Pneutronics

Affrontare problematiche di progettazione e produzione in fase iniziale

L'ispezione geometrica di piccoli componenti con gli scanner CT e PolyWorks.

Per eseguire l'ispezione e l'analisi funzionale di piccoli componenti ed assiemi realizzati attraverso lo stampaggio a iniezione serve un modo di pensare completamente nuovo. Oggi vengono usati hardware non convenzionali e strumenti software in un'unica combinazione; questo genera risultati migliori e più facili da capire, al momento dell'esecuzione di un'ispezione dimensionale su piccoli componenti caratterizzati da geometrie complesse. In questo articolo vedremo come Bolton Works ha utilizzato la suite PolyWorks per eseguire un assemblaggio virtuale usando componenti scansionati e modelli CAD, consentendo agli specialisti di affrontare problematiche di progettazione e produzione già in fase iniziale. Attraverso l'analisi di un caso specifico riguardante la divisione Pneutronics di Parker Hannifin, azienda produttrice di valvole e pompe miniaturizzate, vedremo anche come è possibile utilizzare gli scanner CT per misurare in modo efficace piccole entità geometriche ed eseguire varie attività legate al controllo qualità, come ad esempio il controllo dimensionale sulle tolleranze geometriche (GD&T).

La sfida

Con l'avvento di nuovi e migliori materiali e strumenti di disegno, gli ingegneri tentano di integrare più funzioni nei particolari ottenuti con lo stampaggio a iniezione. Così facendo, il costo complessivo, i tempi di assemblaggio e l'affidabilità dell'assieme costruito migliorano. Purtroppo gli strumenti di misurazione a contatto, come i calibri o le CMM (macchine di misura a coordinate), hanno dimostrato di essere inefficaci nella misurazione di piccoli componenti (< 25 mm) che presentano entità di dimensioni minori di 1 mm.

Ecco alcune delle ragioni:

  • A causa della loro inerzia, i tastatori meccanici a contatto limitano la propria velocità di esecuzione e quindi il numero di punti di dati che vengono campionati.
  • Le geometrie create usando guide e inserti nello stampo a iniezione creano in molti casi dei sottosquadri che non è possibile raggiungere, usando strumenti convenzionali, con un unico piazzamento.
  • Le dimensioni di un tastatore limitano le dimensioni dell'entità che è possibile misurare.
  • Per consentire al tastatore di raggiungere la zona interessata, evitando allo stesso tempo il dispositivo di fissaggio del particolare, è necessario programmare la macchina CMM come una CNC.
  • Calibri, comparatori ottici, microscopi, ecc. lavorano tutti in due dimensioni. Questi strumenti lavorano a sezioni planari, e non offrono informazioni su come le entità misurate si relazionano ad altre entità nello spazio tridimensionale; uno svantaggio importante quando è necessario utilizzare dei datum di riferimento.

La soluzione

Il passaggio agli scanner CT

Pneutronics, una divisione della Parker Hannifin Corporation (Hollis, NH), progetta e costruisce valvole a solenoide miniaturizzate, pompe a membrana miniaturizzate e soluzioni per complessi impianti idraulici e pneumatici. Nella gamma delle valvole Pneutronics figurano: valvole a solenoide multifluido, proporzionali, digitali e miniaturizzate con orifizi a partire da 0,003" a 0,250" che vengono usate in un'ampia gamma di tecnologie medicali e strumentazione di analisi.

Nel 2003, Pneutronics era alla ricerca di una tecnologia in grado di consentirle di analizzare una valvola con modalità non distruttive. Il prodotto XValve® è una valvola pneumatica miniaturizzata a tre vie e due posizioni (24 mm x 8 mm x 9 mm) costituita da un corpo in polimero rinforzato con vetro, anima in acciaio inox, un attuatore in acciaio inox, un pistoncino con guarnizione elastomerica e un solenoide.

Trovare una soluzione in grado di misurare precisamente sia i componenti in plastica che quelli in gomma di silicone era un’importante requisito per decidere in merito alla tecnologia. Drew Brenner, l'ingegnere addetto allo sviluppo in Pneutronics, ha cercato tra molte opzioni prima di affidarsi a Bolton Works e al suo servizio di scansione CT per generare un percorso, un flusso di lavoro “digitale” completo del processo di misurazione.

Gli scanner CT (che sta per Computer Tomography) vengono utilizzati nella produzione industriale e medicale per acquisire informazioni sia dall'esterno che dall'interno di un oggetto esaminato. Uno scanner CT è costituito da una fonte di raggi X, una piattaforma per il serraggio dell’oggetto e un rivelatore. Lo scanner CT misura l'attenuazione del fascio di raggi X che passano attraverso l’oggetto, e crea una serie di dati volumetrici tridimensionali completa. Il modello digitalizzato è costituito da nuvole di punti molto dense in grado di raggiungere anche svariati milioni di punti.

Per gestire questa grande quantità di informazioni, Bolton Works si è affidata a PolyWorks, la soluzione software per l'elaborazione di nuvole di punti di InnovMetric. Grazie alla lunga esperienza maturata nel tempo nell’elaborazione di nuvole di punti nel settore automobilistico e aeronautico, PolyWorks ha dato prova di essere il pacchetto software più robusto in grado di gestire in modo efficace le ampie nuvole di punti generate dagli scanner CT.

Per mezzo della tecnologia di scansione CT abbinata a PolyWorks, Pneutronics è riuscita a ridurre i tempi di sviluppo del prodotto, a ottenere un input significativo e a semplificare le procedure di test.

Il processo d'ispezione

1) La digitalizzazione dei particolari 

Per essere in grado di lavorare con la varietà di materiali presenti nella X-Valve, Bolton Works ha iniziato con la scansione separata del corpo in plastica (blu), che ha generato una serie di dati costituita da 1500 immagini distanziate tra di loro 20 μm. Le dimensioni complessive del set di immagini prodotte erano pari a 1,8 GB. A partire da questo insieme di immagini, è stato creato un modello di nuvola di punti in 3D costituito da circa 6 milioni di punti.

Vantaggi

  • I vantaggi derivanti dalla campionatura di una quantità tale di punti sono significativi, soprattutto se confrontati con le tecniche di misurazione tradizionali.
  • Con una sola scansione CT, Pneutronics ha acquisito tutti i dati necessari allo studio della valvola, tagliando le tempistiche connesse con l'ulteriore scansione volta a ottenere nuove misurazioni.
  • Ma la cosa più importante è che l'elevato numero di punti ha migliorato enormemente la precisione e il grado di dettaglio del modello, traducendosi in dati di progettazione più accurati e in un'analisi del prodotto più completa.

2) Confronto con il modello CAD

Dopo la scansione e dopo aver generato il modello in 3D, la serie di dati contenuta nella nuvola di punti è stata allineata al modello CAD in 3D con il metodo best-fit. Il software mette a confronto tutti i punti della nuvola con le informazioni della superficie CAD, le deviazioni, e li mostra attraverso una mappa di colori.

3) Dimensionamento geometrico a tolleranza

Il software PolyWorks ha consentito a Pneutronics di effettuare il il controllo dimensionale sulle tolleranze geometriche (GD&T) e di sviluppare in modo efficace un disegno meccanico standard definendo, per l’assieme, un sistema di coordinate di riferimento basato su datum. Utilizzando il modello CAD 3D, vengono estratte automaticamente le primitive, come ad esempio piani, cilindri e coni dalla nuvola di punti. Per definire i piani della valvola pneumatica da considerare come datum per il sistema di riferimento, viene utilizzato il modello CAD 3D. PolyWorks estrae quin di il piano corrispondente dalla nuvola di punti utilizzando i punti circostanti a questa entità geometrica CAD entro una distanza di 0,25 mm. Successivamente vengono esclusi i punti le cui normali eccedono di 20 gradi rispetto alla normale della superficie di riferimento. Attraverso questo processo di filtraggio, a partire dai milioni di punti scansionati si ottiene un datum di riferimento corretto. Il best-fit iniziale viene usato quindi solo per allineare i punti abbastanza vicini da consentire al software di trovare i punti che formano i datum di riferimento e altre entità geometriche.
 
Il disegno mostra come i datum di riferimento, i cilindri, i piani, ecc. estratti sono interconnessi. Il disegno specifica le tolleranze con le condizioni materiali minime/massime. Queste relazioni vengono inviate al software di ispezione PolyWorks. Questo è un aspetto essenziale, perché, ad esempio, qualora il disegno specifichi che per un determinato cilindro debba essere verificata una tolleranza di posizione rispetto ai datum di riferimento A, B e C, il software allineerà conseguentemente la nuvola di punti. Dopo l'estrazione di ciascuna entità geometrica desiderata e il relativo confronto rispetto a ciò che è stato definito sul disegno, le informazioni vengono esportate in formato Excel a scopo documentativo.

4) Assemblaggio virtuale

Pneutronics voleva potenziare alcune caratteristiche prestazionali specifiche della X-valve, e aveva bisogno di un report GD&T accurato in grado di mettere in evidenza lo stato attuale delle dimensioni critiche. Brenner aveva deciso di valutare l'interazione dell'acciaio inossidabile e dei componenti in gomma con il corpo in plastica. La valvola è costituita da componenti di diversi materiali, tra cui plastica, gomma, acciaio inossidabile e cavi in rame. Tutti questi materiali presentano densità diverse; il che significa che lo scanner CT avrebbe dovuto utilizzare diversi livelli di energia per ciascun componente. Non era possibile suddividere i materiali per sottoporli individualmente alla scansione e, quindi, tentare di ricostruirli in un modello accurato. Per visualizzare il particolare, si è pertanto deciso di impiegare un approccio diverso.

I particolari cilindrici in acciaio inossidabile sono stati misurati con strumenti convenzionali come, ad esempio, comparatori e calibri. Una volta confermato che erano in tolleranza, il particolare è stato assemblato virtualmente in PolyWorks usando i modelli CAD dei cilindri in acciaio inox e della valvola in gomma. Sono quindi stati sovrapposti in 3D ai dati del corpo acquisiti mediante scansione.

L'assemblaggio virtuale ha convalidato il disegno dal punto di vista geometrico, e ha confermato che la valvola avrebbe chiuso con le modalità previste. Una volta validato il progetto, il punto focale dell'indagine si è spostato verso il processo di assemblaggio.

Per visualizzare solo i componenti in metallo, è stato usato uno scanner CT con una tensione maggiore. Le scansioni hanno rivelato che, quando l'attuatore veniva premuto nel corpo, poteva verificarsi uno spostamento rispetto all’allineamento; pertanto si è rivelato necessario un controllo del processo di assemblaggio.

L'ispezione geometrica e l'assemblaggio virtuale si sono rivelati importanti per capire l'interazione tra i componenti, e ha consentito a Pneutronics, per migliorare la valvola, di concentrarsi maggiormente sul processo di assemblaggio rispetto a quello di progettazione.

Automazione e report

PolyWorks offre un potente linguaggio di script che permette agli specialisti di automatizzare interi cicli di Tutte le attività precedentemente trattate in questo articolo possono essere automatizzate ed eseguite con un solo clic del mouse; si tratta semplicemente di caricare la nuvola di punti successiva e di esportare i risultati in un foglio di calcolo di Excel o di caricarli in un server Web in formato HTML. Questo livello di automazione si rivela particolarmente utile quando vengono ispezionate lavorazioni con più cavità. Bolton Works usa PolyWorks dal 2003 per creare report di ispezione automatici a partire dai dati della scansione CT.

Vantaggi

Come è possibile osservare dai risultati ottenuti da Pneutronics, la scansione CT ha dato prova di essere un modo economico per implementare un pratico processo di ispezione delle valvole miniaturizzate. L'uso degli strumenti di misurazione tradizionali a contatto si è rivelato difficoltoso; l'uso di uno scanner CT abbinato ai tool software giusti ha consentito, invece, di definire un processo di ispezione digitale completo presso Pneutronics, applicabile a differenti fasi del processo di produzione (progettazione, prototipazione, produzione e assemblaggio). Questo metodo di ispezione ha dato prova di grande efficacia nella validazione di particolari attraverso l'analisi globale, le misurazioni GD&T e l'assemblaggio virtuale.
 
PolyWorks è risultato essere lo strumento più indicato per la gestione di dati acquisiti mediante scanner CT per varie ragioni:

  • PolyWorks gestisce in modo molto efficiente le quantità di dati di grandi dimensioni (2 GB) prodotte dagli scanner CT;
  • PolyWorks offre un'analisi globale istantanea, realizzata attraverso confronti tra i dati e il modello CAD;
  • PolyWorks possiede un motore GD&T incorporato unico, che consente di verificare la conformità dei particolari alle norme ASME Y14.5M-1994;
  • PolyWorks consente agli utenti di eseguire un assemblaggio virtuale dei dati acquisiti mediante scansione con i modelli CAD;
  • PolyWorks offre un potente linguaggio di script che consente di automatizzare i processi di ispezione.

Gli scanner CT richiedono un importante investimento di capitale. Fornendo la scansione CT come servizio, Bolton Works ha reso la tecnologia accessibile, permettendo allo stesso tempo ai propri clienti di eseguire le analisi in sede usando la nuvola di punti e la guida della soluzione software PolyWorks.

Il prodotto presentato

Gli strumenti di metrologia 3D standard di settore per l'ingegneria di prodotto, guida di montaggio e ispezione finale.