Ontwerp- en fabricageproblemen in een vroeg stadium aanpakken
Geometrische inspectie van kleine onderdelen met CT-scanners en PolyWorks®
Er is een compleet nieuwe manier van denken nodig voor de inspectie en functionele analyse van kleine spuitgegoten onderdelen en assemblages. Tegenwoordig worden niet-conventionele hardware en softwaretools in een unieke combinatie gebruikt, wat betere en eenvoudiger te begrijpen resultaten oplevert wanneer dimensionale inspectie wordt uitgevoerd op kleine en complexe geometrische vormen. In dit artikel wordt beschreven hoe Bolton Works de PolyWorks®-suite gebruikte om een virtuele assemblage uit te voeren met behulp van gescande onderdelen en CAD-modellen, waardoor specialisten ontwerp- en fabricageproblemen in een vroeg stadium konden aanpakken. Aan de hand van een casestudy over de divisie Pneutronics van miniatuurkleppen- en pompenfabrikant Parker Hannifin wordt in dit artikel ook uitgelegd hoe CT-scanners gebruikt kunnen worden om kleine kenmerken efficiënt te meten en diverse kwaliteitscontroletaken uit te voeren, zoals geometrische dimensionering en toleranties (vorm- en plaatstoleranties).
De uitdaging
Met de komst van betere ontwerphulpmiddelen en materialen proberen engineers meerdere functies in spuitgegoten onderdelen te integreren. Hierdoor worden de totale kosten, assemblagetijd en betrouwbaarheid van de assemblage verbeterd. Helaas is gebleken dat 'contact'-meetgereedschap zoals schuifmaten, kalibers of CMM's (coördinatenmeetmachines) niet effectief zijn voor het meten van kleine componenten (< 25 mm) met kenmerkgroottes kleiner dan 1 mm.
Hier zijn enkele redenen waarom:
- Mechanische meettasters stellen vanwege hun inertie grenzen aan de snelheid waarmee ze kunnen werken en beperken daarom het aantal gegevenspunten dat bemonsterd wordt.
- Geometrie die gecreëerd wordt door het gebruik van geleiders en inzetstukken in de spuitgietmatrijs creëert vaak ondersnijdingen die niet bereikt kunnen worden door conventionele gereedschappen in één enkele opstelling.
- De grootte van een taster beperkt de grootte van de kenmerken die gemeten kunnen worden.
- Een CMM moet net als een CNC-bewerkingsmachine geprogrammeerd worden om de taster naar het gebied van interesse te krijgen, terwijl de opspanning die het onderdeel vasthoudt, vermeden wordt.
- Meters, optische comparatoren, microscopen, enz. werken allemaal in 2 dimensies. Deze instrumenten werken in vlakke doorsneden en bieden geen informatie over hoe de gemeten kenmerken zich verhouden tot andere kenmerken in de 3D-ruimte, wat een groot nadeel is wanneer er een referentiepunt gebruikt moet worden.
De oplossing
Het gebruik van CT-scanners
Pneutronics, een divisie van Parker Hannifin Corporation (Hollis, NH), ontwerpt en produceert miniatuur magneetventielen, miniatuur membraanpompen en systeemoplossingen voor kritische vloeistoftoepassingen. De kleppenproductlijn van Pneutronics omvat digitale, proportionele en multimediale magneetventielen met openingen van 0,003" tot 0,250", die gebruikt worden in een reeks medische technologieën en analytische instrumentatie.
In 2003 was Pneutronics op zoek naar een technologie om een klep op een niet-destructieve manier te analyseren. Dit product, XValve®, is een pneumatische miniatuur driewegklep (24 mm x 8 mm x 9 mm) met twee standen die bestaat uit een klephuis van glasgevuld polymeer, een roestvrijstalen kern, een roestvrijstalen actuator, een plunjer met een elastomeer afdichting en een elektromagneet.
Het vinden van een oplossing die zowel de kunststof- als de siliconenrubbercomponenten nauwkeurig kon meten, was een belangrijke vereiste voor de keuze van de technologie. Development engineer Drew Brenner van Pneutronics onderzocht vele opties voordat hij zich tot Bolton Works en haar CT-scanservice wendde om een volledig 'digitaal' papieren spoor van het meetproces te genereren.
CT-scanners (computertomografie) worden in de industriële en medische wereld gebruikt om informatie vast te leggen van zowel de binnen- als de buitenkant van een te onderzoeken object. Een CT-scanner bestaat uit een röntgenbron, een platform waarop het object geplaatst wordt en een detector. Een CT-scanner meet de demping van de röntgenstralen die door een voorwerp gaan en creëert een complete 3-dimensionale volumetrische gegevensset. Het gedigitaliseerde model bestaat uit zeer dichte puntenwolken die uit enkele miljoenen punten kunnen bestaan.
Om deze grote hoeveelheid informatie te verwerken, wendde Bolton Works zich tot PolyWorks®, de softwareoplossing van InnovMetric voor het verwerken van puntenwolken. Na enkele jaren puntenwolkverwerking in de auto- en luchtvaartindustrie heeft PolyWorks bewezen het meest robuuste softwarepakket te zijn dat in staat is om de grote puntenwolken die door CT-scanners worden gegenereerd, efficiënt te verwerken.
Door gebruik te maken van CT-scantechnologie en PolyWorks heeft Pneutronics de productontwikkelingstijd verkort, aanzienlijke input verkregen en hun testproces gestroomlijnd.
Het inspectieproces
1) Digitaliseren van onderdelen
Om te kunnen werken met de mix van materialen die aanwezig zijn in de X-Valve-assemblage, begon Bolton Works met het afzonderlijk scannen van de (blauwe) kunststof behuizing, wat resulteerde in een dataset bestaande uit 1.500 afbeeldingen met een afstand tussen de afbeeldingen van 20 μm. De totale grootte van de geproduceerde afbeeldingsdataset was 1,8 gigabyte. Van deze stapel afbeeldingen werd een 3D-puntenwolkmodel gemaakt dat uit ongeveer 6 miljoen gegevenspunten bestond.
Voordelen:
- De voordelen van het bemonsteren van zoveel gegevenspunten zijn aanzienlijk, vooral in vergelijking met traditionele meettechnieken.
- Met één CT-scan verkreeg Pneutronics alle gegevens die nodig waren om de klep te bestuderen, waardoor er geen tijd meer nodig was voor extra scans voor nieuwe metingen.
- Het belangrijkste is dat het grote aantal gegevenspunten de precisie en gedetailleerdheid van het model sterk verbeterde, wat resulteerde in nauwkeurigere ontwerpgegevens en een completere productanalyse.
2) Vergelijking met CAD
Na het scannen en genereren van het 3D-model werden de puntenwolkgegevens uitgelijnd met het 3D CAD-model met behulp van een 'best fit'-methode. De software vergelijkt elk punt op de puntenwolk met de informatie van CAD-oppervlakken, registreert afwijkingen en geeft deze weer in een kleurenkaart.
3) Geometrische dimensionering en toleranties (vorm- en plaatstoleranties)
Met de PolyWorks-software kon Pneutronics vorm- en plaatstoleranties (GD&T, geometrische dimensionering en toleranties) uitvoeren en efficiënt een mechanische tekenstandaard ontwikkelen door een referentiecoördinatensysteem op basis van nulpunten te definiëren voor de assemblage. Deze standaard gebruikt het 3D CAD-model en extraheert automatisch primitieven, zoals vlakken, cilinders en kegels, uit de puntenwolk. Om de nulpuntvlakken voor de pneumatische klep te definiëren, werd het vlak in het 3D CAD-model geïdentificeerd. PolyWorks extraheerde vervolgens het overeenkomstige vlak uit de puntenwolk door punten te gebruiken die dit CAD-kenmerk omgeven binnen een afstand van 0,25 mm. Verder werden punten uitgesloten waarvan de normalen niet binnen een bandtolerantie van 20 graden van de oppervlaktenormaal lagen. Door dit filterproces werd uit de miljoenen gescande gegevenspunten een correct referentiepunt geconstrueerd. De initiële best-fit wordt daarom alleen gebruikt om de punten dicht genoeg bij elkaar uit te lijnen zodat de software de punten kan vinden die de nulpunten en andere kenmerken vormen.
De tekening laat zien hoe de geëxtraheerde nulpunten, cilinders, vlakken, enz. zich tot elkaar verhouden. De tekening specificeert de toleranties met maximum/minimum materiaalvoorwaarden. Deze relaties worden ingevoerd in de PolyWorks-inspectiesoftware. Dit is van essentieel belang, want als de tekening aangeeft dat een cilinder moet worden gepositioneerd ten opzichte van referentiepunt A, B en C, dan moet de software de puntenwolk virtueel overeenkomstig uitlijnen. Na extractie van de gewenste kenmerken en vergelijking met wat er op de tekening was gedefinieerd, wordt de informatie voor documentatiedoeleinden uitgevoerd in Excel-formaat.
4) Virtuele assemblage
Pneutronics wilde specifieke prestatiekenmerken van de X-Valve verbeteren en had een nauwkeurig GD&T-rapport nodig dat de huidige staat van kritieke afmetingen aangaf. Brenner besloot om de interactie van de roestvrijstalen en rubberen componenten met de kunststof behuizing te evalueren. De klepassemblage bestaat uit componenten van verschillende materialen, waaronder kunststof, rubber, roestvrij staal en koperen bedrading. Al deze materialen hebben een verschillende dichtheid, wat betekent dat de CT-scan voor elk onderdeel verschillende energieniveaus moest gebruiken. Het was niet haalbaar om de materialen afzonderlijk te scannen en ze vervolgens te reconstrueren tot een nauwkeurig model. Er werd besloten om een andere aanpak te gebruiken om de assemblage te visualiseren.
De cilindrische roestvrijstalen onderdelen werden gemeten met conventionele gereedschappen zoals comparatoren en schuifmaten. Nadat bevestigd was dat ze binnen de toleranties lagen, werd het onderdeel virtueel gemonteerd in PolyWorks met behulp van de CAD-modellen van de roestvaststalen cilinders en de rubberen klep, waarna deze in 3D werden overlapt met de gescande gegevens van de behuizing.
De virtuele assemblage valideerde het ontwerp geometrisch en bevestigde dat de klep zou moeten sluiten zoals bedoeld. Aangezien het ontwerp nu gevalideerd was, ging de aandacht van het onderzoek uit naar het assemblageproces.
Er werd een CT-scanner met een hoger voltage gebruikt om alleen de metalen onderdelen zichtbaar te maken. De scans lieten zien dat wanneer de actuator in de behuizing werd gedrukt, deze uit de uitlijning kon bewegen. Daarom moest het assemblageproces worden herzien.
De geometrische inspectie en virtuele assemblage waren essentieel voor het begrijpen van de interactie tussen de componenten en stelden Pneutronics in staat om zich te concentreren op het assemblageproces in plaats van op het ontwerpproces om de klep te verbeteren.
Automatisering en rapporten
PolyWorks biedt een krachtige scripttaal waarmee specialisten volledige inspectietaken kunnen automatiseren. Alle taken die eerder in dit artikel zijn besproken, kunnen met één muisklik worden geautomatiseerd en uitgevoerd. Het is gewoon een kwestie van de volgende puntenwolk laden en de resultaten uitvoeren naar een Excel-spreadsheet of uploaden naar een webserver in HTML-formaat. Dit automatiseringsniveau is vooral nuttig bij het inspecteren van gereedschap met meerdere caviteiten. Bolton Works gebruikt PolyWorks sinds 2003 om automatisch inspectierapporten te maken van CT-scangegevens.
De voordelen
Zoals de resultaten bij Pneutronics laten zien, bleek CT-scannen een kosteneffectieve manier te zijn om een levensvatbaar inspectieproces van miniatuurkleppen te implementeren. Het gebruik van traditionele 'contact'-meetinstrumenten was moeilijk gebleken. Het gebruik van een CT-scanner in combinatie met de juiste softwaretools heeft het mogelijk gemaakt om bij Pneutronics een compleet digitaal inspectieproces op te zetten dat in verschillende fasen van het productieproces (ontwerp, prototype, productie en assemblage) kan worden toegepast. Deze inspectiemethode bleek zeer effectief te zijn bij het valideren van onderdelen via globale analyses, GD&T-metingen en virtuele assemblage.
PolyWorks is om verschillende redenen het meest geschikte hulpmiddel gebleken voor het verwerken van CT-scannerdata:
- PolyWorks kan zeer efficiënt omgaan met de grote gegevenssets (2 GB) die door CT-scanners worden geproduceerd.
- PolyWorks biedt onmiddellijke globale analyse via gegevens-naar-CAD-vergelijkingen.
- PolyWorks heeft een unieke ingebouwde GD&T-engine om te controleren of de onderdelen voldoen aan de nieuwste (ASME Y14.5M-1994) normen.
- Met PolyWorks kunnen gebruikers gescande gegevens 'virtueel samenvoegen' met CAD-modellen.
- PolyWorks biedt een krachtige scripttaal om inspectieprocessen te automatiseren.
CT-scanners vereisen een aanzienlijke kapitaalinvestering. Door CT-scannen als een service aan te bieden, heeft Bolton Works de technologie betaalbaar gemaakt en stelt het zijn klanten nog steeds in staat om hun analyses in eigen huis uit te voeren, gebaseerd op de puntenwolk en de hulp van de PolyWorks-softwareoplossing.
