Pneutronics

Résoudre les problèmes de conception et de fabrication dès le départ

Inspection géométrique de petites pièces à l’aide de tomodensitomètres et de PolyWorks

Il faut repenser l’inspection et l’analyse fonctionnelle des petites pièces moulées par injection et de leur assemblage. De nos jours, on utilise une combinaison unique d’outils logiciels et d’appareils non traditionnels, grâce auxquels on obtient des résultats plus précis et plus compréhensibles lors du contrôle dimensionnel de petites formes géométriques complexes. Le présent article décrit comment Bolton Works utilise la suite logicielle PolyWorks pour procéder à un assemblage virtuel à l’aide de composants numérisés et de modèles CAO, et ainsi permettre aux experts de régler dès le départ des problèmes de conception et de fabrication. En se basant sur une étude de cas portant sur la fabrication de pompes et de vannes miniatures par la division Pneutronics de Parker Hannifin, le présent article explique également comment des tomodensitomètres peuvent être utilisés pour mesurer de petites caractéristiques de manière efficace et exécuter différentes tâches de contrôle de la qualité, comme les tolérancements géométriques et dimensionnels.

Le défi

Avec l’amélioration des matériaux et des outils de conception, les ingénieurs cherchent à intégrer diverses caractéristiques dans des pièces moulées par injection. Ce faisant, on obtient une réduction du coût global et du temps consacré à l’assemblage, de même qu’une augmentation de la fiabilité.

Malheureusement, les outils de mesure « avec contact », comme les pieds à coulisse, les jauges ou les MMT (machines de mesure tridimensionnelle), se sont révélés inefficaces pour la mesure de petites pièces (< 25 mm) comportant des caractéristiques de dimensions inférieures à 1 mm. 

Voici pourquoi :

  • En raison de leur inertie, les palpeurs mécaniques sont limités par leur vitesse de fonctionnement, ce qui limite le nombre de points de données échantillonnés.
  • La géométrie créée à l’aide de tiroirs et d’insertions dans le moule à injection crée souvent des caniveaux qui ne peuvent être atteints par des outils traditionnels en une seule configuration.
  • La taille d’un palpeur limite la taille des caractéristiques pouvant être mesurées.
  • Une MMT doit être programmée comme une machine de CNC (commande numérique par ordinateur) pour placer le palpeur à l’endroit souhaité tout en évitant les supports de la pièce.
  • Les jauges, les comparateurs optiques, les microscopes et autres outils fonctionnent tous en deux dimensions. Ces instruments fonctionnent pour des sections planaires, mais ne fournissent aucune donnée sur les liens entre les caractéristiques mesurées et d’autres caractéristiques dans l’espace tridimensionnel, un désavantage important dès qu’il faut utiliser des références.

La solution

Les tomodensitomètres

Pneutronics, une division de Parker Hannifin Corporation (Hollis, New Hampshire), conçoit et fabrique des électrovannes miniatures, des pompes à membrane miniatures et des solutions système pour des applications fluidiques essentielles. La gamme de vannes Pneutronics comprend des électrovannes numériques, proportionnelles, miniatures et multimédias dotées d’orifices dont la taille oscille entre 0,003 po et 0,250 po, qui sont utilisées dans une grande variété de technologies médicales et d’appareils d’analyse.

En 2003, Pneutronics cherchait une technologie lui offrant une méthode non destructive pour analyser ses vannes. Le produit X ValveMD est une vanne pneumatique miniature (24 x 8 x 9 mm) à trois voies et à deux positions qui comprend une chambre de vanne en polymère remplie de verre, un noyau en acier inoxydable, un positionneur en acier inoxydable, un piston doté d’un joint en élastomère et une électrovanne.

Un élément fondamental pris en compte dans le choix de la technologie était qu’il fallait trouver une solution pour mesurer avec exactitude autant les composants en plastique que ceux en silicium. Drew Brenner, ingénieur de développement chez Pneutronics, a étudié de nombreuses options avant de se tourner vers Bolton Works et son service de numérisation par tomodensitométrie pour générer une documentation numérique complète du processus de métrologie.

Dans les secteurs industriel et médical, les tomodensitomètres sont utilisés pour recueillir des données provenant tant de l’intérieur que de l’extérieur d’un objet sous analyse. Un tomodensitomètre est composé d’une source de rayons X, d’une plateforme pour y placer l’objet et d’un détecteur. Il mesure l’atténuation du faisceau de rayons X passant à travers un objet et crée un jeu complet de données volumétriques en trois dimensions. Le modèle numérisé consiste en des nuages de points très denses pouvant atteindre plusieurs millions de points.

Pour traiter cette grande quantité de données, Bolton Works a choisi PolyWorks, la solution logicielle de traitement de nuages de points d’InnovMetric. Après plusieurs années de traitement de nuages de points dans les industries automobile et aéronautique, PolyWorks s’est révélé être l’ensemble de logiciels le plus efficace pour traiter les nuages de points imposants générés par les tomodensitomètres.

Grâce à la tomodensitométrie et au logiciel PolyWorks, Pneutronics a réduit le temps de conception de son produit, a recueilli beaucoup de renseignements sur sa vanne, et a simplifié son processus d’essai par une analyse de données plus exactes comparativement aux méthodes d’inspection classiques.

Le processus d’inspection

1) Numérisation des pièces

Afin de traiter les différents matériaux de la vanne X Valve, Bolton Works a d’abord numérisé la chambre en plastique (bleu) séparément et a obtenu un jeu de données de 1 500 images, à une distance de 20 μm l’une de l’autre. La taille totale du jeu de données d’images était de 1,8 gigaoctet. À partir de toutes ces images, on a créé un modèle 3D en nuage de points composé d’environ 6 millions de points de données.

Les avantages

  • Les avantages de recueillir un si grand nombre de points de données sont nombreux, surtout par rapport aux techniques de mesure classiques.
  • Avec un seul tomodensitomètre, Pneutronics a obtenu toutes les données nécessaires à l’étude de la vanne, éliminant du coup le temps consacré aux numérisations supplémentaires pour obtenir de nouvelles mesures.
  • Mieux encore, le nombre élevé de points de données a grandement amélioré la précision et le détail du modèle, ce qui a permis d’améliorer l’exactitude des données de conception et d’approfondir l’analyse du produit.

2) Comparaison par rapport aux valeurs CAO

Après la numérisation et la génération du modèle 3D, le jeu de données du nuage de points a été recalé sur le modèle CAO en 3D à l’aide de la méthode « best-fit ». Le logiciel compare chaque point du nuage avec les données de la surface CAO, enregistre les écarts et les affiche sur une carte en couleurs.

3) Tolérancements géométriques et dimensionnels

Grâce à PolyWorks, Pneutronics peut procéder à des tolérancements géométriques et dimensionnels (GD&T) et concevoir de manière efficace un dessin mécanique standard en définissant un système de coordonnées de référence basé sur des données pour l’assemblage. Le logiciel utilise le modèle CAO en 3D et extrait automatiquement des primitives, comme des plans, des cylindres et des cônes, à partir du nuage de points. Pour définir les plans de référence de la vanne pneumatique, on a déterminé le plan dans le modèle CAO en 3D. PolyWorks a ensuite extrait le plan correspondant au nuage de points à l’aide des points situés à moins de 0,25 mm de ce modèle CAO. Il a par la suite exclu les points pour lesquels les normales dépassaient la bande de tolérance de 20 degrés par rapport à la surface normale. Par ce processus de filtrage, une entité de référence correcte a été construite à partir des millions de points de données numérisés. Ainsi, le recalage best-fit initial est seulement utilisé pour recaler suffisamment les points afin que le logiciel puisse trouver les points formant les références et autres caractéristiques.

Le dessin montre les liens entre les entités de référence, les cylindres, les plans et autres éléments extraits. Il indique les tolérances en précisant les exigences d’enveloppe de maximum et minimum de matière. Ces liens sont ensuite introduits dans le logiciel d’inspection PolyWorks. Cette étape est essentielle, car si le tracé précise qu’un cylindre devrait être positionné selon les références A, B et C, le logiciel devrait recaler virtuellement le nuage de points en conséquence. Après l’extraction des caractéristiques souhaitées et la comparaison avec les éléments définis sur le tracé, les données sont exportées en format Excel à des fins de documentation.

4) Assemblage virtuel

Pneutronics voulait améliorer certaines caractéristiques de rendement précises de sa vanne X Valve et avait besoin d’un rapport de GD&T exact mettant en évidence l’état actuel des dimensions fondamentales. M. Brenner a décidé d’évaluer l’interaction entre la chambre en plastique et les composants en acier inoxydable et en caoutchouc. La vanne comporte des composants de différents matériaux, dont le plastique, le caoutchouc, l’acier inoxydable et des fils en cuivre. Comme la densité de ces matériaux n’est pas la même, le niveau d’énergie du tomodensitomètre doit être différent pour chaque composant. Ce n’était pas possible de séparer les matériaux afin de les numériser séparément, pour ensuite reconstruire un modèle exact. Une autre approche a donc été utilisée pour visualiser l’assemblage.

Les pièces cylindriques en acier inoxydable ont été mesurées à l’aide d’outils traditionnels, comme des comparateurs et des pieds à coulisse. Après avoir confirmé que les composants respectaient les tolérances, la pièce a été virtuellement assemblée dans PolyWorks à l’aide de modèles CAO des cylindres en acier inoxydable et de la vanne en caoutchouc; les modèles ont ensuite été superposés en 3D sur les données numérisées de la chambre. 

L’assemblage virtuel a validé la géométrie du modèle et a confirmé que la vanne devrait fermer comme prévu. Puisque la conception venait d’être validée, l’analyse a par la suite été axée sur le processus d’assemblage.

Un tomodensitomètre plus puissant a été utilisé pour visualiser uniquement les composants en métal. Les numérisations ont révélé que le positionneur, lorsqu’il était enfoncé dans la chambre, ne respectait plus nécessairement le recalage. Il était donc nécessaire de revoir le processus d’assemblage.

L’inspection géométrique et l’assemblage virtuel ont été utiles pour comprendre l’interaction des composants et ont permis à Pneutronics de se concentrer sur le processus d’assemblage plutôt que sur le processus de conception pour améliorer sa vanne.

L’automatisation et les rapports

PolyWorks offre un langage de script efficace permettant aux experts d’automatiser des tâches d’inspection complètes. Toutes les tâches mentionnées dans le présent article peuvent être automatisées et exécutées en un seul clic de souris. Il s’agit simplement de télécharger le prochain nuage de points et d’exporter les résultats en format Excel ou de les téléverser en format HTML sur un serveur Web. Ce type d’automatisation est particulièrement pratique pour l’inspection des outils à cavités multiples. Depuis 2003, Bolton Works utilise PolyWorks pour produire automatiquement des rapports d’inspection à partir des données générées par un tomodensitomètre.

Les avantages

Comme le démontrent les résultats de Pneutronics, la numérisation par tomodensitométrie est un moyen économique et efficace de mettre en œuvre un processus d’inspection viable de vannes miniatures. L’utilisation d’outils de mesure traditionnels « avec contact » s’est avérée difficile. Grâce au tomodensitomètre et aux outils logiciels adéquats, Pneutronics a pu établir un processus d’inspection numérique complet, applicable aux différentes étapes du processus de fabrication (conception, prototypage, production et assemblage). Cette méthode d’inspection s’est révélée efficace pour la validation de pièces par le biais d’analyses globales, de mesures de GD&T et d’un assemblage virtuel.

PolyWorks s’est avéré être l’outil le mieux adapté au traitement des données des tomodensitomètres pour différentes raisons :

  • PolyWorks traite très efficacement les ensembles de données volumineux (2 Go) produits par les tomodensitomètres.
  • PolyWorks offre une analyse générale instantanée grâce aux comparaisons de données par rapport aux valeurs CAO.
  • PolyWorks est doté d’un moteur de GD&T intégré unique pour vérifier la conformité des pièces selon la norme ASME Y14.5M-1994.
  • PolyWorks permet aux utilisateurs d’« assembler virtuellement » les données numérisées avec des modèles CAO.
  • PolyWorks offre un langage de script efficace pour automatiser les processus d’inspection.

Les tomodensitomètres nécessitent un investissement de capitaux considérable. En offrant un service de numérisation par tomodensitométrie, Bolton Works rend la technologie abordable et permet tout de même aux clients de faire leurs propres analyses à l’interne, d’après le nuage de points généré et à l’aide du logiciel PolyWorks.

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