Reverse engineering methodology development for part reconstruction with laser powder-bed fusion additive manufacturing technology

Abstract

[EN] In some cases, CAD models of mechanical components are not available, do not exist, or do not match the current geometry of the physical model. Issues related to the manufacturing process (post-production changes or hand-made objects), the wear occurring during a life cycle of the part (repairing worn-out parts), or even the unavailability of digital data (redesign of obsolete parts produced in pre-digital era, legal restriction, or trade secrecy) could explain the absence of accurate 3D data. To counteract the lack of 3D data, Reverse Engineering (RE) approaches have been widely used in the last decades.

Reverse Engineering is a common process used in engineering and computer science. In the field of mechanical design, it has evolved from a method to understand the functioning of a system and capture embedded knowledge to a more elaborated process based on the utilisation of advanced computational models, modern digitising technologies and software.

Nowadays, due to the spread of 3D scanning technologies and the development of engineering software and tools, reverse engineering approaches aim to reconstruct the geometry of a component through advanced computational models and algorithms that perform operations such as mesh segmentation, surface fitting and feature recognition (feature-based strategies) or create surfaces by the use of B-Spline or NURBS (surface-based strategies) from point cloud data collected from scanning systems (contact or non-contact). This type of strategies, commonly known as Geometric Reverse Engineering (GRE), result in CAD models composed of a set of surfaces and curves, which have no functional meaning and might capture undesired characteristics such as distortion and noise because of manufacturing variations or wear that are contained within the model.

As used components present wear and imperfections, using only geometrical and surface reconstruction methods can lead to undesired characteristics that could influence the overall functioning of the mechanical part. A different approach is required to create a more accurate and suitable model for engineered components. Hence, a methodology that gathers additional product knowledge is presented in this project, since there are specific form-function associations, functional requirements and features for mechanical components which shape the specific design parameters.

Thus, the crucial part of the RE is the correct identification of the characteristics of the original component. Identifying, classifying, and evaluating the present features at the component improves the part knowledge and enables the recognition of possible re-designing options. Not considering how manufacturing and functional requirements impact the design of the individual features, the component, and the system, leads to an incomplete or inadequate model. Likewise, collecting customer requirements and transforming these demands into pertinent decision criteria helps to identify the feasibility of manufacturing certain components through Additive Manufacturing (AM) technologies.

The present methodology combines classical geometric approach (point cloud segmentation and features data extraction), design recovery and knowledge-based approaches, modern and innovative CAD reconstruction techniques and scanning technologies selection. Similarly, it takes into account manufacturability considerations for AM, design for AM (DfAM) methodologies as well as customer requirements and part manufacturing feasibility in order to analyse, evaluate, recover and manufacture components lacking of 3D data throughout AM technologies.

The methodology, RetoAM, introduces a new framework for the analysis and evaluation of mechanical components in order to assess the implementation of additive manufacturing as the primary manufacturing technology and the recreation or re-design of the given component depending on the previous acquired knowledge, part manufacturing feasibility and custo

[ES] En numerosos casos, el modelo CAD de ciertos componentes mecánicos no está disponible, ni siquiera existe o no coincide con la geometría actual del modelo producido. Problemas relacionados con el proceso de fabricación (objetos hechos a mano o cambios posteriores a la producción), el desgaste que se produce durante el ciclo de vida de la pieza (reparaciones en piezas desgastadas) o incluso indisponibilidad de datos digitales (piezas obsoletas fabricadas en la era pre-digital, restricciones legales o secreto comercial) podrían explicar la ausencia de datos 3D precisos. Con el fin de contrarrestar la falta de dichos datos 3D, diferentes enfoques de ingeniería inversa (RE) se han utilizado ampliamente en las últimas décadas.

La ingeniería inversa es un proceso comúnmente empleado en ingeniería e informática que, en el ámbito de diseño mecánico, ha pasado de ser un método utilizado para comprender el funcionamiento de un sistema a un proceso más elaborado basado en la utilización de modelos computacionales avanzados, tecnologías modernas de digitalización y software.

Actualmente, debido a la evolución de las tecnologías de escaneo 3D y al desarrollo de software y herramientas de ingeniería, los enfoques de ingeniería inversa tienen como objetivo la reconstrucción geométrica de componentes mediante el uso de modelos y algoritmos computacionales avanzados que realizan operaciones como la segmentación de malla, el ajuste de superficies y reconocimiento de elementos característicos o la creación de superficies mediante el uso de B-Spline o NURBS, a partir de nubes de puntos obtenidas mediante sistemas de escaneo (con o sin contacto). Este tipo de estrategias, comúnmente conocidas en inglés como Geometric Reverse Engineering (GRE), dan como resultado modelos CAD compuestos por un conjunto de superficies y curvas que no poseen ningún significado funcional, y que, además, podrían reunir características no deseadas como distorsión y ruido a causa de imperfecciones durante la fabricación o al propio desgaste presente en el componente.

Como consecuencia del uso, las piezas mecánicas a menudo presentan desgaste e imperfecciones. El uso aislado de métodos de reconstrucción geométrica puede conducir a características no deseadas que pudieran influir en el funcionamiento general de la pieza. Por ello, se presenta en este trabajo una metodología que reúne conocimiento adicional del componente, ya que existen asociaciones específicas de forma-función, requisitos funcionales y características para componentes mecánicos que influyen en los parámetros de diseño.

En vista de lo anterior, la correcta identificación de las características del componente original es crucial. Identificar, clasificar y evaluar dichos rasgos característicos mejora el conocimiento de la pieza y permite la búsqueda de posibles opciones de rediseño. No considerar cómo los requisitos funcionales influyen en el diseño de características individuales, componentes y sistemas en su conjunto, da lugar a modelos incompletos o inadecuados. Del mismo modo, recopilar los requerimientos del cliente y transformar dichas demandas en criterios de decisión pertinentes ayuda a valorar la viabilidad de fabricar ciertos componentes mediante tecnologías de fabricación aditiva.

La presente metodología combina enfoques clásicos de reconstrucción geométrica y diseño conceptual, enfoques basados en conocimiento, técnicas modernas de reconstrucción CAD, selección de tecnologías de escaneo, consideraciones de fabricación y metodologías de Diseño para Fabricación Aditiva, además de tener en cuenta los requisitos del cliente y la viabilidad de fabricación de la propia pieza, con el fin de analizar, evaluar, recuperar y fabricar componentes que carecen de datos 3D.

La metodología RetoAM introduce un nuevo marco para el análisis y la evaluación de componentes mecánicos para evaluar la utilización de la

[CA] En nombrosos casos, el model CAD de certs components mecànics no està disponible, ni tan sols existeix o no coincideix amb la geometria actual del model produït. Problemes relacionats amb el procés de fabricació (objectes fets a mà o canvis posteriors a la producció), el desgast que es produeix durant el cicle de vida de la peça (reparacions en peces desgastades) o fins i tot indisponibilitat de dades digitals (peces obsoletes fabricades en l’era predigital, restriccions legals o secret comercial) podrien explicar l’absència de dades 3D precises. Amb la finalitat de contrarestar la falta d’aquestes dades 3D, diferents enfocaments d’enginyeria inversa (RE) s’han utilitzat àmpliament en les últimes dècades. L’enginyeria inversa és un procés comunament emprat en enginyeria i informàtica que, en l’àmbit de disseny mecànic, ha passat de ser un mètode utilitzat per a comprendre el funcionament d’un sistema a un procés més elaborat basat en la utilització de models computacionals avançats, tecnologies modernes de digitalització i programari. Actualment, a causa de l’evolució de les tecnologies d’escaneig 3D i al desenvolupament de programari i eines d’enginyeria, els enfocaments d’enginyeria inversa tenen com a objectiu la reconstrucció geomètrica de components mitjançant l’ús de models i algorismes computacionals avançats que realitzen operacions com la segmentació de malla, l’ajust de superfícies i reconeixement d’elements característics o la creació de superfícies mitjançant l’ús de B-Spline o NURBS, a partir de núvols de punts obtinguts mitjançant sistemes d’escaneig (amb contacte o sense). Aquest tipus d’estratègies, comunament conegudes en anglés com Geometric Reverse Engineering (GRE), donen com a resultat models CAD compostos per un conjunt de superfícies i corbes que no posseeixen cap significat funcional, i que, a més, podrien reunir característiques no desitjades com a distorsió i soroll a causa d’imperfeccions durant la fabricació o al desgast present propi en el component. Com a conseqüència de l’ús, les peces mecàniques sovint presenten desgast i imperfeccions. L’ús aïllat de mètodes de reconstrucció geomètrica pot conduir a característiques no desitjades que pogueren influir en el funcionament general de la peça. Per això, es presenta en aquest treball una metodologia que reuneix coneixement addicional del component, ja que existeixen associacions específiques de forma-funció, requisits funcionals i característiques per a components mecànics que influeixen en els paràmetres de disseny. En vista de l’anterior, la correcta identificació de les característiques del component original és crucial. Identificar, classificar i avaluar aquests trets característics millora el coneixement de la peça i permet la cerca de possibles opcions de redisseny. No considerar com els requisits funcionals influeixen en el disseny de característiques individuals, components i sistemes en el seu conjunt, dona lloc a models incomplets o inadequats. De la mateixa manera, recopilar els requeriments del client i transformar aquestes demandes en criteris de decisió pertinents ajuda a valorar la viabilitat de fabricar certs components mitjançant tecnologies de fabricació additiva. La present metodologia combina enfocaments clàssics de reconstrucció geomètrica i disseny conceptual, enfocaments basats en coneixement, tècniques modernes de reconstrucció CAD, selecció de tecnologies d’escaneig, consideracions de fabricació i metodologies de Disseny per a Fabricació Additiva, a més de tindre en compte els requisits del client i la viabilitat de fabricació de la peça pròpia, amb la finalitat d’analitzar, avaluar, recuperar i fabricar, a través de la fabricació additiva, components que manquen de dades 3D.