Analyse des surfaces freeform

2. Acquisition des Surfaces Freeform

Les Surfaces Freeform peuvent être produites par différentes techniques instrumentales :

• Profilomètre Optique (microscope confocal, interféromètre, microscope numérique) : Les acquisitions multiples de surfaces standards sous différents angles sont ensuite assemblées en un maillage triangulaire.
• Microscope électronique à balayage : Les images MEB traitées par paires (reconstruction stéréo) reconstruisent la topographie par morceaux qui sont ensuite assemblés en maillage.
• Tomographe à rayons X : La surface est extraite du cube de voxels sous la forme d'un maillage.
• Scanner 3D ou micro-MMT : Les nuages de points d'une résolution suffisante, sont ensuite maillés sous certaines conditions de convexité.

3. L'étudiable Surface Freeform (coque)

MountainsMap^® peut charger des Surfaces Freeform depuis différents formats de fichiers (STL, 3MF, OBJ, PLY). Ils sont chargés en tant que coques qui sont affichées dans la vue 3D interactive et analysées par des Opérateurs et Etudes de Mountains^®.

En plus des coordonnées et des informations de connexité, une coque peut également contenir des informations additionnelles, appelées attributs, créés soit à l'acquisition ou lors de l'extraction, ou bien sont générés par des Opérateurs spécifiques dans Mountains^®. Ces attributs peuvent être des couleurs RVB ou des valeurs d'intensité, des vecteurs normaux, des valeurs de déviation avec la surface de référence, ou tout attribut nécessaire à une application particulière qui a besoin d'être associé à l'étudiable. Un attribut peut être associé à un point, à un triangle ou même à une arrête.

4. Maillage de nuages de points

Dans le cas où la pièce a été scannée sous forme de nuage de points, il est possible de reconstruire la coque grâce à un puissant algorithme de maillage basé sur les publications scientifiques les plus avancées. Un mode automatique choisi les paramètres de reconstruction les plus adaptés, mais il est toujours possible de contrôler manuellement ces paramètres pour plus de finesse ou pour s'adapter aux modèles difficiles.

L'opérateur de maillage d'un nuage de point accepte des nuages de plusieurs millions de points.

5. Extraction d'une coque d'un tomographe X

Une passerelle entre le logiciel DigiXCT^® de la société Digisens et Mountains^® a été développée. Elle offre une grande intégration et une facilité d'usage. La société Digisens est spécialiste de la gestion et de l'analyse des données produites par les tomographes à rayons X, pour l'inspection ou la métrologie. DigiXCT se charge de reconstruire le volume à partir des radiographies X, puis d'extraire la coque à partir des informations de densité contenues dans le cube de voxels. La coques extraite est envoyée directement à Mountains^® via une interface rapide en mémoire, pour une analyse d'états de surface. Le lien entre la coque et le cube de voxels est conservé dans le temps, au cas où il serait nécessaire de changer la zone d'intérêt d'extraction, ou les paramètres de reconstruction.

6. Conversion en une surface / Extraction d'un profil de contour

Mountains® inclut deux opérateurs de conversion :

Extraire une Surface Cet opérateur permet d'orienter la coque dans l'espace et de définir la portion à extraire sous la forme d'une surface standard. C'est utile, par exemple, pour analyser la rugosité d'une surface interne à une pièce mécanique telle qu'un corps de pompe fabriqué en impression 3D, impossible à analyser autrement sauf à la découper.

Extraire un profil paramétrique Cet opérateur réalise l'intersection de la coque par un plan orienté afin d'en extraire un profil qui peut ensuite être analysé à l'aide de l'étude Contour Avancé. C'est intéressant, par exemple, pour vérifier des angles et des dimensions, ou même comparer le profil à un modèle DXF.

7. Correction et préparation de la coque

Après le chargement de la coque, il est souvent nécessaire d'appliquer une correction pour éliminer les doublons et les faces incorrectes du maillage. De plus, c'est le moment pour construire des structures de données internes permettant d'accélérer l'accès aux points voisins (tableaux d'adjacence) et de calculer les normales aux faces et aux points.

Autre opération importante : le remaillage. Cet opérateur permet de réduire le nombre de points (décimation) ou de l'augmenter (subdivision), ou encore d'homogénéiser les faces en les rendant quasi-equilatérales (condition de Delaunay). Enfin, une option d'optimisation du maillage va réduire le nombre de faces aux endroits où la courbure est constante (les grandes zones planes) tout en préservant la densité du maillage là où il y a des détails.

8. Paramètres d'états de surface sur une surface coque

Digital Surf s'est associée avec le Center of Precision Technologies de l'Université de Huddersfield, en Angleterre, pour développer un ensemble de paramètres d'états de surface calculés directement sur une coque. L'équipe de chercheurs et de doctorants talentueux à Huddersfield a développé les bases mathématiques sous-jacentes et adapté les définitions des paramètres pour les coques. Cette collaboration réunit l'équipe de recherche la plus talentueuse dans le domaine et le logiciel le plus utilisé dans le monde.

Une expression similaire peut être donnée pour la plupart des paramètres sur les coques ou sur les surfaces standards :

où Σform représente la surface de forme qui agit comme surface de référence d'où sont comptées les déviations r(u,v) mesurées entre les points de la surface coque et la surface de référence associée.

Les détails mathématiques sont décrits dans la publication suivante :

Pagani L, Qi Q, Jiang XQ, Scott PJ, Towards a new definition of areal surface texture parameters on freeform surface, Measurement 2017.

Une partie des paramètres surfaciques ont été convertis sur les coques :

• Sa, Sq, Ssk, Sku, Sp, Sv, Sz
• Sdq, Sdr, Sdrp, Srf
• Vm, Vv, Vmp, Vmc, Vvc, Vvv

Mountains^® propose le module Shell Topography qui permet de calculer un sous-ensemble de paramètres de l'ISO 25178-2 directement sur la coque sans avoir besoin de la convertir en surface standard. Ce module inclut les paramètres de hauteur, certains paramètres fonctionnels et les paramètres de volume. Les paramètres peuvent être calculés par rapport à une référence géométrique associée à la coque (plan, sphère, cylindre) ou une référence filtrée.

9. Association de la forme

Les paramètres sont calculés à partir des valeurs d'écart de forme en chaque point de la coque. Cela suppose qu'une forme a été associée par les moindres carrés au nuage de points de la coque. La forme peut être un plan, un cylindre ou une sphère, calculée par la méthode des moindres carrés. C'est une étape préliminaire au calcul des paramètres. Une fois la forme calculée, il est alors possible d'en déduire les déviations entre la coque et la forme, pour pouvoir calculer les paramètres.

Cylindre avec déviations affichées en couleur par rapport au cylindre des moindres carrés.

A gauche, la coque d'origine, au milieu, la coque lissée avec un filtre à flux de courbure moyenne, à droite, les déviations entre les deux précédentes représentées en superposition de la coque filtrée.

10. Filtrage

Dans le cas où la coque représente un objet complexe qui ne se réduit pas à une forme géométrique, il est alors nécessaire de calculer une version lissée de la coque, à la façon d'une ondulation sur les surfaces. Les déviations seront ensuite calculées entre la coque d'origine et la coque lissée.

Plusieurs algorithmes de filtrage sont proposés : un filtre pseudo-gaussien, un filtre bilatéral et un filtre utilisant le flux de courbure moyenne.

11. Calcul de courbures

La courbure locale peut être calculée en utilisant plusieurs algorithmes (Stokely, Cohen-Steiner, Bousquet, Goldfeather) et combinée sous différentes formes : courbure moyenne, courbure gaussienne, et sous forme d'indices comme le curvedness ou le shape index. Ces attributs sont visualisables sur une coque en superposition.