Abordar los problemas de diseño y fabricación en una etapa inicial


Inspección geométrica de componentes pequeños con escáneres de tomografía computarizada y PolyWorks®


Se necesita una forma de pensar completamente nueva para la inspección y el análisis funcional de componentes pequeños y ensamblajes moldeados por inyección. Hoy en día, las herramientas de hardware y software no convencionales se utilizan en una combinación única, lo que produce resultados mejores y más fáciles de entender cuando la inspección dimensional se realiza en formas geométricas pequeñas y complejas. Este artículo describe cómo Bolton Works utilizó la suite de PolyWorks® para realizar un ensamblaje virtual utilizando componentes escaneados y modelos CAD, lo que permite a los especialistas abordar los problemas de diseño y fabricación en una etapa temprana. Mediante un estudio de caso que examina la División Pneutronics del fabricante de bombas y válvulas en miniatura Parker Hannifin, este artículo también explica cómo se pueden usar los escáneres de tomografía computarizada para medir pequeñas entidades geométricas de manera eficiente y realizar diversas tareas de control de calidad, como el dimensionamiento geométrico y el establecimiento de tolerancias.

El desafío

Con la llegada de mejores herramientas y materiales de diseño, los ingenieros buscan integrar múltiples funciones en piezas moldeadas por inyección. Al hacerlo, se mejoran el costo total, el tiempo de ensamblaje y la fiabilidad del ensamblaje. Desafortunadamente, las herramientas de medición por “contacto” como calibradores, galgas o CMM (máquinas de medición de coordenadas) han demostrado no ser eficaces para medir componentes pequeños (< 25 mm) con entidades geométricas de un tamaño menor de 1 mm.  

A continuación exponemos algunas de las razones:

  • Los palpadores mecánicos por contacto, debido a su inercia, establecen límites a la velocidad a la que pueden operar y, por lo tanto, limitan el número de puntos de datos que se muestrean
  • La geometría creada mediante el uso de controles deslizantes e inserciones en el molde de inyección a menudo crea cortes al ras, que no se pueden alcanzar con herramientas convencionales en una sola configuración
  • El tamaño de un palpador limita el tamaño de las entidades geométricas que se pueden medir
  • Se necesita programar una CMM como una herramienta de una máquina CNC para llevar el palpador al área de interés y, al mismo tiempo, evitar el accesorio que sostiene la pieza
  • Las galgas, los comparadores ópticos, los microscopios, etc. funcionan en 2 dimensiones. Estos instrumentos funcionan en secciones planas y no ofrecen información sobre cómo las entidades geométricas medidas se relacionan con otras entidades geométricas en el espacio 3D, un gran inconveniente siempre que se necesitan utilizar datums.

La solución

Cambiar a escáneres de tomografía computarizada

Pneutronics, una división de Parker Hannifin Corporation (Hollis, NH), diseña y fabrica válvulas solenoides en miniatura, bombas de diafragma en miniatura y soluciones de sistemas para aplicaciones fluídicas críticas. La línea de productos de válvulas Pneutronics incluye válvulas solenoides multimedia, proporcionales digitales y en miniatura con orificios de .003" a .250”, que se utilizan en toda una gama de dispositivos tecnológicos para medicina e instrumentos analíticos.

En 2003, Pneutronics buscaba tecnología que le permitiera analizar una válvula de una manera no destructiva. Este producto, XValve®, es una válvula neumática en miniatura de dos posiciones y tres vías (24 mm x 8 mm x 9 mm) que consta de una carcasa de válvula de polímero rellena de vidrio, un núcleo de acero inoxidable, un actuador de acero inoxidable, un émbolo con un sello elastomérico y un solenoide.

Encontrar una solución que pudiera medir con precisión los componentes de plástico y caucho de silicona era un requisito importante para tomar decisiones sobre la tecnología. El ingeniero de desarrollo de Pneutronics, Drew Brenner, investigó muchas opciones antes de recurrir a Bolton Works y su servicio de escaneo por tomografía computarizada para generar un rastro en papel “digital” completo del proceso de metrología. 

Los escáneres de CT (tomografía computarizada) se utilizan en el mundo industrial y médico para capturar información tanto del interior como del exterior de un objeto en investigación. Un escáner de CT consta de una fuente de rayos X, una plataforma que sostiene el objeto y un detector. Un escáner de TC mide la atenuación de los rayos X que pasan a través de un objeto y crea un conjunto de datos volumétrico tridimensional completo. El modelo digitalizado consta de nubes de puntos muy densas que pueden alcanzar varios millones de puntos.

Para manejar esta gran cantidad de información, Bolton Works recurrió a PolyWorks, la solución de software de procesamiento de nubes de puntos de InnovMetric. Después de varios años de procesamiento de nubes de puntos en las industrias automotriz y aeronáutica, PolyWorks ha demostrado ser el paquete de software más robusto capaz de manejar de manera eficiente las grandes nubes de puntos generadas por los escáneres de CT.

Utilizando la tecnología de escaneo de CT y PolyWorks, Pneutronics redujo el tiempo de desarrollo del producto, obtuvo información muy importante y agilizó su proceso de prueba.

El proceso de inspección


1) Digitalización de piezas 

Para trabajar con la mezcla de materiales presentes en el ensamblaje de X-Valve, Bolton Works comenzó escaneando la carcasa de plástico (azul) por separado, lo que resultó en un conjunto de datos que constaba de 1500 imágenes con una distancia entre las imágenes de 20 μm. El tamaño total del conjunto de datos de imágenes que se produjo fue de 1.8 gigabytes. A partir de ese conjunto de imágenes se creó un modelo de nube de puntos 3D que consta de aproximadamente 6 millones puntos de datos.

Ventajas:

  • Los beneficios de muestrear tantos puntos de datos son significativos, especialmente cuando se comparan con las técnicas de medición tradicionales.
  • Con una tomografía computarizada, Pneutronics obtuvo todos los datos necesarios para estudiar la válvula, con lo cual se elimina el tiempo que se invierte en la exploración adicional para nuevas mediciones.
  • Más importante aún, la gran cantidad de puntos de datos mejoró en gran medida la precisión y los detalles del modelo, lo que tuvo como resultado datos de diseño más precisos y un análisis más completo del producto.


2) Comparación con CAD

Después de escanear y generar el modelo 3D, el conjunto de datos de la nube de puntos se alineó con el modelo CAD 3D utilizando un método de “mejor ajuste”. El software compara cada punto de la nube de puntos con la información de la superficie CAD, registra las desviaciones y las muestra en un mapa de color.


3) Dimensionamiento geométrico y establecimiento de tolerancias

El software de PolyWorks le permitió a Pneutronics realizar el dimensionamiento geométrico y las tolerancias (GD&T) y desarrollar de manera eficiente un estándar de dibujo mecánico mediante la definición de un sistema de coordenadas de referencia basado en datums para el ensamblaje. Utiliza el modelo CAD 3D y extrae automáticamente primitivas, como planos, cilindros y conos, a partir de la nube de puntos. Para definir los planos datum de la válvula neumática, se identificó el plano en el modelo CAD 3D. Luego, PolyWorks extrajo el plano correspondiente de la nube de puntos utilizando puntos que rodean esta entidad geométrica CAD dentro de una distancia de 0.25 mm. Además, excluyó los puntos cuyas normales no estaban dentro de una tolerancia de 20 grados de la banda de la normal de la superficie. A través de este proceso de filtrado, a partir de los millones de puntos de datos escaneados, se construyó un datum correcto. Por lo tanto, el mejor ajuste inicial solo se usa para alinear los puntos con la cercanía suficiente para que el software encuentre los puntos que forman los datums y otras entidades geométricas.

El dibujo muestra cómo se relacionan entre sí los datums, cilindros, planos, etc. extraídos. El dibujo especifica las tolerancias con las condiciones máximas/mínimas del material. Estas relaciones se alimentan en el software de inspección de PolyWorks. Esto es esencial, porque si el dibujo especifica que un cilindro debe colocarse en los datums A, B y C, el software debe alinear virtualmente la nube de puntos según corresponda. Después de la extracción de las entidades geométricas deseadas y la comparación con lo que se había definido en el dibujo, la información se genera en formato Excel para fines de documentación.


4) Ensamblaje virtual

Pneutronics quería mejorar las características de rendimiento específicas de la válvula X y necesitaba un informe GD&T preciso que destacara el estado actual de las dimensiones críticas. Brenner decidió evaluar la interacción de los componentes de caucho y acero inoxidable con la carcasa de plástico. El conjunto de la válvula consta de componentes con diferentes materiales, incluido cableado de cobre, acero inoxidable, caucho, y plástico. Todos estos materiales tienen una densidad diferente, lo que significa que en el escaneo por tomografía computarizada se tenían que utilizar diferentes niveles de energía para cada componente. No fue posible segmentar los materiales para el escaneo individual y luego intentar reconstruirlos en un modelo preciso. Se decidió emplear otro enfoque para visualizar el ensamblaje.

Las piezas cilíndricas de acero inoxidable se midieron con herramientas convencionales como comparadores y calibradores. Después de confirmar que estaban dentro de la tolerancia, la pieza se ensambló virtualmente en PolyWorks utilizando los modelos CAD de los cilindros de acero inoxidable y la válvula de caucho, y luego se superpusieron en 3D con los datos escaneados de la carcasa.

El ensamblaje virtual validó el diseño geométricamente y confirmó que la válvula debería cerrarse según lo previsto. Como el diseño ya estaba validado, el enfoque de la investigación se centró en el proceso de ensamblaje.

Se utilizó un escáner CT con un voltaje más alto para visualizar solo los componentes metálicos. Los escaneos revelaron que cuando se presionaba el actuador en la carcasa, podía desalinearse. Por tanto, se pidió una revisión del proceso de montaje.

La inspección geométrica y el ensamblaje virtual fueron fundamentales para comprender la interacción de los componentes y permitir que Pneutronics se concentrara en el proceso de ensamblaje en lugar del proceso de diseño para mejorar la válvula.

Automatización e informes

PolyWorks ofrece un potente lenguaje de secuencias de comandos que les permite a los especialistas automatizar tareas de inspección completas. Todas las tareas de las que se habló anteriormente en este artículo se pueden automatizar y ejecutar con un clic del ratón. Solo es cuestión de cargar la siguiente nube de puntos y hacer que los resultados se envíen a una hoja de cálculo de Excel o se carguen en un servidor web en formato HTML. Este nivel de automatización es especialmente útil al inspeccionar herramientas con múltiples cavidades. Bolton Works ha usado PolyWorks desde 2003 para crear informes de inspección automáticamente a partir de los datos del escáner de CT.

Los beneficios

Como se vio en los resultados de Pneutronics, el escaneo de CT demostró ser una forma rentable de implementar un proceso viable de inspección de válvulas en miniatura. El uso de herramientas tradicionales de medición por “contacto” había resultado difícil. El uso de un escáner de CT combinado con las herramientas de software adecuadas ha permitido establecer un proceso completo de inspección digital en Pneutronics, aplicable en las diferentes fases del proceso de fabricación (diseño, prototipo, producción y montaje). Este método de inspección demostró ser muy eficaz para validar piezas mediante análisis globales, mediciones GD&T y ensamblaje virtual.
 
PolyWorks ha demostrado ser la herramienta más apropiada para manejar los datos del escáner de CT por varias razones:

  • PolyWorks maneja de manera muy eficiente los grandes conjuntos de datos (2 GB) producidos por los escáneres de CT
  • PolyWorks ofrece un análisis global instantáneo mediante comparaciones de datos a CAD
  • PolyWorks tiene un motor GD&T integrado único para verificar que las piezas cumplan con los estándares ASME Y14.5M-1994
  • PolyWorks les permite a los usuarios “ensamblar virtualmente” los datos escaneados con modelos CAD
  • PolyWorks ofrece un potente lenguaje de secuencias de comandos para automatizar los procesos de inspección.

Los escáneres de CT requieren una importante inversión de capital. Al proporcionar el escaneo de CT como un servicio, Bolton Works hizo que la tecnología fuera asequible y les permite a sus clientes realizar sus análisis internamente, basándose en la nube de puntos y la ayuda de la solución de software PolyWorks.