Реверс-инжиниринг и 3D-технологии
Чем больше в России китайских станков, тем сильнее становятся наши специалисты в реверс-инжиниринге. Такими темпами наши инженеры скоро заберут звание «ведущих специалистов по обратному проектированию» у промышленников самой КНР. Напомним, своему резкому экономическому росту Поднебесная обязана именно грамотной «распаковке» чужих технологий. Нам сейчас приходится делать то же самое.
Производители дошли до необходимости освоения реверс-инжиниринга после событий 2022 года, введения санкций, когда нужно было «добывать» детали для сломавшихся европейских станков в обход параллельного импорта. А сейчас разработчики превосходят самих себя, чтобы отремонтировать китайские агрегаты. Ведь сервисным обслуживанием своих станков в подавляющем большинстве случаев производители из КНР не занимаются.
Фатальное спасибо
История одного из промышленных предприятий Барнаула — яркий пример того, как взаимодействие с Китаем помогло специалистам нескольких организаций России «прокачать скиллы» в реверс-инжиниринге. Завод, имени которого не раскрывают, приобрёл современный робототехнический комплекс у разработчиков КНР.
На этапе сделки китайские производители настойчиво просили составить дополнительный договор на сервисное обслуживание, который предполагал техническую помощь за определённую плату. Барнаульские инженеры отказались, понадеявшись, что разберутся сами, но, к сожалению, не справились. В итоге проблему пытается решить ГК «Мера».
«Программное обеспечение для позиционера, для лазерного сварочного аппарата было создано специалистами из Поднебесной. И сейчас нам приходится больно и мучительно делать реверс-инжиниринг. Разгадывать тайну чёрного ящика.
Мы, конечно, справимся, но в таких ситуациях у нас рекомендация одна: когда вам настойчиво намекают о помощи и сервисном обслуживании, не надо отказываться сразу. Нужно по максимуму попытаться вытянуть информацию у того, у кого покупаете. И тогда, когда уже вы почувствуете силу, можно будет отказаться», — посоветовал инженер-программист АО «НПЦ «Мера» Сергей Хасанов.
Обратное проектирование китайского оборудования может быть весьма трудоёмким, но оно позволяет предприятиям получить полный комплект рабочей конструкторской документации: пояснительную записку, сборочный чертёж, характеристику и графическое изображение всех деталей импортного станка. Реверс-разработчики могут довести до ума технологию и получить более совершенную модель любого изделия.
Заманчивое будущее
Всё больше экспертов прогнозируют России лидирующие позиции в промышленности благодаря реверс-инжинирингу. На авансцене отечественной экономики эта технология появилась несколько лет назад и позволила заместить многие критически важные комплектующие.
Ключевую роль в достижении промышленного суверенитета сыграло 3D-сканирование. Ведь до появления этой технологии обратное проектирование было весьма трудоёмким процессом с использованием ручных операций и таких инструментов, как штангенциркуль.
Инженеру нужно было обмерять деталь всевозможным оборудованием и переносить данные в программу, создавая модель. С прямолинейными деталями не возникало никаких сложностей. Но там, где появлялись окружности, скругления, полусферы, нужно было тратить колоссальное количество времени на их обмер. Но, как только взгляд специалистов упал на технологию из спортивной индустрии, ситуация изменилась.
Ранее с помощью 3D-сканирования создавали индивидуальную экипировку и обувь для профессиональных спортсменов. Мерки снимали с каждого из них, что повышало удобство и, соответственно, влияло на результаты соревнований. Также метод использовали для медицины — с его помощью создавали протезы.
Эти две сферы и дали технологии возможность развиваться, проникать в другие направления деятельности. Сегодня 3D-сканирование — это возможность высокоточного снятия параметров с различных объектов: от небольших деталей до масштабных зданий и сооружений. Благодаря 3D-сканированию данные с физического объекта перенести в 3D-модель можно за 20 минут.
Ведущий инженер-технолог Центра аддитивных технологий АО НПФ «Диполь» Алексей Симаков занимается 3D-сканированием с самого момента появления метода в России. Он уверен: без аддитивных технологий страна бы замещала иностранное оборудование ещё долгие десятилетия.
«3D-сканеры нашли своё применение практически во всех отраслях промышленности. В условиях импортозамещения 3D-cканирование значительно упрощает процесс реверсивного инжиниринга. Быстрый способ получить информацию об объекте реверса с высокой точностью, а также возможность захвата сложной геометрии дают много преимуществ в любом обратном проектировании.
Среди областей применения технологии — общее машиностроение, авиация, судо- и автомобилестроение. Также 3D-сканирование применяют для контроля геометрии и измерения готовой продукции», — рассказал Алексей Симаков.
Технологический процесс воссоздания сложных деталей
Этот вопрос наглядно можно разобрать на примере одного из последних кейсов реверс-инженеров ООО «ИРС лазер технолоджи». Они занимаются обратным проектированием со дня основания компании. Говорят, технология востребована практически у всех их клиентов, особенно тех, у кого ломалось оборудование.
Ведь специалисты могут не только воссоздать деталь, которую не нужно заказывать из-за границы, но и улучшить её по многим параметрам. Например, повысить износостойкость, оптимизировать конструктивные решения, улучшить аэродинамические свойства и сделать многое другое.
Технологический процесс обратного проектирования при помощи 3D-сканера можно увидеть на примере воссоздания коленчатого вала газопоршневой установки, вырабатывающей электроэнергию. Вместе со специалистами ООО «Микроника» инженеры взялись восстанавливать четырёхметровую деталь, не имея оригинальных чертежей. Сам вал был изрядно изношен и, на первый взгляд, мог дать немного информации о своём устройстве.
«Чтобы выполнить поставленную задачу, использовали два измерительных прибора. Для сканирования поверхности всего коленвала задействовали 7‑осевую руку-манипулятор с лазерным сканером RS5. Помимо сканирования нескольких облаков точек, в дальнейшем потребовалось сформировать цельную полигональную сетку.
Поэтому щуп использовали в комплексе с лазерным трекером Leica AT403. Оба прибора подключали в одну программу PolyWorks, в которой с помощью трекера точно позиционировали перестановку руки-манипулятора», — вспомнил заместитель руководителя ООО «ИРС ЛАЗЕР ТЕХНОЛОДЖИ» Антон Браславский.
Это оборудование выбрали не случайно. Помимо бесконтактного сбора точек с поверхности, оно позволяет использовать щуп для более точного измерения базовых примитивов. Для сравнения: повторяемость результата измерения координат точки при лазерном сканировании — 66 мкм, а при измерении контактным щупом — 34 мкм.
Работы вели на предприятии-заказчике. Специалистам потребовалось четыре перемещения прибора для того, чтобы собрать данные с поверхности в полной мере. В итоге инженеры собрали четыре облака точек, каждое из них в процессе триангулировалось и совмещалось.
Примечательно, что для создания модели не потребовалось сканировать коленвал полностью, потому что геометрия деталей такого типа вполне предсказуема. Для корректного моделирования необходимо было создать рабочую систему координат в соответствии с центральным валом, измерить расстояния между кулачками и рассчитать углы смещения.
Специалистам инжиниринговой компании «Комплекс КАД» также часто приходится выполнять 3D-сканирование на выезде. К примеру, недавно к ним поступила заявка на обратное проектирование затворов трубопроводов от одного из нефтеперерабатывающих предприятий. Нуждающееся в замене изделие работает под воздействием высоких температур и активных химических сред.
«Мы оперативно прибыли на место и подключили наше оборудование. Произвели необходимые замеры и выполнили 3D-сканирование изделий. Уже в офисе разработали 3D-модели и конструкторскую документацию, которую передали заказчику для организации производства.
А тот силами своих ремонтных служб изготовил и использовал эти изделия для своевременной замены», — рассказал заместитель главного инженера ООО «Инжиниринговая компания «Комплекс КАД» Ярослав Калиниченко.
Для создания копии или аналога практически всегда используют алгоритм, состоящий из 5 шагов, рассказывает директор по развитию ООО «Энергия плюс» Павел Марышев. При помощи реверс-инжиниринга его энергетическая компания смогла воссоздать небольшие турбинные установки.
Обратное проектирование в компании выглядит так: изначально прототип разбирают на составляющие элементы.
После этого каждый подвергают промышленному 3D-сканированию, создают предварительную цифровую модель. Она ещё не является полноценным аналогом, поскольку погрешность измерительных приборов, в данном случае сканера, не позволяет избежать отклонений. Поэтому цифровую модель загружают в CAD-редактор, внутри которого её дорабатывают.
«Корректировка — наиболее „творческий” элемент цепи преобразования, поскольку требует от инженера чёткого понимания как общей технологии, так и функционала конкретной детали. Иногда привлекают ИИ-ассистента, но очень осторожно и дозированно. После создания „цифрового двойника” готовят прототип, проводят необходимые апробации. На основании полученных данных происходит доработка 3D-модели с последующей цепочкой итераций (повторений)», — поделился опытом Павел Марышев.
Есть ли сложности?
Обратное проектирование — далеко не самый лёгкий путь. Особенности процесса отмечает каждый эксперт. Специалистам лаборатории разработки инженерного центра ООО «Конструктерра» чаще всего приходится иметь дело с неоднородными поверхностями.
«Шершавый или, наоборот, гладкий материал, глянцевый, зеркальный, прозрачный — все эти разновидности сложно поддаются сканированию. Существуют специальные матирующие спреи, под которыми предмет становится матовым, и сканер его „видит”. Но и это не панацея, и такие сканы приходится дорабатывать вручную. То есть нельзя просто взять сканер, не имея опыта, и сразу сделать идеальные изображения», — рассказал руководитель лаборатории разработки инженерного центра ООО «Конструктерра» Станислав Кот.
Важно также очистить объект копирования и оптику сканера от загрязнений, которые могут повлиять на качество получаемых данных. Критичны стружка, пыль, СОЖ, а для оптики — даже отпечаток пальца.
«У аддитивных технологий есть ряд ограничений. Для ряда задач недостаточно точности, и приходится дополнительно производить замеры с помощью контрольно-измерительной машины или ручных инструментов. Также возникают сложности со сканированием мелких и блестящих объектов. Последнее можно решить сменой технологии, но не всегда», — отметил Андрей Симаков.
Одной из основных сложностей эксперты также называют громоздкость оборудования и неудобство его доставки на территорию заказчика. При калибровке и работе советуют избегать прямых солнечных лучей.
«На территории заказчика необходимо выбирать место и время без вибраций, передаваемых заводским оборудованием, для получения точных результатов. Также сильно осложняет процесс, что не всегда у нас есть возможность произвести полную разборку и получить свободный доступ ко всем элементам и поверхностям изделий», — поделился опытом специалист инжиниринговой компании Ярослав Калиниченко.
Антон Браславский также призывает обращать внимание на условия процесса сканирования. Большие сложности, на его взгляд, могут возникнуть, если не обеспечить неподвижность объекта.
«Сканер либо не будет продолжать работу из-за больших отклонений, либо продолжит снимать точки со смещением, что делает такие данные непригодными для дальнейшей работы. При работе с 7‑осевой измерительной рукой также принципиально обеспечить неподвижное положение прибора. При соблюдении стабильности детали и оборудования это не создаст проблем при сканировании», — рассказал Антон Браславский.
Кроме того, критически повлиять на точность измерений может нестабильность окружающей среды и температурного состояния детали. Тепловое расширение материалов способно вызывать значительные отклонения в результатах измерений, особенно для металлических деталей большого размера. Во избежание этого современные сканеры оснащают системами температурной коррекции. Однако даже с ними необходимо соблюдать рабочие условия, указанные в паспорте оборудования.
При работе с лазерными сканерами нужно обязательно учитывать, что им необходимы светоотражающие метки. При такой технологии эти маркеры становятся реперными точками для определения 3D-сканером собственного положения в пространстве. Если прототип небольшой, то метки допускается располагать на поворотном столе, что обычно не создаёт дополнительных сложностей. Если объект имеет габариты больше поворотного стола или даже достигает нескольких метров, метки располагают на всех поверхностях сканируемого объекта.
Нюансов много, и отличные результаты при реверс-инжиниринге получают только опытные специалисты, которые постоянно находятся в процессе обучения. Они могут предвосхитить многие ошибки и спрогнозировать результат, что называется, «без сюрпризов».
Где освоить обратное проектирование?
Одно из главных преимуществ применения аддитивных технологий — доступность теории и обилие практики. Реверс-инжинирингом сейчас может овладеть практически любой технический специалист. В стране можно попробовать найти технологические центры, где удастся воссоздать ту или иную деталь на современных станках под руководством опытных наставников. Обратному проектированию обучают, и эти знания не требуют пятилетней академической подготовки.
«Кому‑то на обучение нужен месяц, а кому‑то и пяти лет не хватает. Централизованное погружение в материал в России пока не предусмотрено, поэтому специалисту важно самостоятельно найти образовательную программу. Есть вузы, в которых есть такой предмет, но он до сих пор факультативный.
На многих производствах этому можно обучиться с нуля. Словом, технологию широко используют, но нигде этому профессионально не учат. Мы пытаемся восполнить эту лакуну — разработали программу обучения на базе наших центров. В ближайшее время она будет протестирована и выпущена во всеобщее пользование», — рассказал Станислав Кот.
«Предприятия самостоятельно изыскивают возможности для обучения персонала. Есть несколько моделей: самостоятельное погружение в информацию методом многократных попыток; привлечение свободно курсирующих специалистов-конструкторов для проведения курсов; запрос образовательных материалов у производителей 3D-сканеров и ПО. Зачастую инженеры самостоятельно нарабатывают опыт, ведут первоначальное накопление компетенций, формируют предметное поле и алгоритмы», — поделился наблюдениями Павел Марышев.
«Многие интеграторы технологий, в том числе и наша компания „Диполь”, проводят тренинги по данным технологиям. Мы интегрируем под ключ полный набор инструментов для обратного проектирования на основе 3D-сканов», — отметил Андрей Симаков.
«Один из способов обучения обратному проектированию — самостоятельное погружение в материал. Существует множество онлайн-курсов и ресурсов, на которых изучают основы реверс-инжиниринга. Будущие специалисты могут ознакомиться с литературой, статьями, видеоуроками по этой теме и пытаться разобраться самостоятельно. Но стоит помнить обо всех сложностях, связанных с самообучением, о необходимости практики», — предостерёг Антон Браславский.
По его мнению, лучше всего найти специализированные курсы и тренинги. Опытные преподаватели в сфере сканирования и проектирования составят программу обучения, адаптируя её к конкретным задачам. Полученные навыки сразу можно будет применить в работе.
Многие эксперты отмечают, что за обратным проектированием с использованием 3D-сканирования действительно может быть большое будущее. Ведь этой технологии подконтрольно практически всё. Она позволяет быстро и точно фиксировать геометрию даже самых сложных деталей, практически не имеет рисков.
«Лучше всего осваивать реверс-инжиниринг на практике и на реальных примерах, обучаясь у опытных конструкторов или операторов трёхмерного сканирования. Мы в „Комплекс КАД” эту технологию оттачиваем с 2017 года. Разработан ряд методов, которые мы собрали в авторском курсе „Реверс-инжиниринг в машиностроении: от 3D-сканирования до готового изделия”, по которому обучаем своих сотрудников, а также промышленные компании страны», — рассказал Ярослав Калиниченко.
Обучиться реверс-инжинирингу совсем не сложно. Так что многие компании ждут большого наплыва начинающих специалистов и готовы сами браться за подготовку и переподготовку специалистов.
Текст: Надежда Белозерская
