مهندسی معکوس پروانه CNC با اسکن سه‌بعدی و چاپ سه‌بعدی در ۴ روز

از پروانه آسیب‌دیده تا اسکن سه‌بعدی

از یک پروانه شکسته تا یک قطعه جایگزین چاپ‌شده، کل فرایند کمتر از یک هفته زمان برد. نخستین چالش، ثبت دقیق هندسه قطعه بود. سطح پلاستیکی مشکی پروانه و لایه‌های باقی‌مانده از تعمیرهای قبلی، انجام تصویربرداری سه‌بعدی را دشوار کرده بودند. به همین دلیل، تیم ابتدا پره‌های پروانه را سنباده‌کاری کرد تا بدترین ایرادهای سطحی از بین بروند. سپس از اسپری مخصوص دیجیتالی‌سازی سه‌بعدی به رنگ آبی استفاده شد تا سطح قطعه مات‌تر شود و دستگاه ثبت هندسه بتواند جزئیات آن را با دقت بیشتری ضبط کند.

پس از آماده‌سازی، شرکت با استفاده از یک اسکنر سه‌بعدی با وضوح بالا، هر دو سمت پروانه را روی یک صفحه گردان دستی (Manual Turntable) دیجیتالی‌سازی کرد. داده‌های حاصل در نرم‌افزار اختصاصی دستگاه پردازش و در نهایت به‌صورت یک مش STL خروجی گرفته شدند.

البته این مش تنها نقطه شروع کار بود. از آنجا که هر چهار پره پروانه اصلی تا حدی آسیب دیده بودند، تیم بهترین و سالم‌ترین پره را به‌عنوان هندسه مرجع انتخاب کرد تا در ادامه، کل مدل بر اساس همان بازسازی شود.

بازسازی قطعه در محیط CAD

نرم‌افزار Quicksurface مجموعه کاملی از ابزارها را برای بازسازی مدل‌های پارامتریک CAD از روی داده‌های ثبت‌شده سه‌بعدی ارائه می‌دهد؛ از جمله ابزارهای پیشرفته برای بازسازی ویژگی‌های تکرارشونده مانند الگوهای دایره‌ای که معمولاً در پروانه‌ها و قطعات مشابه دیده می‌شوند.

برای این مرحله، تیم RVF3D فایل STL را وارد Quicksurface Pro کرد؛ نرم‌افزاری با محیطی مشابه CAD که به‌طور اختصاصی برای مهندسی معکوس توسعه یافته است. این نرم‌افزار امکاناتی مانند پاک‌سازی داده‌های خام، هموارسازی مش، حذف ایرادهای باقی‌مانده و هم‌راستا کردن مدل پروانه با محورهای X، Y و Z را در اختیار تیم قرار داد. پس از انجام این مراحل، تیم توانست تنها در چند ساعت کل قطعه را به یک مدل پارامتریک CAD کاملاً قابل ویرایش تبدیل کند.

ریکاردو فریتاس، بنیان‌گذار RVF3D، می‌گوید نرم‌افزاری مانند Quicksurface در مقایسه با یک نرم‌افزار CAD عمومی مانند Solid Edge، امکانات بسیار تخصصی‌تری برای مهندسی معکوس ارائه می‌دهد. به گفته او، Solid Edge عمدتاً برای طراحی و تولید محصولات جدید یا نسخه‌های اصلاح‌شده آن‌ها ساخته شده است، نه برای بازسازی یک قطعه از روی داده‌های ثبت‌شده یک نمونه موجود.

روند بازسازی در Quicksurface شامل مراحل زیر بود:

• برازش سطوح (Surface Fitting) روی سالم‌ترین پره
• طراحی مقطع و اکسترود کردن توپی مرکزی پروانه
• برش و اصلاح سطوح برای ایجاد یک جسم جامد و تمیز
• استفاده از قابلیت Circular Pattern برای تکثیر همان پره و ایجاد آرایش چهارپره پروانه
• طراحی و افزودن تقویت‌کننده‌های داخلی (Internal Ribs) و سایر جزئیات برای بیشترین شباهت به قطعه اصلی
• تکمیل مدل نهایی با اختلافی کمتر از ۰.۱۰ میلی‌متر نسبت به داده‌های STL اولیه

پس از تکمیل بازسازی اولین پره، تیم با استفاده از قابلیت Circular Pattern در Quicksurface، سه پره دیگر را نیز بر اساس همان پره بازسازی‌شده ایجاد کرد و مدل نهایی پروانه را تکمیل نمود.

ساخت قطعه جایگزین با ABS

به گفته RVF3D، اگر زمان بیشتری در اختیار داشت، ترجیح می‌داد طراحی پروانه را برای ساخت افزایشی بهینه‌سازی کند تا به این حجم از ساپورت نیاز نباشد.

پیش از آغاز ساخت، تیم مهندسی RVF3D طراحی قطعه را در نرم‌افزار Quicksurface بهبود داد. آن‌ها برای افزایش استحکام، محل اتصال پره‌ها به توپی مرکزی را با افزودن فیلت تقویت کردند، ضخامت دیواره‌های تقویت‌کننده‌های داخلی (Internal Ribs) را افزایش دادند و لبه‌های حمله و فرار (Leading و Trailing Edges) پره‌ها را نیز نرم‌تر و یکنواخت‌تر کردند. پس از تکمیل طراحی، فایل‌های STEP و STL از مدل نهایی تهیه شد و فرایند آماده‌سازی برای تولید در نرم‌افزار Orca Slicer انجام گرفت. پروانه جایگزین با استفاده از یک پرینتر Creality K1 Max ارتقایافته و فیلامنت مشکی ABS Premium MG94 پرینت شد.

هندسه این قطعه چندان مناسب ساخت بدون ساپورت نبود و با توجه به اینکه پروژه باید ظرف یک هفته به پایان می‌رسید، فرصت کافی برای انجام بهینه‌سازی‌های گسترده بر اساس اصول طراحی برای ساخت افزایشی (Design for Additive Manufacturing – DfAM) وجود نداشت. در نتیجه، تولید قطعه به حجم قابل توجهی از ساپورت نیاز داشت و این مرحله بیش از ۲۴ ساعت به طول انجامید.

با وجود این محدودیت‌ها، قطعه جایگزین تنها چهار روز پس از دریافت نمونه آسیب‌دیده توسط RVF3D آماده و به مشتری تحویل داده شد.

پیش از نصب روی دستگاه، مشتری برای اطمینان از بالانس و عملکرد صحیح پروانه هنگام چرخش، آن را روی یک دستگاه تراش با سرعت ۱۸۰۰ دور در دقیقه (RPM) آزمایش کرد. این قطعه آزمون را با موفقیت پشت سر گذاشت و برای استفاده در واحد خنک‌کننده دستگاه تأیید شد.

چرا سرعت این پروژه اهمیت دارد؟

برای ماشین‌آلات صنعتی قدیمی، سرعت انجام چنین فرایندی مهم‌ترین دستاورد این پروژه محسوب می‌شود. قطعه‌ای که می‌توانست باعث توقف طولانی‌مدت خط تولید شود، در مدت کمتر از یک هفته مهندسی معکوس شد، به‌صورت دیجیتال بازسازی گردید، طراحی آن تقویت و بهینه شد، ساخته شد و در نهایت تحت آزمایش قرار گرفت.

این پروژه نمونه‌ای عملی از آن است که چگونه دیجیتالی‌سازی سه‌بعدی و ساخت افزایشی می‌توانند به حفظ و ادامه کار ماشین‌آلات قدیمی کمک کنند؛ به‌ویژه زمانی که زنجیره تأمین قطعات یدکی اصلی دیگر وجود ندارد.

در نهایت، این پروژه نشان می‌دهد که مهندسی معکوس تنها به ثبت هندسه یک قطعه محدود نمی‌شود؛ بلکه مهم‌ترین بخش کار، تبدیل یک هندسه فیزیکی ناقص و آسیب‌دیده به یک مدل دیجیتال تمیز، قابل ویرایش و قابل تولید است؛ مدلی که بتوان آن را با اطمینان دوباره ساخت و به چرخه بهره‌برداری بازگرداند.