เทคโนโลยการทำา Reverse Engineering โดยวธ Digitizing 3D และการทำา Rapid Prototyping

ชอผแตง : ณฐวร พงศอาจารยสถาบนการศกษา : Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiersทอย : Résidence James CHASSERIAUD, 19 rue du RICM 13628 Aix-en-ProvenceEmail : nathaweep@hotmail.comKey words : Reverse engineering, Digitizing 3D, Rapid Prototyping, CAD - CAM

บทนำาในการออกแบบทางดานวศวกรรมโดยทวไป จะเรมตนจากการอาศยหลกการ

หรอทฤษฎทางกลศาสตร และโครงสรางตาง ๆ เพอนำามาใชคำานวณออกแบบ กำาหนดขนาด และวสด ของเครองจกร หรอชนสวนตาง ๆ กอนจะนำาไปสกระบวนการผลตใหออกมาเปนชนงาน (Physical model) แตในกระบวนการทำา Reverse Engineering หรอ วศวกรรมยอนกลบ“ ” นน จะเปนการสรางแบบจำาลอง หรอ drawing จาก Physical model ทมอย และนำาไปสการผลตชนงานทเหมอนกบชนงานเดมทกประการ หรออาจจะนำาขอมลทมอยของชนงานนน เชน ขนาด ชนดของวสด รปทรง มาคำานวณยอนกลบไปหาหลกการทางดานกลศาสตร เพอใชออกแบบชนงานใหม และแกไขจดบกพรองของชนงานเดม (หรอเรยกวาการทำา Redesign) กได

การทำา Reverse Engineering ในอดต เราจะทำาโดยการนำาอปกรณหรอเครองยนต มาถอดดชนสวนตาง ๆ รวมไปถงวสดทใช องคประกอบ ฟงกชนการทำางาน วเคราะหถงจดเดน จดดอย และวดขนาดตาง ๆ เพอเกบเปนขอมลในการเขยนแบบ และผลต ซงจะถกนำามาใชในกรณท เรามชนงานทจำาเปนตองใช แตผผลตเดม ยกเลกการผลตไปแลว หรอ ตองการผลตชนงานอยางเดยวกนกบทมอย แตมขอมลของการออกแบบชนงานนนไมเพยงพอ หรอ เปนการสรางแบบจำาลองจากของจรง สำาหรบงานอนรกษสถาปตยกรรมโบราณ และเพอใชในการวเคราะหโครงสรางทางวศวกรรมศาสตรของชนงานนน ๆ

หลกการทำา Reverse Engineering สมยใหมดวยเทคโนโลยททนสมยในปจจบน ทำาใหเราสามารถทำา Reverse

Engineering ไดสะดวกขน ไดขอมลทมความเทยงตรงมากยงขน สามารถถายเทขอมลไปสการทำางานออกแบบดวยคอมพวเตอร (CAD) และสกระบวนการผลตชนงานตนแบบ (Prototype) ไดอยางงายขน โดยจะเกยวของกบกระบวนการทสำาคญ 3 ขนตอน คอ

- การทำา Digitizing 3D หรอการสแกนวตถใน 3 มต

- การ Reconstruction หรอ ออกแบบดวยคอมพวเตอร (CAD-CAM, Computer Aided Design / Manufacturing) ในโปรแกรมการเขยนแบบใน 3 มต ซงสามารถจะรบขอมลจากการสแกนเขามา และถายขอมลออกไปสกระบวนการผลต เชนเครอง CNC หรอ การทำา Rapid Prototyping ตาง ๆ

- การทำา Rapid Prototyping ททำาหนาทเหมอนกบเครอง printer 3 มต ชวยใหกระบวนการผลตชนงานตนแบบ (Prototype) ทำาไดงายขน และสามารถสรางรปทรงทซบซอนขนไดดกวากระบวนการผลตแบบเดมทมอย

เทคโนโลยการทำา Digitizing 3Dปจจบนมการผลตเครองมอสำาหรบการทำา Digitizing 3D หรอการสแกน

วตถ 3 มต หลายชนด หลายเทคโนโลย ตงแตเครองมอทสามารถแสกนไดอยาง

Direct Engineering

Reverse Engineering

Concept

Physical Model

Numerical Model

งาย พกพาได ไปจนถงเครองมอทมความสลบซบซอน และใหความละเอยดไดสง ซงแบงเปนประเภทตาง ๆ ตามฟงกชนการทำางานไดดงน

- Mechanical (PIN)- Laser - Ultrasound- X-Ray

การออกแบบดวยคอมพวเตอร (CAD) สำาหรบชนงานจากการทำา digitizing 3D

ขอมลของวตถจากการสแกน จะอยในรปของจด (Cloud of Nodes) ทแสดงตำาแหนงตาง ๆ บนวตถนน และเชอมตอกนเปนโครงสรางพนผวทประกอบไปดวยสามเหลยมเลก ๆ จาก Node ตาง ๆ ซงเรยกวาเปน Facet Model โดยมากจะจดเกบในรปแบบของไฟล .stl หรอ ASCII ซงจะสามารถถายขอมลเขาโปรแกรมเขยนแบบ 3 มต และเครองมอในการผลต เชน CNC หรอ เครองทำา Rapid Prototyping ทวไปไดอยางสะดวก

ในขนตอนการออกแบบชนงาน Digitizing 3D ในคอมพวเตอร จำาเปนจะตองมการจดการกบโครงสราง(Reconstruction) กบผวหนาทไดมา และขจดความผดพลาดตาง ๆ ทมกพบไดใน Facet Model ทไดมา เชน

- มหนาสามเหลยมขาดไป (Facet Missing)

- เกดจดทไมตองการ หรอผดปกต (Uncommon Vortex)

- ขอบสามเหลยมซอนกน (Incorrect Intersection)

Typical STL Facet model

การจดการกบ Node และ error ตาง ๆ ไดด กจะชวยใหการนำาแบบทไดไปใชในการผลตอยางประสทธภาพมากยงขน ชวยลดขนาดจดเกบของ file และเวลาในการถายโอน file รวมไปถงเปนการทำาใหชนงานทไดมความถกตอง ตรงกบแบบตงตนมากยงขน

การออกแบบชนงานจากการทำา Digitizing ดวยโปรแกรม CatiaV5 - Digitized Shape Editor

Missed Facet

Incorrect Intersection

Vortex Problem

Error ทมกพบใน Facet Model

ในการออกแบบชนงานจากการทำา Digitizing 3D ในคอมพวเตอร สามารถใชไดกบโปรแกรมการออกแบบทมใชอยทวไป เชน Pro-Engineer, SolidWork, IDEAS, Catia ซงจะมฟงกชนทรองรบอย ซงในทน จะขอยกตวอยางจากการใชโปรแกรม Catia Version 5 ซงนยมใชในวงการอตสาหกรรมยโรป โดยเฉพาะในอตสาหกรรมรถยนต การบน และการออกแบบเครองจกรตาง ๆ CatiaV5 มชดคำาสงทใชสำาหรบการทำางานทางดาน Digitizing โดยเฉพาะ คอหมวด Digitized Shape Editor ซงจะมฟงกชนทสำาคญ ๆ เชน

Cloud Import - ใชสำาหรบการ import ขอมลจากการสแกน เขาสโปรแกรมเขยนแบบ ในรปของ file .stl, .cgo, .asc หรอ file ชนดอน ๆ

Cloud Export - สำาหรบการเกบขอมลของการออกแบบใหอยในรปของ file.stl , .cgo, .asc หรออน ๆ เพอการนำาไปใชงานในสวนอน เชนการทำา Prototyping

Remove - ลบจด หรอสามเหลยมทไมตองการ ซงสามารถทำาไดทงการเลอกลบทละ 3 เหลยม ทละจด ไปจนกระทงถงการลบทงแถบทตองการ

Filling Holes - fill in พนผวทเปนชองใหเตม

Create Triangle - สรางสามเหลยมจากดาน หรอ Node ทมอย

Cloud Tessellation - สรางโครงขาย (Mesh) ใหม จาก cloud ของจดเดมทมอย

PowerFit / Loft - สรางพนผว (NURB Surface) จากจด cloud ทมอย (วธการนใชไดดกบพนผวทมรปทรงแนนอน ไมซบซอน เชนทรงกระบอก)

Cleaning - วเคราะห และจดการกบพนผวทมสงผดปกต เชน มจดทไมประกอบกนเปนโครงขาย (Mesh) มสามเหลยมทแยกตวเปนอสระ การสรางโครงขายสามเหลยมทผดรปทรง หรอซอนกน เปนตน

Merging/Union - การรวมกลมจด หรอพนผวทตองการเพอใชงานรวมกน

Splitting - แยกชนงานออกเปนสวน ๆ เพอการทำา reconstructuring หรอ วเคราะหทละสวน

Rotate - หมนสวนของชนงาน

Scaling - ขยาย หรอยอสวนชนงาน เชนเมอตองการทำา Prototype ทมขนาดยอสวน

Transforming - เลอนสวนของชนงาน

Decimation - กำาหนดขนาด จำานวน และมม ของการสรางรปสามเหลยมจาก cloud

Smooting - ปรบพนผวใหเรยบ ทำาใหจดเรยงตวใกลกนมากขน ใชสำาหรบพนผวทเรยบ ไมมรายละเอยด

เทคโนโลยการทำา Rapid Prototyping

การทำา Rapid Prototyping คอการสรางชนงานตนแบบ หรอ Prototype อยางรวดเรว โดยอาศยกระบวนการทางดาน Numerical และการออกแบบดวยคอมพวเตอร (CAD/CAM – Computer Based Design / Manufacturing) ซงทำาใหสามารถสรางชนงานตนแบบทเปนรปทรงซบซอนใน 3 มต จากการถายโอนขอมลโดยตรงจากแบบในคอมพวเตอร สเครองผลต หรอเรยกวาเปน Computer-controlled additive fabrication ซงทำาใหสามารถผลตชนงานตนแบบไดอยางรวดเรว และลดคาใชจายจากการทำาชนงานตนแบบ

ปจจบนมเทคโนโลยในการทำา Rapid Prototyping ทนยมใชอย 7 วธดวยกน ไดแก

1. Stereolithography (SLA)

เปนการใช Ultraviolet Laser ยงไปทชนงานทเปน photo sensitive resin เพอสรางรปทรงทละ layer บาง ๆ จนกระทงไดเปนชนงานทสมบรณ เปนเทคนคแรกทนำามาใชสำาหรบการทำา Rapid Prototyping และยงไดรบความนยมอยจนถงปจจบนน

2. So lid

Ground Curing (SGC)

หลกการคลายกบการทำา SL คอการสรางชนของ photo sensitive resin ทละชน และทำาใหเกดรปทรงโดยการฉายแสง Ultraviolet แตขอแตกตางคอการทำา Solid Ground Curing จะฉายแสงสรางรป

ทรงพรอมกนทเดยวทง Layer ทำาใหใชเวลาในการทำาเรวกวา

3. Selective Laser Sintering (SLS)

ใชหลกการเดยวกนกบ SLA แตทำาใหสามารถใชวสดทมความแขงแรงมากกวา เชน Thermoplastic หรอ Nylon โดยจะมการเตม polymer powder ทผวหนาของแตละชน กอนจะทำาการเผา (Sintering) ใหละลาย และเกดเปนรปทรง โดยใช Ultraviolet laser ปจจบนมการทดลองใชเทคนคน กบวสดทเปนโลหะดวย

4. Laminated Object Manufacturing (LOM)

เปนการใชวสดทเปนแผนบาง ๆ คลายกระดาษ และมสารยดตดทหนาหนงของแผน แลว feed เขาสเครองตดดวยเลเซอร เปนชนตอชนขนไป

5. Fused Deposition Modeling (FDM)

หลกการเหมอนกบลวดเชอม โดยการใช Fuse พลาสตกพนเปนมวน สงผานไปทหวจายซงจะหลอมใหพลาสตกละลาย และหยดออกมาท platform ตามรป ทรงทตองการ

6. Stratoconception

เปนการใชเทคนคการตด หรอทำา Machining ชนงานแบบเครอง CNC โดยไมจำาเปนวาจะตองทำาจากชนบาง ๆ แตสามารถแบงสวนของชนงานเพอทำาการตด และประกอบเปนสวน ๆ หรอเปนชน ๆ ได

7. 3D Printing

ใ ช ห ล ก ก า ร ข อ ง Ink Jet Printer แตเปนการ print ใน 3 มต โ ด ย ก า ร พ น ว ส ด ท เ ป น thermoplastic ผานหวพน ใหเปนรปแบบตามทตองการ ซ งใชงานไดงาย และสรางแบบจำาลองไดอยางรวดเรว

ประโยชน และการนำาไปใชงานของการทำา Reverse Engineering

ขอไดเปรยบของการทำา Reverse Engineering โดยวธ Digitizing 3D และ Rapid Prototyping คอทำาใหสามารถผลตชนงาน หรอ Prototype จากวตถตงตน (Reproduction) ไดอยางรวดเรว และไดชนงานทมความใกลเคยงกบชนงานเดม ซงสามารถจะนำาไปประยกตใชในงานตาง ๆ ไดหลากหลาย เชน

- ในการออกแบบอตสาหกรรมทวไป เชน อตสาหกรรมรถยนต (Automobile), การบน (Aeronautic) และการผลตอปกรณตาง ๆ ใชสำาหรบการสรางชนงานตนแบบ (Prototype) หรอแบบจำาลอง ในการศกษาถงการทำางาน หลก Ergonomic design และใชในการทดสอบตาง ๆ

- ในงานหลอตาง ๆ โดยการทำาชนงานตนแบบดวยวสดทเปนโฟม สำาหรบใสในแบบพมพ กอนการเทโลหะลงในแบบพมพ

- ในทางสถาปตยกรรม ใชในการถายทอดงานสถาปตยกรรม ใหอยในรปของ Numerical Model ในคอมพวเตอร สำาหรบการปรบแตง แกไข หรอตอเตม ประดบประดาตาง ๆ รวมไปถงใชในการสรางแบบจำาลองทางสถาปตยกรรมไดอยางงาย และรวดเรว

- ในงานอนรกษโบราณสถาน หรอโบราณวตถ ดวยสรางแบบจำาลองในคอมพวเตอร หรอสรางโมเดลจำาลองจากของจรง

- ในทางดานงานดไซน เชน อญมณ เครองประดบตาง ๆ สำาหรบการออกแบบ การผลตงานศลปะใหเปนอตสาหกรรม

- ในทางการแพทย ใชในการสรางแบบจำาลอง ในคอมพวเตอร หรอแบบจำาลองทเปน Physical Model ของอวยวะทตองการ เชน กระดก ฟน เพอการศกษา หรอใชวเคราะหในการรกษา และในทางนตวทยา

ตวอยางของการทำา Reverse Engineering โดยวธ Digitizing 3D และ Rapid Prototyping

บทสงทาย

การทำา Reverse Engineering โดยวธการทำา Digitizing 3D และ Rapid Prototyping เปนความกาวหนาทางดานเทคโนโลยในดานการออกแบบทางวศวกรรมศาสตร โดยอาศยการทำางานทเปน Numerical Process และคอมพวเตอรเขาชวย (CAD) ทำาใหสามารถทจะผลตชนงานจากวตถตนแบบไดอยางสะดวก รวดเรว ลดคาใชจายในการสรางแบบจำาลอง และมความถกตอง โดยเฉพาะอยางยงกบรปทรงทมความซบซอน ไมสามารถจะสรางไดดวยวธการทวไปทใชในงานอตสาหกรรม รวมถงสามารถจะนำามาประยกตใชกบงานไดหลายประเภท เชนการสรางแบบจำาลองทางสถาปตยกรรม งานออกแบบศลปะ และในทางการแพทย ซงนบวาเปนการพฒนาครงสำาคญของวงการอตสาหกรรม ทจะชวยใหการออกแบบหลดออกจาขอจำากดเดม ๆ ทมอย

อยางไรกด การทำา Digitizing 3D และ Rapid Prototyping ในปจจบนยงคงไมแพรหลายนก เนองจากเครองมอทใชมราคาสง และมความซบซอน ซงตองอาศยความรความชำานาญทางดาน Computer Aided Design /

Manufacturing (CAD/CAM) ในการออกแบบดวย นอกจากนในการทำา Reproduction หรอ reverse engineering ยงควรจะตองระมดระวงในเรองของการละเมดตอสทธทางปญญา ของวตถตนแบบทนำามาใชอกดวย

เอกสารอางอง

[1] George MORARU, CAO, Prototypage Rapide et Numerisation 3D, UVE-6, ENSAM CER Aix-en-Provence, 2005

[2] Alan BERNARD & George Taillander, Le Prototypage Rapide, ISBN 2-86601-673-4 Editions HERMES Paris, 1998

[3] รศ. ดร. วบลย แสงระสพนธศร, เครองมอวดพกด 3 มตแบบอตโนมต, Advanced Manufacturing Lab, วศวกรรมเครองกล , จฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2000, CADTHAI.COM

[4] Ecole Central Paris, Un guide pratique pour utiliser Catia V5 dans les projets, http://www.cti.ecp.fr/catia/index.php?page=accueil.htm

[5] Harvard Design School, Working with 3D Scans in Catia, http://www.gsd.harvard.edu/inside/cadcam/catiav5