Utilisation de la numérisation et de l'impression 3D en rétro-ingénierie
La rétro-ingénierie est une méthode puissante pour réaliser des conceptions numériques à partir d'une pièce réelle. Elle constitue un outil de votre kit de prototypage, aux côtés de la numérisation et de l'impression 3D.
Les scanners 3D mesurent très rapidement des objets complexes. Ils peuvent prodigieusement accélérer votre processus de travail en conception, lorsque cela concerne des objets de la vie courante. Pouvoir capturer des formes physiques et les modifier vous permet de concevoir des pièces imprimées en 3D qui s'adapteront exactement à des objets existants de toutes sortes. Des gabarits imprimés en 3D permettent de positionner de façon répétitive une perceuse ou une scie, ou encore de coller précisément des pièces ensemble. Il est aussi possible de réaliser des masques précis et réutilisables pour sabler, peindre ou graver des pièces.
Dans cet article, nous décrirons étape par étape le processus de rétro-ingénierie appliqué à une jauge numérique d'un équipementier automobile. Nous donnerons des conseils au fur et à mesure pour savoir quels outils utiliser, des logiciels de CAO aux scanners et imprimantes 3D.
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De l'objet physique à sa représentation numérique : modèles maillés et modèles solides
Le plus difficile lors du passage d'un objet physique à sa représentation numérique est l'incompatibilité majeure existant entre deux types de modèles 3D : les modèles maillés et les modèles solides.
Un scanner 3D donne un modèle maillé, plutôt qu'un modèle « solide » avec ses éléments constitutifs. Les maillages doivent subir une opération de rétro-ingénierie pour être ensuite modifiables.
Les maillages sont les principaux résultats de tous les scanners 3D, sous un format STL, compris généralement par toutes les imprimantes 3D. Un maillage représente la surface de la forme par un très grand nombre de triangles, liés entre eux par leurs bords. Les modèles maillés ne contiennent aucune information relative à l'objet, autre que la position des triangles qui définissent la forme.
D'autre part, les ingénieurs sont formés à travailler avec des modèles solides. Les modèles solides comportent les informations sur la façon dont l'objet a été conçu, et celles-ci sont encodées explicitement dans le modèle sous formes d'éléments caractéristiques « empilés » logiquement. En CAO de modèles solides, il est possible de changer les dimensions d'un seul de ces éléments, et cela entraine la mise à jour du reste du modèle pour tenir compte de cette modification.
Comme le maillage ne dispose pas de ces informations sur la structure de l'objet, il y a peu de façons de modifier un modèle maillé. Les logiciels CAO Solidworks et Onshape ne peuvent pas modifier directement des maillages. Si vous devez faire des modifications majeures au modèle d'une pièce scannée, le maillage doit être converti en un modèle CAO solide : c'est ce procédé que l'on nomme la rétro-ingénierie.
Le processus de travail en rétro-ingénierie
La rétro-ingénierie est intéressante lorsque vous cherchez à réaliser de nouvelles pièces qui se basent sur des modèles anciens ou en sont composées, et dont on ne dispose pas de la représentation originale en CAO.
Vous pouvez par exemple réaliser des pièces de rechange qui correspondent à des pièces originales endommagées. Vous pouvez aussi appliquer la rétro-ingénierie pour intégrer de surfaces complexes d'objets existants à des gabarits imprimables en 3D, un procédé intéressant pour modifier des produits fabriqués en masse ou artisanalement.
Pour comprendre les étapes d'un processus de travail en rétro-ingénierie, nous allons voir comment a été réalisé un gabarit d'assemblage d'une jauge numérique fabriquée par un équipementier automobile, qui s'ajuste dans une bouche d'aération sur une Golf Volkswagen.
1. Préparer l'objet à scanner
Vaporisez sur l'objet une poudre mate temporaire pour améliorer la précision du scan. Des surfaces même légèrement brillantes tendent à dégrader la qualité du scan, et des surfaces réfléchissantes ou transparentes ne peuvent absolument pas être scannées sans les avoir préalablement matifiées.
Vaporisez une poudre mate temporaire pour améliorer la précision du scan de l'objet.
2. Scan 3D de l'objet
Capturez les parties importantes de l'objet avec un scanner 3D de haute précision. Des scanners de bureau à laser ou à lumière structurée conviennent pour cette tâche et fournissent une précision d'au moins ± 100.
Pour connaitre les critères de choix du scanner 3D convenant à votre application, consultez le livre blanc sur la numérisation 3D.
Remarque : Il vous faudra peut-être réorienter et scanner à nouveau l'objet plusieurs fois s'il présente des parties avec des creux profonds.
3. Affiner le maillage
Certains scanners produisent des fichiers avec des mailles très lâches, ce qui peut empêcher de réaliser certaines étapes ultérieures.
Le logiciel du scanner répare certains manques et simplifie le scan, ce qui rend les données plus faciles à traiter en CAO. Essayez de réduire le modèle le plus possible sans supprimer les détails importants.
Conseil : Si vous avez besoin de plus de contrôle, Meshmixer est un bon choix pour raffiner les maillages scannés.
4. Importation du maillage dans le logiciel de CAO
Importez le maillage dans un logiciel de CAO disposant d'outils de rétro-ingénierie. Geomagic for Solidworks est un outil puissant pour reconstituer la surface de formes organiques complexes.
Dans le cas d'une pièce à surfaces planes plus simples, Xtract3D est un bon outil, moins coûteux et plus léger.
À cette étape, il faut déplacer et faire tourner le maillage scanné pour l'aligner avec tous les composants existants du modèle de conception.
Conseil : Vous faciliterez l'opération en tournant et en alignant le scan pour qu'il soit face aux axes de la vue orthographique.
5. Extraction de surfaces importantes
Il existe trois façons d'extraire la forme d'un scan pour créer un modèle solide éditable par les outils CAO : extraction de surface semi-automatique ou automatique, et reprise manuelle du dessin.
Extraction de surface semi-automatique
Vous pouvez choisir cet outil dans les cas de surfaces courbes, difficiles à dessiner à la main. Cette fonction génèrent des surfaces qui s'ajustent aux régions déjà détectées sur le scan. Différentes surfaces seront détectées en faisant varier la sensibilité de la fonction de détection de surface.
Conseil : Geomagic pour Solidworks détecte des surfaces sur le scan pour l'ajustement de courbes 3D. L'outil « Brosse » permet d'ajouter ou retirer des parties de surfaces de chaque région sur le scan.
Vous devrez peut-être répéter l'opération plusieurs fois avec différentes valeurs de sensibilité pour détecter toues les surfaces. Ces surfaces devront peut-être être réduites par découpage puis réassemblées pour créer le solide éditable.
L'extraction semi-automatique de surfaces est l'outil adéquat pour recréer des formes courbes lorsque vous souhaitez utiliser ultérieurement la pleine capacité d'édition, ou lorsque la précision des arêtes vives est importante.
Un écran de Geomagic pour Solidworks montrant le résultat de l'extraction de surface, après réduction par découpage.
Extraction de surface automatique
Elle permet de générer un modèle solide à partir d'un scan « étanche » (sans aucun trou). Vous pourrez utiliser des outils CAO standards d'ajout ou de réduction sur cet objet obtenu par extraction automatique de surface, mais il sera plus difficile d'en déplacer les éléments constitutifs.
Il est possible que vous n'ayez pas besoin de contrôler le placement des arêtes. Cela peut être le cas lorsque vous réalisez un scan anatomique pour créer des produits ergonomiques sur mesure, ou encore un gabarit pour modifier de façon répétitive et précise un objet fait à la main. L'extraction automatique de surface est alors une bonne façon de gagner du temps de modélisation.
Remarque : Comparaison des résultats d'extraction automatique et semi-automatique : perte de précision constatée surtout autour des arêtes vives.
Reprise manuelle du dessin
Pour des formes simples comme des bosses, des trous et des poches, il est généralement plus rapide et plus simple de les redessiner en prenant le scan comme référence. Les logiciels de rétro-ingénierie vous permettent de créer des esquisses de plans alignées sur les surfaces planes du scan et d'extraire des sections transversales du maillage du scan, ce qui aide à copier la forme de l'objet original.
6. Intégrer de nouveaux objets
Une fois le scan converti en modèle solide, il peut être soustrait d'un autre solide pour créer un gabarit dans lequel la pièce originale s'encastrera exactement.
Le modèle du composant de la nouvelle jauge prend aussi pour référence les dimensions du scan, en utilisant les surfaces extraites semi-automatiquement.
7. Imprimer en 3D le nouveau modèle
Le gabarit obtenu par impresion sur l'imprimante 3D stéréolithographique (SLA) Form 2 présente un niveau de précision élevé, comparable à celui obtenu avec des scanners 3D de qualité industrielle. Le matériau Formlabs Rigid Resin convient ici en raison de sa rigidité et de sa précision.
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Une fois réalisées ces étapes, le gabarit imprimé en 3D est prêt à l'assemblage de la nouvelle jauge sur la bouche d'aération
Le gabarit final, imprimé en 3D en Rigid Resin.
Les bons outils pour la rétro-ingénierie
La première étape pour commencer en rétro-ingénierie est de trouver le scanner qui correspond le mieux à vos besoins. Consultez notre Livre blanc pour connaitre les scanners 3D qui conviennent à l'impression 3D haute précision :
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