Pneutronics

Řešení konstrukčních a výrobních problémů v rané fázi.

Geometrická kontrola malých komponent s využitím CT skenerů a softwaru PolyWorks^®.

Ke kontrole a funkční analýze malých komponent a sestav vyráběných vstřikováním plastů je zapotřebí zcela nový způsob myšlení. V současné době lze nekonvenční hardwarové a softwarové nástroje použít v ojedinělých kombinacích, které poskytují lepší a snáze pochopitelné výsledky v případech, kdy se rozměrová kontrola provádí na malých a složitých geometrických tvarech. Tento článek popisuje, jak společnost Bolton Works použila softwarovou sadu PolyWorks k vytvoření virtuální sestavy pomocí naskenovaných komponent a CAD modelů, což expertům umožnilo řešit konstrukční a výrobní problémy v rané fázi. Prostřednictvím případové studie, která zkoumá divizi Pneutronics, výrobce miniaturních ventilů a čerpadel patřící pod společnost Parker Hannifin, tento článek dále vysvětluje, jak můžete CT skenery využít k efektivnímu měření malých prvků a provádění různých úkolů kontroly kvality, jakými jsou geometrické dimenzování a tolerování.

Výzva

S příchodem lepších konstrukčních nástrojů a materiálů se inženýři snaží integrovat do vstřikovaných dílů více funkcí. Zlepšují se tím celkové náklady a také doba a spolehlivost montáže. „Dotykové“ měřicí nástroje, jako jsou posuvná měřítka, přípravky nebo CMM (souřadnicové měřicí stroje), se naneštěstí ukázaly jako neúčinné v případě měření malých komponent (< 25 mm) s velikostí prvků do 1 mm.

Zde uvádíme několik důvodů proč:

• Mechanické dotykové sondy díky své setrvačnosti stanovují limity rychlosti, kterou mohou pracovat, a tím omezují množství datových bodů, které je vzato do vzorku.
• Geometrie vytvořená pomocí posuvných jader a vložek ve vstřikovací formě často vytváří vybrání, kterých nelze dosáhnout běžnými nástroji v jedné konfiguraci formy.
• Velikost sondy omezuje velikost prvků, které lze měřit.
• CMM musí být naprogramován jako CNC obráběcí stroj, aby se sonda dostala do oblasti zájmu a přitom se vyhnula přípravku, který drží díl.
• Přístroje, optické komparátory, mikroskopy a další položky pracují ve 2 rozměrech. Tyto přístroje pracují v rovinných sekcích a nenabízejí informace o tom, jak se měřené prvky vztahují k jiným prvkům ve 3D prostoru, což je hlavní nevýhoda, když potřebujete použít geometrické základny.

Řešení

Obrat k CT skenerům

Pneutronics, divize společnosti Parker Hannifin Corporation (Hollis, NH), navrhuje a vyrábí miniaturní elektromagnetické ventily, miniaturní membránová čerpadla a systémová řešení pro kritické aplikace distribuce tekutin. Produktová řada ventilů Pneutronics zahrnuje miniaturní digitální, proporcionální a multimediální elektromagnetické ventily s velikostí otvoru od 0,076 mm do 6,35 mm, které se používají v řadě zdravotnických technologií a analytických přístrojů.

V roce 2003 hledala společnost Pneutronics technologii, která by jí umožnila analyzovat ventil nedestruktivním způsobem. Zvolený výrobek, XValve®, je dvoupolohový, třícestný miniaturní pneumatický ventil (24 × 8 × 9 mm), který sestává z pouzdra ventilu vyrobeného z polymeru plněného sklem, jádra a servopohonu z nerezové oceli, pístu s elastomerovým těsněním a elektromagnetu.

Důležitým požadavkem při rozhodování o technologii bylo nalézt řešení, které by dokázalo přesně měřit plastové i silikonové komponenty. Drew Brenner, vývojový inženýr společnosti Pneutronics, prozkoumal mnoho možností, než se obrátil na firmu Bolton Works a jejich službu CT skenování, s jejíž pomocí byla vygenerována kompletní „digitální“ papírová stopa metrologického procesu.

Proces kontroly

1) Digitalizace dílů

Aby společnost Bolton Works mohla pracovat se směsí materiálů, které se nacházejí v sestavě ventilu X-Valve, začala samostatným skenováním (modrého) plastového pouzdra. Výsledkem byl datový soubor sestávající z 1500 snímků a vzdálenosti mezi snímky 20 μm. Celková velikost vytvořeného datového souboru ze snímků byla 1,8 gigabajtů. Z této hromady snímků bylo následně vytvořeno 3D mračno bodů sestávající ze zhruba 6 milionů bodů.

Výhody:

• Výhody vzorkování takového množství datových bodů jsou značné, zejména ve srovnání s tradičními měřicími technikami.
• S pomocí jednoho CT skenování společnost Pneutronics získala všechna data potřebná ke studiu ventilu, čímž eliminovala čas potřebný k dalšímu skenování pro získání nových měření.
• Co je však nejdůležitější, velké množství bodů výrazně zlepšilo přesnost a detaily modelu, což vedlo k přesnějším datům o designu a kompletnější analýze výrobku.

2) Porovnání s CAD

Po naskenování a vygenerování 3D mraku bodů, byla tato data zarovnána s 3D CAD modelem pomocí metody „nejlepšího proložení“. Software porovnává každý bod v mračnu bodů s informacemi o povrchu z CAD, zaznamenává odchylky a zobrazuje je v barevné mapě.

3) Geometrické dimenzování a tolerovaní

Software PolyWorks umožnil společnosti Pneutronics provádět geometrické dimenzování a tolerování (GD&T) a efektivně vyvinout standard výkresu definováním referenčního souřadnicového systému sestavy na bázi geometrických základen. Využívá 3D CAD model a automaticky extrahuje z mračna bodů primitivní prvky, jako jsou roviny, válce a kužely. K definování geometrických základen pro pneumatický ventil byla identifikována rovina v 3D CAD modelu. Software PolyWorks poté extrahoval odpovídající rovinu z mračna bodů pomocí bodů obklopujících tento CAD prvek ve vzdálenosti 0,25 mm. Dále vyloučil body, jejichž normály se nenacházely v toleranci 20stupňového pásma kolem normály povrchu. Díky tomuto vyfiltrování byla z milionů naskenovaných datových bodů vytvořena správná geometrická základna. Počáteční zarovnání na nejlepší proložení proto slouží pouze k zarovnání bodů s CAD daty, aby software mohl extrahovat body, které tvoří geometrické základny a další prvky.

Výkres ukazuje, jak spolu extrahované nulové prvky, válce, roviny a další položky souvisí. Výkres specifikuje tolerance s maximálními/minimálními materiálovými podmínkami. Tyto vztahy jsou dále vloženy do kontrolního softwaru PolyWorks. Je to nezbytné, protože pokud výkres specifikuje, že válec by měl být umístěn k základně A, B a C, software by měl virtuálně zarovnat mračno bodů odpovídajícím způsobem. Po extrahování požadovaných prvků a jejich porovnání s tím, co bylo definováno na výkresu, jsou informace vygenerovány jako výstup ve formátu Excel pro účely dokumentace.

4) Virtuální sestava

Společnost Pneutronics si přála zlepšit konkrétní výkonové vlastnosti ventilu X-Valve a potřebovala přesný protokol z GD&T s důrazem na aktuální stav kritických rozměrů. Drew Brenner se rozhodl vyhodnotit interakci komponent z nerezové oceli a pryže s plastovým pouzdrem. Sestava ventilu se skládá z komponent vyrobených z různých materiálů včetně plastové, pryžové, nerezové a měděné kabeláže. Každý z těchto materiálů má jinou hustotu, což znamená, že během CT skenování bylo nutné pro každou komponentu použít jinou úroveň energie. Nebylo možné rozdělit materiály pro samostatné naskenování a následně se pokusit o jejich rekonstrukci do přesného modelu. Bylo tedy rozhodnuto, že k vizualizaci sestavy bude použit jiný přístup.

Válcové díly z nerezové oceli byly měřeny pomocí běžných nástrojů, jako jsou komparátory a posuvná měřítka. Po potvrzení toho, že se komponenty nacházejí v rámci tolerance, byl díl virtuálně sestaven v PolyWorks s využitím CAD modelů nerezových válců a pryžového ventilu a poté bylo vše ve 3D překryto naskenovanými daty pouzdra.

Virtuální sestava ověřila geometrii designu a potvrdila, že ventil by se měl uzavřít tak, jak bylo zamýšleno. Vzhledem k tomu, že návrh byl nyní ověřen, byl jádrem zkoumání proces montáže.

K samostatné vizualizaci kovových komponent byl použit CT skener s vyšším napětím. Skeny odhalily, že při zatlačení servopohonu do krytu, mohlo dojít k jeho posunu mimo zarovnání. Byla proto požadována revize procesu montáže.

Kontrola geometrie a virtuální sestavení byly zásadní pro pochopení interakce komponent a umožnily společnosti Pneutronics soustředit se na proces montáže spíše než na proces designu za účelem vylepšení ventilu.

Automatizace a protokoly

Software PolyWorks nabízí výkonný skriptovací jazyk, který umožňuje expertům automatizovat celé kontrolní úkoly. Všechny úkoly, které probíráme v tomto článku, mohou být automatizovány a provedeny jediným kliknutím myší. Vždy jde pouze o akci načtení dalšího mračna bodů a výstup výsledků do tabulky aplikace Excel nebo nahrání na webový server ve formátu HTML. Tato úroveň automatizace je užitečná především při kontrole nástrojů s více kavitami. Společnost Bolton Works používá software PolyWorks od roku 2003 k automatickému vytváření kontrolních protokolů z CT skenování.

Výhody

Jak ukazují výsledky společnosti Pneutronics, CT skenování se ukázalo být nákladově efektivním způsobem implementace životaschopného procesu kontroly miniaturních ventilů. Použití tradičních „dotykových“ měřicích nástrojů se ukázalo být obtížné. Použití CT skeneru v kombinaci se správnými softwarovými nástroji umožnilo společnosti Pneutronics zavést kompletní digitální kontrolní proces, který lze použít v různých fázích výrobního procesu (design, prototyp, výroba a montáž). Tato technika kontroly se ukázala být velmi účinná při ověřování dílů prostřednictvím obecných analýz, měření GD&T a virtuální sestavy.

Software PolyWorks se ukázal být nejvhodnějším nástrojem pro práci s daty pocházejícími z CT skeneru, a to z různých důvodů:

• Software PolyWorks velmi efektivně zpracovává velké datové sady (2 GB) generované CT skenery.
• Software PolyWorks nabízí okamžitou obecnou analýzu porovnáním dat s CAD informacemi.
• Software PolyWorks má unikátní vestavěný mechanismus GD&T, který ověří, zda díly splňují nejnovější standardy (ASME Y14.5M-1994).
• Software PolyWorks umožňuje uživatelům „virtuálně sestavit“ naskenovaná data pomocí CAD modelů.
• Software PolyWorks nabízí výkonný skriptovací jazyk pro automatizaci procesů kontroly.

CT skenery vyžadují značnou finanční investici. Poskytováním CT skenování jako služby učinila společnost Bolton Works technologii dostupnou. Stále však umožňuje svým zákazníkům provádět vlastní analýzy mračen bodů pomocí softwarového řešení PolyWorks.