Из скана в CAD: облако точек, STL и параметрическая модель

Эта статья продолжает материал о 3D-сканировании детали и не повторяет его: там разобраны типы сканеров и подготовка поверхности, здесь только то, что происходит с данными после сканера. Если вы ещё не выбрали сканер, смотрите руководство по выбору. Страница темы: 3D-сканирование.

Цепочка от облака точек до модели

Облако точек — набор координат, у которого нет поверхностей. Сетка (полигональная сетка) соединяет точки треугольниками и сохраняется как STL, OBJ или PLY. Параметрическая модель описывает деталь через примитивы и размеры, и её сохраняют в STEP.

Формат STL в бинарном варианте занимает 84 байта заголовка плюс 50 байт на каждый треугольник. По этой формуле размер файла считается заранее.

Размер файла и число треугольников

Размер сетки определяется шагом точек и площадью поверхности. Считаем для кронштейна 80 × 50 × 6 мм с двумя отверстиями: площадь поверхности около 9 700 мм² (две большие грани, четыре торца и стенки двух отверстий диаметром 8 мм по 6 мм глубиной). Площадь равностороннего треугольника со стороной a равна 0,433 × a².

Для печати 250 тысяч треугольников с запасом: принтеру разница между 0,3 и 0,1 мм незаметна. Для построения CAD-модели лишние миллионы только замедляют программу. Поэтому сетку прореживают (децимация), а на плоских участках можно убрать почти всё без потери формы. Блендер, например, делает это модификатором Decimate в режиме Collapse: параметр Ratio задаёт долю оставляемых граней. Для острых рёбер и отверстий прореживание ведут осторожно: оно срезает кромки.

Очистка сетки

1. Удалить мусор. Фон, поверхность стола и отдельные «островки» из нескольких треугольников.
2. Закрыть дыры. Небольшие дыры закрывают автоматически, большие участки, которые сканер не увидел, достраивают вручную по соседним поверхностям.
3. Сгладить шум, не потеряв рёбра. Сглаживание по всему объёму закругляет острые кромки и искажает диаметры отверстий. Если шум малый, сглаживание не включают.
4. Исправить нормали и самопересечения. Для печати и для построения тела сетка должна быть замкнутой и без самопересечений.

Для этих шагов подходят MeshLab и Blender (Blender только для работы с сеткой, а не для построения CAD-модели). Пошаговый перевод через FreeCAD разобран в статье как перевести STL в STEP, здесь мы его не повторяем.

Два пути: сетка или параметрическая модель

Практическое правило: если деталь отправляют на 3D-принтер без изменений, останавливаются на сетке. Если по ней будет фрезеровка или токарная обработка, нужен STEP: траектория инструмента считается по точным поверхностям, и сетка для этого не подходит. Требования к модели перед фрезеровкой собраны в статье о подготовке 3D-модели для ЧПУ.

Программы реверс-инжиниринга

Названия приведены как примеры классов, функции и версии проверяйте на сайтах производителей.

• Geomagic Design X — специализированная программа реверс-инжиниринга, автоматически разбивает сетку на области, подгоняет к ним плоскости, цилиндры и конусы и строит параметрическую модель с историей.
• Fusion (Autodesk) — переводит сетку в твёрдое тело командой Convert Mesh. Для деталей из плоскостей и цилиндров есть режим, который объединяет треугольники в грани, для свободных форм результат получается грубее. Мы не перепроверяли, какие именно режимы доступны в вашей версии.
• SolidWorks ScanTo3D — модуль для импорта сетки и построения поверхностей с мастерами подготовки сетки и поверхности.
• FreeCAD — бесплатная программа, для простых деталей сетку можно использовать как подложку и строить модель по ней вручную, см. инструкцию.
• Blender — работает только с сеткой: чистка, ретопология, прореживание. CAD-модель в нём не строят.

Важно, что автоматическое распознавание примитивов экономит часы, но оставляет ошибки: цилиндр с углом 89,8° к плоскости остаётся таким, пока вы сами не зададите перпендикулярность.

Пример: кронштейн с двумя отверстиями

Допущения: алюминиевый кронштейн 80 × 50 × 6 мм, два сквозных отверстия Ø8 мм (посадка H7) и четыре отверстия Ø5,5 мм под крепёж, сканер даёт сетку с шагом точек 0,3 мм и шумом около 0,03 мм.

Посадку H7 для Ø8 мм (допуск +0,015 мм) скан не подтвердит: порядок ошибки на стенке отверстия сопоставим с самим допуском. Диаметр проверяют калибром-пробкой или микрометром, а допуски в справочнике по допускам и посадкам и калькуляторе допусков помогают выбрать, что именно мерить. Контрольные точки берут там же, где ведёте базы.

Проверка отклонений

Готовую модель накладывают на исходное облако точек или сетку и строят цветовую карту отклонений: программа красит поверхность по расстоянию до скана. На карте сразу видно, где модель ушла.

Цифры допусков в таблице примерные: задавайте по назначению детали. Смотрите три числа: максимальное отклонение, среднее и стандартное отклонение. Красные пятна на фасках и скруглениях часто объясняются сглаженным сканом, а не ошибкой модели. Перед отправкой в цех проверьте файл в онлайн-просмотрщике STEP и STL, а какой формат нужен исполнителю, написано в статье о форматах STEP, STL, IGES, DXF и DWG.

Скан для печати: масштаб и усадка

Сканируют готовую деталь, а печатная копия получится меньше, потому что пластик усаживается. Пример: АБС или АСА с усадкой около 0,4% (паспорта Extrudr на стандартном образце) на размере 100 мм теряют 0,4 мм. Поправка: умножить модель на 1 / (1 − 0,004) ≈ 1,004, то есть печатать модель на 100,4 мм. Реальная усадка зависит от формы, толщины стенок и температуры стола, поэтому для посадочных мест печатают пробную деталь и измеряют. Выбор пластика: материалы для FDM-печати. Бесплатные готовые модели и чертежи, чтобы не сканировать то, что уже кто-то смоделировал, собраны в статье где скачать 3D-модели.

Типичные ошибки

• Масштаб. Модель в дюймах или в условных единицах после фотограмметрии. Сверяйте по двум размерам с реальной деталью.
• Неплоские базы. Тонкая пластина прогнулась под собственным весом или под давлением зажимов, плоскость, подогнанная к скану, получается дугой.
• Сглаживание вместе с шумом. Рёбра закругляются, отверстия становятся овальными.
• Копирование износа. Модель повторяет истёртую шейку вместо номинала.
• Усадка пластика не учтена. Деталь выходит меньше на десятые доли миллиметра.
• Миллионы треугольников в CAD. Программа зависает, а выигрыша в точности нет.
• Отправка STL на фрезеровку. Цех не сможет назначить базы и допуски.