Современные методы 3D-сканирования при размерном анализе судовых моделей с учетом их аддитивного изготовления

УДК 629.5.01

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ 3D-CKAHOTOBAHRa ПРИ РАЗМЕРНОМ АНАЛИЗЕ СУДОВЫХ МОДЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ИХ АДДИТИВНОГО

ИЗГОТОВЛЕНИЯ

П. Г. Зобов, А. В. Дектярев, В. Н. Морозов

MODERN 3D-SCANNING METHODS FOR DIMENSIONAL ANALYSIS OF SHIP MODELS TAKING INTO ACCOUNT THEIR ADDITIVE MANUFACTURING

P. G. Zobov, A. V. Dektyarev, V. N. Morozov

В представленной статье приводится исследование отклонений геометрических форм судовой модели, изготовленной посредством методов 3D-M4ara, от усадочных деформаций для последующих испытаний ее гидромеханических свойств в опытовом бассейне. Анализ отклонений геометрии производился при помощи средств 3D-сканирования (оптический 3D-сканер марки 3D Systems Sense 2nd gen) с разработкой технологической схемы описания данного процесса. При создании 3D-модели в процессе 3D-печати, а также обработки результатов 3D-сканирования, в работе использовались современные средства программного обеспечения - FreeShip, Autodesk Inventor, Cloud Compare и др.

Также в статье приводится обоснование проблемы усадочных деформаций филаментов (материалов 3D-печати на основе углеводородной химии) и краткий технологический цикл изготовления судовой модели при помощи 3D-печати согласно действующим международным требованиям по «International Towing Tank Conference Recommended Procedures» к моделям судов, подлежащих испытаниям в опытовых бассейнах.

При работе с 3D-сканером были проведены работы по подбору и обоснованию выбора оптимального режима освещения и процедуры по наиболее точной передаче геометрии физической модели с минимальными погрешностями. По результатам проведенного исследования составлены гистограммы распределения максимальных отклонений в положительном и отрицательном направлениях, эпюра отклонений геометрии в области сканирования, гистограмма распределения по Гауссу для нахождения среднеквадратичного отклонения.

Выводы - найдены и обоснованы места наибольших отклонений формы корпуса модели судна от ее компьютерной 3D-модели, рассмотрены причины их появлений и проанализировано соответствие формы корпуса модели к допускам по вышеназванным рекомендациям.

аддитивные технологии, 3Б-печать, 3Б-принтер, 3Б-сканер, судомоделизм, маломерные суда, усадка, размерный анализ

The article presents a study of the deviations of the geometric shapes of the ship model, made by 3D-printing, from shrinkage deformations, for subsequent testing of its hydromechanical properties in the model research basin. Geometry deviation analysis

has been conducted using 3D-scanning tools (optical 3D-scanner of brand 3D Systems Sense 2nd gen) with the development of a flow chart describing this process. When developing a 3D-model, in the process of 3D-printing, as well as processing the result of 3D-scanning, we have used modern software tools - FreeShip, Autodesk Inventor, Cloud Compare etc.

In addition, the article provides a rationale for the problem of shrinkable deformations of the filaments (3D printing materials based on hydrocarbon chemistry) and a brief technological cycle for manufacturing a ship model using 3D-printing in accordance with the applicable international requirements of «International Towing Tank Conference Recommended Procedures» for models of vessels, which are a subject to testing in model research basins.

When using a 3D-scanner, works have been carried out on the selection and justification of the choice of the optimal lighting mode and procedures for the most accurate transfer of the geometry of a physical model with minimal errors. As a result, the histograms of the distribution of the maximum deviations in the positive and negative directions, the diagram of the deviations of the geometry in the scan area, the histogram to determine the standard deviation have been made.

As a result of the carried research work, the places of the largest deviations of the hull form of the ship model from its computer 3D-model have been found and justified, the reasons for their appearance have been examined and the compliance of the shape of the hull model to the tolerances according to the above recommendations has been analyzed.

additive manufacturing, 3D-printing, 3D-printer, 3D-scanner, ship modeling, small-sized vessels, shrinkage, dimensional analysis

ВВЕДЕНИЕ

При изготовлении объектов методами 3D-ne4ara следует предусматривать многие проблемы данного производства - выбор материала и способа печати, усадочные деформации, адгезию, деламинацию, физико-механические характеристики конечного изделия и т.д.

Усадочные деформации являются одними из наиболее значимых проблем при аддитивном изготовлении продукции. Под усадкой в аддитивном производстве понимается изменение размеров печатаемого объекта при его остывании. В современном машиностроении, и в том числе судостроении, при подобных проблемах вводятся допуски, припуски, напуски, посадки и т. д.

Допуски нужны для определения предельных размеров изделия, при которых оно будет удовлетворять заявленным техническим требованиям и выполнять весь свой функционал. При этом все, что находится за пределом допуска, будет являться браком. Припуск - заранее предусмотренное увеличение размера конструкции сверх чертежного, необходимое для компенсации геометрических погрешностей при ее изготовлении. Основными причинами возникновения геометрических погрешностей в судостроении могут быть неточность исходной информации, метрологические ошибки, неправильное выполнение технологических операций, погрешности оборудования и оснастки.

При аддитивном изготовлении основные погрешности приходятся на усадку материала. В некоторых работах уже проводились исследования по нахожде-

нию коэффициентов усадки материалов [1-3], однако в большинстве своем они направлены на область ЗБ-печатного производства по созданию силиконовых форм для получения восковых моделей с целью последующего их использования при литье [4], как направления, требующего особой точности и контроля к конечным геометрическим формам продукции.

Современные методы 3Б-сканирования могут позволить проанализировать отклонение геометрических форм конструкций практически любых габаритов и материалов. Стоит отметить и относительно невысокую стоимость ручных сканеров, один из которых использовался в данной работе.

В представленной работе было проведено исследование усадочных деформаций судовой модели корпуса маломерного судна методами 3Б-сканирования для последующих испытаний ее гидромеханических свойств в опытовом бассейне, а также при ее аддитивном изготовлении с анализом отклонений формы геометрии корпуса с соответствием международным стандартам по испытательным моделям и дальнейших перспектив 3Б-печати в судомоделизме.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

В качестве прототипа исследования была принята стеклопластиковая байдарка «Нерль» [5] со следующими габаритами:

- длина наибольшая - 5.41 м;

- длина по конструктивной ватерлинии (КВЛ) - 5.25 м;

- ширина наибольшая - 0.84 м;

- ширина по КВЛ - 0.76 м;

- осадка по КВЛ - 0.13 м.

Теоретический чертеж байдарки показан на рис. 1 (бок и полуширота) и 2 (корпус).

Рис. 1. Теоретический чертеж байдарки «Нерль»

Рис. 2. Теоретический чертеж байдарки «Нерль»

Разработка 3D-модели судна осуществлялась в программе FreeShip (рис. 3). Модель изготавливалась в масштабе 1:5.

I

i ш

*—.«¡а

I

5 dX

Рис. 3. 3D-модель судна Fig. 3. 3D-model of the ship

Печать модели исполнялась на 3D-принтере «Anet A6» из PLA-пластика.

Сканирование полученной модели производилось с помощью оптического 3D-сканера 3D Systems Sense 2ndgen. Целью трехмерного сканирования была проверка геометрии подводной части корпуса.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно рекомендациям, указанным в международных требованиях к судовым моделям, подлежащим испытаниям в опытовых бассейнах [6, 7], модели должны быть зашпаклеваны, окрашены и покрыты лаком перед самими испытаниями.

Модель была изготовлена из пяти блоков (рис. 4). После склейки блоков она показана на рис. 5, склеенная, зашпаклеванная и окрашенная модель -на рис. 6.

Рис. 4. Блоки модели Fig. 4. Blocks of the model

Рис. 5. Модель после склейки блоков Fig. 5. Model after gluing blocks

Рис. 6. Готовая к испытаниям модель Fig. 6. Model ready to be tested

В качестве клеевой композиции был использован клей для PLA-пластика собственного изготовления в рамках НИР по защитным покрытиям судов [8] «ДПБ 10/2», представляющий собой смесь C2H4Cl2, (C8H14O2)^ (C3H4O2)n (поли-винилбутераль + дихлорэтан + полилактрид), соединенных по технологии ультразвук механического резонансного смешивания. Прочность шва при применении данной клеевой композиции выше прочности спайки слоев при любом заполнении структуры материала. Однако, в сущности, при отсутствии возможности производства клеев, исходя из опыта работы, любой клей на основе сольвента даст качественную склейку блоков, удовлетворяющую всем нуждам при работе с моделью судна.

Далее, было произведено сканирование полученной физической модели с помощью оптического 3D-сканера 3D Systems Sense 2nd gen при заявленном отклонении данного измерительного оборудования ± 1 мм в идеальных условиях.

Сетка-образец была получена путем сохранения исходной модели для печати в формате STL. Среднее отклонение геометрии сетки, измеренное средствами, встроенными в Autodesk Inventor, составляет 0.4*10-5мм. Данный уровень точности является приемлемым для проведения сравнения сетки-образца с сет-кой-сканом и превышает показатели точности измерительного оборудования.

По опыту работы со сканирующим оборудованием оптического диапазона был подобран оптимальный режим освещения - светодиодные лампы теплого света (рис. 7).

Лампа накаливания

UÉ

400 500 600 700

Длина волны

Светодиодная лампа с » теплым светом

LA.

500 600

Длина волны

Рис. 7. Сравнение спектров ламп Fig. 7. Comparison of the spectra of lamps

Такой источник света дает минимум излучения в ИК-диапазоне и благоприятно влияет на точность измерения ввиду отсутствия паразитной засветки, приближая точность прибора к лазерному сканеру, работающему с полностью монохромной подсветкой, сохраняя при этом основное преимущество оптических сканеров - возможность работы с объектами практически любого цвета без заметных искажений.

Для получения наиболее детальных данных все дополнительные функции программного обеспечения Sense (текстурирование, автоматическое распознавание, ранжирование разрешения) были отключены, а разрешение и буферизация данных повышены до максимально допустимых для оборудования. Такой подход позволяет получить более точные данные о поверхности, однако увеличивает время обработки ввиду попадания посторонних объектов в область сканирования.

Погрешности, связанные с термоусадкой филамента, учтены на основании измерений в общей сложности 32 тестовых кубов в 1 см . Геометрическая ошибка при слайсинге модели минимальна ввиду отсутствия тонких стенок. Наиболее сложными участками обработки являются нос и корма.

Сетка, полученная после удаления шумов и фона, представлена на рис. 8. Общий объем данных сканирования составляет 4.6 Gb.

Рис. 8. Сетка-скан после предварительной обработки Fig. 8. Grid-scan after pre-processing

Никаких методов сглаживания сетки и автоматической очистки от шума не применялось, что гарантирует точную передачу геометрии физической модели. Сравнение отклонения сетки проводилось с помощью программного обеспечения Cloud Compare. Совмещение сетки-модели и сетки-скана производилось в два этапа - грубое начальное совмещение по пяти точкам поверхности вручную и точное совмещение с помощью инструмента «finely register meshes». Автоматическое совмещение проведено с критерием двойной точности с использованием 1500 итераций, по 4678 точкам поверхности скана и модели. Представленные настройки говорят о явной математической избыточности и исключают ошибки совмещения. Итоговая диаграмма отклонений поверхности и эпюра, полученная после совмещения, представлены на рис. 9-11.

Рис. 9. Эпюра отклонений геометрии в области сканирования Fig. 9. Profile of geometry deviations in the scan area

Рис. 10. Гистограмма распределения отклонений

Рис. 11. Гистограмма распределения отклонений

Обработка данных сканирования позволила определить, что максимальное отклонение в положительную сторону составляет 0.45, а в отрицательную -0.54 мм. Для более понятной оценки приведем распределение по Гауссу (рис. 12).

Рис. 12. Гистограмма распределения по Гауссу Fig. 12. Histogram of the distribution by Gauss

Из данной диаграммы видно, что среднеквадратичное отклонение составило 0.25 мм.

Исходя из требований [6, 7], для модельных испытаний судов максимальный допуск по оси Z (по осадке) не должен быть более 1 мм. По данным гистограммы и эпюры видим, что в направлении оси Z основная плоскость днища имеет отклонение не более -0.2 мм, с учетом погрешности измерений это говорит о выполнении требований по оси Z. Допуск по длине 0.05% от длины между перпендикулярами, что в нашем случае составляет 2.7 мм, следовательно, данное требование также успешно выполняется.

ВЫВОДЫ

1. Приведенные измерения доказывают возможность использования 3D-ne4ara для производства моделей судов с целью гидродинамических испытаний при соблюдении всех нюансов технологии. Основные отклонения геометрии в модели объясняются швами при склейке, а также сложностью обработки и шлифовки слоев шпаклевки в носовой и кормовой оконечностях ввиду сложной кривизны поверхности.

2. Изготовление моделей для испытаний методами аддитивных технологий является менее затратной и трудоемкой процедурой по сравнению с традиционными формами судомоделизма. Усадочные деформации в рассмотренном варианте входят в поле допусков согласно международным рекомендациям по изготовлению судовых моделей и проведению гидромеханических испытаний в опыто-вых бассейнах и оказывают незначительное воздействие на результаты экспериментов, которыми можно пренебречь.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Тигнибидин, А. В. Использование аддитивных технологий при прототи-пировании. Контроль геометрических характеристик детали из пластика ABS для определения исходных размеров для печати / А. В. Тигнибидин, С. В. Такаюк // Динамика систем, механизмов и машин. - 2018. - Т. 6, № 3. - С. 57-65.

2. Петрова, Г. Н. Реологические свойства термопластичной композиции на основе поликарбоната: зависимость от температуры переработки; влияние на механические характеристики и размерную стабильность объектов, созданных по FDM-технологии / Г. Н. Петрова [и др.] // Труды ВИАМ. - 2017. - № 4 (52). -С. 81-88.

3. Шумков, А. А. Анализ эволюции погрешности формы электрода-инструмента с применением технологий быстрого прототипирования / А. А. Шумков [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2017. -Т. 19, № 2. - С. 106-116.

4. Балякин, А. В. Применение аддитивных технологий для создания деталей камеры сгорания / А. В. Балякин, В. Г. Смелов, Н.Д. Чемпинский // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева (национального исследовательского университета). - 2012. -№ 3 (34), ч. 2. - С. 47-52.

5. Ефимов, В. Стеклопластиковая байдарка «Нерль» / В. Ефимов // Катера и яхты. - 1990. - № 1 (143). - С. 44-49.

6. ITTC, 2002. «Ship Models», 23rd International Towing Tank Conference, Vehicle, ITTC Recommended Procedures, Procedure 7.5-01-01-01, Rev. 01.

7. ITTC, 2002. «Resistance uncertainly analysis, example for resistance test», 23rd International Towing Tank Conference, Vehicle, ITTC Recommended Procedures, Procedure 7.5-02-02-02, Rev. 01.

8. Зобов, П. Г. Янтарное покрытие корпуса судна / П. Г. Зобов // Управление инновационным развитием Арктической зоны Российской Федерации: сб. изб. трудов по материалам Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 2017. - С. 276-278.

REFERENCES

1. Tignibidin A. V., Takayuk S. V. Ispol'zovanie additivnykh tekhnologiy pri prototipirovanii. Kontrol' geometricheskikh kharakteristik detali iz plastika ABS dlya opredeleniya iskhodnykh razmerov dlya pechati [The use of additive technologies for prototyping. Inspection of the geometrical characteristics of the part made of ABS plastic for determining the initial dimensions for printing]. Dinamika sistem, mekhanizmov i ma-shin, 2018. vol. 6, no. 3, pp. 57-65.

2. Petrova G. N., Larionov S. A., Sapego YU. A., Platonov M. M. Reologiches-kie svoystva termoplastichnoy kompozitsii na osnove polikarbonata: zavisimost' ot tem-peratury pererabotki; vliyanie na mekhanicheskie kharakteristiki i razmernuyu sta-bil'nost' ob"ektov, sozdannykh po FDM-tekhnologii [Rheological properties of a thermoplastic composition based on polycarbonate: dependence on processing temperature; influence on mechanical characteristics and dimensional stability of objects created by FDM-technology]. Trudy VIAM, 2017. iss. 4 (52), pp. 81-88.

3. Shumkov A. A., Ablyaz T. R., Kochneva A. A., Mal'tseva YU. N., Maslenni-kova N. A., Matalasova V. I., Popova E. S., SHardina T. A. Analiz evolyutsii pogresh-nosti formy elektroda-instrumenta s primeneniem tekhnologiy bystrogo prototipirovani-ya [Analysis of the evolution of the error shape of the electrode tool using rapid prototyping technologies]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie, 2017. vol.19, no. 2, pp. 106-116.

4. Balyakin A. V., Smelov V. G., CHempinskiy N. D. Primenenie additivnykh tekhnologiy dlya sozdaniya detaley kamery sgoraniya [The use of additive technology to create parts of the combustion chamber]. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika S. P. Koroleva (natsional'nogo isle-dovatel'skogo universiteta), 2012. iss. 3 (34), pp. 47-52.

5. Efimov V. Stekloplastikovaya baydarka «Nerl'» [Fiberglass kayak "Nerl'"]. Katera iyakhty, 1990, vol. 1 (143), pp. 44-49.

6. ITTC, 2002. «Ship Models», 23rd International Towing Tank Conference, Vehicle, ITTC Recommended Procedures, Procedure 7.5-01-01-01, Rev. 01.

7. ITTC, 2002. «Resistance uncertainly analysis, example for resistance test», 23rd International Towing Tank Conference, Vehicle, ITTC Recommended Procedures, Procedure 7.5-02-02-02, Rev. 01.

8. Zobov P. G. Yantarnoe pokrytie korpusa sudna [Amber coating hull]. Uprav-lenie innovatsionnym razvitiem Arkticheskoy zony Rossiyskoy Federatsii: sbornik iz-brannykh trudov po materialam Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem [Management of innovative development of the Arctic zone of the Russian Federation: a collection of selected works based on materials of the All-Russian scientific-practical conference with international participation]. 2017, pp. 276-278.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Зобов Павел Геннадьевич - Институт судостроения и морской арктической техники (г. Северодвинск Архангельской обл.); бакалавр; направление «Судостроение и системотехника объектов морской инфраструктуры»; E-mail: pavelzobov98@mail.ru

Zobov Pavel Gennadievich - Institute of Shipbuilding and Marine Arctic Technology (Severodvinsk, Arkhangelsk region); bachelor student of shipbuilding and system engineering of marine infrastructure; E-mail: pavelzobov98@mail.ru

Дектярев Александр Владимирович - Калининградский государственный технический университет; аспирант кафедры кораблестроения; E-mail: nwasanches@mail.ru

Dektyarev Alexander Vladimirovich - Kaliningrad State Technical University; Post-graduate student; Department of Shipbuilding; E-mail: nwasanches@mail.ru

Морозов Владимир Николаевич - Калининградский государственный технический университет; кандидат технических наук; доцент; академик РАЕН; E-mail: mvn3613@gmail.com

Morozov Vladimir Nikolaevich - Kaliningrad State Technical University; Doctor of Technical Science; Associate Professor; academician of RANS; E-mail: mvn3613@gmail.com