Miniature Precision Components

Krimp, vervorming en tijd

InnovMetric en ShapeGrabber helpen MPC Molder bij het nemen van tijdige productiebeslissingen voor auto-onderdelen.

Aangezien de basisproducten van Miniature Precision Components (MPC) (d.w.z. PCV-kleppen, connectoren, slangen, fittingen, vloeistofreservoirs, vuldoppen enz.) basisproducten werden met krimpende winstmarges, begon MPC automakers nieuwe producten aan te bieden, waaronder motorafdekkingen met logo. In tegenstelling tot bijna alle eerdere producten van MPC zijn dit zeer gestileerde onderdelen: gewelfd, reliëf of geribbeld. Dit zijn wat autofabrikanten 'uiterlijke' onderdelen noemen: kopers in showrooms van dealers bekijken ze.

Aangezien deze onderdelen vele malen groter waren dan bijna alles wat MPC eerder had gedaan, vormden krimp en kromtrekken nieuwe en moeilijke uitdagingen op het gebied van kwaliteitsborging. Om de productie op schema te krijgen, moesten de engineers in te weinig tijd en met te weinig gegevens cruciale beslissingen nemen op het gebied van gereedschap en processen.

Het selecteren en implementeren van elk van deze maatregelen kan gemakkelijk vier weken in beslag nemen, waardoor er geen tijd overblijft voor verdere probleemoplossing. "Vier weken is het enige tijdsbestek dat we hebben om het spuitgietproces bij te stellen en te stabiliseren", zei Clark, "en we moeten ons met veel meer bezighouden dan alleen krimp en kromtrekken."

MPC loste de problemen met krimp en kromtrekken op met behulp van een ShapeGrabber 3D-laserscanner en de op puntenwolken gebaseerde inspectiesoftware PolyWorks^® van InnovMetric Software. Het slimme management van MPC zette de oplossing om in een paar concurrentievoordelen: Een snellere marktintroductietijd en een hogere kwaliteitsgarantie!

De uitdaging

Het grote probleem waar spuitgieters mee te maken hebben bij krimp en kromtrekken is dat deze problemen verschillende oorzaken hebben. Krimp is materiaalgerelateerd; het varieert van 2% tot 14% en kan variëren tussen harsbatches. Vervorming heeft te maken met koeling en het gebruik van dikke en dunne doorsneden door de ontwerper. Om deze uitdagingen op het gebied van afmetingen en toleranties met succes aan te gaan, is veel analyse en berekening plus jarenlange ervaring nodig.

Matrijsmakers beginnen een nieuw gereedschap te ontwerpen met geschatte krimpwaarden uit het veiligheidsinformatieblad (MSDS) van de kunsthars. Om kromtrekken tegen te gaan, passen makers van mallen hun kennis van poortopeningen, ventilatieopeningen en waterleidingen toe. Maar totdat een gereedschap gebouwd en in uitvoering is, zijn krimp en vervorming slechts beredeneerde gissingen.

Tastend meten, vormstroomanalyse en fotogrammetrie schieten tekort

Vóór laserscannen en inspectie op basis van puntenwolken hadden spuitgieters geen hulpmiddelen voor oppervlakte-inspectie die zowel uitgebreid als snel waren. De beste beschikbare methoden waren tastend meten met een coördinatenmeetmachine (CMM), vormstroomanalyse en fotogrammetrie. Deze methoden schoten echter allemaal tekort.

Tastend meten

Tastend meten mist kleine oneffenheden, verzakkingen en, zoals Clark aangaf, "subtielere dingen zoals een krommingsverschuiving in de pitch van een paar X- en Y-punten die een ander punt uit zijn Z-tolerantie verdraait", Daarom zijn er voor een grondige inspectie van een oppervlak 500.000 driedimensionale (3D-) punten nodig en soms wel een miljoen of meer, in plaats van de paar honderd die het tastproces oplevert.

Bovendien, voegt Clark eraan toe, "kost het de CMM zeven werkdagen om een taak in te stellen, nog eens twee dagen om te meten en daarna nog eens vijf dagen om alle gegevens te verwerken. Omdat de CMM altijd druk is, kan het zijn dat we nog zeven dagen moeten wachten om een plaats in de wachtrij te krijgen. Dus met punt-voor-punt-methoden hebben we in het beste geval maar twee pogingen om het goed te doen."

Vormstroomanalyse

Vormstroomanalyse is een computersimulatie die voorspelt hoe een hars zal krimpen en vervormen op basis van de locatie en grootte van de poortopeningen van de tool. Er zijn drie grote nadelen:

• Er worden nominale afmetingen gebruikt in plaats van werkelijke inspectiegegevens van het onderdeel; latere matrijsrevisies kunnen niet gemakkelijk worden aangepast.
• Voorspellingen van kromtrekken zijn alleen theoretisch en digitaal. Om verder te gaan dan het virtuele domein van de vormstroom zijn verfijningen nodig die matrijsmakers kunnen weigeren te leveren.
• Zoals elke simulatie, bevatten vormstroomanalyses impliciete aannames en numerieke waarden die in de echte wereld mogelijk niet standhouden.

"We moeten weten wat er werkelijk in de matrijs gebeurd is, niet wat er had moeten gebeuren", zei Clark. Vormstroomanalyse is ook duur, tot wel $12.000 per gereedschap, en neemt meestal twee van de toegewezen vier weken in beslag.

Fotogrammetrie

Fotogrammetrie is letterlijk meten met fotografie met hoge resolutie. Fotogrammetrie legt oppervlakken vast die vele malen groter zijn dan laserscanners, maar voor uitlijning kunnen vastgelijmde doelen nodig zijn. Zodra de foto's gedigitaliseerd zijn, kunnen ze gemakkelijk vergeleken worden met een gedownload CAD-bestand of kunnen ze geüpload worden naar een CAD-bestand als een oppervlaktepatch.

Fotogrammetrie werd uitgeprobeerd als alternatief voor het controleren van opspanningen en meters voor motorvacuümleidingen. "Het inspectieprobleem is dat ze voor elke motor anders zijn", zei Clark. "In de 13 jaar dat ik hier ben, hebben we meer dan duizend meters gekocht die waarschijnlijk in totaal $3,5 miljoen hebben gekost. Dit zijn zwarte onderdelen, dus ze zijn slecht of helemaal niet te fotograferen", voegde hij eraan toe, "en we hebben altijd problemen met omgevingslicht en diepteperceptie in de Z-as."

De combinatie van snelheid en gebruiksgemak van de scanner maakt de scanner toegankelijk voor een groter aantal gebruikers, en vermindert de instel- en inspectietijd, waardoor de inspectiekosten drastisch dalen in vergelijking met alternatieve methoden.

De gegevens die MPC nodig heeft, zijn in 15 minuten beschikbaar – in plaats van in dagen 

Op puntenwolken gebaseerde inspectie in PolyWorks

De inspecties van MPC van motorafdekkingen worden nu uitgevoerd met kaarten in full-color van toleranties in PolyWorks|Inspector. PolyWorks vergelijkt miljoenen gegevenspunten die door de scanner zijn verkregen met het CAD-referentiemodel. Specialisten van MPC stellen toleranties in PolyWorks in om de aanvaardbare en niet-aanvaardbare afwijking tussen gegevenspunten en CAD-model te bepalen. Het scherm gebruikt het hele kleurenspectrum van rood (plus toleranties, te veel materiaal) tot blauw (min toleranties, te weinig materiaal). Omdat de tolerantieband van de kleurenkaart instelbaar is, is het een uitstekend hulpmiddel voor wat-als-analyses. "Met de kleurenkaarten kunnen we zien wat er werkelijk in de matrijs gebeurt, welke oppervlakken beïnvloed worden door het veranderen van een tolerantie en hoeveel", legt Clark uit. "Wat de kleurenkaart ons echt laat zien", voegde hij eraan toe, "is hoe het plastic onderdeel in de matrijs zweeft. We weten dat het materiaal van het onderdeel zal krimpen tot de juiste afmetingen en dat de vervorming tijdens het afkoelen het onderdeel in de vorm zal brengen waar de ontwerper om vroeg."

Als engineers van MPC iets moeten controleren dat oorspronkelijk niet gespecificeerd was in de inspectielay-out, klikken ze gewoon op het punt in de gegevens of voegen ze punten toe door opnieuw te scannen. In beide gevallen is het slechts een kwestie van minuten. In het verleden moest de CMM opnieuw geprogrammeerd worden. "Om ook maar één afgetast punt toe te voegen, moest je helemaal opnieuw beginnen", zei Clark. "Dat duurt nooit minder dan twee dagen."

Voor gebruikers bij MPC en haar klanten was ShapeGrabber met PolyWorks het enige systeem dat dit kon:

• Gelijke tred houden met productiesnelheden en inspectiefrequenties
• San de standaard herhaalbaarheids- en reproduceerbaarheidstests (R&R) voldoen die inspectiesystemen certificeren

Bij een R&R-test meet een operator een kenmerk op 10 onderdelen drie keer. Vervolgens meet een tweede operator hetzelfde kenmerk nog drie keer op dezelfde 10 onderdelen en worden de resultaten vergeleken. PolyWorks en ShapeGrabber hebben deze tests met succes doorstaan.

Alle andere lasergebaseerde benaderingen waren veel te langzaam. Geen van deze kon de benodigde gegevens in minder dan twee of drie uur verzamelen. 

"Binnen enkele minuten, in plaats van twee of drie weken, geeft het scannen ons alle oppervlaktegegevens die we nodig hebben om een keuze te maken uit de productieopties", aldus Clark. "We krijgen de uitlijning en opmaak van PolyWorks bijna in realtime. Eindelijk hebben we genoeg tijd om de moeilijke productiebeslissingen te nemen." Hij voegde eraan toe: "Omdat we alle benodigde gegevens over afmetingen en toleranties zo snel kunnen verzamelen, hebben we enkele dagen extra om elke opdracht te engineeren en te analyseren. Die extra tijd is een enorme hulp als we moeten beslissen of we naar lossere toleranties moeten streven, het gereedschap moeten aanpassen, het proces op de een of andere manier moeten veranderen of een koelopspanning moeten laten maken." 

De gewonnen tijd betekent ook dat engineers terug kunnen gaan om zaken nog een keer te bekijken. Dit kan ook betrekking hebben op verdachte gebieden in een nieuwe partij monsteronderdelen. "ShapeGrabber en PolyWorks helpen ons tijdens het hele instelproces", merkt Clark op.

"Wij geloven dat MPC een rendement op investering (ROI) van twee weken heeft behaald met ShapeGrabber en PolyWorks", voegde hij eraan toe. "Ze hebben ons twee nieuwe concurrentievoordelen gegeven: een compromisloze kwaliteitsgarantie en een snelle start van de productie. Met 3D-scannen en puntenwolkgebaseerde inspectie hebben we nu meerdere dagen extra om cruciale zakelijke beslissingen te nemen. ShapeGrabber en InnovMetric hebben ons tijdens het hele instellingsproces geholpen", legt Gregory Clark uit.