ANSYS SpaceClaim on 3D-mallinnusohjelma, jota käytetään erityisesti ANSYS FEM-laskentamallien mallinnukseen ja esikäsittelyyn. SpaceClaim on kuitenkin saatavilla myös erillisenä ohjelmistona ja on varsin käyttökelpoinen 3D-mallinnusohjelma moneen muuhunkin tarpeeseen. SpaceClaim perustuu ”suoramallinnukseen”, jossa malliin ei sisälly perinteistä piirrehierarkiaa. Tästä johtuen SpaceClaim ei sovellu niinkään perinteiseen koneensuunnitteluun tai muuhun 3D-tuotesuunnitteluun, jossa piirteet ja piirteiden pohjalla olevat luonnokset (sketch) halutaan pitää tallessa, vaan ohjelma on tarkoitettu 3D-mallien nopeaan ja intuitiiviseen mallintamiseen ja muokkaamiseen. Hyviä käyttökohteita SpaceClaimille ovat mm. FEM-laskentamallin luominen olemassa olevan 3D-geometrian pohjalta, 3D-skannatun mallin takaisinmallinnus (reverse engineering) ja 3D-mallin (skannatun tai toisella ohjelmalla mallinnetun) muokkaus 3D-tulostusta varten. Tässä kirjoituksessa ei käsitellä FEM-laskentamallien luomiseen liittyviä ominaisuuksia ja toimintoja. Myös 3D-mallin luominen ”puhtaalta pöydältä” onnistuu, varsinkin jos tavoitteena ei ole tehdä parametrista mallia. Kuvassa 1 on esitetty SpaceClaimilla mallinnettu kappale, joka 3D-tulostettiin muovin multimateriaalitulostimella.
3D-skannatun mallin takaisinmallinnuksen (reverse engineering) kannalta SpaceClaimin oleellisia työkaluja ja toimintoja ovat erilaiset valintatekniikat, mallin orientointi ja solid -mallin luonti skannatusta (STL-muotoisesta kolmiopinta-) mallista sketch-työkaluja käyttäen. Valintatekniikat eroavat kolmiopintamallia työstäessä jossain määrin tavanomaisten 3D-mallien käsittelystä. Erityisesti Pull (extrude/hole) ja Move -työkalujen kanssa täytyy olla tarkkana, käyttäytyykö ympäröivä malli halutulla tavalla tiettyä kohtaa käsiteltäessä. Mallin orientoinnilla tarkoitetaan mallin kääntöä ja/tai asettelua haluttuun koordinaatistoon ja asemaan. Orientointia varten SpaceClaimissa on useita vaihtoehtoisia toimintatapoja ja työkaluja. Orient Mesh –työkalu on käyttökelpoinen, jos skannatussa mallissa on ehjiä suoria tai sylinterimäisiä pintoja. Toinen yleisesti käytettävä tapa on tehdä orientointi manuaalisesti hyödyntäen aputasoja (Plane) tai sylinterimäisten kappaleiden kanssa apuakseleita. Skannatusta mallista voidaan luoda ”täydellinen” solid-geometria käyttäen SpaceClaimin sketch-työkaluja. Solid-mallia voidaan tämän jälkeen hyödyntää esimerkiksi uusien työkuvien tekemiseen (tilanteessa, jossa alkuperäisiä kuvia ei ole saatavilla syystä tai toisesta). Solid-malliin on helppo tehdä haluttuja muutoksia geometriaan, koska nyt mallin piirteiden muokkaaminen toimii kuten Solid-malleissa yleensä (toisin kuin kolmiopintamalleissa). Kuvassa 2 on esitetty yksi esimerkki sketch-työkaluja hyödyntäen tehdystä Solid-mallista.
Erityisen hyödyllinen työkalu 3D-skannattuja malleja käsiteltäessä on Skin surface. Tällä työkalulla voidaan luoda rajattuja NURBS-pintoja STL-mallin pohjalta. Näin saadaan luotua kevyitä ja helposti käsiteltäviä pintamalleja verrattuna raskaisiin kolmiopintamalleihin. Näitä pintamalleja pystyy käsittelemään mukavasti myös muilla mallinnusohjelmilla (esim. SolidWorks, Inventor). Toimenpiteessä mallin tarkkuus kärsii verrattuna skannattuun dataan, mutta säilyy kuitenkin käyttökelpoisena useisiin tarkoituksiin. Kolmiopintamallista voidaan luoda myös Solid-malli Skin surface-pintoja käyttäen, kun koko malli käydään läpi muodostaen Skin surface-pinnat jokaisesta alueesta. Solid-mallin tekeminen Skin surface-pintoja hyödyntäen edellyttää, että aihiona toimiva (3D-skannattu) kolmiopintamalli on yhtenäinen tai esikäsitelty yhtenäiseksi kolmiopintamallien korjaustyökaluilla. Kuvassa 3 on esimerkki pintageometrian luomisesta 3D-skannatusta mallista käyttäen Skin surface-työkalua.
SpaceClaim on hyödyllinen ohjelma myös valmistellessa mallia 3D-tulostusta varten. 3D-tulostuksen kannalta olennaisia työkaluja ovat mm. mallin komponenttien erottaminen ja liittäminen (kolmiopintamalleissa), epätäydellisen kolmiopintamallin korjaaminen, kolmiopintojen käsittely: pursotus (pulling), siirto (move), piirteiden yhdistäminen, vähentäminen, leikkaaminen, Copy-Paste toiminnot, seinämänpaksuuden lisääminen kolmiopintamalliin, seinämänpaksuuksien tarkistus, kolmipintojen parantamistoiminnot (muoto, määrä, sijainti) ja Shrinkwrap-toiminto. Kuvassa 4 on esimerkki seinämänpaksuuden lisäämisestä kolmiopintamalliin.
Shrinkwrap-työkalua käyttäen voidaan yhdistää useasta komponentista koostuva malli (STL tai solid) yhtenäiseksi kolmiopintamalliksi (STL-verkkomalliksi). Näin muodostettavan mallin tarkkuus on säädettävissä Shrinkwrap-työkalun parametreilla. Työkalu on käyttökelpoinen esimerkiksi, jos halutaan tehdä 3D-tulostamalla pienoismalli monimutkaisesta konstruktiosta, jonka osien ei kuitenkaan ole tarpeen olla liikkuvia (toiminnallisia) eikä täydellisen mittatarkkoja. Shrinkwrap-työkalua käyttäen voitaisiin tehdä vaikkapa 3D-tulostettava pienoismalli jostain useita osia ja mekanismeja sisältävästä koneesta tai arkkitehtonisesta kohteesta kuten muodoltaan monimutkaisesta rakennuksesta. Kuvassa 5 on esitetty esimerkki Shrinkwrap-työkalulla tehdystä mallista (kuvassa oikealla).
Sen lisäksi, että SpaceClaimilla voidaan tehdä pintamalleista onttoja tietyn seinämänpaksuuden omaavia malleja, kuten kuvassa 4 nähtiin, voidaan mallille antaa myös erilaisia infill-täyttöjä. Esimerkkejä erilaisista infill-täytöistä (kuten hilarakenne tai hunajakenno) on esitetty kuvassa 6.
Kuvassa 7 on esitetty kappale, josta 3D-skannaamalla saatua verkkomallia on muokattu SpaceClaimissa 3D-tulostusta varten. Spaceclaimissa kappaleen tarkkuutta on pienennetty mallinnuskäsittelyn keventämiseksi, kappale on jaettu kahteen osaan, kappale on tehty ontoksi ja sille on annettu seinämänpaksuus ja kappaleeseen on lisätty ruuvinreiät ja jäykisteet. Kuvassa oikealla on kappale 3D-tulostettuna ja asennettuna lopullisessa käyttökohteessaan eli käteen istuvana keittiöveitsen kahvana.
3D-skannatun datan pohjalta tehtäviin mittauksiin ANSYS SpaceClaim soveltuu huonosti. Tämän tyyppistä työtä varten on olemassa siihen suunniteltuja ohjelmistoja, kuten esimerkiksi Savonialla käytössä oleva InnovMetricin Polyworks Inspector. Lisää tietoa 3D-skannauksesta ja mittauksista löytyy aiemmista blogikirjoituksista: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/08/28/3d-skannaus-osa-1-2-3d-skannaus-valmistavan-teollisuuden-tyokaluna/ ja https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2019/01/29/3d-skannauksesta-3d-skannaus-ja-3d-tulostus/ .
Simo Mäkinen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu
Mielenkiintoinen blogi!