Rapport Activit Pr
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- Words: 1,448
- Pages: 10
Rapport d’activité (Auteur : Laurent Naegelen, professeur de Génie Mécanique) Plateforme de métrologie du lycée Mermoz : Rétroconception et Prototypage Rapide Historique Dans le cadre de la création de la plateforme de métrologie du lycée Mermoz, la section de TS GOP s’est équipé d’un moyen de mesure portable et flexible, en l’occurrence un bras de mesure multiarticulé de marque Romer (http://fr.romer.com/content/view/19/21/lang,en/). Ce bras permet à la fois des mesures avec contact (palpeur à bille) mais également sans contact grâce à un scanner type plan laser - CCD de marque G-Scan.
L’ensemble est piloté par un pack logiciel composé principalement de : G–Pad : dédié à la mesure par contact, permet notamment des mesures métrologiques type ISO 8015 (forme, orientation, etc.), 3D Reshaper : dédié à la mesure sans contact, permet la récupération des données sous forme de nuage de points et son traitement (suppression des points aberrants, maillage, lissage, comparaison modèle réel / modèle CAO théorique).
Contexte de l’étude Les tests initiaux menés par l’équipe ont laissé entrevoir deux lacunes techniques : a. une qualité des nuages de points obtenus non conformes aux attentes, b. un problème de superposition des couches sur les nuages de points. a. Qualité des nuages de points Les données brutes issues d’un scan présentent un bruit haute fréquence que l’on peut lisser de manière logicielle (Figure 1), des points aberrants que l’on peut supprimer (Figure 2), mais aussi un "bruit" sous forme d'ondulation que l’on ne peut supprimer qu'au détriment des courbures de style de l'objet. Il serait envisageable de passer beaucoup de temps à essayer de corriger manuellement ce bruit mais je ne pense pas que cela ait un sens si l’on désire préserver une adéquation correcte entre l’objet réel et son modèle numérique. b. Superposition des couches Le recouvrement défaillant des différents scans sur une même pièce montre des écarts clairement visualisables sur le nuage de points.
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En appliquant une surface localement sur une zone à courbure continue pour estimer l’écart on obtient un résultat de +/- 0.301mm à deux sigma (95% des points dans cette tolérance). Voir Figure 3. Ces écarts entraînent inévitablement un aspect « peau d’orange » sur les maillages, quels que soit l’intensité du lissage ou le réglage de longueur de corde (Figure 4).
Figure 1 Représentation du bruit haute fréquence sur une section de scan.
Figure 2 Points aberrants du nuage de point et mise en évidence du phénomène de couches sur les scans.
Figure 3 Estimation de l’écart entre les extrema sur une zone de surface à courbure continue.
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Figure 4 Aperçu de l’aspect « peau d’orange » et des discontinuités sur un maillage avec seuil de lissage élevé. (logiciel 3D Reshaper)
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Bilan intermédiaire Ces constatations initiales nous ont conduites à demander l’intervention d’un technicien Hexagon Metrology (maison mère de Romer) afin qu’il réalise une recalibration complète de notre bras. Cette intervention d’une durée de deux jours a également été l’occasion de revenir sur les possibilités du logiciel 3D Reshaper. Notre souci a été de mener un cas d’étude concret pouvant illustrer une approche de rétroconception étant donnée la volonté affichée de nos instances dirigeantes d’équiper un certain nombre de lycées de l’académie en moyens de Prototypage Rapide (P.R.). Notre support de formation a donc été la coque supérieure d’une souris Logitech modèle MX Révolution, souris utilisée dans le cadre d’activités pratiques en seconde
ISI et dont le
modèle CAO est actuellement manquant.
Phase de scan La coque présentant des zones d’aspect brillant, nous l’avons « poudrée » grâce à une poudre de ressuage blanche facilitant et optimisant la saisie des informations par le capteur CCD. (Figure 5) Après choix des paramètres de scan, la prise d’informations complète représente une durée globale (toutes opérations préparatoires comprises) d’environ 60 min. Le résultat est un nuage de points contenant quelques 65000 points d’une taille informatique de 5 Mo. (Figure 6) Après avoir nettoyé le nuage (élimination des points aberrants), nous l’avons maillé en poussant le seuil de lissage à son maximum pour obtenir une surface approchée triangulée au format STL (taille du fichier : 600 ko). Comme déjà évoqué, la surface présente un aspect « peau d’orange » qui n’en fait pas un candidat de choix en tant que modèle CAO (représentation numérique du réel) ou en tant que fichier source dans la cadre d’une application de P.R. (Figure 4).
Figure 6 Nuage de points après élimination des points aberrants.
Figure 5 Prise d’informations sur l’objet réel par méthode sans contact (scanner plan laser G-Scan).
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Optimisation du maillage Devant ce résultat mitigé, nous avons recherché une solution logicielle afin d’obtenir une surface approchée plus propre. Nous nous sommes tournés vers le logiciel GeoMagic Studio (http://www.geomagic.com/fr/products/studio/), référence en matière de rétroconception. Disposant d’outils de lissage et de seuillage bien plus puissants que 3D Reshaper (http://www.technodigit.com/fr1/Fr_3dreshaper.htm), le résultat obtenu propose des caractéristiques de forme et d’aspect bien plus satisfaisantes. (Figure 7) Le maillage et son optimisation représentent un investissement temporel de l’ordre de 30 min. A noter que le logiciel propose également un module de reconstruction surfacique offrant des possibilités de modifications ultérieures de la forme (opération gourmande en temps et en ressources de calcul informatique).
Figure 7 Maillage optimisé du nuage de points initial grâce au logiciel GeoMagic Studio. Cette « peau » de la coque de la souris a ensuite été épaissie (3 mm de paroi) et enregistrée au format universel STL avant la phase de P.R. Nota : Le format STL est naturellement accepté par SolidWorks afin de l’enregistrer au format natif SLDPRT.
Bilan Il paraît évident que notre moyen de mesure actuel ne permet pas d’envisager des applications de rétroconception. Deux options se proposent à nous : 1. Investir dans un logiciel de maillage plus puissant que 3D Reshaper tels GeoMagic Studio ou DelCAM CopyCAD (http://www.copycad.com/languages/fr/). Le coût de ces solutions est cependant très élevé (19500 euros pour GeoMagic version Education). 2. Améliorer les données à la source en supprimant notamment le phénomène de couches lors des scans. Le bras Romer est actuellement dans les ateliers de Hexagon Metrology dans ce sens. Il semblerait qu’il s’agisse d’un problème logiciel. Affaire à suivre …
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Phase de Prototypage Afin de valider la chaîne de rétroconception, nous avons fait appel à un établissement hors académie qui nous a réalisé une maquette à partir de notre maillage. La
machine
de
P.R.
utilisée
est
une
imprimante
Dimension
Elite
d’origine
Stratasys
(http://www.dimensionprinting.com/international/FR/3d-printers/3d-printing-elite.aspx). Elle est basée sur la technologie de fabrication par couches F.D.M. (Fused Deposition Modeling). Le principe est le dépôt d’un fil d’ABS fondu de couleur variable par couches successives suivant un parcours d’outil extrêmement précis.
Un
support
est
parfois
généré
automatiquement
si
les
formes
de
la
pièce
le
nécessitent.
(http://intl.stratasys.com/products.aspx?id=51) Dans le cas de notre souris, de tels supports ont été placés à l’intérieur de la coque lors de la fabrication. Ces supports sont ensuite dissous dans un bain de solution basique (eau + soude + détergent).
Données Techniques et Economiques :
Type de machine : imprimante 3D Modèle : Elite Technologie : F.D.M. (Fused Deposition Modeling) Fabricant : Stratasys (http://intl.stratasys.com/products.aspx?id=51) Distributeur : Dimension (http://www.dimensionprinting.com/international/FR/3d-printers/3d-printingelite.aspx) Matériau : ABS ou ABSplus (caractéristiques mécaniques accrues de 40%) Courses : 203 x 203 x 305 mm Coût : 25300 euros H.T. sans options Consommable : cassette de fil ABS de 2.5 kg Coût d’impression : 0.25 euro / cm3 Contraintes d’installation : aucune Maintenance : très limitée par rapport aux autres procédés.
Coût de revient de la maquette (amortissement et temps de préparation exclus)
Matériau utilisé : 62 cm3 Support utilisé : 34 cm3 Soit un total de 96 cm3
Coût de revient : 96 x 0.25 = 24 euros Durée de fabrication de la maquette (destruction des supports compris)
12 heures
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Maquette de POSITIONNEMENT D’UN MOYEN DEProduit P.R. DANS LA Grâce aux maquettes on peut visualiser son CHAÎNE DE CRÉATION DE PRODUIT produit avant qu'il n'aille en production. On peut se représenter en toute fiabilité le produit tel qu'il sera une fois usiné. Avec les maquettes, on peut par ailleurs détecter les défauts et effectuer les ajustements nécessaires en amont, et ce souvent tout au long de la phase de la conception.
Objet réel Numérisation 3D
Modèle numérique CAO Prototypage Rapide Outillage de thermoformage
2 voies d’entrée possibles
Accès depuis un objet réel : Rétroconception
Les modèles ABS produits sur une imprimante Dimension 3D sont d'excellents masters pour le processus de thermoformage.
Accès direct depuis un modèle numérique CAO Page 7 sur 10
Exemple d’utilisation possible en classe de seconde Initiation aux Sciences de l’Ingénieur.
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L’ensemble est piloté par un pack logiciel composé principalement de : G–Pad : dédié à la mesure par contact, permet notamment des mesures métrologiques type ISO 8015 (forme, orientation, etc.), 3D Reshaper : dédié à la mesure sans contact, permet la récupération des données sous forme de nuage de points et son traitement (suppression des points aberrants, maillage, lissage, comparaison modèle réel / modèle CAO théorique).
Contexte de l’étude Les tests initiaux menés par l’équipe ont laissé entrevoir deux lacunes techniques : a. une qualité des nuages de points obtenus non conformes aux attentes, b. un problème de superposition des couches sur les nuages de points. a. Qualité des nuages de points Les données brutes issues d’un scan présentent un bruit haute fréquence que l’on peut lisser de manière logicielle (Figure 1), des points aberrants que l’on peut supprimer (Figure 2), mais aussi un "bruit" sous forme d'ondulation que l’on ne peut supprimer qu'au détriment des courbures de style de l'objet. Il serait envisageable de passer beaucoup de temps à essayer de corriger manuellement ce bruit mais je ne pense pas que cela ait un sens si l’on désire préserver une adéquation correcte entre l’objet réel et son modèle numérique. b. Superposition des couches Le recouvrement défaillant des différents scans sur une même pièce montre des écarts clairement visualisables sur le nuage de points.
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En appliquant une surface localement sur une zone à courbure continue pour estimer l’écart on obtient un résultat de +/- 0.301mm à deux sigma (95% des points dans cette tolérance). Voir Figure 3. Ces écarts entraînent inévitablement un aspect « peau d’orange » sur les maillages, quels que soit l’intensité du lissage ou le réglage de longueur de corde (Figure 4).
Figure 1 Représentation du bruit haute fréquence sur une section de scan.
Figure 2 Points aberrants du nuage de point et mise en évidence du phénomène de couches sur les scans.
Figure 3 Estimation de l’écart entre les extrema sur une zone de surface à courbure continue.
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Figure 4 Aperçu de l’aspect « peau d’orange » et des discontinuités sur un maillage avec seuil de lissage élevé. (logiciel 3D Reshaper)
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Bilan intermédiaire Ces constatations initiales nous ont conduites à demander l’intervention d’un technicien Hexagon Metrology (maison mère de Romer) afin qu’il réalise une recalibration complète de notre bras. Cette intervention d’une durée de deux jours a également été l’occasion de revenir sur les possibilités du logiciel 3D Reshaper. Notre souci a été de mener un cas d’étude concret pouvant illustrer une approche de rétroconception étant donnée la volonté affichée de nos instances dirigeantes d’équiper un certain nombre de lycées de l’académie en moyens de Prototypage Rapide (P.R.). Notre support de formation a donc été la coque supérieure d’une souris Logitech modèle MX Révolution, souris utilisée dans le cadre d’activités pratiques en seconde
ISI et dont le
modèle CAO est actuellement manquant.
Phase de scan La coque présentant des zones d’aspect brillant, nous l’avons « poudrée » grâce à une poudre de ressuage blanche facilitant et optimisant la saisie des informations par le capteur CCD. (Figure 5) Après choix des paramètres de scan, la prise d’informations complète représente une durée globale (toutes opérations préparatoires comprises) d’environ 60 min. Le résultat est un nuage de points contenant quelques 65000 points d’une taille informatique de 5 Mo. (Figure 6) Après avoir nettoyé le nuage (élimination des points aberrants), nous l’avons maillé en poussant le seuil de lissage à son maximum pour obtenir une surface approchée triangulée au format STL (taille du fichier : 600 ko). Comme déjà évoqué, la surface présente un aspect « peau d’orange » qui n’en fait pas un candidat de choix en tant que modèle CAO (représentation numérique du réel) ou en tant que fichier source dans la cadre d’une application de P.R. (Figure 4).
Figure 6 Nuage de points après élimination des points aberrants.
Figure 5 Prise d’informations sur l’objet réel par méthode sans contact (scanner plan laser G-Scan).
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Optimisation du maillage Devant ce résultat mitigé, nous avons recherché une solution logicielle afin d’obtenir une surface approchée plus propre. Nous nous sommes tournés vers le logiciel GeoMagic Studio (http://www.geomagic.com/fr/products/studio/), référence en matière de rétroconception. Disposant d’outils de lissage et de seuillage bien plus puissants que 3D Reshaper (http://www.technodigit.com/fr1/Fr_3dreshaper.htm), le résultat obtenu propose des caractéristiques de forme et d’aspect bien plus satisfaisantes. (Figure 7) Le maillage et son optimisation représentent un investissement temporel de l’ordre de 30 min. A noter que le logiciel propose également un module de reconstruction surfacique offrant des possibilités de modifications ultérieures de la forme (opération gourmande en temps et en ressources de calcul informatique).
Figure 7 Maillage optimisé du nuage de points initial grâce au logiciel GeoMagic Studio. Cette « peau » de la coque de la souris a ensuite été épaissie (3 mm de paroi) et enregistrée au format universel STL avant la phase de P.R. Nota : Le format STL est naturellement accepté par SolidWorks afin de l’enregistrer au format natif SLDPRT.
Bilan Il paraît évident que notre moyen de mesure actuel ne permet pas d’envisager des applications de rétroconception. Deux options se proposent à nous : 1. Investir dans un logiciel de maillage plus puissant que 3D Reshaper tels GeoMagic Studio ou DelCAM CopyCAD (http://www.copycad.com/languages/fr/). Le coût de ces solutions est cependant très élevé (19500 euros pour GeoMagic version Education). 2. Améliorer les données à la source en supprimant notamment le phénomène de couches lors des scans. Le bras Romer est actuellement dans les ateliers de Hexagon Metrology dans ce sens. Il semblerait qu’il s’agisse d’un problème logiciel. Affaire à suivre …
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Phase de Prototypage Afin de valider la chaîne de rétroconception, nous avons fait appel à un établissement hors académie qui nous a réalisé une maquette à partir de notre maillage. La
machine
de
P.R.
utilisée
est
une
imprimante
Dimension
Elite
d’origine
Stratasys
(http://www.dimensionprinting.com/international/FR/3d-printers/3d-printing-elite.aspx). Elle est basée sur la technologie de fabrication par couches F.D.M. (Fused Deposition Modeling). Le principe est le dépôt d’un fil d’ABS fondu de couleur variable par couches successives suivant un parcours d’outil extrêmement précis.
Un
support
est
parfois
généré
automatiquement
si
les
formes
de
la
pièce
le
nécessitent.
(http://intl.stratasys.com/products.aspx?id=51) Dans le cas de notre souris, de tels supports ont été placés à l’intérieur de la coque lors de la fabrication. Ces supports sont ensuite dissous dans un bain de solution basique (eau + soude + détergent).
Données Techniques et Economiques :
Type de machine : imprimante 3D Modèle : Elite Technologie : F.D.M. (Fused Deposition Modeling) Fabricant : Stratasys (http://intl.stratasys.com/products.aspx?id=51) Distributeur : Dimension (http://www.dimensionprinting.com/international/FR/3d-printers/3d-printingelite.aspx) Matériau : ABS ou ABSplus (caractéristiques mécaniques accrues de 40%) Courses : 203 x 203 x 305 mm Coût : 25300 euros H.T. sans options Consommable : cassette de fil ABS de 2.5 kg Coût d’impression : 0.25 euro / cm3 Contraintes d’installation : aucune Maintenance : très limitée par rapport aux autres procédés.
Coût de revient de la maquette (amortissement et temps de préparation exclus)
Matériau utilisé : 62 cm3 Support utilisé : 34 cm3 Soit un total de 96 cm3
Coût de revient : 96 x 0.25 = 24 euros Durée de fabrication de la maquette (destruction des supports compris)
12 heures
Page 6 sur 10
Maquette de POSITIONNEMENT D’UN MOYEN DEProduit P.R. DANS LA Grâce aux maquettes on peut visualiser son CHAÎNE DE CRÉATION DE PRODUIT produit avant qu'il n'aille en production. On peut se représenter en toute fiabilité le produit tel qu'il sera une fois usiné. Avec les maquettes, on peut par ailleurs détecter les défauts et effectuer les ajustements nécessaires en amont, et ce souvent tout au long de la phase de la conception.
Objet réel Numérisation 3D
Modèle numérique CAO Prototypage Rapide Outillage de thermoformage
2 voies d’entrée possibles
Accès depuis un objet réel : Rétroconception
Les modèles ABS produits sur une imprimante Dimension 3D sont d'excellents masters pour le processus de thermoformage.
Accès direct depuis un modèle numérique CAO Page 7 sur 10
Exemple d’utilisation possible en classe de seconde Initiation aux Sciences de l’Ingénieur.
Page 8 sur 10
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