fbpx

Tworzenie części zamiennych – inżynieria odwrotna: case study

Case study: Tworzenie części zamiennych – inżynieria odwrotna

0 266

Tworzenie części zamiennych – inżynieria odwrotna: case study

Tworzenie części zamiennych – inżynieria odwrotna. W tym artykule przedstawię Ci kilka przykładów, w jaki sposób nasza firma CSTNG (właściciel marki wynalazcaTV) pomaga naszym klientom przez usługi projektowe – inżynierię odwrotną oraz usługi druku 3d.

Zapewne zdarzyło się, że sprzęt, na którym pracujesz od lat, po jakimś czasie nadaje się do wyrzucenia. Głównie ze względu na popsucie się jednej, małej części. Usterka jest niewielka, ale ze względu na brak części zamiennej musisz kupić całe nowe urządzenie.

Często takim zniszczeniom ulega jedno z kół zębatych wytworzonych z tworzywa sztucznego.  Wystarczyłoby je wymienić i dalej cieszyć się działającym sprzętem. Problemem jest jednak znalezienie dokładnie takiego samego koła zębatego.

Zazwyczaj są to części na tyle nietypowe, że znalezienie ich na rynku jest niemożliwe. Tutaj z pomocą przychodzi inżynieria odwrotna, w połączeniu ze stosunkowo tanim drukiem 3D.

Jaki jest sposób na idealne odwzorowanie uszkodzonej części – stworzenie części zamiennej?

Inżynieria odwrotna – co to jest i do czego służy?

Czym jest inżynieria odwrotna i do czego służy? W obecnych czasach, przed wyprodukowaniem przedmiotu, w pierwszej kolejności projektuje się go w programach komputerowych jako model 3D. Ułatwia to ocenę techniczną (np. wytrzymałość) i pozwala na dopracowanie szczegółów jeszcze przed uruchomieniem produkcji.

A co jeśli mamy gotowy przedmiot, ale nie posiadamy jego modelu 3D lub po prostu chcemy stworzyć kopię? Wtedy właśnie mamy do czynienia z inżynierią odwrotną 🙂 .

Do odwzorowania rzeczywistego przedmiotu potrzebna jest precyzja i dokładność pomiaru i profesjonalne modelowanie.

Istnieją dwa sposoby przeniesienia istniejącego przedmiotu do modelu 3D:

  • Tradycyjny: za pomocą narzędzi mierniczych np. suwmiarki,
  • Profesjonalny: specjalistycznymi skanerami lub maszynami mierniczymi.

Mierzenie przedmiotów – metody tradycyjne

Najpierw przejdźmy do omówienia metod tradycyjnych mierzenia przedmiotów w celu przeprowadzenia procesu inżynierii odwrotnej części zamiennych.

Jak wspomniałem wyżej, użyjemy tutaj prostych przedmiotów mierniczych np. suwmiarek. Dodatkowo skorzystamy ze skomplikowanych narzędzi mierniczych np. wzorników, grubościomierzy, mikromierzy, średnicówek itp.

sumiarka - narzędzie miernicze
Suwmiarka - przykładowe narzędzie miernicze wykorzystywane w inżynierii odwrotnej

Metoda tradycyjna mierzenia przedmiotów, wykonywana w celu przeprowadzenia inżynierii odwrotnej to stosunkowo długi proces. Wymaga ona precyzji od inżyniera, szczególnie jeśli klientowi zależy na dokładnym odwzorowaniu części.

Jak się możesz domyślić, metoda tradycyjna polega na bezpośrednim, ręcznym mierzeniu każdego wymiaru danej części osobno.

Najpierw każdą mierzoną geometrię i kształt należy przeanalizować, aby dobrać odpowiedni przyrząd mierniczy, który pozwoli na ich zmierzenie.

Następnie trzeba wykonać pomiar, zapisać go i…

Co po zmierzeniu przedmiotów metodą tradycyjną?

Właśnie i co dalej? W zasadzie wszystko zależy od celu przeprowadzania pomiarów i założeń projektowych. Przykładowo, jeśli zależy nam bardziej na wykonaniu repliki danej części to można przejść do modelowania 3d.

W przypadku, jeśli celem inżynierii odwrotnej jest stworzenie dokumentacji technicznej (rysunków technicznych, złożeniowych itp.) – wtedy warto powtórzyć pomiary (kilkukrotnie) i obliczyć m.in.: pomiar średni, odchyłki, tolerancje… Ogólnie – to matematyczny proces i specjalne formuły, które też na pewno dla Ciebie kiedyś opiszę.

Ostatecznie pomimo sporych nakładów czasowych trzeba powiedzieć, że dla stosunkowo prostych części – proces ten daje zadowalające efekty. Z tego powodu inżynieria odwrotna z mierzeniem części metodą tradycyjną jest bardziej opłacalna.

Mierzenie przedmiotów – metody profesjonalne

Metody profesjonalne stosowane są do przedmiotów, które posiadają bardzo skomplikowaną geometrię. Z tego powodu zmierzenie ich metodami tradycyjnymi jest praktycznie niemożliwe lub zbyt czasochłonne. Innymi słowy – część zamienna, którą chcemy stworzyć, jest bardzo… skomplikowana.

Kolejnym powodem dla celu przeprowadzenia inżynierii odwrotnej są wymagania, jakie stawia się dokumentacji lub modelowi. Czyli minimalne tolerancje i bardzo duże dokładności pomiarowe. W mierzeniu metodami profesjonalnymi wyróżniamy dwie główne techniki: skanowanie 3d lub mierzenie maszynami mierniczymi.

Inżynieria odwrotna – skanowanie 3D dla części zamiennych

Skanowanie 3d to metoda pomiarowa wykorzystywana w inżynierii odwrotnej części zamiennych. Metoda ta cały czas się rozwija i jest coraz częściej spotykana na rynku. Profesjonalne skanery pozwalają niemal idealnie odwzorować przedmiot i wszystkie jego kształty. Zajmują się tym wyspecjalizowane firmy, których urządzenia pozwalają na dokładną pracę.

Skanowanie 3d w inżynierii odwrotnej

Warto zauważyć, że efektem skanowania 3d jest chmura punktów w 3d, dlatego można powiedzieć, że skanery przyspieszają proces inżynierii odwrotnej. Dzięki nim nie trzeba ręcznie wprowadzać i generować pomiarów modelu 3d (tylko półautomatycznie).

Trzeba dodać, że istnieją też skanery niskobudżetowe oraz aplikacje do telefonów umożliwiające skanowanie przedmiotów. Jak jednak można się domyślić, takie urządzenia i programy są dużo mniej dokładne od profesjonalnego sprzętu. Z drugiej strony być może już za parę lat każdy użytkownik smartphona będzie mógł cieszyć się możliwościami skanera 3D.

Inżynieria odwrotna – maszyny pomiarowe współrzędnościowe

Drugim sposobem profesjonalnego mierzenia przedmiotów jest wykorzystanie maszyn mierniczych współrzędnościowych CNC.

Maszyny współrzędnościowe (powszechnie nazywane „współrzędnościówkami”) to maszyny, które składają się z ramy, napędów i głowicy pomiarowej wyposażonej w odpowiednie trzpienie pomiarowe.

Podobnie, jak w przypadku skanerów 3d maszyny te wykorzystuje się w inżynierii odwrotnej do odwzorowywania kształtu skomplikowanych przedmiotów (np. części zamiennych).

Przy czym mierzenie przedmiotów zachodzi podczas fizycznego styku trzpienia pomiarowego z mierzonym przedmiotem.

Maszyny współrzędnościowe stosuje się również do kontroli jakości wykonania skomplikowanych przedmiotów.

Inżynieria odwrotna i współrzędnościowe maszyny pomiarowe
Profesjonalna metoda mierzenia przedmiotu – współrzędnościowa maszyna pomiarowa w inżynierii odwrotnej

Modelowanie 3d – drugi etap inżynierii odwrotnej

Krok drugi po zmierzeniu przedmiotów to modelowanie 3d lub obróbka wygenerowanych modeli 3d – zależy to od tego, jaki sposób mierzenia wybrałeś wcześniej.

W przypadku, gdy mierzenie przedmiotów dla celu inżynierii odwrotnej części zamiennych realizowałeś metodami tradycyjnymi, to wówczas modele 3d trzeba będzie budować od zera.

Jeśli przedmioty mierzyłeś metodą profesjonalną to wówczas program powinien wygenerować dla Ciebie model 3d, a Twoim zadaniem będzie jego obróbka (np. załatanie dziur, wyrównanie modelu 3d itp.).

W zależności od skomplikowania geometrii przedmiotu wyróżnić możemy modele designerskie (modele powierzchniowe np. pliki STL lub OBJ) lub techniczne (modele bryłowe np. pliki STEP lub STP).

Co można zrobić modelami 3d? Co powiedzieć klientowi?

Czasami jest tak, że inżynierię odwrotną realizujemy w celu wykonania dokumentacji 2d (rysunki techniczne) i dlatego wydawać by się mogło, że budowanie modeli 3d lub ich przeróbka jest bez sensu… Wtedy trzeba uświadomić klienta, że, tak czy siak, warto jest wykonać modele 3d. Dlaczego?

Generowanie dokumentacji technicznych dla części zamiennych

Po pierwsze programy pozwalają na automatyczne lub półautomatyczne tworzenie dokumentacji 2d. W przypadku, gdy zmienimy wymiar modelu 3d (bo na przykład w wyniku badań chcemy zoptymalizować wytrzymałość przedmiotu i zmienić kształt) to wtedy dokumentacja techniczna części zamiennej automatycznie się sama (lub prawie sama) zmieni. Mamy więc tutaj kilka zalet:

  • optymalizacja czasu na tworzenie dokumentacji po przeróbkach
  • możliwość generowania kilku rodzaju dokumentacji na podstawie jednego modelu 3d (kilka wariantów wykonania)
Wynajmij specjalistę do obliczeń

Archiwizacja, skalowanie lub obrabianie modelu 3d części zamiennych

Kolejną rzeczą wartą uwagi jest to, że istnieje możliwość archiwizowania i późniejszego skalowania lub obrabiania modelu 3d. Jak to wykorzystać?

Przykładowo mając gotowy model 3d przedmiotu produkowanego seryjnie, można zmniejszyć go, tworząc z takich próbek materiał reklamowy. Jest to również użyteczna funkcja w przypadku tworzenia makiet do prezentacji na targach.

Model 3D koła zębatego
Przykładowy model 3d po inżynierii odwrotnej – zoptymalizowana część zamienna - koło zębate

Ponadto modele 3d można wykorzystać (w przyszłości), jako przedmioty do animacji 3d lub wizualizacji 3d sprzedażowych lub instruktażowych.

Można by jeszcze podać więcej zalet tworzenia modeli 3d w ramach inżynierii odwrotnej, ale to temat na inny artykuł.

Chcę Ci jednak zaznaczyć, że jeśli zajmujesz się inżynierią odwrotną i jesteś specjalistą, to Twoja rola powinna polegać też na tym, żeby klientowi doradzać i odradzać – tutaj moim zdaniem należy uświadomić klienta, że jeśli już decyduje się na inżynierię odwrotną – warto rozważyć opracowanie modeli 3d.

Proces wytwarzania części zamiennych w inżynierii odwrotnej

Jak wygląda proces wytwarzania części zamiennych uszkodzonego elementu? Już pewnie się domyślasz – najpierw mierzymy według odpowiedniej techniki pomiarowej, później modelujemy w 3d i później… no właśnie trzeba dany element jakoś wytworzyć.

Zanim przejdę do przykładowej techniki wytwarzania przedmiotów, to musisz wiedzieć, że nie każdy element da się odwzorować z taką samą dokładnością, jak oryginał, jeśli nie posiadamy dokumentacji technicznej.

Poza tym często jest tak, że uszkodzona część, jest na tyle zdeformowana, że bardzo trudno lub nie da się stwierdzić, jaki powinna ona mieć kształt. Jeśli przedmioty trafiające do naszej firmy mają niewielkie braki, bądź wyszczerbienia, to wówczas brakujące fragmenty zostają odwzorowane poprzez narzędzia wspomagające modelowanie 3D, których wykorzystanie przez doświadczonego inżyniera projektującego sprawia, że możliwe jest uzyskanie oczekiwanego rezultatu.

Wtedy potrzebne są elementy współpracujące z uszkodzoną częścią, które pozwolą na zaprojektowanie i opcjonalnie: zoptymalizowanie zdeformowanego komponentu, a następnie wytworzenie części zamiennej.

Oczywiście im bardziej część jest uszkodzona, tym praca jest cięższa i zajmuje więcej czasu, aby uzyskać identyczną lub lepszą konstrukcyjnie część. Wiąże się to z realizacją kilku prototypów, które trzeba zamodelować w 3d oraz wytworzyć.

Druk 3d w inżynierii odwrotnej

Bardzo powszechną techniką, którą stosuje się w inżynierii odwrotnej do wytwarzania przedmiotów i testowania wdrożonych optymalizacji ich kształtu jest druk 3d.

W przypadku druku 3d bardzo istotne jest, aby dokładnie przedstawić inżynierom środowisko, w jakim pracuje dany komponent (np. wysokie temperatury (jakie?), wilgotne środowisko (czy suche?), duże naprężenia (czy nie występują?)).

Wszystkie te informacje są potrzebne, ponieważ chcemy, żeby nowy element spełniał wszystkie wymogi. Niezbędnym jest zatem dobór odpowiedniego materiału, z którego będzie wykonywany element, czym zajmują się już nasi inżynierowie, którzy dokładnie przeprowadzają analizę możliwości każdego z materiałów.

Inżynieria odwrotna dla części zamiennych w praktyce – case study (realizacje)

Jak już wspomniałem, nasza firma wielokrotnie przyjmowała zlecenia dotyczące inżynierii odwrotnej. Najczęściej jej celem było wykonanie dokumentacji technicznej lub wytworzenie części poprzez druk 3d, szczególnie części zamiennych dla najróżniejszych maszyn.

Poniżej przedstawiam Ci kilka przykładowych realizacji o różnym stopniu skomplikowania, abyś jeszcze bardziej wizualizował sobie efekty inżynierii odwrotnej oraz zobaczył jakie możliwości niesie druk 3D.

Koło zębate RDG dla serwisu elektronicznego – część zamienna do magnetowidu

Głównym celem projektu było uzyskanie nieprodukowanej już części zamiennej dla starego magnetowidu Technics, a konkretnie koła zębatego RDG. Elementy te po wielu latach eksploatacji, bardzo często ulegają zniszczeniu.

Na zamówienie zakładu oferującego usługi naprawy sprzętu elektronicznego – Twoje Centrum Serwisowe Elektronik, należało zaprojektować identyczne koło zębate, a następnie wydrukować go metodą FDM na drukarce 3D.

Wykonanie pomiarów i modelu 3d przeprowadzono na podstawie dostarczonej, uszkodzonej części, z widocznymi brakami (niestety przyznam się, że nie mamy swojego zdjęcia, ale tutaj posługuję się bardzo podobnym ubytkiem – źródło zdjęcia poniżej wpisu)

Przykład uszkodzonego koło RDG do magnetowidu firmy Technics

Nasze prace polegały na wykonaniu pomiarów. Do mierzenia części wykorzystaliśmy standardową metodę pomiaru. Następnie wykonaliśmy zoptymalizowany – wzmocniony model 3d koła zębatego, aby zapewnić jego większą trwałość.

Modelując każdą wielkość, należało pamiętać, że przedmiot będzie wytwarzany drukiem 3d i ze względu na skurcz dobranego materiału trzeba było odpowiednio skalibrować model 3d.

Po zaprojektowaniu koła wykonaliśmy kilka prototypów, wprowadziliśmy niewielkie zmiany i ostatecznie, dzięki inżynierii odwrotnej otrzymaliśmy gotowe koło zębate RDG, które wydrukowaliśmy w 3d z wytrzymałego tworzywa.

Wytwarzanie druk 3D koło zębate
Wydrukowane koło RDG technics po inżynierii odwrotnej. Średnica zewnętrzna koła: ok. 13 mm.

Co klient uzyskał, dzięki wydrukowanemu kołu zębatemu RDG?

Dzięki nam firma Elektronik mogła dokończyć realizację naprawy sprzętu – magnetowidu Technics. Oni zarobili na serwisie, my na wytworzeniu koła, a klient uzyskał swoje koło zębate. Mamy tutaj przykład współpracy win-win-win.

Trzeba zauważyć, że gdyby nie nasze działania naprawa byłaby niemożliwa. Teraz Panowie z serwisu elektronicznego wiedzą, że w przypadku braku części w sklepach mogą udać się do naszego biura i poprosić o wykonanie zamiennika.

Newsletter ABC Wynalazcy!

Jeśli Ty też chcesz zamówić koło zębate lub inną podobną część – napisz na: kontakt@wynalazca.tv lub biuro@cstng.pl

Ostatecznie praca wykonana przez naszych inżynierów pozwoliła na idealne odwzorowanie kształtu i wymiarów koła zębatego, pomimo jego odkształcenia wynikającego z eksploatacji. Wydruk spełnił oczekiwania, a zoptymalizowana konstrukcja zapewnia większą wytrzymałość.

Koszyk do kulek do łożyska – inżynieria odwrotna dla firmy budowlanej

Kolejnym projektem części zamiennej, który wykonywaliśmy w ramach inżynierii odwrotnej, był projekt koszyka do kulek do łożyska. Na zdjęciu poniżej możesz zobaczyć, jak wygląda uszkodzony koszyk:

Naprawa część uszkodzona koszyka do łożysk
Uszkodzony koszyk przed inżynierią odwrotną

Jest to koszyk występujący w silniku Poclain Hydraulics. Po konsultacji z klientem dowiedzieliśmy się, że część ta ulega bardzo często uszkodzeniom, deformacjom lub całkowitemu zniszczeniu.

I tutaj był pierwszy problem – przysłany do naszej siedziby koszyk posiadał bardzo dużo odkształceń. W związku z tym spowodowało to utrudnioną ocenę wymiarów bazowych i mierzenie przedmiotu.

Komunikacja z klientem kluczem do rozwiązania problemu

Mamy tutaj również przykład, jak ważny i pomocny jest dobry kontakt z klientem.

Część zamienna koszyk do łożysk
Wydrukowany w 3d koszyk na kulki do łożysk. Efekt prac – inżynieria odwrotna w praktyce.

W trakcie przekazania zlecenia okazało się, że istnieje możliwość dostarczenia części współpracujących, a w związku z tym także pomiary średnicy kulek i elementu, w którym montowany miał zostać element.

Trzeba powiedzieć, że kształt detali komponentu był skomplikowany, a jego ścianki bardzo cienkie. Powodowało to wielokrotne zmiany w modelu, tak aby część pracująca się nie kruszyła. Po dobraniu optymalnych wymiarów oraz sprawdzeniu, czy drukowany element spełnia swoją funkcję, należało dobrać odpowiedni materiał i zoptymalizować konstrukcję zwiększając jej wytrzymałość i żywotność.

Druk 3d z nylonu – optymalizacja części zamiennej

W związku z wymaganą wysoką odpornością na zmęczenie materiału oraz chęcią zwiększenia wytrzymałości projektowanej części zamiennej nasz wybór padł na nylon – czyli materiał bardzo trudny w wydruku 3d i z tego względu – rzadko stosowany.

Po kilku wydrukach próbnych oraz zastosowaniu odpowiednich parametrów druku 3d, udało się wykonać tę część z nylonu (a zaznaczę raz jeszcze, że wydruk 3d, szczególnie dużych elementów z nylonu jest bardzo trudny – tutaj średnica zewnętrzna koszyka wynosiła aż 20 cm!).

Dzięki temu zleceniu, wielu przeprowadzonym testom i optymalizacjom samego procesu druku 3d posiadamy dużą wiedzę na temat druku 3d z nylonu i wiemy, jakie parametry zastosować, aby materiał ten nie odkształcał się w czasie wydruku 3d.

Wytwarzanie druku 3D z nylonu
Nylon, jako materiał zastosowany w tworzeniu zoptymalizowanych części zamiennych.

Magazynek do szczepień weterynaryjnych – wydruk 3d dla weterynarza

W tym przypadku mieliśmy do czynienia z tworzeniem części zamiennej dla dobrze zachowanego elementu, który wykonywaliśmy na zlecenie weterynarza.

Klient poprosił nas o wytworzenie zapasowej części – ruchomego magazynka do pistoletu do szczepionek dla zwierząt. Dostarczono nam przedmiot razem z mechanizmem, w którym miał on działać.

Jednocześnie klient oczekiwał, aby zęby nieznormalizowanego koła były bardziej wytrzymałe na zużycie.

Część zamienna wytwarzanie magazynek
Wydrukowany w 3d magazynek – część zamienna i efekt prac inżynierii odrwotnej

Mając pełnowymiarową część oraz możliwość użycia odpowiednich narzędzi usprawniających pracę, model powstał bardzo szybko.

Wytwarzanie części zamiennych dopasowanie części magazynku
Wykonany przez nas magazynek (część zamienna – kolor: czerwony) w urządzeniu do szczepienia zwierząt

Wykorzystaliśmy tradycyjne techniki pomiarowe, a następnie zaprojektowaliśmy modele 3d ze zoptymalizowanym kształtem zębów.

Można było skupić się na doborze odpowiedniego materiału i metodzie wydruku 3d, tak aby przedmiot był wytrzymały na odpowiednie siły, a zęby się nie kruszyły.

Zamówienie w pierwszej kolejności dotyczyło jedynie pojedynczego egzemplarza.

Po jej przekazaniu klientowi ten zdecydował się na wydrukowanie jeszcze kilku elementów ze względu na atrakcyjną cenę tego elementu, jako zamiennika oryginału.

Wycena druku 3D i inżynieria odwrotna Twojej części

Wycena każdego wydruku wymaga podejścia indywidualnego do każdego przedmiotu. W celu jej przeprowadzenia potrzebny jest: uszkodzony element, zdjęcia, opis, dokumentacja 2d lub model 3D. Bez tego niemożliwym jest, stwierdzenie dokładnie, ile filamentu (materiału do druku 3d) zostanie zużyte do wydrukowania części oraz ile zajmie wydruk 3d.

Jeżeli nie jesteś pewny, czy opłaca się przeprowadzać inżynierię odwrotną i drukować w 3d zamienną część to napisz do nas na biuro@cstng.pl – dzięki naszemu doświadczaniu podamy Ci przedział cenowy, w którym powinien zmieścić się Twój wydruk 3d.

Często cena ta nie ulega zmianie, a jeżeli już do tego dojdzie, to zazwyczaj cena końcowa będzie niższa niż była przewidywana na początku.

Podsumowanie – Tworzenie części zamiennych – inżynieria odwrotna: case study

Jak widzisz, odwzorowanie części zamiennych jest coraz częściej stosowane przez firmy, jak również osoby fizyczne. W dzisiejszych czasach za pomocą prostych narzędzi jesteśmy w stanie zmierzyć, a następnie zamodelować i odtworzyć uszkodzony element.

Jeżeli masz podobny problem ze znalezieniem części zamiennej, chcesz naprawić swoje urządzenie, zmienić jego wygląd lub po prostu potrzebujesz wykonać nowy element, zgłoś się do nas!

Nasi inżynierowie doradzą i pomogą przy projektowaniu. Wycena usługi pozwoli na porównanie kosztów z zamiennikami dostępnymi na rynku i uświadomi, że to się naprawdę opłaca. Zapraszam do kontaktu ze mną lub moim zespołem poprzez maila: biuro@cstng.pl

Redagował, współautor: mgr inż. Dawid Pijanka

Umów się na konsultacje

 

Źródło grafik:
[1] Zdjęcie skaner 3D: http://skaner3d.pl/
[2] Maszyna współrzędnościowa: http://metrologia-blog.pl/3d/wspolrzednosciowe-maszyny-pomiarowe-firmy-mora/ 
[3] Uszkodzone koło: https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic670241.html

inż. Szymon Trawiński

Inżynier konstruktor at CSTNG.pl
Jestem Inżynierem konstruktorem w firmie CSTNG i zazwyczaj zajmuję się projektowaniem wynalazków, modeli 3D i prototypów. Moją pasją od zawsze było lotnictwo i codziennie staram się poszerzyć swoją wiedzę na ten temat.
Close