alapozva, azt CAD szoftverrel áttervezzék, azért, hogy a jármű felépítéséhez illeszkedő csatlakozások kerüljenek beépítésre.

A jövő a zöld fényé

Az Arrineránál a pontos mérések érdekében egy 10 megapixeles érzékelővel ellátott, MICRON3D green 3D szkennert használtak. A technológia a zöld LED fény alkalmazásán alapszik, ami a hagyományos, fehér fénnyel dolgozó 3D szkennerekhez képest 30%-kal jobb eredmények elérését teszi lehetővé. A 800 x 600 mm-es látómezőnek köszönhetően a 3D szkennerrel egy olyan pontfelhőt kaphatunk, ami a szkennelt alakot 0,084 mm-es pontossággal képes megjeleníteni.

2.1. ábra: MIRCRON3D green 3D szkenner

2.1. ábra: MIRCRON3D green 3D szkenner

Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy egyetlen mérés során 80 x 60 cm nagyságú terület szkennelhető be. A többi, a piacon elérhető megoldáshoz képest a SMARTTECH 3D szkennerei állandóan egy mérési volumennel vannak kalibrálva. Ez a megoldás biztosítja azt, hogy a felhasználó munkához láthat anélkül, hogy az eszközt előzetesen kalibrálnia kellene. Ezzel nem csak időt nyerhet, de egyúttal a pontosságot befolyásoló kalibrálási probléma is kiküszöbölhetővé válik.

A MICRON3D green rendelkezik továbbá a német VDI/VDE 2634 szabványnak megfelelő metrológiai tanúsítvánnyal is, ami garantálja az Arrinera számára azt, hogy a mérési hiba nem haladja meg a készülék pontossági tanúsítványában megadott értékeket.

A 3D szkennerek, mint metrológiai eszközök

A SMARTTECH 3D szkenner által végzett mérés során a mérendő felületre mintázatokat vetítenek ki.  A mintázatok a görbülettől függően deformálódnak, amelyet a mérőfejbe épített érzékelő rögzít. A készülék csak az érzékelő számára látható felületeket méri meg. Ahhoz, hogy a kérdéses geometriáról, valamennyi szögből részletes információt kaphassunk, az adott tárgy szkennelését egy forgóasztal segítségével kell elvégeznünk.  A forgóasztal terhelhetősége több mint 300 kilogramm, átmérője pedig 50 cm, mely alkalmas arra, hogy a legtöbb autóalkatrész teljes körű mérését elvégezzük a segítségével.

3.1. ábra: Mintázatok kivetítése

3.1. ábra: Mintázatok kivetítése

Ezt követően a készülék az érzékelő által rögzített képet, egy speciális szoftveralgoritmus segítségével pontfelhővé alakítja át. Minden egyes X-Y-Z  koordinátájú pont tartalmaz információt az adott geometriáról, mely az utómunkát követően alkalmassá válik minőség-ellenőrzés elvégzésére vagy – mint az Arrinera esetében láthattuk – arra is, hogy 3D CAD szoftver segítségével áttervezzük és marással – 3D nyomtatással létrehozzuk az új modellt.

3.2 ábra: A tengelykapcsoló házat megjelenítő mérési eredmény

3.2 ábra: A tengelykapcsoló házat megjelenítő mérési eredmény

Felbontástól függően, egyetlen méréssel egy 5 vagy 10 millió pontból álló pontfelhőt, illetve 5 vagy 10 megapixeles felbontású képet kaphatunk. A megapixelek száma befolyásolja az adott tárgyról nyert információk részletességét. Az Arrinera esetében egy 10 megapixeles érzékelővel ellátott 3D szkennert alkalmaztak, mivel elvárás volt, hogy a mért objektum élei pontosan reprodukálhatók legyenek.

A tengelykapcsoló házat két oldalról szkennelték be, ami lehetővé tette, hogy később két pontfelhővel dolgozhassanak. Mindkét pontfelhő esetében hat külön mérést végeztek. A 3D szkennerrel felszerelt forgóasztal használatának köszönhetően lehetőség nyílt az egyes mérések előzetes összeillesztésére. Ehhez képest alternatív megoldást jelenthet a jelölő markerek alkalmazása.

A pontfelhők összeillesztése a SMARTTECH3Dmeasure szoftver segítségével

A szkennelést követően lehetőség van arra, hogy a pontfelhőt a SMARTTECH3Dmeasure szoftverével háromszöghálóvá alakítsuk át. Ezt a szoftvert a gyártó valamennyi SMARTTECH 3D szkennerhez biztosítja.

Az Arrineránál az összeillesztéshez a „3 pont” módszert alkalmazták, ahol mindkét pontfelhő esetében kiválasztottak három közös pontot. Ez alapján a szoftver automatikusan meghatározta az eredmények egymáshoz viszonyított pozícióját. A cél az volt, hogy egy olyan pontfelhőt kapjanak, ami teljes egészében megmutatja, megjeleníti a szkennelt tárgyat. A forgóasztal használata jelentősen megkönnyítette az eredmények összeillesztését, egységesítését, mivel az egyes oldalakat képviselő pontokat két csoportra osztotta.

4.1. ábra: Az elvégzett mérések összeillesztése a „három pont” módszer segítségével

4.1. ábra: Az elvégzett mérések összeillesztése a „három pont” módszer segítségével

Mielőtt a pontfelhőt háromszöghálóvá alakítanánk, nem hagyhatjuk ki a „Global alignment” funkció használatát, amely a pontok pozíciója alapján pontosan egymáshoz illeszti az összes pontfelhőt.  Ezen a ponton szükséges továbbá a különböző mérések egymást átfedő területeinek eltávolítása is.

E műveleteket követően a pontfelhő háromszöghálóvá alakítható. Az Arrinera esetében az STL fájlformátumot választották, ami a háromszöghálók egyik népszerű, gyakran alkalmazott formátuma, mivel az a 3D nyomtatókkal és marógépekkel egyaránt kompatibilis. A háromszögháló, ezen kívül a CAD modellezés alapjául is szolgálhat. Az Arrinera elkészítette és pontosította a CAD modellt, ami továbbításra került a gyártó gép szoftverének. A 3D szkennelés nem csupán a cég költségvetésére volt pozitív hatással, de gyorsan lehetővé tette egy adott alkatrész előállítását is.

4.2. ábra: Háromszögháló és az az alapján előállított CAD modell

4.2. ábra: Háromszögháló és az az alapján előállított CAD modell

Nagyméretű tárgyak szkennelése jelölő markerek alkalmazásával

A vizsgált tárgy mérete nem mindig teszi lehetővé, hogy a 3D szkennelést egy mérőlaborban, forgóasztalon végezzük el. Ilyen esetben lehetséges, hogy a méréseket – egy alternatív módszer, jelölő markerek alkalmazása révén – közvetlenül a gyártósoron valósítsuk meg. A másodikként bemutatott példa ezt a módszert alkalmazza. Az első példány gyártásakor gyakran tapasztaljuk, hogy a hosszadalmas tervezési folyamat ellenére nem minden alkatrész lesz pontosan olyan, amilyennek eredetileg megterveztük.

Az Arrinera mérnökeinek is szembesülnie kellett ezzel a problémával. Az autó bal oldali küszöbét az autó felépítésének optimalizálása céljából át kellett alakítani. Azért, hogy megőrizzék a jármű szimmetriáját, a másik oldali küszöböt teljesen azonos alakúra kellett formálniuk. Az Arrinera által alkalmazott hagyományos mérési módszerekkel a teljes geometria felmérése nem volt lehetséges, ezért döntöttek a SMARTTECH 3D technológia alkalmazása mellett.

5.1. ábra: Az autó küszöbe

5.1. ábra: Az autó küszöbe

A MICRON3D green készüléket azért tudták használni műhely szinten is, mert a mérőeszköz burkolata szénszálas anyagból készült. Az érzékeny mérőgép-elektronika és -optika védelméről egy F7 szűrőosztályú szűrő gondoskodik. Az ellenálló burkolat nemcsak a megbízhatóságot garantálja, de egyben biztosítékot jelent a stabil és kiváló minőségű mérésekre is. Ezen felül a belső lengéscsillapító rendszer csökkenti azokat a rezgéseket is, melyek esetlegesen befolyásolhatják az eredmények pontosságát.

A létező küszöb geometriai adatait közvetlenül a fizikai prototípusból nyerték. Az Arrinera Hussarya egy emelvényen állt, ám a küszöbhöz való hozzáférést akadályozta az autó ajtaja. Miután a küszöb mérete jelentősen meghaladta a 3D szkenner látómezejének méretét, a jelölő markerek segítségével történő szkennelés rendkívül hasznos megoldást kínált.

5.2. ábra: Az autó küszöbe háromszögháló formájában

5.2. ábra: Az autó küszöbe háromszögháló formájában

A jelölő markereket alkalmazó mérési módszer lényege, hogy a szkennelendő tárgyra speciális jelölő markereket helyeznek el. A 3D szkenneren futó SMARTTECH3Dmeasure szoftver két külön mérésből származó öt közös jelölő markert keres, és azokat összeilleszti. A 3D szkenner kezelője teljes képet kap a munkáról, és könnyen hozzáteheti a küszöb fennmaradó részeinek képét. A projektor és az érzékelő közötti éles szög – a fennálló fizikai akadályok ellenére – lehetővé tette, hogy a szóban forgó geometriáról nagy mennyiségű adatot gyűjthessenek be.

A jelölő markerekkel történő 3D szkennelés eredménye egy előzetesen összeillesztett, egységesített pontfelhő. A SMARTTECH3Dsoftware szoftverrel végzett utómunka minden alkalommal egyszerűen megvalósítható, ami a szoftver intuitív jellegének, valamint annak köszönhető, hogy képes az egyedi műveletek automatizálására. Ebben az esetben is szükséges ugyanakkor egy CAD referencia modell megalkotása a Geomagic Design X programban, amit az Arrinera is használt. Ez a modell kompatibilis azokkal a gépekkel, melyek elkészítik a szükséges alkatrészeket.

Miután az adott alkatrész CAD modellje már rendelkezésre áll, a 3D nyomtatási technológia alkalmazásával gyorsan elkészülhet a prototípus is. Az Arrineránál a poznani székhelyű ONI3D cég megoldására esett a választás. E cég legfontosabb, legismertebb terméke a Factory 2.0 Production System, mely FFF (fused filament fabrication) technológia alkalmazásával hoz létre nagy formátumú 3D nyomatokat.

Ez utóbbi készüléket a prototípusok gyors elkészítéséhez használták. A tervezési folyamat megkívánja az alkatrészek, összetevők folyamatos fejlesztését, és így nem csupán egy, hanem számos prototípus készül egy-egy adott alkatrészből. Amennyiben ezt a hagyományos módszerekkel valósítanánk meg, az igencsak időigényes volna és magas előállítási költségeket eredményezne.

5.3. ábra: OMNI3D-vel nyomtatott alkatrészek

5.3. ábra: OMNI3D-vel nyomtatott alkatrészek

Az Arrinera részére az OMNI3D 1:1 méretarányban nyomtatott alkatrészeket, például a visszapillantó tükör burkolatokat és légbeömlőket. Mindez nem csak a gyors prototípus-készítést tette lehetővé a szuperautó gyártója számára, hanem ABS-ből készült alkatrészek használatát is. A 3D nyomtató alkalmazásának köszönhetően az Arrinera csökkenteni tudta az alkatrészek súlyát, ami kiemelkedően fontos a szuperautók esetében, ahol egy-egy adott elem alkalmazhatósága szempontjából annak súlya az egyik legkritikusabb kérdés.

Az első versenyautó megtervezése és megépítése nem csupán mérnöki, de pénzügyi kihívás is az érintettek számára. A 3D technológiák egyrészt költségmegtakarítást tesznek lehetővé, ezzel egyidejűleg pedig garantálják az adatgyűjtéshez, prototípus-készítéshez és gyártási beállításokhoz szükséges precizitást, pontosságot. A 3D nyomtatási technológiák használatával az Arrinera képes volt jelentősen felgyorsítani a prototípus-készítési folyamatot és lerövidíteni a gyártási időt.

Forrás:SMARTTECH3D

További információ

A SMARTTECH3D honlapján.