Arrinera Hussarya – польский суперкар, созданный с применением 3D-технологий

В отличие от большинства автомобильных проектов Польши Arrinera Hussarya разрабатывался «с нуля». Все детали кузова, двигателя и салона – несмотря на то, что в них часто используются проверенные технологии – перепроектированы так, чтобы соответствовать техническим требованиям и эстетике суперкара.

Обратная разработка сокращает издержки производства

Перепроектирование суперкара – не только продолжительный, но и чрезвычайно дорогостоящий процесс. Инженеры компании «Arrinera» долго искали способы ускорить разработку и уменьшить затраты. В конечном счете они решили воспользоваться обратной разработкой (реверс-инжинирингом), которая представляет собой процесс реконструкции технической документации существующего элемента с целью его перепроектирования.

С помощью профессионального 3D-сканера SMARTTECH инженеры, работающие над суперкаром, добились возможности быстро получать исчерпывающую информацию о геометрии деталей автомобиля. Отличный пример возможностей технологии 3D-сканирования – процесс проектирования и изготовления картера сцепления.

Не секрет, что сцепление в спортивных автомобилях подвергается совершенно другим нагрузкам, нежели в обычных машинах. Крутящий момент величиной 810 Н·м требует использования не только надежной, но и легкой конструкции сцепления. 3D-сканер помог получить техническую документацию на картер, уже имеющийся на рынке, и перепроектировать его в программных средствах САПР с целью установки на Arrinera Hussarya.

Будущее 3D-сканирования за зеленым светом

Для выполнения точных измерений использовался 3D-сканер MICRON3D green с 10-мегапиксельным детектором. Технология на основе зеленого светодиодного света позволяет выполнять измерения с точностью на 30% выше, чем при использовании аппаратов с белым светом. Имея поле зрения 800x600 мм, 3D-сканер получает облако точек, представляющее сканируемую форму с точностью до 0,084 мм.

На практике это означает, что за одно измерение можно сканировать участок размерами 80x60 см. В отличие от других решений, имеющихся на рынке, 3D-сканеры SMARTTECH постоянно калибруются на один объем сканирования. Это решение дает пользователю возможность приступать к работе без дополнительных калибровок. Таким образом, не только достигается экономия времени, но и устраняется проблема, влияющая на точность.

MICRON3D green прошел метрологическую сертификацию в соответствии с немецким стандартом VDI/VDE 2634, гарантирующую, что погрешность сканирования не превышает указанных в документе величин.

3D-сканеры – метрологические устройства

Измерения, выполняемые 3D-сканером SMARTTECH, основаны на проекции шаблонов на измеряемую поверхность. Шаблоны деформируются в зависимости от кривизны и регистрируются детектором, встроенным в измерительную головку. Устройство считывает только поверхности, видимые для детектора. Чтобы получить исчерпывающую информацию о геометрии со всех углов, объект требуется сканировать, используя поворотный стол. Допустимая нагрузка поворотного стола – свыше 300 кг, а диаметр – 50 см, что достаточно для выполнения полных измерений большинства деталей автомобиля.

Изображение с детектора затем преобразуется в облако точек благодаря специальному программному алгоритму. Каждая из точек содержит информацию о геометрии, описанную в координатах X, Y, Z; эти сведения после дополнительной обработки могут использоваться для контроля качества или, как в случае с компанией «Arrinera», для перепроектирования и фрезерования модели на станке с ЧПУ.

В зависимости от разрешения количество точек в облаке, полученном в одном измерении, может составлять от 5 до 10 млн точек для разрешения 5 или 10 мегапикселей соответственно. Количество мегапикселей влияет на степень детализации, полученную с конкретного объекта. В случае «Arrinera» использовался 3D-сканер с 10-мегапиксельным детектором, так как требовалось точно воспроизвести края измеряемого объекта.

Картер муфты был отсканирован с двух сторон, что позволило получить два облака точек. Для каждого из них было выполнено шесть отдельных измерений, произведенные с помощью поворотного стола, которые в дальнейшем были предварительно совмещены. Альтернативный вариант состоит, например, в использовании маркеров позиционирования.

Совмещение облаков точек в программе «SMARTTECH3Dmeasure»

По окончании процесса сканирования имеется возможность преобразовать облако точек в треугольную сетку; для этого используется программа «SMARTTECH3Dmeasure». Эта программа входит в комплект поставки каждого 3D-сканера SMARTTECH. Перед началом преобразования необходимо совместить результаты измерений.

Для совмещения использовался метод, при котором выбирались три общие точки для обоих облаков. На этой основе программа автоматически определяла положение результатов относительно друг друга. Цель состояла в том, чтобы получить облако точек, полностью представляющее сканированный объект. Использование поворотного стола существенно облегчало операцию совмещения результатов, так как он обеспечивал разделение на две группы точек, представляющие каждую из сторон.

Перед началом преобразования облака точек в треугольную сетку необходимо было воспользоваться функцией «Global alignment» («Глобальное совмещение»), которая, основываясь на положении, точно совмещает все облака друг с другом. На этом этапе требуется устранить перекрытия, т.е. перекрывающиеся области различных измерений.

После этих действий облако точек преобразуется в треугольную сетку. Для компании «Arrinera» был выбран формат STL, который является наиболее распространенным для треугольных сеток благодаря его совместимости с 3D-принтерами и фрезерными станками. Треугольная сетка может также использоваться для моделирования в САПР. Инженеры «Arrinera» подготовили и настроили САПР-модель, после чего направили ее в программу, управляющую станком с ЧПУ. Применение 3D-сканирования не только уменьшило нагрузку на бюджет компании, но и позволило оперативно изготовить специализированную деталь.

3D-сканирование крупных объектов с использованием маркеров позиционирования

К сожалению, 3D-сканирование на поворотном столе в измерительной лаборатории не всегда возможно из-за размеров объектов. Благодаря альтернативному методу, использующему маркеры позиционирования, выполнить измерения реально и на производственной линии. Этот метод рассматривается во втором примере. В ходе изготовления первого образца часто оказывается, что, несмотря на длительный процесс проектирования, не все детали в точности таковы, как планировалось первоначально.

С указанной проблемой столкнулись инженеры «Arrinera». Левый лонжерон автомобиля был адаптирован с целью оптимизации конструкции. Чтобы сохранить симметрию автомобиля, лонжерон с другой стороны требовалось выполнить точно таким же по форме. Обычные методы измерений, использованные компанией «Arrinera», не позволяли получить полную геометрию, поэтому было решено использовать технологию 3D-сканирования SMARTTECH.

Использование сканера MICRON3D green в производственном цеху стало возможно благодаря корпусу, выполненному из углеродного волокна. Он обеспечивает не только надежность, но также стабильность и высокое качество измерений. Кроме того, внутренняя амортизационная система подавляет вибрации, способные повлиять на точность результатов.

Геометрические данные имеющегося лонжерона были собраны непосредственно с физического прототипа. Автомобиль Arrinera Hussarya стоял на платформе – доступ к обвязочному брусу преграждала дверь автомобиля. Так как размеры бруса значительно превышали поле зрения 3D-сканера, необходимо было использовать очень полезную функцию сканирования с маркерами позиционирования.

Данный метод измерения основан на прикреплении к сканируемому объекту специальных маркеров. Программное обеспечение «SMARTTECH3Dmeasure», управляющее 3D-сканером, обнаруживает пять общих маркеров позиционирования между двумя отдельными измерениями, а затем совмещает их. Оператор 3D-сканера обладает полным обзором и может легко добавлять сканированные изображения оставшихся частей лонжерона. Острый угол между проектором и детектором позволяет, несмотря на громоздкие ручные ограничения, получить большой объем данных о геометрии.

Результатом 3D-сканирования с маркерами позиционирования является предварительно совмещенное облако точек. Дальнейшая дополнительная обработка в программах SMARTTECH выполняется каждый раз аналогичным образом благодаря его интуитивно-понятной конструкции и возможностям автоматизации отдельных операций. В этом случае необходимо также создать эталонную САПР-модель в программе «Geomagic Design X», используемой компанией «Arrinera». Данная модель совместима с резальными и гибочными станками, используемыми для изготовления необходимых деталей.

Наличие САПР-модели заданного элемента позволяет применить технологию 3D-печати для быстрого создания опытных образцов. Компания «Arrinera» выбрала решение, предложенное компанией «OMNI3D» (г. Познань), специализирующейся на крупногабаритной 3D-печати по технологии FDM.

Процесс проектирования требует быстрого усовершенствования компонентов, поэтому обычно требуется изготовление не одного, а нескольких опытных образцов любой конкретной детали. Решение этой задачи традиционными методами требует много времени и связано с высокими издержками производства.

Компания «OMNI3D» напечатала для «Arrinera» такие детали, как корпуса зеркал и воздухозаборники в масштабе 1:1. Это помогло производителям не только быстро изготовить опытные образцы, но и использовать детали, изготовленные из ABS-пластика, при сборке автомобиля.

Благодаря использованию 3D-принтера компании «Arrinera» удалось снизить вес деталей, что особенно важно для суперкара, где вес – один из ключевых факторов при принятии решений о том, устанавливать ли определенный элемент.

Проектирование и изготовление первого гоночного автомобиля – сложная задача не только в техническом, но и в финансовом отношении. 3D-технологии обеспечивают как снижение затрат, так и необходимую точность в ходе сбора данных, создания опытных образцов и наладки производства. Благодаря использованию 3D-технологий компания «Arrinera» смогла существенно ускорить процесс создания опытных образцов и сократить время, необходимое для их производства.