Quais são os principais tipos de digitalização 3D?

Tecnologia de digitalização 3D

A tecnologia de digitalização 3D pode ser dividida em métodos com contato, sem contato e destrutivos. É amplamente utilizada em medição, engenharia reversa, controle de qualidade e aplicações relacionadas.

Métodos de medição por contato

Digitalização por contato: Máquinas de medição por coordenadas

As máquinas de medição por coordenadas (CMMs) são instrumentos de medição eficientes e de alta precisão, desenvolvidos na década de 1960. Seu surgimento foi impulsionado pela necessidade de equipamentos de medição confiáveis para apoiar a usinagem eficiente de peças cada vez mais complexas em máquinas-ferramentas automáticas e CNC. Os avanços na eletrônica, na computação, no controle numérico e na usinagem de precisão também forneceram a base técnica para as CMMs.

Em 1960, a Ferranti, no Reino Unido, desenvolveu com sucesso o primeiro CMM do mundo. No final da década de 1960, mais de 30 empresas em quase 10 países já fabricavam CMMs, embora os produtos ainda estivessem em um estágio inicial. A partir da década de 1980, empresas como ZEISS, Leitz, DEA, LK, Mitutoyo, Ferranti e Moore continuaram a lançar novos produtos, o que levou a um rápido desenvolvimento das máquinas CMM. Os CMMs modernos podem realizar medições complexas sob controle de computador, trocar informações com máquinas-ferramentas CNC para controlar a usinagem e oferecer suporte à engenharia reversa com base em dados de medição.

Atualmente, os CMMs são amplamente utilizados nas indústrias de manufatura mecânica, automotiva, eletrônica, aeroespacial e de defesa. Eles se tornaram equipamentos essenciais para a inspeção industrial e o controle de qualidade modernos.

Componentes e princípio de funcionamento do CMM

Um CMM é um sistema mecatrônico típico, composto principalmente por sistemas mecânicos e eletrônicos.

1. Sistema mecânico: Esse sistema geralmente consiste em três eixos ortogonais de movimento linear. Em uma estrutura típica, o sistema de guias do eixo X é montado na mesa de trabalho, a viga móvel da ponte forma o sistema de guias do eixo Y e o sistema de guias do eixo Z é instalado no carro central. Cada eixo é equipado com uma escala para medir o deslocamento. Volantes manuais e acionamentos motorizados, sejam eles elétricos ou controlados por CNC, geralmente estão localizados próximos aos eixos. A sonda utilizada para entrar em contato com a superfície da peça inspecionada está montada na extremidade do eixo Z.
2. Sistema eletrônico: Esse sistema geralmente inclui um sistema de contagem por escala, uma interface de sinal de sonda e um computador. Ele coleta dados de pontos de coordenadas da peça medida e processa esses dados.

O princípio de funcionamento de um CMM consiste em converter a medição de características geométricas na medição das coordenadas de uma série de pontos nessas características. Após a obtenção das coordenadas dos pontos, cálculos matemáticos determinam as dimensões e as tolerâncias geométricas. Por exemplo, ao medir um furo cilíndrico, vários pontos podem ser sondados em um plano perpendicular ao eixo do furo. Suas coordenadas espaciais podem então ser usadas para calcular o diâmetro do furo, as coordenadas do centro, o erro de circularidade, o erro de cilindricidade e a relação posicional do eixo do furo. Isso demonstra a alta versatilidade e flexibilidade de um CMM: em princípio, ele pode medir qualquer característica geométrica e parâmetro de qualquer peça.

O papel complementar das máquinas de medição com braço articulado

Uma máquina de medição com braço articulado também é um dispositivo de medição por contato. Ao contrário do modelo CMM, ela não utiliza mesa de trabalho de precisão, coluna ou guias de deslizamento. Em vez disso, utiliza um braço articulado com vários graus de liberdade e pode funcionar como uma máquina de medição por coordenadas flexível.

É possível instalar um sensor na extremidade do braço. Os codificadores rotativos registram o ângulo de rotação de cada articulação, e as coordenadas do sensor no espaço são calculadas com base em princípios cinemáticos. Durante o uso, um operador segura o braço de medição e coloca a sonda em contato com a superfície inspecionada. Ao pressionar um botão, as coordenadas e a direção da alça da sonda são registradas e, em seguida, transmitidas por meio de um cabo serial ao software de medição. Esse tipo de máquina quase não tem restrições de direção e pode realizar medições em qualquer orientação dentro de sua área de trabalho. É geralmente utilizado para medições de engenharia reversa de grandes matrizes de chapa metálica, incluindo braços manuais da CIM-CORE e da FARO.

Em comparação com as máquinas CMMs, as máquinas de medição com braço articulado apresentam precisão um pouco menor, mas uma faixa de medição maior e menos limitações relacionadas ao tamanho e à forma da peça. Elas são compactas, flexíveis na utilização e adequadas para medição durante o processo. Em outros aspectos, são semelhantes às máquinas CMMs.

Métodos sem contato

A medição sem contato utiliza principalmente princípios ópticos para adquirir dados. Os métodos mais comuns incluem telêmetro a laser, triangulação a laser, luz estruturada, análise de imagem e medição interferométrica. Os equipamentos de medição óptica oferecem alta velocidade de medição e um alto grau de automação. Como não há pressão de contato nem atrito, é possível evitar erros de medição causados pela deformação da peça sob ação de força, tornando-os adequados para a aquisição rápida e em grande escala de dados a partir de modelos complexos.

O princípio básico da medição óptica consiste em converter uma grandeza física analógica em dados de coordenadas da superfície da peça por meio de algoritmos apropriados.

Medição de distância por laser

A telemetria a laser calcula a distância entre um ponto medido e um plano de referência a partir do tempo de voo do feixe de laser, da velocidade da luz e do índice de refração atmosférico. Como a medição direta do tempo é difícil, a medição de fase em onda contínua é comumente utilizada em telêmetros baseados em fase. Esse método permite medir distâncias de várias centenas de metros com precisão típica na ordem de milímetros.

Triangulação a laser

A triangulação a laser utiliza a posição e o ângulo entre uma fonte de luz e um sensor de imagem, como uma câmera, para calcular as coordenadas espaciais dos pontos. Ela pode ser utilizada para a medição de pontos, linhas ou superfícies.

1. Possui uma longa distância de trabalho e é capaz de medir uma peça mesmo quando está relativamente distante da superfície da peça.
2. Possui uma ampla faixa de medição. Os erros não lineares causados por uma faixa ampla podem ser calibrados e corrigidos por meio de software.
3. A sonda não entra em contato com o objeto medido, pelo que pode coletar dados de superfícies de materiais macios e medir arestas afiadas, depressões e outros contornos complexos com eficácia.
4. A aquisição de dados é rápida. No caso de superfícies grandes, os dados podem ser coletados rapidamente em uma máquina-ferramenta CMM ou CNC, sem compensação do sensor.
5. É relativamente caro, e reflexos indesejados e características da superfície, como paredes verticais, podem afetar a precisão da aquisição.
6. Ele é sensível ao material medido, à rugosidade da superfície e à refletividade, e sua precisão é, em geral, ligeiramente inferior à de um CMM.

Luz estruturada e tecnologia de código cinza

Os métodos de luz estruturada projetam um padrão específico de luz, como listras ou grades, sobre a superfície de um objeto. As coordenadas tridimensionais da superfície são calculadas a partir da captura da forma como o padrão refletido é deformado pela superfície curva. Uma abordagem comum é a utilização de grades projetadas, que obtêm informações de altura a partir da deformação das listras da grade causada por variações na elevação da superfície.

Ao contrário da análise passiva de imagens, a luz estruturada requer a projeção ativa de uma fonte de luz artificial. A visão estéreo passiva utiliza uma ou mais câmeras para fotografar um objeto sob diferentes ângulos e calcula a profundidade a partir da disparidade de imagens. Os sistemas binoculares de luz estruturada combinam as vantagens de ambas as abordagens e podem melhorar ainda mais a eficiência das medições.

A medição binocular por luz estruturada permite coletar uma grande quantidade de dados em uma única operação e é adequada para a medição eficiente de superfícies complexas. No entanto, os resultados são afetados pelas propriedades ópticas da superfície do objeto, o que torna mais difícil medir superfícies transparentes ou pretas. A precisão é, em geral, ligeiramente inferior à da medição por contato.

O scanner óptico ATOS da GOM, da Alemanha, é um típico sistema de medição por luz estruturada. Ele projeta faixas de grade na superfície de um objeto, utiliza duas câmeras de alta resolução para capturar as imagens das faixas deformadas e calcula as coordenadas tridimensionais da superfície. É capaz de adquirir dados completos de nuvem de pontos para estruturas complexas em um tempo muito curto. O ATOS II possui uma área de medição única de aproximadamente 280 mm por 350 mm, pode capturar até 1,3 milhão de pontos de digitalização e alcança uma precisão de medição única de mais ou menos 0,03 mm. Para objetos maiores, é possível criar modelos completos combinando medições de vários ângulos, com uma precisão de montagem de aproximadamente 0,1 mm/m.

O código Gray, combinado com o deslocamento de fase sinusoidal, é um método de codificação comumente utilizado na tecnologia de luz estruturada. O código Gray divide, em primeiro lugar, o espaço de medição em regiões para determinar a posição aproximada de cada ponto. Em seguida, o deslocamento de fase é utilizado para o posicionamento preciso dentro de cada região.

A principal característica do código Gray é que os códigos adjacentes diferem apenas em um bit. Isso evita erros que podem ocorrer quando vários bits se alteram ao mesmo tempo, proporcionando alta confiabilidade e uma baixa taxa de erros de decodificação para medições de grande alcance. Suas principais características incluem:

1. Codificação confiável com baixa taxa de erros.
2. Trata-se de um código ponderado. Códigos de Gray diferentes não podem ser comparados diretamente e devem primeiro ser convertidos em código binário para serem processados.
3. O número de 1s em uma palavra de código pode ser usado para determinar se o valor correspondente é ímpar ou par.

A tecnologia de grade de fase heteródina multifrequencial utiliza um projetor DLP para projetar grades digitais geradas por computador na superfície de um objeto. Duas câmeras capturam de forma sincronizada as listras deformadas, e os cálculos de fase geram, então, dados tridimensionais de nuvem de pontos para a superfície do objeto. Essa abordagem permite o ajuste flexível da frequência da grade, mantendo alta precisão de projeção.

Análise de Imagens

A análise de imagens utiliza a posição relativa de um mesmo ponto em várias imagens para calcular a distância por meio da disparidade e, assim, obter as coordenadas espaciais desse ponto. Além disso, é comum combiná-la com outros métodos ópticos para melhorar a eficiência e a aplicabilidade das medições.

Métodos destrutivos

Limites de aplicação da digitalização destrutiva

Um scanner automático de seção serial combina a remoção de material camada por camada com a digitalização camada por camada para obter os dados dos contornos internos e externos de um modelo. Primeiro, a peça a ser medida é totalmente encapsulada em um material de resina específico, preenchido com pó de grafite ou pigmento. Após a cura da resina, ela é fixada em uma fresadora e usinada com uma profundidade de corte muito pequena para criar uma seção transversal que contenha tanto a peça quanto a resina. A seção é então movida sob uma câmera digital CCD para amostragem digital. Como há um limite distinto entre o material de encapsulamento e a peça, técnicas de processamento de imagem digital, como filtragem, extração de bordas, análise de textura e binarização, podem extrair o contorno do limite e obter os valores das coordenadas do contorno. O corte e a análise são repetidos até que os dados de coordenadas de todas as seções do modelo sejam obtidos.

Em comparação com a tomografia computadorizada industrial, os scanners automáticos de seção serial apresentam custos mais baixos de equipamento e operação. Por se basearem na extração de pixels, eles também podem adquirir uma grande quantidade de dados em cada camada. Sua clara desvantagem é que destroem o objeto medido. Um scanner de seccionamento em série automático relativamente maduro no mercado é o RE1000, da CGI, dos Estados Unidos.

Tomografia Computadorizada Industrial

A tomografia computadorizada industrial (ICT) oferece um método tomográfico digital não destrutivo para reproduzir estruturas internas e externas complexas, bem como as formas dos materiais. Após uma amostra física ser submetida à varredura tomográfica, a ICT produz uma série de cortes transversais e dados. Esses cortes e dados contêm informações completas sobre os contornos da seção transversal da peça e sua estrutura interna.

As TIC ampliam a aplicação bem-sucedida da tomografia computadorizada (TC) médica para o setor industrial. Elas podem ser utilizadas para modelagem reversa e controle de qualidade de peças moldadas de pequeno, médio e grande porte com estruturas complexas, bem como para análises técnicas, diagnóstico não destrutivo de falhas e confiabilidade de produtos e análise da estrutura de montagem.