RapidFit for measuring automotive

Artikel Vlaamse scriptieprijs 2008                     

3D scanning en Rapid prototyping-technieken in de ontwerpfase van voertuigen.

Door de steeds strenger wordende kwaliteitseisen en de stijgende druk om kosten en tijd in het productieproces van nieuwe wagens te reduceren, introduceren zich voortdurend nieuwe technieken. Waar men zich vroeger vooral bezighield met conventionele technieken zoals plooien, gieten en dergelijke, doen 3D scan – en Rapid Prototyping technieken hun intrede.

Het bouwen van een prototype

Voor het bouwen van een prototype wordt allereerst een kleimodel vervaardigd. Een kleimodel biedt het voordeel dat aanpassingen snel en efficiënt kunnen gebeuren. Oorspronkelijk werd dit model ingescand en via reverse engineering omgezet in een CAD (Computer Aided Design) - model. De techniek houdt in dat de door het scannen verkregen puntenwolk dient omgezet te worden naar een digitaal model dat de mogelijkheid biedt verdere bewerkingen uit te voeren. Hiervoor zijn verschillende softwarepakketten op de markt, maar het is een tijdrovend proces. Initieel dient, zoals hierboven vermeld, de omzetting van puntenwolk naar CAD-model te gebeuren. Op het CAD-model zijn diverse bewerkingen en eventuele aanpassingen mogelijk. In een later stadium wordt dit CAD-model verder gereduceerd naar een digitaal representatief model voor interface met de eindige-elementenmethode (sterkteberekeningen m.b.v. computers) en als laatste dient de omzetting naar STL-file te gebeuren. Een alternatief voor deze tijdrovende ‘omwegen’ is forward engineering.

Forward engineering houdt in dat er rechtstreeks op het door de puntenwolk gegenereerde bestand of de verkregen STL-file, kan gewerkt worden. Een STL-file is een digitale voorstellingswijze van een 3D-model bestaande uit driehoekjes.

Figuur 1: Aangepaste STL-file met 3-Matic

Met het door Materialise ontwikkelde softwarepakket 3-Matic kan een STL-file snel en efficiënt aangepast worden, waardoor de nood aan reverse engineering en return-loops naar het originele CAD-pakket worden geëlimineerd. Een bijkomend voordeel is dat een STL-file tevens een inputfile is van een Rapid Prototyping machine, wat tijdswinst en hogere nauwkeurigheid oplevert door het ontbreken van kritieke omzettingen van de ene computertaal naar de andere.

Gebruikte 3D-scantechnieken

Gezien de grootte van het voorwerp is een aangepaste scantechniek vereist. In de automotive industrie wordt dan ook gesofisticeerde meetapparatuur gebruikt. De TRITOP van producent GOM is een krachtig optisch coördinaat meettoestel gebruikt om targets, aangebracht op een voorwerp, op te meten. Het voorwerp kan daarna volledig ingescand worden met de optische scanmeter ATOS van GOM.

TRITOP

Het principe van de eerste stap in de procedure berust op de fotogrammetrie.

Figuur 2: Fotogrammetrie

Het voorwerp wordt eerst voorzien van zelfklevende of magnetische targets. Aan de hand van digitale 2D-beelden kunnen dan ruimtelijke metingen verricht worden. Om de verschillende beelden aan elkaar te linken en de afmetingen correct te verschalen worden er merktekens en scalebars rond het voorwerp geplaatst. Door vanuit verschillende posities rond het op te meten voorwerp beelden te maken, kan de software automatisch een 3D-beeld van de opgemeten posities genereren.

GOM ATOS

De scantechniek is gebaseerd op het passieve triangulatietype (twee detectie-units met gekende relatieve oriëntatie).

Figuur 3: Passieve triangulatie

Sequentieel geprojecteerde strepenpatronen (fringe projectie) worden door twee gekalibreerde camera’s opgenomen en gedigitaliseerd. De gevoeligheids-informatie van het puntobject, opgenomen door beide detectie-units, maakt dat de positie van het puntobject exact bepaald kan worden. De rasterprojectie detecteert 1400000 punten in enkele seconden tijd (ATOS II).

Na een zorgvuldige scan van het volledige oppervlak en aan de hand van de coördinaten van de voorheen aangebrachte markers, kan nu een volledig 3D-beeld van het opgemeten voorwerp berekend worden. De verschillende scans vanuit meerdere hoeken kunnen nauwkeurig aan elkaar gekoppeld worden. Een nauwkeurigheid van enkele tientallen μm behoort hierbij tot de standaard.

Rapid Prototyping

Rapid Prototyping (RP) is een verzamelnaam voor een set van technieken die toelaten om op zeer korte tijd virtuele CAD (Computer Aided Design) – modellen om te zetten in fysische modellen. Deze technieken zijn in de late jaren tachtig ontstaan en zijn sindsdien aan een heuse opmars begonnen. Een time to market reductie, een daling van de kosten van het productieproces, risicobeperking door het vooraf kunnen assembleren van verschillende onderdelen en het kunnen tonen van een tastbaar model dat visueel identiek is aan het eigenlijke product zijn op zich al enorme voordelen dat RP met zich meebrengt.

Het opbouwen van een product via Rapid Prototyping

Eigen aan RP-technieken is dat het product wordt opgebouwd uit dunne laagjes. Elk laagje is een horizontale doorsnede van het voorwerp. Hoe dunner de laagjes, des te

nauwkeuriger het model. Op dit moment is een laagdikte van 0,1 mm gangbaar. Achteraf kan het model afgewerkt worden zoals gewenst (oneffenheden bijschuren, impregneren, lakken, enz.).

Rapid Prototyping-technieken in de automotive industrie

De eerste en tevens meest toegepaste techniek is de stereolithografie (SLA). Tijdens een stereolithografieproces beweegt een platform vertikaal in een bad met lichtgevoelige epoxyhars (fotopolymeer). Het platform ondersteunt het te produceren stuk en beweegt telkens een laagdikte naar beneden, nadat met behulp van een laserstraal een laag is uitgehard.

Figuur 4: SLS-schaalmodel ingescande auto

Een afgeleide van stereolithografie is Mammoth SLA, een gepatenteerd systeem van Materialise. Eigen aan dit systeem is de mogelijkheid om voorwerpen tot meer dan twee meter te produceren. Nadat de geprinte laag samen met het vloeistofniveau gezakt is, beweegt een klein reservoir over het bad en laat een film vloeibaar polymeer achter. Het voordeel is dat de tijd tussen het printen van twee lagen aanzienlijk verkort wordt.

Na een testcase waarbij een volledig voertuig ingescand en via een RP-techniek gebouwd is geweest, kon een vergelijking gemaakt worden tussen een scan van het gereproduceerde model en de scanfile van het oorspronkelijke voertuig. Dit met een tolerantiegrens van 0,2 mm. De efficiëntie, de tijdswinst, het verminderde gebruik van materialen en de daaruit volgende kostenreductie  maakt van deze techniek een efficiënte manier om prototypes te bouwen.

Er bestaan reeds technieken zoals SLM die aluminium- en staalpoeder laagsgewijs kan uitharden. De

overgang van Rapid Protoyping naar Rapid Manufacturing wordt hierdoor steeds kleiner. Een revolutie in de bouw van de carrosserie van auto’s nadert!