كان إعادة إنشاء أجزاء أو منتجات دون مخططات أو ملفات تصميم رقمي مهمة شاقة في الماضي. قبل الاستخدام الواسع لتقنيات المسح ثلاثي الأبعاد، كان الهندسة العكسية تتطلب قياس الأجسام يدويًا لإنشاء الرسومات.
اليوم، تغير كل شيء. تقنيات المسح ثلاثي الأبعاد بأسعار معقولة، وبرامج أكثر سهولة في الاستخدام، والطابعات ثلاثية الأبعاد تجعل إنتاج النماذج والنماذج الأولية، وفي كثير من الأحيان الأجزاء النهائية، أمرًا سريعًا وممكنًا.
ما هي الهندسة العكسية؟
الهندسة العكسية تعني تفكيك كائن لفهم كيفية عمله. عمليًا، تتضمن الهندسة العكسية قياس كائن مادي ثم إعادة بنائه إلى نموذج ثلاثي الأبعاد رقمي، يمكن بعد ذلك طباعته بتقنية ثلاثية الأبعاد أو تصنيعه بطرق أخرى.
في هذه المقالة، سنرشدك خطوة بخطوة خلال عملية تحويل جزء مادي إلى نموذج رقمي نهائي، ونوضح الخطوات الرئيسية وخيارات الأدوات المهمة في العملية بأكملها.
لكن أولاً، دعونا نلقي نظرة على تطبيقات الهندسة العكسية اليوم.
تطبيقات الهندسة العكسية
إعادة تصنيع قطع الغيار والأدوات المتوقفة عن الإنتاج هي استخدام واضح للهندسة العكسية، لكن تطبيقاتها تتجاوز ذلك بكثير.
تحسين الأجزاء والمنتجات القديمة
لا تزال العديد من الشركات تستخدم قوالب تم إنشاؤها منذ عقود لتصنيع الأجزاء، وقد فُقدت التصاميم الأصلية والقرارات التصميمية مع مرور الوقت. باستخدام النماذج الرقمية، يمكنك تحسين الأجزاء القديمة لجعلها أقوى أو أخف وزنًا. ربما تم إنشاء التصميم الأصلي قبل ظهور برامج المحاكاة الهندسية التوليدية المعقدة الموجودة اليوم، والتي يمكنها اختبار استجابات الإجهاد افتراضيًا وتقديم تحسينات مدفوعة بالذكاء الاصطناعي.
التخصيص بعد السوق
خاصة في صناعة السيارات، يُعد توفير المنتجات والإكسسوارات التي تتناسب تمامًا مع سيارتك الجديدة عملاً كبيرًا. لتحقيق ذلك، تحتاج الشركات المصنعة إلى قياسات دقيقة، ويُعتبر المسح ثلاثي الأبعاد أسرع طريقة. قد لا تقوم دائمًا بتصنيع هذه النماذج، ولكن طباعة النماذج الأولية ثلاثية الأبعاد لاختبار الملاءمة والتجميع أمر شائع.
رقمنة النماذج الأولية اليدوية
لا يزال الفنانون والمصممون ومصنعو السيارات يشكلون الأفكار باستخدام الطين، ولكن بمجرد الموافقة على الأسلوب، يحين وقت إنتاج هذه المنتجات، بدءًا من نموذج رقمي. بعد المسح الرقمي، يمكن تعديل هذه النماذج واختبارها لتحمل الإجهاد.
التحقيق في المنتجات
غالبًا ما تقوم الشركات بهندسة عكسية لمنتجات المنافسين لفهم عمليات التصنيع الخاصة بهم، واكتشاف نقاط قوتها وضعفها، والتعلم من ابتكاراتها. بالطبع، تخضع إعادة تصنيع المنتجات لقيود حقوق الطبع والنشر والعلامات التجارية وحقوق الملكية الفكرية. كما تُستخدم الهندسة العكسية للتحقيق في الحوادث (مثل حوادث السيارات) من خلال المسح ثلاثي الأبعاد للمركبات المتضررة ومقارنة النماذج الرقمية بنماذج السيارات الجديدة.
الخطوات الثلاث الرئيسية للهندسة العكسية
يتبع عملية الهندسة العكسية سير عمل قياسي، قد يختلف قليلًا حسب الأدوات المستخدمة والنتائج المرجوة. بشكل عام، تتضمن العملية الخطوات التالية:
- جمع البيانات: هناك طرق متعددة لجمع البيانات المكانية. الطريقة الأكثر شيوعًا اليوم هي المسح ثلاثي الأبعاد، والتي سنشرحها بالتفصيل أدناه.
- معالجة البيانات: تتم معالجة البيانات التي يتم الحصول عليها من الماسح ثلاثي الأبعاد إلى نموذج رقمي. غالبًا ما يتطلب النموذج ثلاثي الأبعاد الخام بعض العمل لتصحيح وتحسين المناطق التي قد لا يلتقطها المسح بشكل
- بناء النموذج: تعتمد الإجراءات المحددة في هذه المرحلة على النتيجة المتوقعة من عملية الهندسة العكسية. إذا كان الهدف هو النسخ فقط، يكون الجزء جاهزًا للتصنيع. إذا كانت هناك حاجة للإصلاحات أو الإضافات، يتم العمل على النموذج الرقمي باستخدام برامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD).
الحصول على البيانات عبر المسح ثلاثي الأبعاد
تستخدم أنواع مختلفة من تقنيات المسح ثلاثي الأبعاد طرقًا مختلفة لالتقاط البيانات. تتنوع أحجامها وتكاليفها من الأجهزة المحمولة إلى الأنظمة الكبيرة الثابتة. لكل تقنية مزاياها وعيوبها ويجب اختيارها بناءً على حجم ونوع الكائن المراد مسحه.
غالبًا ما تستخدم الهندسة العكسية المسح ثلاثي الأبعاد البصري (باستخدام الضوء المهيكل أو أشعة الليزر). تستخدم هذه الأجهزة الضوء واستشعار الزوايا العاكسة لجمع البيانات. بناءً على المسافة بين الماسح والجسم، يقوم الجهاز بمسح سطح الجسم وتسجيل النقاط لتشكيل مسح ثلاثي الأبعاد. يمكن أن يلتقط المسح ثلاثي الأبعاد ملايين النقاط على الجزء في الثانية، مما يولد كميات كبيرة من البيانات.
تشتهر هذه الماسحات الضوئية بدقتها، حيث تصل دقة القياس إلى عدة ميكرونات. ومع ذلك، قد يكون نطاق قياسها محدودًا لبضعة أمتار فقط.
التصوير الفوتوغرافي القياسي هو تقنية مسح ثلاثي الأبعاد أخرى تقوم بدمج الصور الملتقطة من زوايا مختلفة لإنشاء جسم ثلاثي الأبعاد. تعتمد هذه التقنية بشكل كبير على البرامج التي تعالج مئات الصور لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد. ومع تطور الهواتف الذكية، أصبحت هذه الطريقة أكثر شيوعًا حيث يمكن التصوير والمعالجة يدويًا.
على الرغم من أن هذه التقنية الحديثة رائعة لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد ملونة رقمية لعرضها عبر الإنترنت (مثل صور المنتجات)، إلا أن البيانات التي يتم الحصول عليها من تطبيقات الهواتف الذكية غالبًا ما تكون غير كافية للهندسة العكسية الحقيقية، حيث تكون البيانات نادرة أو تتطلب المزيد من العمل في برامج CAD.
معالجة بيانات الهندسة العكسية
الآن بعد أن اخترت أفضل ماسح ضوئي يناسب احتياجاتك وميزانيتك وقمت بمسح الكائن، ما هي الخطوة التالية؟
للأسف، يقوم الماسح ثلاثي الأبعاد بجمع نقاط البيانات حول الكائن المادي؛ ولكنه لا يُنشئ نموذجًا رقميًا جاهزًا للتصنيع المباشر. هناك اعتقاد خاطئ شائع بأن الماسحات الضوئية ثلاثية الأبعاد تُنتج نموذجًا رقميًا، ولكن هناك خطوة برمجية إضافية بين بيانات المسح والنموذج القابل للتصنيع.
برامج CAD الشائعة (مثل Fusion 360 من Autodesk أو Solidworks من Dassault Systèmes) لا يمكنها قراءة البيانات الأولية من الماسح ثلاثي الأبعاد مباشرةً؛ حيث يجب تحويل هذه البيانات إلى نماذج يمكن لهذه الأنظمة التعرف عليها ومعالجتها. (بالطبع، Solidworks يحتوي على ميزة تُسمى ScanTo3D، لكنها محدودة في التعامل مع بيانات المسح ثلاثي الأبعاد منخفضة الدقة ولا تصلح للهندسة العكسية). دعنا نحلل ذلك بالتفصيل.
كلما زاد عدد النقاط في "السحابة النقطية" (بيانات المسح الأولية)، كان النموذج أكثر دقة. يمكن أن توفر بيانات المسح عالية الجودة الكثير من الوقت في مرحلة CAD. قد توفر البيانات منخفضة الدقة فقط مخططًا تقريبيًا للجزء، ولكنك ستكون بحاجة إلى إعادة إنشاء الجزء من الصفر. ومع ذلك، قد لا تحتاج تطبيقاتك إلى جميع هذه النقاط.
يقول مايك سبراي، مالك شركة Laser Abilities لتقديم خدمات المسح ثلاثي الأبعاد في بونتياك، ميشيغان: "يمكنك دائمًا تقليل حجم السحابة النقطية عن طريق تقليل التباعد بين النقاط في برنامج الماسح."
ويشرح أن البرنامج المصاحب للماسح هو الخطوة الأولى لتحرير البيانات. بمجرد تقليل السحابة النقطية، يمكن لبرنامج المسح تحويل السحابة النقطية إلى نموذج، يُعرف أيضًا باسم الشبكة ثلاثية الأبعاد، والتي تتكون من آلاف أو حتى ملايين المثلثات الصغيرة أو المضلعات الأخرى.
يستخدم البرنامج خوارزميات لـ"تفسير" بيانات النقاط، وفي كثير من الحالات يملأ الفجوات التي لم يلتقط فيها الماسح البيانات الكافية، مثل عندما يكون السطح لامعًا جدًا ويتداخل مع ضوء الماسح. وهنا تُظهر الشركات المُصنِّعة للبرامج قوة خوارزمياتهم وميزاتهم "الذكية"، المصممة لإصلاح الشوائب في بيانات السحابة النقطية. تحقق من بيانات المسح أدناه والنموذج "المُنقَّح" الذي تمت معالجته باستخدام برنامج Artec Studio من الشركة المصنعة للماسحات ثلاثية الأبعاد Artec 3D.
بعض مصنّعي الماسحات ثلاثية الأبعاد، مثل Artec وEvixscan وFaro وZeiss، قاموا بتطوير برامج متقدمة تُكمل أجهزتهم. على الرغم من أن هذه البرامج لا يمكنها استبدال برامج CAD بالكامل، إلا أنها حققت تقدمًا كبيرًا في تحويل بيانات المسح إلى نماذج CAD. بينما تعتمد بعض الشركات المصنعة الأخرى، مثل Evatronix، على برامج خارجية لتفسير البيانات، مثل البرنامج الشهير Geomagic. سنناقش جميع هذه البرامج في القسم التالي.
يضيف Spray: "من خلال البدء بشبكة كاملة أو ‘مغلقة تمامًا’، يمكنك التحرك في اتجاهات مختلفة. يمكن تصدير الشبكة مباشرة كملف STL إلى برنامج التقطيع الخاص بالطابعة ثلاثية الأبعاد. الشبكة لا تحتوي على سماكة فعلية، لكنها يمكن أن تُستخدم في برنامج التقطيع." ومن هنا، يكفي النقر على "طباعة" لإنشاء نسخة مادية من الكائن.
يُستخدم هذا الإجراء (من الشبكة إلى التقطيع) لإنشاء نسخة مادية دقيقة من الكائن. على سبيل المثال، يمكنك استخدام هذه الطريقة لطباعة منتج لاختبار توافقه مع مكون آخر.
ومع ذلك، تتطلب معظم مشاريع الهندسة العكسية خطوات إضافية لأن المنتج الممسوح ضوئيًا قد يحتاج إلى إصلاحات أو تعديلات قبل التصنيع. بناءً على سلاسة جمع البيانات أو دقة الماسح الضوئي، قد يحتاج النموذج إلى تصحيحات، تنظيف، تحسين، أو حتى بعض التعديلات الدقيقة للأسطح.
على سبيل المثال، لتصنيع أداة، قد تكون هناك حاجة لتعديلات تعتمد على طريقة التصنيع. يقول Spray: "إذا كنت تقوم بالصب أو قولبة الحقن، فستحتاج إلى إضافة زوايا مسودة بحيث يمكن إخراج الجزء من القالب." ويضيف: "قد تحتاج إلى إضافة زاوية مسودة بين ثلاث إلى خمس درجات للجزء. بيانات المسح لن تتضمن ذلك." وبالمثل، تتطلب بعض طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن مراعاة الانكماش أثناء عملية التصنيع.
مُطابقة أهداف الهندسة العكسية مع البرامج ليست دائمًا واضحة. غالبًا ما تكون البرامج المرفقة مع الماسح كافية. في بعض الأحيان، يمكن لاستخدام برامج متخصصة تم تطويرها لتحرير بيانات المسح بين الماسح الضوئي وبرامج CAD أن يوفر الكثير من الوقت في عملية CAD.
