{"id":136,"date":"2018-08-28T08:50:18","date_gmt":"2018-08-28T08:50:18","guid":{"rendered":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/?p=136"},"modified":"2021-03-24T12:29:43","modified_gmt":"2021-03-24T12:29:43","slug":"3d-skannaus-osa-1-2-3d-skannaus-valmistavan-teollisuuden-tyokaluna","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/2018\/08\/28\/3d-skannaus-osa-1-2-3d-skannaus-valmistavan-teollisuuden-tyokaluna\/","title":{"rendered":"3D-skannaus osa 1\/2: 3D-skannaus valmistavan teollisuuden ty\u00f6kaluna"},"content":{"rendered":"

T\u00e4ss\u00e4 kirjoituksessa kerrotaan 3D-skannauksen toimintaperiaatteesta ja esitell\u00e4\u00e4n sen k\u00e4ytt\u00f6\u00e4 valmistavan teollisuuden mittaty\u00f6kaluna. My\u00f6hemmin julkaistavassa toisessa osassa kerrotaan 3D-skannauksen hy\u00f6dynt\u00e4misest\u00e4 3D-tulostetun kappaleen valmistuksessa.<\/p>\n

Valmistavassa teollisuudessa yksi merkitt\u00e4v\u00e4 tekij\u00e4 on osien mittatarkkuus ja valmistuksen tolerointi. Eri valmistusmenetelmist\u00e4 koituu eri tavalla poikkeamia tuotteeseen. Suurimpia mittapoikkeamia aiheuttavat ep\u00e4tasaisesti l\u00e4mp\u00f6\u00e4 kappaleeseen tuovat valmistusmenetelm\u00e4t, kuten termiset leikkaustavat, tai hitsaaminen. Kun metallikappaleeseen tuodaan l\u00e4mp\u00f6\u00e4 ep\u00e4tasaisesti, sen ep\u00e4tasainen l\u00e4mp\u00f6laajeneminen kasvattaa sis\u00e4isi\u00e4 j\u00e4nnityksi\u00e4, jotka aiheuttavat taipumista metallikappaleessa. J\u00e4\u00e4htyess\u00e4\u00e4n kappale palaa l\u00e4helle alkuper\u00e4isi\u00e4 mittojansa, mutta hitsattu levy ei en\u00e4\u00e4 palaa suoraksi. Levy\u00e4 voidaan oikoa, mutta rakenteisiin hitsattuja levyj\u00e4 on v\u00e4h\u00e4n hankalampi muovata en\u00e4\u00e4.<\/p>\n

Jokaiseen valmistusmenetelm\u00e4\u00e4n (liitt\u00e4v\u00e4, poistava, muovaava, lis\u00e4\u00e4v\u00e4) saadaan hukattua toleransseja, siit\u00e4 ei p\u00e4\u00e4se mihink\u00e4\u00e4n. Mik\u00e4\u00e4n valmistusmenetelm\u00e4 ei takaa sit\u00e4, ett\u00e4 valmistettu tuote, tai sen osa olisi juuri vastaavissa mitoissa, kuin piirretty cad-malli. Nykyaikaisilla menetelmill\u00e4 ja laitteilla tiukimpiin toleranssivaatimuksiin voidaan p\u00e4\u00e4st\u00e4, mutta jollain nekin vaaditut mitat t\u00e4ytyy laatukriteerien niin sanellessa varmentaa. 3D-skannaus on yksi nopeasti yleistyvist\u00e4 keinoista mittatoleranssien varmentamiseen.<\/p>\n

Savonialla on k\u00e4yt\u00f6ss\u00e4 Creaform Handyscan 700, jossa kappaleeseen heijastetaan strukturoitu viivakuvio laservalolla. Heijastettu kuvio kuvataan kahdella erill\u00e4\u00e4n olevalla kameralla ja kuvauksen perusteella skannausohjelmisto luo kuvattavasta kohteesta pistepilven tai suoraan pintamallin. Handyscan skanneri on k\u00e4sik\u00e4ytt\u00f6inen, eli sit\u00e4 voidaan liikuttaa vapaasti k\u00e4dess\u00e4 ja \u201dmaalata\u201d kuvattava kohde.<\/p>\n

Handyscan skannerin minimi mittapistev\u00e4li on 0.2 mm. Pisteverkon resoluutio voidaan s\u00e4\u00e4t\u00e4\u00e4 ohjelmallisesti 0.2mm \u2013 10 mm v\u00e4lilt\u00e4. Skannerin mittatarkkuus on 0.030 mm ja tilavuustarkkuus 0.020 mm + 0.060 mm\/m. Seuraavassa esimerkiss\u00e4 kuvataan skannausprosessi Creaform Handyscania k\u00e4ytt\u00e4en.<\/p>\n

\"\"
Kuva 1. HandyScan 700 on kompakti, k\u00e4sik\u00e4ytt\u00f6inen laserskanneri. Kuva: Joni Andersin, 2018.<\/figcaption><\/figure>\n

Skannausprosessissa Handyscan ottaa noin \u00bd miljoonaa mittausta sekunnissa ja laskee niist\u00e4 skannausdataa jatkuvasti. 3D-skannauksen laskennassa tarvitaan aina joitain mittauksia yhdist\u00e4vi\u00e4 piirteit\u00e4, kuten heijastavia tarroja tai kappaleen muotoja (reunat, rei\u00e4t, kaarevuus, yms).<\/p>\n

Paikoitustarroja tarvitaan skannausprosessissa per\u00e4tt\u00e4isten skannausdatojen yhdist\u00e4miseen 3-uloitteisessa avaruudessa. Jos kappaletta ei pystyt\u00e4 skannaamaan yhdell\u00e4 kertaa, vaan esimerkiksi kappaletta on k\u00e4\u00e4nnett\u00e4v\u00e4 v\u00e4lill\u00e4, paikoitustarrat voivat auttaa siirtym\u00e4\u00e4n kappaleen toiselle puolelle. Joskus siirtyminen puolelta toiselle ei onnistu paikoitustarrojen avulla, vaan silloin skannausdatoissa tulee olla riitt\u00e4v\u00e4sti p\u00e4\u00e4llekk\u00e4isyytt\u00e4 toisten skannausdatojen kanssa, jotta erilliset skannaukset saadaan yhdistetty\u00e4 toisiinsa esimerkiksi kappaleen muotojen perusteella.<\/p>\n

Tarroja voi liimata tai materiaalista riippuen, ripustaa paikoilleen my\u00f6s magneettien avulla. Tarroissa itsess\u00e4\u00e4n vaan piilee (ty\u00f6m\u00e4\u00e4r\u00e4n lis\u00e4ksi) pieni haaste, kuten tarrojen liima. Tarrasta voi j\u00e4\u00e4d\u00e4 liimaj\u00e4\u00e4mi\u00e4 kappaleen pintaan, mik\u00e4 voi aiheuttaa p\u00e4\u00e4nvaivaa, mik\u00e4li kyseinen kohta pit\u00e4isi puhdistaa tai maalata tai maalatulla pinnalla kohta j\u00e4isi selke\u00e4sti n\u00e4kyville.<\/p>\n

Kalibrointi<\/strong><\/p>\n

Kappaleen skannaus alkaa skannerin kalibroinnista, joka on hyv\u00e4 tehd\u00e4 p\u00e4ivitt\u00e4in. Handyscan skannerissa kalibrointi on todella helppo ja yksinkertainen ty\u00f6. Kalibrointiin kuluu aikaa noin minuutin verran. Kalibroinnissa skanneria liikutetaan kalibrointilevyn yl\u00e4puolella, josta skanneri varmistaa mittatarkkuutensa.<\/p>\n

Puhdistus<\/strong><\/p>\n

Skannattava kappale tulee puhdistaa liasta, esimerkiksi rasvaj\u00e4\u00e4mist\u00e4 ja p\u00f6lyst\u00e4. Paremman mittatarkkuuden lis\u00e4ksi my\u00f6s paikoitustarrat pysyv\u00e4t paremmin kiinni puhtaalla pinnalla.<\/p>\n

Paikoitustarrojen sijoittelu<\/strong><\/p>\n

Paikoitustarrat tulee sijoittaa kappaleeseen satunnaisesti, siten ett\u00e4 skannerin kamerat n\u00e4kev\u00e4t mist\u00e4 tahansa kuvakulmasta v\u00e4hint\u00e4\u00e4n 4 tarraa noin A4 kokoisella alueella.<\/p>\n

\"\"
Kuva 2. HandyScan 700 hy\u00f6dynt\u00e4\u00e4 paikoituksessa heijastavia tarroja. Kuva: Joni Andersin, 2018.<\/figcaption><\/figure>\n

Ennen skannausta paikoitustarrat on hyv\u00e4 kuvata ja tehd\u00e4 paikoitusmallin laskennallinen optimointi, jotta itse skannaus voidaan tehd\u00e4 halutussa j\u00e4rjestyksess\u00e4.<\/p>\n

Skannaus<\/strong><\/p>\n

Joskus skannausvaihe on nopein ja helpoin ty\u00f6. T\u00e4ss\u00e4kin t\u00e4ytyy olla kuitenkin sen verran tarkkana, ett\u00e4 tiet\u00e4\u00e4 mit\u00e4 alueita halutaan skannata ja huolehtia, ett\u00e4 ne kohdat tulevat skannatuksi kokonaan ja tarkasti. Skannaus kannattaa aloittaa kuvaamalla koko kappale karkeasti, jonka j\u00e4lkeen esimerkiksi paikoituskohdat kuvataan t\u00e4ydellisesti.<\/p>\n

Jos skannattuun malliin j\u00e4\u00e4 puutteita, voidaan mallia muokata ja korjata kohtuullisen helposti. Korjattu malli ei en\u00e4\u00e4 vastaa alkuper\u00e4ist\u00e4, joten lopputulokseen ei kuitenkaan voi en\u00e4\u00e4 luottaa, mik\u00e4li esimerkiksi kohdistus CAD-malliin klikataan softalla paikatusta rei\u00e4st\u00e4.<\/p>\n

Skannauksen j\u00e4lkeen mallia voi siis k\u00e4sitell\u00e4, mutta mittaamistarkoituksessa siit\u00e4 ei ole mit\u00e4\u00e4n hy\u00f6ty\u00e4. Jos mallista halutaan esimerkiksi tulostaa vastaava kappale, sen tulee olla ns. vesitiivis ja malli tulee korjata.<\/p>\n

Suurimpia hankaluuksia skannauksessa aiheuttavat kappaleen todella heijastavat tai eritt\u00e4in paljon valoa sy\u00f6v\u00e4t tummat pinnat, syv\u00e4t taskut ja ohutlevyjen reunat. Esimerkiksi peilikiilt\u00e4v\u00e4 rosteri heijastaa lasers\u00e4teen liian voimakkaasti, aiheuttaen ylim\u00e4\u00e4r\u00e4isi\u00e4 piirteit\u00e4 (valekuvia) mallin ymp\u00e4rille. Toisaalta tummat pinnat vaativat skannerin suljinajan pident\u00e4mist\u00e4, joka voi aiheuttaa ylim\u00e4\u00e4r\u00e4isi\u00e4 \u201droskia\u201d avaruuteen. Skannauksessa molempien kuvaavien kameroiden on n\u00e4ht\u00e4v\u00e4 kuvattava kohde, joten syv\u00e4lle ulottuvat piirteet eiv\u00e4t edes yll\u00e4 skannausalueelle. Lis\u00e4ksi laservaloa k\u00e4ytt\u00e4v\u00e4ss\u00e4 skannerissa punaiset pinnat sy\u00f6v\u00e4t valon, eik\u00e4 niist\u00e4 saada mittadataa.<\/p>\n

Jatkok\u00e4sittely\u00e4 varten skannattu malli tallennetaan STL-pintamalliformaattiin.<\/p>\n

Mittaus<\/strong><\/p>\n

Mittausohjelmistoja on erilaisia. Toiset ovat varta vasten hommaan suunniteltuja ja toisilla samaan ty\u00f6h\u00f6n menee v\u00e4hint\u00e4\u00e4n kaksinkertainen aika hyv\u00e4\u00e4n ohjelmistoon verrattuna.<\/p>\n

Savonialle toukokuussa hankittu \u201dInnovMetric Polyworks Inspector\u201d- mittausohjelmisto on osoittautunut todella nopeaksi ja joustavaksi sovellukseksi Handyscanin rinnalle. Skannerin mukana tulleeseen VX Inspect \u2013mittausohjelmaan verrattuna ty\u00f6aika ja \u2013m\u00e4\u00e4r\u00e4 on nyt jopa puolittunut.<\/p>\n

\"\"
Kuva 3. Kuvakaappaus Polyworks -mittausohjelmistosta<\/figcaption><\/figure>\n

Mittausty\u00f6 alkaa tuomalla mittausohjelmaan CAD-malli, sek\u00e4 skannauksesta saatu pintamalli (tai pintamalleja), jonka j\u00e4lkeen pintamalli(t) kohdistetaan CAD-mallin mukaiseen asentoon. K\u00e4ytetty CAD-malli on yleisesti STEP- tai IGS- tiedostoformaatissa.<\/p>\n

Kaikki ei t\u00e4ss\u00e4k\u00e4\u00e4n asiassa k\u00e4y aivan k\u00e4den k\u00e4\u00e4nteess\u00e4, vaan mittausty\u00f6n luonne ja ty\u00f6m\u00e4\u00e4r\u00e4 voi olla mit\u00e4 tahansa suklaansy\u00f6nnin ja 300 kilon penkkipunnerruksen v\u00e4lilt\u00e4. Osittain ty\u00f6m\u00e4\u00e4r\u00e4 riippuu siit\u00e4, miten hyvin mitattavat kohdat on saatu kuvattua skannausvaiheessa. Koko mittausprosessi koostuu useasta eri ty\u00f6vaiheesta, mm. mallin kohdistus, piirteiden sek\u00e4 mittapiirteiden luominen ja niiden toleranssiarvojen m\u00e4\u00e4rittely sek\u00e4 luotujen piirteiden mittaus.<\/p>\n

Koska valmistetun kappaleen ja CAD mallin v\u00e4lill\u00e4 on aina eroja, tulee kohdistusvaiheessa olla tiedossa millainen kohdistuksen pit\u00e4isi olla lopullisessa mittausraportissa, jotta siit\u00e4 olisi hy\u00f6ty\u00e4 esimerkiksi valmistusvaiheessa olevien jigien korjaamisessa. Kohdistus voidaan tehd\u00e4 usealla eri tavalla, esimerkiksi peruspiirteiden (Datum feature)-,  piirteiden-, n-pisteen tai pinnan mukaisesti parhaalla sovituksella.<\/p>\n

Kun kohdistus on tehty, aletaan projektiin luomaan mittausten vaatimia piirteit\u00e4 ja mittapiirteit\u00e4. Mittapiirteille m\u00e4\u00e4ritell\u00e4\u00e4n mitattavat suunnat sek\u00e4 sallitut toleranssiarvot jokaiselle mittaukselle, CAD-mallia ja mahdollisia muita tietoja avuksi k\u00e4ytt\u00e4en. Mittauksille saadaan nominaalimitat CAD-mallista, todelliset mitat skannatusta mallista, mittavirhe mallien v\u00e4lilt\u00e4, sek\u00e4 sallitun toleranssin ylitt\u00e4m\u00e4 arvo m\u00e4\u00e4riteltyjen toleranssien perusteella.<\/p>\n

Tyypillisesti mallista tarkastetaan geometrisia toleransseja, kuten tasomaisuutta, samankeskisyytt\u00e4, tai yhdensuuntaisuutta. Mallista voidaan tarkastaa my\u00f6s esimerkiksi reikien et\u00e4isyys toisistaan, tai vaikka sylinterin todellinen halkaisija ja sijaintipoikkeama alkuper\u00e4isen mallin koordinaattiakselien suuntaan.<\/p>\n

CAD \u2013mallia ei kuitenkaan aina tarvita. Joskus eteen tulee my\u00f6s tarve selvitt\u00e4\u00e4 k\u00e4sin valmistetun esineen, tai tuotteen dimensioita, joita olisi muuten mahdoton tulkita ty\u00f6nt\u00f6- ja rullamitan kanssa.<\/p>\n

Raportointi<\/strong><\/p>\n

Jotta mittausohjelmasta saadaan ulos halutunlainen raportti, vaatii sekin jonkin verran ty\u00f6t\u00e4. Yleisesti malli k\u00e4\u00e4nnet\u00e4\u00e4n kuvaruudulla haluttuun asentoon, jonka j\u00e4lkeen mallin rinnalle m\u00e4\u00e4ritell\u00e4\u00e4n ja sijoitellaan tietoikkunat raportoitavista piirteist\u00e4. T\u00e4llaisia ovat esimerkiksi tiedot mallin kohdistuksesta sek\u00e4 mitattavista piirteist\u00e4.<\/p>\n

Kun n\u00e4kym\u00e4 kuvaruudulla on s\u00e4\u00e4detty halutunlaiseksi, otetaan ruudusta kuvakaappaus raporttiin. Lis\u00e4ksi kuvan rinnalle lis\u00e4t\u00e4\u00e4n taulukkomuotoinen data kuvaan liittyvist\u00e4 piirteist\u00e4 ja\/tai mittauksista.<\/p>\n

Raporttiin saadaan taulukkomuotoisena datana esimerkiksi kohteen nominaali- ja mitatut arvot (m\u00e4\u00e4ritellyiss\u00e4 X, Y, Z \u2013koordinaattiakseleiden suunnissa, tai lyhyint\u00e4 reitti\u00e4 kulkeva 3D-mitta) sek\u00e4 tulosten erotus ja poikkeama annettuun toleranssiin.<\/p>\n

Raportti sis\u00e4lt\u00e4\u00e4 usein my\u00f6s v\u00e4\u00e4r\u00e4v\u00e4rikuvan kappaleesta, jossa toleranssin sis\u00e4ll\u00e4 olevat kohdat n\u00e4ytet\u00e4\u00e4n yhdell\u00e4 v\u00e4rill\u00e4 esimerkiksi vihre\u00e4n\u00e4 ja poikkeamat sit\u00e4 punaisempana (+) tai sinisemp\u00e4n\u00e4 (-) mit\u00e4 kauempana kyseinen kohta skannatussa mallissa on verrattuna CAD-malliin. V\u00e4\u00e4r\u00e4v\u00e4rikuva voi my\u00f6s kuvata esimerkiksi kappaleen poikkileikkausta.<\/p>\n

\"\"
Kuva 4. Kuvakaappaus Polyworks \u2013mittausohjelmistosta, v\u00e4\u00e4r\u00e4v\u00e4rikuvat.<\/figcaption><\/figure>\n

Valmistussarjan mittaus<\/strong><\/p>\n

Kun mittaraportti on kertaalleen luotu Polyworks mittausohjelmistossa, voidaan siihen tuoda uusi skannausdata saman sarjan toisesta tuotteesta ja ohjelmisto luo koko mittausprosessin alusta loppuun automaattisesti. T\u00e4ll\u00f6in voidaan verrata saman sarjan eri kappaleita helposti toisiinsa ja n\u00e4hd\u00e4 esimerkiksi poikkeamat valmistuksessa. Vaatimuksena automaattisen prosessin onnistumiselle on se, ett\u00e4 my\u00f6s seuraavat kappaleet on skannattu huolellisesti ensimm\u00e4isess\u00e4 kappaleessa k\u00e4ytetyist\u00e4 piirre ja mittauskohdista.<\/p>\n

 <\/p>\n

Joni Andersin
\nProjekti-insin\u00f6\u00f6ri
\nSavonia-ammattikorkeakoulu<\/p>\n

Lauri Alonen
\nProjekti-insin\u00f6\u00f6ri
\nSavonia-ammattikorkeakoulu<\/p>\n

 <\/p>\n\n\n

\"\"<\/figure>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

T\u00e4ss\u00e4 kirjoituksessa kerrotaan 3D-skannauksen toimintaperiaatteesta ja esitell\u00e4\u00e4n sen k\u00e4ytt\u00f6\u00e4 valmistavan teollisuuden mittaty\u00f6kaluna. My\u00f6hemmin julkaistavassa toisessa osassa kerrotaan 3D-skannauksen hy\u00f6dynt\u00e4misest\u00e4 3D-tulostetun kappaleen valmistuksessa. Valmistavassa teollisuudessa yksi merkitt\u00e4v\u00e4 tekij\u00e4 on osien mittatarkkuus ja valmistuksen tolerointi. Eri valmistusmenetelmist\u00e4 koituu eri tavalla poikkeamia tuotteeseen. Suurimpia mittapoikkeamia aiheuttavat ep\u00e4tasaisesti l\u00e4mp\u00f6\u00e4 kappaleeseen tuovat valmistusmenetelm\u00e4t, kuten termiset […]<\/p>\n","protected":false},"author":4267,"featured_media":140,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[20,1],"tags":[12,5,13,14],"class_list":["post-136","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-liva","category-uncategorized","tag-3d-skannaus","tag-3d-tulostus","tag-creaform","tag-polyworks"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/136","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/users\/4267"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=136"}],"version-history":[{"count":5,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/136\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":994,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/136\/revisions\/994"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/media\/140"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=136"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=136"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogi.savonia.fi\/3dtulostus\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=136"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}