بسیاری از پروژه‌های ساخت قالب از جایی شروع می‌شوند که فایل سه‌بعدی، نقشه یا اطلاعات کامل طراحی محصول در اختیار سازنده قالب نیست. گاهی فقط یک قطعه موجود است و گاهی حتی خود قالب قدیمی وجود دارد، اما فایل طراحی آن به دلایل گوناگون دیگر وجود ندارد.
در چنین شرایطی، مهندسی معکوس کمک می‌کند اطلاعات هندسی موردنیاز دوباره به دست بیاید. روش انجام کار هم برای همه پروژه‌ها یکسان نیست؛ شکل قطعه، دقت موردنیاز، وضعیت نمونه و حتی شرایط قالب موجود تعیین می‌کنند که از چه ابزاری استفاده شود.
مهندسی معکوس در قالبسازی یعنی چه؟
در مهندسی معکوس، نتیجه یا محصول نهایی در اختیار ماست، اما اطلاعاتی که برای رسیدن به آن استفاده شده، در دسترس نیست. هدف این است که از روی قطعه یا قالب موجود، اطلاعات هندسی و طراحی موردنیاز دوباره استخراج شود.
برای مثال، ممکن است یک قطعه پلاستیکی در حال تولید باشد، اما فایل طراحی اولیه یا اطلاعات قالب آن موجود نباشد. در این شرایط می‌توان هندسه قطعه را اندازه‌برداری کرد و بر اساس آن، مدل موردنیاز برای طراحی قالب را ایجاد کرد.
در صنایع مختلف، مخصوصاً در پروژه‌های قطعه‌سازی و خودروسازی، این موضوع می‌تواند زمانی اهمیت پیدا کند که قطعه موجود است اما اطلاعات طراحی یا قالب آن در دسترس نیست.
آیا برای مهندسی معکوس حتماً به اسکنر نیاز داریم؟
انتخاب روش اندازه‌برداری به شکل قطعه و دقت موردنیاز بستگی دارد.
اگر قطعه ساده و هندسی باشد، ممکن است کولیس و ابزارهای اندازه‌گیری معمولی اطلاعات کافی در اختیار طراح قرار دهند. برای مثال، در یک قطعه مستطیلی، استوانه‌ای یا هندسه‌ای که ابعاد و زوایای آن به‌سادگی قابل اندازه‌گیری هستند، گاهی مدل‌سازی از صفر سریع‌تر و دقیق‌تر است.
وقتی با فرم‌های پیچیده، سطوح آزاد یا هندسه‌ای روبه‌رو هستیم که اندازه‌برداری دستی آن دشوار است، اسکن سه‌بعدی می‌تواند اطلاعات بسیار بیشتری در اختیار طراح قرار دهد.
بنابراین روش مهندسی معکوس را باید بر اساس خود قطعه انتخاب کرد؛ اسکنر فقط یکی از ابزارهای این فرآیند است.
وقتی اسکن لازم است، کیفیت داده ورودی اهمیت زیادی دارد
در پروژه‌هایی که اسکن سه‌بعدی لازم است، کیفیت داده اولیه روی تمام مراحل بعدی اثر می‌گذارد.
تجربه کاری ما نشان داده که در پروژه‌های حساس، کیفیت اسکنر و کیفیت Mesh خروجی اهمیت زیادی دارد. اگر داده اولیه کیفیت مناسبی نداشته باشد، بخشی از زمان طراحی صرف اصلاح مشکلاتی میشود که از همان مرحله اندازه‌برداری ایجاد شده‌اند.
در نرم‌افزارهایی مثل Geomagic Studio می‌توان Mesh را صاف یا اصلاح کرد، اما این کار باید با احتیاط انجام شود. Smoothing می‌تواند شکل واقعی نمونه را تغییر دهد و بخشی از اطلاعات هندسی آن را از بین ببرد.
در قطعات حساس مکانیکی یا قطعاتی که باید دقیقاً با قطعه دیگری مونتاژ شوند، بهتر است داده اولیه تا حد امکان با کیفیت مناسب تهیه شود واز اصلاح فایل مش تا حد امکان پرهیز کرد.
فایل STL همان مدل CAD نیست
Mesh یا فایل STL اسکن‌شده، اطلاعات هندسی حاصل از اندازه‌برداری را در اختیار ما قرار می‌دهد. این داده می‌تواند شامل نویز، آسیب، تابیدگی، آثار پرداخت، پلیسه یا تغییراتی باشد که در طول عمر قطعه ایجاد شده‌اند.
به همین دلیل، در بسیاری از پروژه‌ها Mesh را به‌عنوان داده اولیه و مرجع هندسی در نظر می‌گیریم.
در مولدپلاس نگاه ما به یک فایل مش نگاه به یک فایل خراب است که میشود از آن اطلاعات ارزشمند استخراج کرد.
اگر قطعه به‌صورت مونتاژی اسکن شده باشد، بهتر است ابتدا مختصات محلی آن مشخص شود. در قطعه تکی نیز قرار دادن هندسه در راستای مناسب X، Y و Z، کار طراحی بعدی را ساده‌تر می‌کند.
چرا در بسیاری از پروژه‌ها Mesh را مستقیماً به سطح تبدیل نمی‌کنیم؟
در یک روش ساده می‌توان از روی Mesh سطح استخراج کرد و بعد آن را به مدل Solid تبدیل کرد. برای بعضی قطعات ساده این روش می‌تواند جواب بدهد، اما در پروژه‌های حساس، ابتدا باید دید Mesh چه اطلاعاتی را در خود دارد.
فرض کنید قطعه‌ای قدیمی داریم که سال‌ها قبل ساخته شده است. سطح آن ممکن است در اثر پولیش یا پرداخت، مقداری از هندسه اولیه خود را از دست داده باشد. گوشه‌ها، خطوط تیز یا سطوح صاف نیز ممکن است دیگر دقیقاً شکل اولیه را نداشته باشند.
اگر همه این تغییرات را مستقیماً وارد مدل CAD کنیم، بخشی از شرایط فعلی قطعه را بازسازی کرده‌ایم. در بسیاری از پروژه‌ها بهتر است Mesh را بررسی کنیم، اطلاعات هندسی قابل‌اعتماد را از آن استخراج کنیم و قسمت‌های موردنیاز را دوباره طراحی کنیم.
چرا بازسازی سطح از صفر گاهی بهتر است؟
در CATIA می‌توان از ابزارهایی مثل Planar Section برای گرفتن مقاطع مختلف از Mesh استفاده کرد.
در این روش، صفحات مقطع را روی Mesh قرار می‌دهیم، منحنی‌های موردنیاز را استخراج می‌کنیم و بعد با استفاده از این مقاطع، Sketch و Surfaceهای جدید می‌سازیم.
برای مثال، می‌توان از ابزارهایی مانند Sweep، Multi-Section و Revolve برای بازسازی هندسه استفاده کرد.
مزیت این روش این است که طراح مجبور نیست تمام بی‌نظمی‌های موجود در Mesh را وارد مدل نهایی کند.
هدف، استخراج اطلاعات هندسی موردنیاز و تبدیل آنها به یک هندسه تمیز و قابل‌کنترل است.
گاهی تفاوت کیفیت دو قطعه پلاستیکی که با مواد، فولاد، ماشین‌کاری و مکانیزم تقریباً مشابه ساخته شده‌اند، در کیفیت انتقال سطح و تمیزی محل اتصال سطوح دیده میشود.
یک تمرین ساده برای یادگیری این روش
یادگیری بازسازی هندسه از روی Mesh با تجربه کامل میشود، اما برای درک منطق کار می‌توان یک تمرین ساده انجام داد.
یک قطعه ساده مثل لیوان، جا دستمالی یا یک قطعه با فرم هندسی مشخص را خودتان در CATIA مدل کنید. سپس از آن STL بگیرید و همان STL را دوباره وارد CATIA کنید.
حالا با استفاده از Planar Section و مقاطع مختلف، هندسه را دوباره بازسازی کنید.
بعد می‌توانید همین تمرین را با یک مدل پیچیده‌تر انجام دهید.
مزیت این تمرین این است که چون خودتان می‌دانید هندسه اولیه چگونه ساخته شده، بهتر متوجه می‌شوید که از روی Mesh چه اطلاعاتی باید استخراج شود و چگونه می‌توان دوباره به یک مدل مهندسی رسید.
این تمرین با مهندسی معکوس واقعی تفاوت دارد، چون در اینجا خبری از خطای اسکن، تغییر شکل قطعه، سایش و تلرانس‌های واقعی نیست؛ اما برای یادگیری منطق Mesh، استخراج هندسه و بازسازی CAD تمرین مفیدی است.
چرا CATIA برای این فرآیند مناسب است؟
نرم‌افزارهای مختلفی برای مهندسی معکوس وجود دارند و هرکدام امکانات خودشان را دارند.
دلیل استفاده ما از CATIA این است که می‌توان فرآیند مهندسی معکوس و طراحی قالب را در یک محیط یکپارچه ادامه داد.
ابزارهای محیط Generative Shape Design، همراه با امکانات مربوط به Mesh و استخراج مقاطع، برای این نوع کار کاربرد زیادی دارند.
ابزارهایی مثل Intersection، ایجاد نقاط و صفحات روی Mesh، Sweep، Multi-Section و Revolve به طراح اجازه می‌دهند اطلاعات لازم را از Mesh استخراج کرده و به هندسه قابل‌استفاده در طراحی قالب تبدیل کند.
اما همیشه باید تصمیم گرفت Mesh چه نقشی داشته باشد
در بعضی پروژه‌ها بازسازی کامل هندسه از روی Mesh بهترین مسیر است. در پروژه‌های دیگر، حفظ خود Mesh اهمیت بیشتری دارد.
به‌خصوص وقتی با یک قالب موجود یا یک فرم بسیار آزاد و هنری روبه‌رو هستیم، شرایط کاملاً متفاوت میشود.
وقتی قالب موجود برای تعمیر یا بازسازی اسکن میشود
اگر یک قالب قدیمی در اختیار داشته باشیم و فایل طراحی آن موجود نباشد، ابتدا باید خود قالب بررسی شود تا مشخص شود در اثر کارکرد، سایش یا تغییر شکل چقدر از وضعیت اولیه خود فاصله گرفته است.
بعد از آن، قالب اسکن و با توجه به موقعیت واقعی آن Alignment میشود. در اینجا خط ساعت قالب، سطوح آب‌بندی، راهنماها و موقعیت قطعات قالب اهمیت زیادی دارند.
در چنین پروژه‌ای باید تا حد امکان هندسه واقعی قالب موجود حفظ شود، مخصوصاً در قسمت‌هایی که قرار است همان قالب تعمیر یا بازسازی شود.
در قسمت‌هایی مثل راهنماها، سوراخ‌های راهنما و سطوح آب‌بندی، در تجربه کاری ما معمولاً باید اختلاف هندسه استخراج‌شده از Mesh با قالب واقعی در حد چند صدم میلی‌متر کنترل شود. برای بسیاری از این موارد، اختلاف حدود ۰٫۰۲ تا ۰٫۰۳ میلی‌متر می‌تواند محدوده مناسبی برای حفظ هندسه موجود باشد؛ البته این عدد به وضعیت قالب، دقت اسکن و حساسیت آن قسمت بستگی دارد و یک تلرانس ثابت برای همه قالب‌ها محسوب نمی‌شود.
اگر یک سوراخ به‌دلیل خرابی، سایش یا آسیب دیگر قابل‌اعتماد نباشد، باید بر اساس عملکرد قطعه و ساختار قالب، راهکار جدیدی برای اصلاح یا ساخت آن قسمت در نظر گرفت. در چنین شرایطی ابعاد نهایی می‌تواند با مقدار ثبت‌شده در Mesh تفاوت داشته باشد.
در یک قالب جدید ممکن است یک سوراخ راهنما طراحی شود و سوراخ‌های دیگر با Mirror ایجاد شوند، اما در بازسازی یک قالب موجود بهتر است هر سوراخ راهنما به‌صورت جداگانه از هندسه واقعی همان سوراخ استخراج شود.
چون ممکن است بین سوراخ‌های ظاهراً مشابه، چند صدم میلی‌متر اختلاف وجود داشته باشد و حفظ این اختلاف واقعی در تعمیر قالب، برای کنترل بهتر فرآیند ماشین‌کاری اهمیت داشته باشد.
یک نمونه واقعی از بازسازی قالب موجود
در یکی از پروژه‌های مولدپلاس، یک قالب (قالب آیفون تصویری که در تصویر بالا قرار داده ایم) موجود در اختیار داشتیم که فایل طراحی آن در دسترس نبود. قالب را اسکن کردیم و پس از Alignment مناسب، هندسه موردنیاز را از روی Mesh استخراج کردیم تا اطلاعات واقعی قالب موجود مبنای ادامه طراحی قرار بگیرد.
در این نوع پروژه، هندسه واقعی قالب، موقعیت سطوح و جزئیات مهم آن باید در مدل بازسازی‌شده حفظ شوند تا مدل جدید با قالبی که سال‌ها کار کرده است، تطابق داشته باشد.
آیا باید هر چیزی را که روی نمونه می‌بینیم وارد مدل کنیم؟
قطعه‌ای که سال‌ها کار کرده ممکن است تغییر شکل داده باشد، سطح آن پولیش شده باشد، بافت یا مات شده باشد یا بخشی از لبه‌های آن در اثر استفاده تغییر کرده باشد.
بنابراین یک طراح حرفه ایی باید تشخیص دهد کدام بخش از اطلاعات موجود، هندسه واقعی و موردنیاز قطعه است و کدام بخش نتیجه شرایط تولید، استفاده یا پرداخت سطحی است.
تغییر شکل قطعه را هم باید در نظر گرفت
یکی از مهم‌ترین موضوعات در مهندسی معکوس قطعات پلاستیکی، تابیدگی و تغییر شکل قطعه پس از تزریق است.
اگر قطعه‌ای را اسکن کنیم، لزوماً هندسه اسکن‌شده همان هندسه‌ای نیست که باید در قالب ایجاد شود.
برای مثال، در پروژه چشمی دزدگیر، قطعه از جنس ABS بود و به دلیل مناسب بودن قالب قبلی و شرایط قطعه، تابیدگی قابل‌توجهی وجود نداشت. هنگام Alignment نیز میزان اختلاف بسیار کم بود و همان مقدار را اصلاح کردیم.
انجام این اصلاحات باعث شد کیفیت خروجی نهایی فقط به بازتولید نمونه موجود محدود نشود. حتی بعضی ایرادهایی که در نمونه اولیه وجود داشت، در فرآیند بازسازی برطرف شد و قطعه نهایی کیفیت ظاهری و مونتاژی بهتری پیدا کرد.
در فندک آشپزخانه شرایط متفاوت بود. قطعه ABS، بلند و نسبتاً نازک بود و در فرآیند تولید دچار تابیدگی قابل‌توجهی شده بود. در این پروژه لازم بود تغییر شکل موجود در نمونه را در نظر بگیریم و آن را اصلاح کنیم تا قطعه بعداً بتواند به‌درستی در محل مونتاژ خود قرار بگیرد.
اما یکی از سخت‌ترین شرایط را در قطعه پرینتر داشتیم. این قطعه نیز ABS بود، اما فرم آن به شکلی بود که یک حاشیه در اطراف داشت و بخش مرکزی کاملاً خالی بود و تیغه تقویتی در آن وجود نداشت. در نتیجه، تغییر شکل قطعه بسیار شدیدتر از نمونه فندک بود.
در این مورد زمان و انرژی بیشتری برای بررسی و اصلاح هندسه لازم بود تا بتوان به شکلی رسید که با نیاز واقعی قطعه و محل مونتاژ آن مطابقت داشته باشد.
این سه نمونه نشان می‌دهند که قبل از بازسازی هندسه، باید مشخص شود قطعه موجود چقدر به شکل واقعی و موردنیاز نزدیک است.
وقتی با سطوح آزاد و فرم‌های هنری روبه‌رو هستیم
در قطعاتی با فرم‌های آزاد و هنری، شکل و پیوستگی سطح اهمیت زیادی دارد.
در این پروژه‌ها می‌توان Mesh را با نرم‌افزارهایی مثل Geomagic Studio تمیز و اصلاح کرد و در صورت نیاز از Auto Surface نیز استفاده کرد.
اما میزان Deviation باید با توجه به ابعاد قطعه، ظرافت فرم و حساسیت سطح انتخاب شود.
در بعضی پروژه‌ها، بسته به ابعاد قطعه و ظرافت فرم، ممکن است سطح بازسازی‌شده حدود ۰٫۱ تا ۰٫۲ میلی‌متر با Mesh اولیه اختلاف داشته باشد. در قطعات بزرگ‌تر یا فرم‌هایی که جزئیات ظریف کمتری دارند، مقدار Deviation حتی می‌تواند بیشتر باشد بدون اینکه الزاماً مشکل ظاهری ایجاد کند.
در فرم‌های بسیار ظریف نیز ممکن است برای اینکه Auto Surface بدون خطا ساخته شود، طراح مجبور شود میزان Deviation را افزایش دهد. در این حالت، سطح نهایی دیگر کاملاً منطبق با Mesh اولیه نخواهد بود.
به همین دلیل، در بعضی پروژه‌های فرم آزاد ترجیح می‌دهیم فایل STL را مستقیماً در طراحی قالب استفاده کنیم.
در این روش، انحراف ناشی از بازسازی سطح حذف میشود و فرم واقعی موجود در Mesh به‌عنوان سطح قالب حفظ میشود.
استفاده مستقیم از Mesh در بعضی قالب‌های فرم آزاد
در بعضی پروژه‌های فرم آزاد، ساختار اصلی قالب را می‌توان با مدل CAD معمولی طراحی کرد و سطح محصول را به‌صورت Mesh جداگانه نگه داشت.
در این روش، بخش‌های مربوط به بلوک قالب، سطوح ساختاری و قسمت‌های موردنیاز می‌توانند با فرمت‌های CAD مانند STP طراحی شوند، در حالی که سطح اصلی محصول به‌صورت STL باقی می‌ماند.
بعد از قرار دادن دقیق Mesh در مختصات مناسب، می‌توان لبه‌های موردنیاز را با Planar Section استخراج کرد و بر اساس آن، قسمت‌های قالب را برش داد یا امتداد داد.
مزیت این روش این است که سطح واقعی Mesh بدون تبدیل اجباری به NURBS حفظ میشود و در عین حال می‌توان مرزهای موردنیاز برای ماشین‌کاری را به شکل کنترل‌شده ایجاد کرد.
در بعضی فرم‌های آزاد، این روش می‌تواند برنامه‌نویسی و ماشین‌کاری را نیز ساده‌تر کند.
اگر فرم به بازطراحی هنری یا اصلاح جدی نیاز داشته باشد، نرم‌افزارهایی مثل ZBrush نیز می‌توانند در مرحله اصلاح فرم مورد استفاده قرار بگیرند.
مهندسی معکوس می‌تواند فرصتی برای بهینه‌سازی هم باشد
گاهی قالب یا قطعه قدیمی است و با روش‌های قدیمی‌تر طراحی و ساخته شده است. در این شرایط، مهندسی معکوس می‌تواند فرصتی برای بررسی مجدد طراحی باشد.
برای مثال، می‌توان وضعیت خط جدایش، سطوح آب‌بندی، نحوه خروج قطعه یا بعضی جزئیات هندسی را بررسی کرد و در صورت امکان طراحی مناسب‌تری برای قالب جدید در نظر گرفت.
این تغییرات باید با شناخت کامل از عملکرد قطعه انجام شوند. هر تفاوتی با نمونه موجود الزاماً به معنی بهبود نیست.
فایل اسکن فقط برای ساخت مدل نیست
داده اسکن‌شده می‌تواند برای بررسی و گزارش‌گیری نیز استفاده شود.
برای مثال، می‌توان وضعیت یک قطعه یا قالب موجود را بررسی کرد، اختلاف هندسی آن را مشخص کرد یا حتی خط جدایش فعلی قالب را مورد بررسی قرار داد.
در بعضی پروژه‌ها همین اطلاعات می‌تواند نشان دهد که آیا خط جدایش فعلی انتخاب مناسبی بوده یا امکان طراحی بهتر آن وجود دارد.
بنابراین اطلاعات حاصل از اسکن می‌تواند در تصمیم‌گیری‌های طراحی نیز مورد استفاده قرار بگیرد.
کنترل مدل بازسازی‌شده
بعد از بازسازی مدل، باید آن را با داده اولیه مقایسه کرد و مشخص شود تغییرات ایجادشده کجا هستند و آیا این تغییرات عمدی بوده‌اند یا ناشی از خطای طراحی و بازسازی.
در پروژه‌های حساس، کنترل Alignment، مقاطع مختلف، سطوح آب‌بندی، محل‌های مونتاژ و قسمت‌های بحرانی قطعه اهمیت زیادی دارد.
در نهایت باید مدلی به دست بیاید که بتوان بر اساس آن یک قالب واقعی و قابل‌استفاده ساخت.
مهندسی معکوس در قالبسازی مولدپلاس
در مولدپلاس، روش مهندسی معکوس را با توجه به شرایط هر پروژه انتخاب می‌کنیم.
گاهی کار از کولیس و اندازه‌برداری دستی شروع میشود. گاهی اسکن سه‌بعدی و Mesh لازم است. در یک پروژه ممکن است هندسه از صفر بازسازی شود و در پروژه‌ای دیگر، حفظ Mesh موجود اهمیت بیشتری داشته باشد.
تغییر شکل قطعه، وضعیت قالب، دقت موردنیاز، نوع سطح و هدف نهایی پروژه، همگی در این تصمیم نقش دارند.
جمع‌بندی
مهندسی معکوس در قالبسازی از انتخاب روش اندازه‌برداری شروع میشود و تا کنترل مدل نهایی ادامه پیدا می‌کند.
برای قطعات ساده، اندازه‌گیری دستی و مدل‌سازی مجدد می‌تواند کافی باشد. در هندسه‌های پیچیده، اسکن سه‌بعدی و بازسازی سطوح کمک زیادی می‌کند. در بازسازی قالب‌های موجود، وضعیت واقعی قالب و جزئیاتی مثل خط ساعت، راهنماها و سطوح آب‌بندی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.
در قطعات پلاستیکی نیز باید تغییر شکل ناشی از تزریق بررسی شود و در فرم‌های آزاد، بسته به ابعاد و حساسیت قطعه، بین بازسازی سطح و استفاده مستقیم از Mesh تصمیم‌گیری شود.
در هر پروژه، اطلاعات موجود باید بررسی شود و بر اساس همان اطلاعات، روش مناسب برای رسیدن به یک مدل قابل‌ساخت انتخاب شود.