Introduction

Vous êtes-vous déjà demandé comment la numérisation 3D est utilisée pour la rétro-ingénierie ? Si c’est le cas, vous êtes au bon endroit.

Nous venons tout juste de tester le nouveau HandySCAN 700 SILVER Series de Creaform, un scanner laser 3D portable de qualité métrologique destiné aux professionnels. Creaform nous ayant également donné accès à son module d’extension VXmodel pour VXelements, nous en avons profité pour effectuer un cas d’utilisation complet de rétro-ingénierie avec l’une de nos numérisations 3D.

Creaform HandySCAN 700 review by Aniwaa
Pierre-Antoine en train de numériser une pièce en 3D avec le HandySCAN 700.

À la fin du processus, nous avons également utilisé SOLIDWORKS 2019 pour produire le modèle CAO final. Nous avons même imprimé le résultat en 3D avec l’imprimante 3D BCN3D que nous avons au bureau.

Avant de vous présenter le flux de travail complet entre l’obtention de la numérisation et le résultat final, définissons d’abord la rétro-ingénierie et regardons pourquoi les scanners 3D sont utilisés pour ce cas d’usage très répandu.

Rétro-ingénierie et numérisation 3D : un mariage parfait

Qu’est-ce que la rétro-ingénierie ?

Parfois appelée « ingénierie inversée », la rétro-ingénierie consiste à comprendre comment un objet – virtuel ou physique – fonctionne.

La rétro-ingénierie est utilisée pour les logiciels, la mécanique, la chimie, la biologie et tout autre domaine dans lequel il est nécessaire de parfaitement comprendre le fonctionnement d’une technologie ou structure particulière afin de la reproduire ou de l’améliorer.

Souvent, les méthodes de rétro-ingénierie sont requises lorsque peu ou pas d’informations sont disponibles sur la façon dont le produit a été conçu à l’origine ou sur son fonctionnement.

Qu’est-ce que la rétro-ingénierie avec un scanner 3D ?

La rétro-ingénierie avec un scanner 3D consiste à numériser en 3D un objet physique (une pièce) afin d’en capturer la forme, les géométries et les surfaces, qui seront ensuite réutilisées pour améliorer la conception ou la fabrication sans avoir besoin des plans d’origine.

L’ensemble du processus de rétro-ingénierie avec un scanner 3D permet de passer d’une pièce physique à un modèle CAO (Conception Assistée par Ordinateur) 3D.

VXelements review 3D capture software VXmodel
Rétro-ingénierie et numérisation 3D : les étapes clés.

Pourquoi utiliser la numérisation 3D pour la rétro-ingénierie ?

La numérisation 3D combinée à la rétro-ingénierie offre un potentiel énorme pour de nombreuses applications différentes.

Le même processus de base s’applique à toutes ces applications : numériser l’objet en 3D, obtenir un maillage 3D et l’exporter vers un format de fichier 3D. Dans la plupart des scénarios en rétro-ingénierie, l’équipe ou l’entreprise ne dispose pas de plans détaillés de la pièce, d’où la nécessité de réaliser une étude de rétro-ingénierie.

Cependant, l’intention finale diffère selon le cas d’utilisation. Voici les cas d’utilisation les plus courants de la rétro-ingénierie avec un scanner 3D :

  • Fabriquer une nouvelle pièce à partir d’une structure existante
  • Réaliser une nouvelle pièce en interaction avec une pièce existante
  • Comprendre le design d’un concurrent
  • Optimiser un design existant

Maintenant que nous avons couvert les bases, passons à l’étude de cas et à la présentation de VXelements !

Comment nous avons mené un processus de rétro-ingénierie avec le HandySCAN 700 et VXelements de Creaform

1. Choix de la pièce

Pour ce cas d’utilisation de rétro-ingénierie, nous avons décidé d’utiliser l’extincteur que nous avions déjà numérisé en 3D lors de notre test du Creaform HandySCAN 700.

Sur cet extincteur se trouve une pièce métallique intéressante faisant la jonction entre le réservoir, le tuyau et le système d’ouverture par goupille. Elle sert également de poignée pour transporter l’extincteur et l’accrocher au mur.

Original part - handle cap
La pièce, entourée de bleu.

Nous avons choisi cette pièce spécifique en raison de son rôle important par rapport au produit, qui pourrait justifier une refonte pour optimisation, et parce qu’elle était difficile à isoler.

La pièce, que nous appellerons dorénavant « poignée métallique », est fabriquée en métal moulé, probablement en acier 316L. Sa surface est un peu rugueuse et était assez sale (graisse, poussière, …) lorsque nous l’avons scannée en 3D, car nous ne l’avions pas du tout préparée.

2. Numérisation 3D du sujet

Comme nous l’avons mentionné dans le test du HandySCAN 700 Creaform, l’extincteur mesure environ 80 cm de haut et est composé de plusieurs pièces dont les textures, les couleurs et les matériaux varient.

Nous avons placé environ 3 douzaines de marqueurs sur l’extincteur, et une autre douzaine sur le sol environnant afin que le scanner 3D puisse percevoir au moins 3 marqueurs simultanément tout au long du processus de numérisation 3D. Nous n’avons pas collé de marqueurs sur la poignée métallique.

L’extincteur entier a été capturé en trois sessions de numérisation 3D. Pour les deux premières sessions, nous avons utilisé le mode “Cross grid”, c’est-à-dire le mode où des croix laser sont projetées. Ensuite, pour capturer les petits détails et les surfaces très sombres comme le tuyau et la valve supérieure, nous avons utilisé le mode “Single beam” (une ligne laser unique) et augmenté la vitesse d’obturation presque à son maximum.

Fire extinguisher vs scan result
L’extincteur avec les cibles de positionnement (marqueurs) et le résultat de sa numérisation en 3D.

Nous avons ensuite utilisé la fonction « alignement des marqueurs » du logiciel pour aligner automatiquement les trois scans différents et produire ainsi un seul maillage.

3. Isolation du capuchon de la poignée du maillage restant

Grâce aux outils d’édition présents dans VXmodel, nous avons ensuite pu isoler la poignée métallique du reste de l’extincteur en supprimant toutes les parties adjacentes. Après avoir comblé les espaces et les trous où se trouvaient les pièces adjacentes (comme le tuyau), nous avons obtenu un maillage 3D propre de la poignée métallique.

The 3D model before and after filling in the holes
La partie isolée avant et après que nous ayons rempli les trous.

Nous nous sommes fortement appuyés sur le module VXmodel pour lisser le maillage, décimer son nombre de triangles et nettoyer correctement certaines bordures avant de combler les trous.

La fonction « bridging » (qui signifie littéralement “faire un pont” entre deux points isolés) du logiciel est également très puissante. Elle permet de combler les trous étape par étape tout en définissant précisément comment les différentes surfaces interagissent entre elles au lieu de générer un maillage simple uniquement basé sur ses interfaces.

Une fois que le maillage est étanche et optimisé, il peut être directement imprimé sur n’importe quelle imprimante 3D. Cela débouche sur un processus de rétro-ingénierie très rapide ; les professionnels peuvent rapidement dupliquer un objet dans un nouveau matériau ou réparer une pièce cassée.

4. Création des primitives

Une fois le maillage fermé et lissé, il faut l’exporter directement vers un outil de CAO, mais en tant que fichier STL – un format souvent appelé « peau morte ». Cela signifie que toute modification du fichier 3D devra se faire au niveau de chaque point individuel (également appelé un vertex – un sommet en Français), sans possibilité de modifier la pièce dans sa globalité.

Afin d’obtenir un fichier CAO réellement éditable (également appelé B-Rep qui signifie Boundary Representation), il faut ensuite transformer cet ensemble de données en primitives simples telles que des cylindres, des plaques, des pyramides, etc. De cette façon, elles peuvent être directement éditées en quelques clics à l’aide des différents outils et fonctionnalités de VXmodel.

VXmodel regorge de tels outils. Nous avons principalement utilisé les deux suivants :

  • Outil de création de primitives/entités

Cet outil permet de sélectionner simplement la primitive la mieux adaptée (sphère, plaque, cylindre, cercle, …) et de l’appliquer à la surface du maillage. VXmodel est également capable d’extraire des fentes, des coupes transversales, des lignes centrales de tuyaux, etc.

Primitives VXmodel with measures
Des primitives ajustées sur le modèle 3D dans VXmodel, qui calcule et affiche des mesures précises (24,985 mm contre 25 mm lors de la mesure manuelle).

Nous nous sommes principalement appuyés sur la « sélection par sommet », qui consiste à sélectionner un certain nombre de points sur la surface. Le logiciel génère alors automatiquement la primitive de votre choix sur le maillage.

VXmodel affiche directement des données telles que les écarts maximum, moyen et minimum entre la primitive nouvellement instanciée et la surface du maillage original.

  • Outil de remaillage automatique

Cet outil très puissant peut générer un filet simplifié de NURBS (bien qu’il puisse ressembler à un maillage par quadrilatères) sur la base du maillage source. Il est très utile pour le processus de rétro-ingénierie, car il recrée automatiquement un nouveau fichier B-Rep optimisé, prêt à être utilisé dans un programme de CAO et beaucoup plus facile à manipuler qu’un fichier STL.

Creaform VXelements review reverse engineering case study
Surfaces NURBS créées à partir d’un maillage dans VXmodel et importées dans SOLIDWORKS.

Cependant, les NURBS étant des lignes courbes, on ne peut pas obtenir des angles parfaits de 90° entre les surfaces, par exemple. C’est pourquoi, dans certains cas, on peut utiliser à la fois des NURBS et des primitives, ce que nous avons fait ici.

Une fois les entités créées dans VXmodel, nous les avons simplement exportées au format de fichier IGES. Dans un souci de simplicité, nous avons exporté toutes les entités « primitives simples » dans un fichier, et les NURBS dans un autre.

5. Redesign dans un logiciel de CAO

Nous avons importé les deux fichiers de référence IGES de VXelements directement dans SOLIDWORKS. Les deux fichiers ont ensuite été positionnés dans le même assemblage SOLIDWORKS, et nous avons commencé à modéliser une nouvelle pièce en contexte.

CAD in context SOLIDWORKS reverse engineering
Assemblage dans SOLIDWORKS pour la conception. Les primitives (à droite) ont été directement importées de VXmodel ; le maillage propre (à gauche) a été généré avec VXmodel.

Pour ce processus de modélisation 3D, nous avons utilisé le maillage généré automatiquement comme référence pour la plupart des caractéristiques, tandis que nous nous sommes appuyés sur les primitives simples pour plus de détails et pour positionner précisément des parties spécifiques de la géométrie, comme le large cylindre de base et les surfaces supérieure et inférieure.

Enfin, après quelques heures de conception informatique, nous avons obtenu un fichier B-Rep propre de notre poignée métallique, prêt à être partagé et fabriqué grâce à l’impression 3D, par exemple.

6. Impression 3D de la pièce de rétro-ingénierie

L’impression 3D, c’est justement ce que nous avons choisi pour fabriquer la pièce. Nous avons utilisé la BCN3D Sigma R19 mise à notre disposition au laboratoire de kxiop.

Voici le résultat après 12 heures d’impression :

Creaform HandySCAN 700 and VXelements VXmodel reverse engineering
Pièce imprimée en 3D à gauche, à côté de la pièce originale.

Conclusion

Avec un scanner 3D efficace comme le HandySCAN 700 de Creaform, il est primordial d’avoir une suite logicielle tout aussi efficace. Le logiciel prend en charge non seulement le processus de numérisation 3D, mais aussi le processus de remodelage ultérieur dans notre cas d’utilisation de rétro-ingénierie.

Nous constatons que VXelements et son module VXmodel sont très complets, offrant toutes les fonctionnalités nécessaires au bon endroit. Bien qu’il pourrait être intéressant d’avoir une sorte de mode guidé qui suggère automatiquement certains outils en fonction du modèle sur lequel on travaille, VXelements et VXmodel sont intuitifs à utiliser. Le logiciel nous a fourni tout ce dont nous avions besoin pour réaliser facilement et rapidement une étude de cas de rétro-ingénierie.

L’ensemble du processus nous a pris un peu plus d’une demi-journée de travail. La préparation de la pièce avec des marqueurs, la numérisation 3D de la pièce et l’alignement des trois scans ensemble ont représenté environ une heure de travail. Il nous a fallu un peu moins d’une heure pour nettoyer le maillage et générer les différentes primitives. La refonte complète dans SOLIDWORKS a nécessité deux heures de travail, et l’impression 3D du modèle final a duré 12 heures.

Dans l’ensemble, nous sommes très satisfaits de l’expérience VXelements et VXmodel, ainsi que des résultats que nous avons obtenus.