ANALIZA DOKŁADNOŚCI MODELU KOŚCI JARZMOWEJ, WYKONANEGO NA 5-OSIOWYM CENTRUM OBRÓBKOWYM

Podobne dokumenty
Temat: Zaprojektowanie procesu kontroli jakości wymiarów geometrycznych na przykładzie obudowy.

Oprogramowanie FormControl

KSZTAŁTOWANIE ZARYSU ZĘBA KOŁA ZĘBATEGO W PROGRAMOWANIU DIALOGOWYM I PARAMETRYCZNYM GEAR S TOOTH PROFILE SHAPING IN DIALOG AND PARAMETRIC PROGRAMMING

WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

Problematyka budowy skanera 3D doświadczenia własne

Wspomaganie prototypowania nasadki polimerowej

POSTĘPY W KONSTRUKCJI I STEROWANIU Bydgoszcz 2004

Analiza dokładności odwzorowania geometrii odcinka żuchwy wykonanego technologią FDM

REKONSTRUKCJA GEOMETRII ŻUCHWY I KORONY ZĘBA PRZY UŻYCIU OPTYCZNYCH SYSTEMÓW POMIAROWYCH

Artykuł autorski z XII Forum Inżynierskie ProCAx cz. II, Kraków października 2013r.

DOKŁADNOŚĆ ZARYSU I L INII ZĘBA KÓŁ STOŻKOWYCH WYKONYWANYCH WEDŁUG PROGRAMU GEARMILL NA 5-OSIOWYM CENTRUM FREZARSKIM. Streszczenie

OBLICZANIE NADDATKÓW NA OBRÓBKĘ SKRAWANIEM na podstawie; J.Tymowski Technologia budowy maszyn. mgr inż. Marta Bogdan-Chudy

WPŁYW METODY DOPASOWANIA NA WYNIKI POMIARÓW PIÓRA ŁOPATKI INFLUENCE OF BEST-FIT METHOD ON RESULTS OF COORDINATE MEASUREMENTS OF TURBINE BLADE

Przykład programowania obrabiarki 3-osiowej z użyciem pakietu CAD-CAM

Proces technologiczny. 1. Zastosowanie cech technologicznych w systemach CAPP

Projekt rejestratora obiektów trójwymiarowych na bazie frezarki CNC. The project of the scanner for three-dimensional objects based on the CNC

Utworzenie dokumentacji bryłowej na podstawie skanów 3D wykonanych skanerem scan3d SMARTTECH

Automatyczne tworzenie trójwymiarowego planu pomieszczenia z zastosowaniem metod stereowizyjnych

INŻYNIERIA ODWROTNA - praktyczne zastosowania. dr inż. Ireneusz Wróbel Katedra Podstaw Budowy Maszyn, ATH w Bielsku-Białej

Temat: Skanowanie 3D obrazu w celu pomiaru odkształceń deski podobrazia

RAPORT Etap 1. Poznanie mechanizmów trybologicznych procesu HPC

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Programowanie obrabiarek CNC. Nr 2. Obróbka z wykorzystaniem kompensacji promienia narzędzia

Symulacja komputerowa i obróbka części 5 na frezarce sterowanej numerycznie

Nowa metoda pomiarów parametrów konstrukcyjnych hełmów ochronnych z wykorzystaniem skanera 3D

DIGITALIZACJA GEOMETRII WKŁADEK OSTRZOWYCH NA POTRZEBY SYMULACJI MES PROCESU OBRÓBKI SKRAWANIEM

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

WPŁYW KROKU LINIOWEGO ŚCIEŻKI NARZĘDZIA W OBRÓBCE PIĘCIOOSIOWEJ NA DOKŁADNOŚĆ WYKONANIA PIÓRA ŁOPATKI

KONTROLA JAKOŚCI ODKUWEK I MATRYC / ARCHIWIZACJA I REGENERACJA MATRYC

Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D

DOKŁADNOŚĆ KSZTAŁTOWA POWIERZCHNI ZŁOŻONEJ PO PROCESACH SYMULTANICZNEGO 5-OSIOWEGO FREZOWANIA PUNKTOWEGO ORAZ OBWODOWEGO.

2.2 Opis części programowej

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Nr ćwiczenia : 7

TECHNOLOGIA MASZYN. Wykład dr inż. A. Kampa

Zbigniew Figiel, Piotr Dzikowicz. Skanowanie 3D przy projektowaniu i realizacji inwestycji w Koksownictwie KOKSOPROJEKT

Wykonanie ślimaka ze zmiennym skokiem na tokarce z narzędziami napędzanymi

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Programowanie obrabiarek CNC. Nr 2. Obróbka z wykorzystaniem kompensacji promienia narzędzia

Zastosowanie systemów CAD i RP w prototypowaniu przekładni dwudrożnej

Inżynieria odwrotna w modelowaniu inżynierskim przykłady zastosowań

CS Innowacyjny System Obrazowania CS Prawdziwa wszechstronność. Nieograniczone możliwości. Wszystkie formaty w zasięgu.

PL B1. POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL INSTYTUT TECHNOLOGII EKSPLOATACJI. PAŃSTWOWY INSTYTUT BADAWCZY, Radom, PL

THE ANALYSIS OF THE MANUFACTURING OF GEARS WITH SMALL MODULES BY FDM TECHNOLOGY

SYMULACJA PROCESU OBRÓBKI NA PODSTAWIE MODELU OBRABIARKI UTWORZONEGO W PROGRAMIE NX

ĆWICZENIE NR 4 4. OBRÓBKA ROWKA PROSTOKĄTNEGO NA FREZARCE POZIOMEJ

Zastosowanie optycznej techniki pomiarowej w przemyśle ceramicznym

Obróbka po realnej powierzchni o Bez siatki trójkątów o Lepsza jakość po obróbce wykańczającej o Tylko jedna tolerancja jakości powierzchni

Z a p r o s z e n i e n a W a r s z t a t y

System automatycznego odwzorowania kształtu obiektów przestrzennych 3DMADMAC

Modelowanie krzywych i powierzchni

NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Rola modelowania fizycznego i numerycznego

Podstawy technik wytwarzania PTWII - projektowanie. Ćwiczenie 4. Instrukcja laboratoryjna

ANALIZA ODKSZTAŁCENIA CIENKIEJ ŚCIANKI W SYSTEMIE NX W OBRÓBCE HPC ANALYSIS OF DEFORMATION OF THIN-WALL IN NX IN HPC MACHINING

NX CAD. Modelowanie powierzchniowe

APARATURA BADAWCZA I DYDAKTYCZNA

Projektowanie Procesów Technologicznych

ScrappiX. Urządzenie do wizyjnej kontroli wymiarów oraz kontroli defektów powierzchni

Sprawdzenie narzędzi pomiarowych i wyznaczenie niepewności rozszerzonej typu A w pomiarach pośrednich

WYTWARZANIE MECHANIZMÓW METODĄ FDM

Testy kontroli fizycznych parametrów aparatury rentgenowskiej. Waldemar Kot Zachodniopomorskie Centrum Onkologii Szczecin r.

Moduł 2/3 Projekt procesu technologicznego obróbki przedmiotu typu bryła obrotowa

OPRACOWANIE MODELU UKŁADU WYMIANY ŁADUNKU SILNIKA SUBARU EJ25 Z ZASTOSOWANIEM METODY INŻYNIERII ODWROTNEJ (REVERSE ENGINEERING)

0. OpenGL ma układ współrzędnych taki, że oś y jest skierowana (względem monitora) a) w dół b) w górę c) w lewo d) w prawo e) w kierunku do

Moduł 2/3 Projekt procesu technologicznego obróbki przedmiotu typu bryła obrotowa

Zastosowanie stereowizji do śledzenia trajektorii obiektów w przestrzeni 3D

The development of the technological process in an integrated computer system CAD / CAM (SerfCAM and MTS) with emphasis on their use and purpose.

PROGRAMOWANIE OBRABIAREK CNC W JĘZYKU SINUMERIC

WPŁYW USTALENIA I MOCOWANIA KORPUSÓW PRZEKŁADNI TECHNOLOGICZNIE PODOBNYCH NA KSZTAŁT OTWORÓW POD ŁOŻYSKA


SolidCAM - najczęściej zadawane pytania

Monitorowanie i Diagnostyka w Systemach Sterowania na studiach II stopnia specjalności: Systemy Sterowania i Podejmowania Decyzji

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Laboratorium Programowanie obrabiarek CNC. Nr 2

4/4/2012. CATT-Acoustic v8.0

CAD/CAM. przedmiot kierunkowy przedmiot obowiązkowy polski Semestr piąty

Weryfikacja systemu TK dla potrzeb radioterapii. Dr inż. Dominika Oborska-Kumaszyńska The Royal Wolverhampton NHS Trust MPCE Department

Skanowanie 3D potwierdza precyzję elementów drukowanych na drukarkach 3D

Weryfikacja geometrii wypraski oraz jej modyfikacja z zastosowaniem Technologii Synchronicznej systemu NX

Raport z przeprowadzonych badań. Temat: Zaprojektowanie sposobu pomiaru wywroczyny oraz kontroli procesu gojenia.

S Y L A B U S P R Z E D M I O T U

Politechnika Warszawska Wydział Mechatroniki Instytut Automatyki i Robotyki

OPERATOR OBRABIAREK SKRAWAJĄCYCH

KATEDRA TECHNIK WYTWARZANIA I AUTOMATYZACJI

dr inż. Wojciech Musiał Politechnika Koszalińska, Wydział: Mechanika i Budowa Maszyn; Tel. kom

INŻYNIERIA ODWROTNA OBIEKTÓW PRZESTRZENNYCH Z WYKORZYSTANIEM POMIARÓW WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWYCH I FREZAREK CNC. Streszczenie

Dr hab. inż. Jan BUREK, prof. PRz; dr inż. Łukasz ŻYŁKA; mgr inż. Marcin PŁODZIEŃ; mgr inż. Michał GDULA (Politechnika Rzeszowska):

Koncepcja pomiaru i wyrównania przestrzennych ciągów tachimetrycznych w zastosowaniach geodezji zintegrowanej

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Nr ćwiczenia : 1

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

PhoeniX. Urządzenie do wizyjnej kontroli wymiarów oraz kontroli defektów powierzchni

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Tematy prac dyplomowych inżynierskich kierunek MiBM

wytwarzania (CAD/CAM)


Ćwiczenie nr 8 - Modyfikacje części, tworzenie brył złożonych

Technologiczny zapis konstrukcji, nowe wytyczne zawarte w normie *EN ISO 1101

KATEDRA MECHANIKI I PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN. Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z elementów analizy obrazów

POZYCJONOWANIE NARZĘDZI W OBRÓBCE PIĘCIOOSIOWEJ Z WYKORZYSTANIEM SYSTEMU CAM HYPERMILL

1 Obsługa aplikacji sonary

Odlew obróbka kątów ujemnych

NOWY DESIGN i nowoczesne technologie

ANALIZA SYSTEMU POMIAROWEGO (MSA)

Geometryczne podstawy obróbki CNC. Układy współrzędnych, punkty zerowe i referencyjne. Korekcja narzędzi

Transkrypt:

Prof. PRz dr hab. inż. Grzegorz BUDZIK gbudzik@prz.edu.pl Prof. PRz dr hab. inż. Jan BUREK jburek@prz.edu.pl dr inż. Tomasz DZIUBEK tdziubek@prz.edu.pl mgr inż. Michał GDULA gdulam@prz.edu.pl mgr inż. Marcin PŁODZIEŃ plodzien@prz.edu.pl mgr inż. Paweł TUREK pturek@prz.edu.pl Politechnika Rzeszowska ANALIZA DOKŁADNOŚCI MODELU KOŚCI JARZMOWEJ, WYKONANEGO NA 5-OSIOWYM CENTRUM OBRÓBKOWYM Streszczenie: Celem pracy było określenie dokładności wykonania modelu kości jarzmowej. Dane DICOM zostały zebrane przy użyciu tomografu stożkowego. Na podstawie przygotowanych danych dobrano wartość wartość dolnego progu segmentacji. Względem niego przeprowadzono proces segmentacji przy użyciu metody region growing. Algorytm maszerujących sześcianów należący do metod renderingu powierzchniowego, pozwolił w pełni na odtworzenie geometrii 3D. Model wykonano obróbką skrawaniem na 5- osiowym centrum obróbkowym. Pomiar i ocenę dokładności przeprowadzono przy użyciu systemu optycznego Atos Triple Scan. Słowa kluczowe: CNC, kość jarzmowa, inżynieria odwrotna, dokładność, projekcja prążków. THE ANALYSIS OF ACCURACY ZYGOMATIC BONE MODEL, MANUFACTURED BY 5-AXIS HSC 55 LINEAR Summary: The aim of this study was to determinate the accuracy of zygomatic bone model. DICOM data was obtained by cone-beam tomography. In the process 3D reconstruction, was used 174 HU value. Segmentation process was carried out using the method of region growing. Marching cubes algorithm belongs to methods of surface rendering, allowed fully to reconstruct 3D geometry. Zygomatic bone model was manufactured by 5 axis HSC 55 linear. Measurements and accuracy manufacturing analysis was made by optical system AtosTriple Scan. Keywords: CNC, zygomatic bone, reverse engineering, accuracy, structure light 1. WPROWADZENIE W dobie szybkiego rozwoju sterowania obrabiarkami CNC i nowych technologii wytwarzania, wykonanie fizycznego modelu o skomplikowanej geometrii nie jest zagadnieniem tak złożonym jak kilka, czy kilkanaście lat temu. Zarówno metody ubytkowe, jak i przyrostowe techniki wytwarzania, które stały się nieodzownym działem przemysłu, pozwalają na kształtowanie prawie dowolnej geometrii opisanej powierzchniami swobodnymi. Często odbywa się to w jednej operacji technologicznej, szczególnie w przypadku przyrostowych technik wytwarzania, bez konieczności przezbrajania obrabiarki. Rozwój nowoczesnych technik wytwarzania niesie również za sobą zwiększenie dokładności wytwarzania, a dokładnie rzecz ujmując, odwzorowania modeli 3D-CAD, jakimi w większości opisywane są obecnie wytwarzane elementy. Ma to również ścisłe powiązanie z wytwarzaniem biomodeli, których odtwarzaną geometrię można opisać jedynie w postaci modeli numerycznych. Z tego względu niezbędne jest precyzyjne opracowanie wzorcowego modelu 3D-CAD, pozbawionego nieciągłości oraz błędów geometrii w postaci szumów powstających w procesie digitalizacji. 1

) Obróbka ubytkowa na obrabiarkach CNC, podobnie jak metody przyrostowe, bazuje na modelach 3D-CAD. W celu zapewnienia dokładności odwzorowania modelu wzorcowego niezbędne jest zapewnienie jego poprawności modelowej. Jest to szczególnie istotne ze względu na precyzyjne wygenerowanie programów sterujących obrabiarką. 2. REKONSTRUKCJA MODELU KOŚCI JARZMOWEJ Z DANYCH DICOM Rosnące tempo życia i rozwój środków transportu skutkują zwiększeniem podatności na urazy. Jedną z czołowych pozycji zajmują wśród nich złamania środkowego piętra czaszki twarzowej, w tym kości jarzmowej (rys. 1). Kość jarzmowa odgrywa istotną rolę w utrzymaniu równowagi estetycznej i funkcjonalnej środkowego piętra twarzy. Stąd też dąży się do ciągłego doskonalenia metod diagnostyczno-leczniczych, w postępowaniu ze złamaniami oraz w odtwarzaniu równowagi estetycznej i funkcjonalnej. Na podstawie przesłanek kliniczno-anatomopatologicznych w obrębie górnego masywu twarzy Wanyura wyodrębnił złamania jarzmowo-oczodołowe (ZJO) i jarzmowo-szczękowo-oczodołowe (ZJSO) [7,8]. Rys.1. Anatomia czaszki człowieka W przypadku procesu rekonstrukcji oraz modelowania ubytków kostnych, pierwszym etapem jest pozyskanie danych volumetrycznych przy użyciu tomografu komputerowego (rys.2). Wynika to z konieczności pracy na żywym organizmie, co wyklucza wiele innych metod digitalizacji obiektów rzeczywistych. Tomografia komputerowa (ang. Computed Tomography CT) jest systemem pośredniego obrazowania, gdyż dokonywana jest rekonstrukcja obrazu na drodze obliczeń matematycznych [5]. Badanie to pozwala na uzyskanie przekrojów skanowanego obiektu dzięki wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego. Pojedynczy pomiar, zaczyna się prześwietlenia promieniami Rtg. Promienie te przechodząc przez obiekt skanowany są rejestrowane na matrycy przez detektor. Uzyskane w procesie skanowania projekcje, reprezentują profil absorpcji promieniowania, który zależy od grubości i gęstości badanego obiektu. Następnie podlegają one wstępnemu przetwarzaniu, polegającemu na kompensacji niejednorodności i korekcji efektów utwardzania wiązki promieniowania. Ze względu na kształt wiązki wysyłanej przez lampę można podzielić tomografy na spiralne i stożkowe. W przypadku tomografu spiralnego, stół przesuwa się do środka obracającej się gantry. Dzięki takiej organizacji przestrzennej, można objąć wszystkie partie ciała ludzkiego. Liczba obrotów gantry zależy od liczby rzędów detektorów i użytego protokołu pomiarowego. Ustawienia digitalizacji danej części są predefiniowane przez producenta tomografu oraz radiologia. Można jednak posłużyć się własnymi ustawieniami parametrów akwizycji danych, po konsultacji z lekarzem. Kolejne projekcje powstają po obrocie o zadany kąt. Następnym 2

) etapem jest rekonstrukcja uzyskanych projekcji do postaci zbiorów rastrowych 2D. Ten etap zaczyna się od ustalenia pola obrazowania. Pole widzenia to matryca punktów (pikseli). Obecnie najbardziej popularne są matryce 512x512 pikseli. W dalszym kroku rekonstrukcji, wyznaczany jest współczynnik osłabienia promieniowana dla każdego punktu (piksela) obrazu. Uzyskuje się to poprzez obliczenie średniej wartości dla wszystkich promieni wiązki które przebiegały przez ten piksel (metoda projekcji wstecznej back projection). Następnie przeprowadzana jest obróbka uzyskanych danych rastrowych. Polega ona na cyfrowej filtracji oraz segmentacji interesującej nas tkanki. W ramach przetwarzania danych wykonywana jest tzw. rekonstrukcja wtórna. Polega ona na odtworzeniu modelu 3D wysegmentowanej tkanki przy wykorzystaniu metod renderingu powierzchniowego. Rys.2. Etap rekonstrukcji modelu kości jarzmowej Uzyskane dane charakteryzowały się rozmiarem pixela 0,5 mm 0,5 mm oraz grubością warstwy 0,5 mm. Dokładność modelu oraz wielkość najmniejszej możliwej do pokazania struktury bezpośrednio zależy od rozdzielczości obrazu oraz gęstości przekrojów. Najlepsze efekty uzyskuje się gdy odległość pomiędzy przekrojami jest równa wymiarom pojedynczego piksela na obrazie. Uzyskuje się wtedy tzw. isovoxel. W celu zwiększenia dokładności modelu, wczytane obrazy zostały poddane procesowi filtracji. W wyniku przeprowadzonych działań, uzyskano lepszą jakość obrazu poprzez zwiększenie kontrastu w strefach rozmycia. W celu uzyskania jak najlepszego rezultatu opcje wyostrzania oraz odszumiania zostały dobrane empirycznie. Na podstawie przygotowanych danych dobrano wartość 176 HU jako wartość dolnego progu segmentacji. Względem niego przeprowadzono proces segmentacji przy użyciu metody region growing. Należy ona do grupy metod obszarowych, które polegają na wyborze pikseli o podobnym odcieniu i zakwalifikowaniu ich do jednej grupy określającej daną tkankę (obszaru jednorodności). W celu zobrazowania modelu przestrzennego kości jarzmowej, zastosowano metodę issosurface, która wchodzi w skład metod renderingu powierzchniowego. Wykorzystuje ona algorytm maszerujących sześcianów (Marching Cubes) [6]. Tak wygenerowany model odzwierciedla skomplikowane struktury kości, który z kolei służą do wygenerowania programów obróbkowych (Computer Aided Manufacturing- CAM), zarówno w metodach ubytkowych jak i przyrostowych [2, 3]. W ramach własnych prac przeprowadzono badania mające na celu określenie głównych czynników wpływających bezpośrednio na dokładność uzyskanego gotowego biomodelu [1]. Procedura rekonstrukcji kości jarzmowej składa się z kilku etapów. Na etapie akwizycji danych, decydujący wpływ na końcowy efekt rekonstrukcji ma rozdzielczość przestrzenna i kontrastowa uzyskanych danych rastrowych. W przypadku wyodrębnienia kości jarzmowej z twarzoczaszki, niezbędne jest prawidłowe dobranie wartości HU oraz metody segmentacji. Wszystkie prowadzone prace mają na względzie określenie wpływu poszczególnych czynników na dokładność otrzymywanych modeli 3D- 3

CAD, a przez to eliminacje błędów odwzorowania powierzchni, co w rezultacie przekłada się na dokładność wytwarzanych modeli fizycznych bioelementów. 3. WYKONANIE MODELU FIZYCZNEGO Na etapie modelowania CAD wykorzystywane są profile, jednak zasadniczą rolę przy tworzeniu modelu odgrywają punkty kontrolne, służące do definiowania krzywych zarówno płaskich jak i przestrzennych (rys.3). Na krzywych tych z kolei rozpinane są powierzchnie. Powierzchnie takie mogą zostać podzielone na te które możemy zapisać w postaci wzorów matematycznych lub powierzchnie swobodne składające się z nieskończonej liczby punktów. Współrzędne te nie są powiązane żadnymi zależnościami matematycznymi co ostatecznie pozwala na dużą elastyczność. Modelowanie powierzchniowe stosowane jest głównie tam, gdzie występują bardzo złożone kształty modeli np. w przypadku zaprojektowania skomplikowanego ubytku struktury kostnej. $ Rys.3. Etap modelowania i wytwarzania kości jarzmowej Pierwszym etapem tworzenia modelu powierzchniowego było definiowanie krzywych przechodzących przez punkty tworzące siatkę poligonalną (łamaną). Dzięki możliwości przemieszczania punktów węzłowych, jest możliwe indywidualne modelowanie przebiegu każdej krzywej. Końcowy etap tworzenia modelu powierzchniowego, polega na pokryciu siatki poligonalnej elementarnymi płatami powierzchni typu NURBS. Każdy płat jest opisany za pomocą określonej liczby punktów kontrolnych, które decydują o jakości dopasowania płata do odpowiedniego fragmentu siatki poligonalnej. Otrzymany w ostatniej fazie procesu model powierzchniowy, może być eksportowany za pomocą różnych formatów wymiany danych CAD takich jak :*.IGES,*.STEP. Program obróbki kości jarzmowej został przygotowany w zintegrowanym systemie CAD/CAM NX 9.0, na podstawie wcześniej przygotowanego modelu powierzchniowego. Model ten został eksporotwany z tolerancją 0.001 mm do pliku o roszerzeniu *.STEP, a następnie zaimportowany do systemu NX 9.0. Tolerancja zapisu modelu 3D w pośrednim formacie wymiany danych jakim jest m.in. format *.STEP jest bardzo ważna z uwagi na to, iż od niej zależy prawidłowe zdefiniowanie wartości tolerancji generowania wykończeniowych ścieżek narzędzia. Wpływa to bezpośrednio na dokładność wykonania części o dowolnym stopniu skomplikowania geometrii. Po zaimportowaniu modelu 3D kości jarzmowej, w module CAD odpowiednio zamodelowano część chwytową, służącą do odpowiedniego zamocowania części w uchwycie na stole obrabiarki (rys. 4). Kieszeń chwytu półfabrykatu wykonano w osobnej operacji. 4

) ) Rys.4. Model chwytu oraz mocowanie części w uchwycie obrabiarki Kolejnym etapem był dobór oraz zamodelowanie półfabrykatu w celu prawidłowego zdefiniowania środowiska WORKPIECE oraz drzewa geometrii w module CAM, w celu wygenerowania ścieżek narzędziowych. Obróbkę kości jarzmowej podzielono na trzy etapy: zgrubną, kształtującą i wykończeniową. Obróbkę zgrubną zaprogramowano w pięciu operacjach jako pięcioosiową pozycjonowaną, wykonywaną frezem walcowo czołowym. Taki sposób prowadzenia obróbki pozwala na możliwie maksymalne usunięcie naddatku na obróbkę zgrubną z każdej strony elementu w jednym zamocowaniu. Widok ścieżek narzędziowych poszczególnych operacji zgrubnych przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Ścieżki narzędziowe kolejnych operacji zgrubnych 5

) ) Obróbkę kształtującą zaprogramowano jako jedną operację wykonywaną frezem kulistym. Ma ona na celu wstępne ukształtowanie złożonej geometrii kości jarzmowej oraz wyrównanie i ujednolicenie rozkładu wartości naddatku pozostawionego z poprzedniej obróbki. Jest to bardzo istotne, gdyż w ten sposób niweluje się zjawisko występowania dużych zmian wartości składowych siły skrawania, a w rezultacie odkształcenia narzędzia, zniekształcenia toru jego ruchu oraz w skrajnych przypadkach odkształcenia obrabianej części. Na obróbkę wykończeniową pozostawiono 0.2 mm naddatku. Widok ścieżek narzędziowych obróbki kształtującej przedstawiono na rys.6. Rys. 6. Ścieżki narzędziowe operacji kształtującej geometrię kości jarzmowej Obróbkę wykończeniową zaprogramowano jako 5-osiową indeksowaną w czterech operacjach, wykonywaną frezem stożkowym o średnicy D = 4 mm. W każdej z czterech operacji ustawione zostały odpowiednie wartości parametrów, mających bezpośredni wpływ na dokładność wykonania obrabianej części. Są nimi przede wszystkim tolerancja generowania ścieżki narzędziowej, której wartość jest równa tolerancji modelu 3D kości jarzmowej tzn. 0.001 mm, oraz krok liniowy poszczególnych segmentów toru ruchu narzędzia, którego wartość ustawiono na 0.1 mm. Zawężenie wartości kroku liniowego w dużej mierze zależy od możliwości przetwarzania kodu NC danego układu sterowania obrabiarki. Wartości technologicznych parametrów skrawania wynoszą odpowiednio: vc = 201 m/min, fz = 0.01 mm/z, n = 16000 obr/min, vf = 400 mm/min, ae = 0.02 mm. Widok ścieżek narzędziowych obróbki wykończeniowej przedstawiono na rys.7. 6

Rys.7. Ścieżki narzędziowe obróbki wykończeniowej kości jarzmowej Następnym etapem jest weryfikacja programu obróbkowego oraz analiza mapy naddatków, jak również odchyłki kształtu kości jarzmowej w środowisku CAD/CAM. Raporty tych badań zamieszczono na rys.8. Rys. 8. Raporty mapy naddatków: a) powierzchni wypukłej, b) powierzchni wklęsłej, oraz odchyłki kształtu: c) powierzchni wypukłej, d) powierzchni wklęsłej kości jarzmowej Analizując raport mapy naddatków należy zauważyć, iż powierzchnia wypukła jest dokładniej wykonana aniżeli powierzchnia wklęsła kości jarzmowej. Różnica w tolerancji wykonania wypukłej i wklęsłej powierzchni kości jest rzędu 20 µm. Raport odchyłki kształtu wskazuje, iż poza założoną tolerancją wykonania 0.01 mm jest 12% całkowitej powierzchni kości jarzmowej. Poza tolerancją są głównie obszary łączenia się ze sobą granic czterech poszczególnych operacji obróbki wykończeniowej. Z analiz symulacyjnych wynika, iż program obróbkowy jest prawidłowy, a rzeczywisty model po obróbce będzie się mieścił w założonym paśmie tolerancji odchyłki kształtu. Obróbkę kości jarzmowej wykonano na pięcioosiowym centrum obróbkowym HSC 55 linear firmy DMG (rys. 9). 7

) Rys. 9. Centrum obróbkowe HSC 55 linear oraz widok kości jarzmowej po kolejnych etapach obróbki 4. OPTYCZNY POMIAR GEOMETRII MODELU W przypadku metod polowych informację o całej powierzchni mierzonego przedmiotu można uzyskać na podstawie pomiarów metodami bazującymi na projekcji prążków. Należą one do grupy metod wykorzystujących oświetlenie strukturalne, czyli takich, w których na powierzchnię obiektu mierzonego projektowany jest określony raster (lub ich sekwencja). Warunkiem poprawnego pomiaru jest dobra widoczność prążków na powierzchni obiektu (obiekty o powierzchni nie rozpraszającej lub przezroczyste mogą być mierzone po pokryciu specjalnymi warstwami typu anti-reflex ). Przechwytywanie przez skaner informacji o położeniu punktów w przestrzeni opiera się na zasadzie triangulacji, czyli na obliczeniu miejsca przecięcia się w przestrzeni płaszczyzny utworzonej przez prążek światła strukturalnego i półprostej wychodzącej ze środka piksela matrycy kamery. Obraz rastra odkształconego na powierzchni obiektu jest poddawany analizie komputerowej, w wyniku której uzyskuje się mapę wysokości. Różnią się one między sobą pod względem liczby obrazów przetwarzanych podczas obliczeń. Istnieją metody pozwalające na określenie kształtu obiektu nawet na podstawie analizy jednego obrazu. Cechują się one jednak mniejszą dokładnością pomiaru i można je stosować do mniejszej liczby (klas) obiektów niż techniki wykorzystujące większą liczbę obrazów. Skanery pomiarowe 3D pracujące tą metodą oferują szczegółowość do 0,01 mm z prędkością 8

skanowania około 1.000.000 punktów na sekundę i dokładnością do 0,007 mm, przy skanowaniu powierzchni o wymiarach 0,5 m x 0,5 m. Tą metodą pomiaru 3D można uzyskać większą szczegółowość i dokładność metryczną, która idealnie sprawdza się w cyfrowej rekonstrukcji skomplikowanych powierzchni biomodeli. Digitalizację geometrii modelu kości jarzmowej, wykonano przy użyciu systemu optycznego GOM (Geometrical Optical Measurements) (rys.10). W wyniku zastosowania systemu Atos Triple Scan, wykonano serię pomiarów z różnych kierunków, stosując stolik obrotowy sterowany numerycznie. ) ) Rys.10. Widok stanowiska pomiarowego Oprogramowanie systemu skanującego pozwoliło na łączenie obrazów skanowanych w celu uzyskania całej powierzchni kości jarzmowej. Na podstawie analizy powtarzalności oraz błędu granicznego określono niepewność pomiaru systemu Atos Triple Scan, która wyniosła +- 0,006 mm. Proces dopasowania modelu nominalnego (uzyskanego z pomiarów na tomografie stożkowym), oraz analizowanego (uzyskanego przy użyciu metody bazującej na projekcji prążków) został przeprowadzony przy wykorzystaniu algorytmu best fit. Proces zestawienia modeli odbywa się interaktywnie przez minimalizację kwadratów odległości między obiektami. Dopasowanie chmury punktów metodą best fit, zostało przeprowadzone z dokładnością do 1 µm. Uzyskane wyniki przedstwiono w tab.1. 5.WNIOSKI Obecnie w dalszym ciągu trwają badania nad określeniem wystarczającej dokładności rekonstrukcji cyfrowych modeli medycznych oraz metod poprawy jakości ich wykonania. Z aktualnych badań wynika iż akceptowalna dokładność wykonania wynosi +-0.5 mm w obrębie twarzoczaszki pacjenta [4]. Przedstawiony zakres tolerancji, tyczy się zastosowania wytwarzanych modeli medycznych w procesie doginania płytek chirurgicznych. Do analizy globalnych odchyłek, nie uwzględniono punktów definiujących obszar przypisany bezpośrednio mocowaniu kości jarzmowej do stołu obrabiarki. Zabieg ten miał na celu zminimalizowanie wpływu wartości odchyłek tego obszaru na raport końcowy z uzyskanych pomiarów (tab.1). Rozstęp pomiędzy granicznymi wartościami odchyłek 9

wyniósł 0.64 mm. Jednak procentowa ilość punktów znajdująca się poza polem tolerancji +- 0.14 mm wyniosła zaledwie 1%. Ponad 89% punktów branych po uwagę, mieści się w zakresie tolerancji (0,07 mm, 0,00 mm>. Tab. 1 Raport z uzyskanych wyników pomiarów. Ilość punktów Maksymalne odchyłki Rozstęp Średnia odchyłka Odchylenie standardowe 65169 0,43 mm -0,21mm 0,64 mm 0,02 mm 0,03 mm Zakres tolerancji Ilość procentowa punktów (ilość punktów) <0,43 mm, powyżej) 0% (19) (0,43 mm, 0,36 mm> 0,1 % (40) (0,36 mm, 0,28 mm> 0,3 % (183) (0,28 mm, 0,14 mm> 0,5 % (304) (0,14 mm, 0,07 mm> 1,1% (735) (0,07 mm, 0,00 mm> 89,2% (58130) (0,00 mm, -0,07 mm> 8,4% (5462) (-0,07 mm, -0,14 mm> 0,3% (200) (-0,14 mm, -0,28 mm> 0,1% (96) (-0,28 mm, -0,36 mm> 0% (0) 10

$ (-0,36 mm, -0,43 mm> 0% (0) < -0,43 mm, powyżej) 0% (0) Średnia odchyłka wyniosła 0,02 mm. Rozrzutu wartości odchyłek wokół wartości średniej wyniósł 0,03 mm. Głównie na jego wartość miały wpływ, odchyłki znajdujące się poza obszarem tolerancji +- 0,14 mm. Warto nadmienić, że na uzyskane wyniki końcowe, miała również wpływ sama technika pomiaru. Wyznaczono niepewność pomiaru urządzenia Atos Triple Scan na podstawie znajomości błędu granicznego. Dodatkowo określono powtarzalności systemu (wykonano 5 razy pomiar zachowując warunki powtarzalności). Ostatecznie uzyskano wartość niepewności równą +- 0,006 mm. Największe odchyłki globalne, zaobserwowano na krawędziach modelu (rys.11). Wymienione obszary dotyczą łączenia się ze sobą granic czterech poszczególnych operacji obróbki wykończeniowej Rys.11. Obszar występowania największych odchyłek Z uzyskanego raportu wynika iż centrum obróbcze DMG HSC 55 linear w zupełności nadaje się do wykonania modeli skomplikowanych struktur kostnych w tym kości jarzmowej pod zabiegi doginania płytek chirurgicznych. LITERATURA [1] Burek J,Turek P: Dokładność kształtu modelu szczęki dolnej wykonanego metodą technologii przyrostowej. Mechanik, 5-6/2012. [2] Burek J, Bazan A, Płodzień M, Turek P.: Optyczna metoda rekonstrukcji geometrii koron zębów- Focus Variation. PAK 10/2013. [3] Markowska O, Budzik G: Innowacyjne metody wytwarzania implantów kostnych za pomocą inżynierii odwrotnej (RE) oraz technik szybkiego prototypowania (RP). Mechanik, 2/2012. 11

[4] Markowska O, Budzik G.The analysis of the accuracy of bone defects implants in the numerical and physical reconstruction process. Kraków 2012. [5] Miechowicz S, Budzik G, Cygnar M. Truszkiewicz A.Use of the computed tomography in Reverse Engineering. Prace Naukowe Instytutu Technicznego PWSZ w Nowym Sączu, Nowy Sącz 2005, 81-86. [6] Newman T.S, Yi H:A survey of the marching cubes algorithm. Computers and Graphics, 30.5: 854-879, 2006. [7] Samolczyk-Wanyura D, Wanyura H.: Grupy kliniczno-anatomopatologiczne złamań górnego masywu twarzy. Czas Stomat 1992; 45(2): 93 99. [8] Wanyura H.: Obraz kliniczno-anatomopatologiczny złamań jarzmowo-oczodołowych. CzasStomat 2000; 53(5): 295 303. 12