Skannaus ja mittaus konepajoissa, käänteismallinnusta ja kaikkea muuta

3D-skannauksen ratkaisut ovat viime vuosien aikana hiihdelleet huomattavasti käyttäjäystävällisempään suuntaan niin koon, käytettävyyden, käyttö­kohteiden kuin kustannustenkin osalta. Kassassa ei tar­vita monen sentin paksuista setelieristystä tai asiakaspro­jektin ei tarvitse olla biljardi liike­vaihdoltaan, jotta skanneri-­investointiin uskaltaa ryhtyä. ­Tärkeintä on lähteä avaamaan ensin, mihin käyttötarkoituksiin omassa toiminnassa skannerit voisivat tuoda lisähyötyä ja lähteä sen jälkeen piirtelemään investointia työmiesaskin kanteen tai Exceliin. Ohessa on avattuna hieman nykyratkaisuja skannauksen ja mittauksen maailmasta ja siitä, mihin kaikkeen niitä voi taivuttaa.

Nykypäivänä skannauksen laiteratkaisuja löytyy niin koskettavana, struktuuriseen valoon perustuvana kuin laser-toimisena, ja laitteiden hinnat alkavat noin tuhannen euron luokasta ja yltävät jopa satoihin tuhansiin. Oikein mitoitettuna tuhannen euron laite tuotantokäytössä voi tuoda käyttäjälleen helposti tarvittavan hyödyn, kun taas huonosti valittu moninkertaisesti kalliimpi laite voi yhtä lailla aiheuttaa ärräpäitä ja suonenpullistumaa, kun se on valittu käyttötarkoitukseensa väärin. Huomioitavia asioita skannerin laitevalinnassa ovat nopeus ja skannerin erottelukyky, kappaleiden kerralla skannattava määrä, kappaleiden muodot, koko ja pintamateriaali sekä tarvittava lopputarkkuus. Loppudatan käyttötarkoitus on myös yksi tärkeimpiä valintakriteerejä ja siinä kannattaa miettiä, käytetäänkö skannausaineistoa tarkastusmittaukseen vai onko tarkoitus luoda tarkka 3D-malli skannausaineistosta? Tai riittääkö pintamalli vain kappaleen yhdestä osasta?

Pari sanaa itse skannereista

Halvimman hintaluokan skannereissa itse skannaaminen perustuu valon eri aallonpituuksiin, kuten strukturoivaan valoon tai infrapunaan. Laitteiden mittaustarkkuus on jo moneen käyttöön suhteellisen tarkkaa, ja tämän tason skannereilla päästään jo parhaimmillaan 0,10 mm mittaustarkkuuteen. Tarkkuuden ohella hintatason muuttuessa muuttuu myös skannerin erottelukyky, eli kuinka nopeasti laitteella voi skannata ja miltä etäisyydeltä/minkä kokoisia kappaleita laitteella voi skannata. Halvemman hintapään skannereita voidaan pitää hyvänä ratkaisuna, jos noin 0,20 mm tarkkuus riittää, skannaukseen voi käyttää aikaa ja se voidaan tehdä ns. optimoiduissa olosuhteissa kappaleen tai skannerin liikuteltavuuden ja esim. valaistuksen suhteen, kappaleen koko on maltillinen ja sen muodot eivät ole kovin haastavia.

Skannauslaitteissa eteenpäin mentäessä siirrytään teknisissä ratkaisuissa melko nopeasti strukturoivasta valosta laservaloon, jolla saavutetaan parempi erottelukyky ja noin 0,05 mm – 0,02 mm pistetarkkuus. Esimerkiksi 10 000 – 30 000 euron hintaluokassa löytyy jo paljon laitteita, joissa erottelukyky, skannauksen nopeus ja mittaustarkkuus paranevat huomattavasti verrattuna halvemman hintalapun laitteisiin. Tästä hintaluokasta löytyy myös enemmän volyymiin perustuvaan skannaukseen tarkoitettuja ratkaisuja, joissa skannauslaite ei ole enää varsinainen käsiskanneri, vaan erillinen laite, jossa kappale liikkuu skannauspään itsensä pysyessä paikallaan.

Pääsääntöisesti skannerit toimivat parhaiten ulkoisen seurantalaitteen tai erillisten kohdistuspisteiden avulla, jolloin skanneri tunnistaa kappaleen pinnasta seurantalaitteen, kuten prisman tai pisteiden sijainnit nopeammin ja tarkemmin. Lisäksi skannerin lähettämän valon käyttäytyminen kaarevilla tai kirkkailla ja heijastavilla pinnoilla voi aiheuttaa haastetta ja pinnan mattaaminen esim. erillisellä skannausspraylla voi olla tarpeen hyvän lopputuloksen saavuttamiseksi. Nämä yksityiskohdat on hyvä huomioida, kun miettii laserskannausta vaihtoehtona omaan käyttöön.

Monelle konepajalle, ja esim. käänteismallinnuksen toteuttamiseen, löytyvät tarvittavat skannausratkaisut varmasti tästä 10–30 tuhannen euron hintahaarukasta, ottaen huomioon skannattavien kappaleiden koon, volyymin ja mittaustarkkuuden. Yleisesti skannauksesta ja sen toteutuksesta laservalolla voidaan sanoa, että sen tarkkuus riittää hyvin noin 0,01 mm tarkkuuteen asti ja kalleimmissa ratkaisuissa mukaan astuvat kyky skannata nopeammin sekä isompia kappaleita ja pidemmän etäisyyden päästä. Kalliimmat laitteet kykenevät myös toimimaan ilman ulkoista seurantalaitetta kuten prismaa tai erillisiä seurantapisteitä. Kalliimmat ja sadan tonnin hintarimaa koputtelevat tai sen yli saksaavat laitteet siis pääosin tekevät saman kuin halvemmat laitekollegat, mutta tarkemmin, nopeammin, ilman välttämätöntä lisälaitteiden tarvetta ja mahdollistavat myös isommat pinta-alat sekä soveltuvat tarkkuutensa puolesta myös kappaleiden tarkastusmittauksiin.

Kun satkun tarkkuus ei riitä

Käyttäjän mittatoleransseista riippuen, alle 0,01 mm tarkkuuteen pääseminen ja millin tuhannesosiin ulottuva mittatarkkuus vaatii pääosin koskettavaa mittausta, kuten mittakäsivarren hyödyntämistä ja muiden tarkkuusmittavälineiden, kuten mikrometrin käyttöä. Näin vaativissa mittaustarkkuuksissa alkavat vaikuttaa myös mittauspaikan olosuhteet, kuten lämpötila, mittauslaitteiden sekä mitattavien kappaleiden kiinnitykset ja vastaavat ulkopuoliset tekijät. Mittaus voi olla myös useamman menetelmän summa. Kappaleen muodot voidaan skannata, mutta siinä olevat poraukset voidaan mitata tarkemmin eri menetelmällä ja yhdistää nämä lopullisessa mittaustiedostossa. Lisäksi mittauksen tai skannauksen jälkeen aineiston muokkaaminen ja käsittely ovat hyvin merkityksellisiä tekijöitä halutun lopputuloksen kannalta.

Tarvitaanko muuta kuin laitteet?

Skannereisssa ja koskettavissa mittalaitteissa on lähes poikkeuksetta mukana oma käyttöliittymä ja ohjelmisto, jolla syntyvä pistepilvi ja aineisto saadaan avattua ja käsiteltyä sekä melko yksinkertaisesti saadaan kerätyn aineiston pohjalta luotua myös kappaleen 3D-malli. Hyväkin skannaustulos voi kuitenkin sulaa hyötynsä osalta käsiin kuin pilkkijäät kevätauringossa, jos niiden käsittelyyn ei ole riittävää osaamista tai käyttötarkoitukseen soveltuvaa ohjelmistoa.

CAD/CAM-ohjelmisto Mastercamia maa­hantuova Zenex Computing Oy tuottaa ohjelmistoratkaisuja myös skannauksen ja mittauksen puolelle. Zenexillä on valikoimassaan Mastercam-pohjainen ohjelmistoalusta Verisurf, jossa skannaustulosten jatkokäsittely, useamman mittausaineiston yhdistäminen sekä vertailu on mahdollista CAM-pohjaisessa ympäristössä. Ohjelmistossa voidaan Mastercam-käyttöliittymän avulla verrata mitattua dataa alkuperäisen aineistoon tai hyödyntää aineistoa uuden kappaleen työstökoneelle ohjelmointia varten.

Zenexin tuotevalikoimasta löytyvät myös Shining 3D -valmistajan skannerit, joissa edustettuina ovat monipuoliset ja etenkin konepajoille hyvin soveltuvat laitteet ja ratkaisut. Uusimpana tuotteena on markkinoille juuri tullut Freescan-trio, joka on hintaluokassaan ainoita laitteita, joka kykenee toimimaan ilman ulkopuolista seurantalaitetta tai kohdistuspisteitä. Enemmän tarkkuutta vaativissa projekteissa ­Zenexin kautta on saatavilla myös Hexagonin valmistamat nivelvartiset mittalaitteet joko skannaavalla tai koskettavalla mittauspäällä. Nämä laiteratkaisut ovat valikoituneet Zenexille juuri niiden soveltuvuuden ja käytettävyyden kannalta valmistavassa teollisuudessa.

Zenexillä on pitkä kokemus koulutus ja kehityshankkeista skannauksen ja mittauksen puolella, joten hyvän idean kanssa ei tarvitse jäädä yksin. Konepajamesuilla Zenex esittelee Mastercam-ohjelmiston lisäksi skannauksen ja mittauksen laite- sekä ohjelmistoratkaisuja. Käy tutustumassa osastolla A750 skannauksen monipuoliin mahdollisuuksiin.