Miniature Precision Components

การหด การบิดงอ และเวลา

InnovMetric และ ShapeGrabber ช่วยให้ MPC Molder ตัดสินใจเรื่องการผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ได้ทันเวลา

เมื่อผลิตภัณฑ์ที่เป็นรายได้หลักของ Miniature Precision Components (MPC) (เช่น วาล์ว PCV, ข้อต่อ, ท่อ, ส่วนต่อ, อ่างเก็บของเหลว, ฝาปิดช่องเติมของเหลว ฯลฯ) กลายเป็นสินค้าโภคภัณฑ์ที่มีอัตรากำไรลดลง MPC จึงต้องเริ่มเสนอผลิตภัณฑ์ใหม่ให้แก่ผู้ผลิตยานยนต์ ซึ่งรวมถึงฝาครอบเครื่องยนต์ที่ประทับตราโลโก้ ชิ้นส่วนเหล่านี้มีสไตล์อย่างยิ่ง ทั้งเป็นรูปโดม ปั๊มนูน หรือเป็นทรงสูง ต่างจากผลงานก่อนหน้านี้ของ MPC ทั้งหมด ผู้ผลิตยานยนต์เรียกชิ้นส่วนเหล่านี้ว่า ชิ้นส่วน "ภาพลักษณ์" ซึ่งผู้ซื้อรถในโชว์รูมของตัวแทนจำหน่ายจะได้เห็น

เนื่องจากชิ้นส่วนเหล่านี้ใหญ่กว่าสินค้าเกือบทุกอย่างที่ MPC เคยผลิตหลายเท่า การหดและบิดงอจึงกลายมาเป็นโจทย์ท้าทายใหม่ ที่รับมือได้ยากในแง่ของการรับประกันคุณภาพ และเพื่อให้เริ่มการผลิตได้ตามกำหนดการ วิศวกรถูกบังคับให้ผลิตเครื่องมือ และต้องตัดสินใจด้านกระบวนการที่สำคัญในเวลากระชั้นชิด แถมยังมีข้อมูลน้อยเกินไปด้วย

การเลือกสรรและปรับใช้วิธีการเหล่านี้อาจใช้เวลาถึง 4 สัปดาห์หมดไปอย่างรวดเร็ว ซึ่งไม่มีเวลาให้กับการแก้ไขปัญหาเพิ่มเติมเลย "4 สัปดาห์เป็นระยะเวลาที่เราต้องปรับเปลี่ยนและทำให้กระบวนการของแม่พิมพ์มีความเสถียร " Clark กล่าว "และเราต้องจัดการอะไรหลายอย่างนอกจากการหดและการบิดงอด้วย" 

MPC แก้ไขปัญหาการหดและการบิดงอโดยใช้เครื่องสแกนเลเซอร์ 3 มิติของ ShapeGrabber และซอฟต์แวร์การตรวจวัดในรูปแบบ Point-Cloud ของ PolyWorks® จาก InnovMetric Software ฝ่ายบริหารของ MPC ที่มีความรู้ เปลี่ยนโซลูชันดังกล่าวให้กลายเป็นข้อได้เปรียบในการแข่งขัน 2 ประการ: เวลาออกสู่ตลาดเร็วขึ้น และรับประกันคุณภาพในระดับที่สูงขึ้น!

ความท้าทาย

ปัญหาใหญ่ที่คนทำแม่พิมพ์พบเกี่ยวกับการหดและการบิดงอคือ  การมีสาเหตุที่แตกต่างกันออกไป การหดเกี่ยวข้องกับวัสดุ โดยมีตั้งแต่ 2% ถึง 14% และอาจไม่เท่ากันสำหรับเรซินแต่ละล็อต การบิดงอเกี่ยวข้องกับการคลายความร้อน และการใช้ส่วนที่หนาและบางของผู้ออกแบบ การจะแก้ไขความท้าทายเชิงขนาดและความคลาดเคลื่อนเหล่านี้อย่างได้ผล ต้องอาศัยการวิเคราะห์และการคำนวณมากมาย ร่วมกับประสบการณ์หลายปี

ผู้ผลิตแม่พิมพ์เริ่มออกแบบเครื่องมือใหม่ โดยนำค่าการหดโดยประมาณจากเอกสารข้อมูลความปลอดภัยของวัสดุ (MSDS) ของเรซินพลาสติกมาพิจารณาประกอบ ส่วนการบิดงอ คนทำแม่พิมพ์ใช้ความรู้เกี่ยวกับช่อง ท่อ และช่องทางน้ำไหล แต่จนกว่าจะผลิตเครื่องมือเสร็จและนำมาใช้งานจริง การหดและการบิดงอก็เป็นเพียงการคาดเดาเพื่อเรียนรู้เท่านั้น

การวัดแบบแตะสัมผัส การวิเคราะห์การไหลในแม่พิมพ์ และการรังวัดด้วยภาพไม่เพียงพอ

ก่อนที่จะมีการสแกนด้วยเลเซอร์และการตรวจวัดระบบ Point-Cloud คนทำแม่พิมพ์ไม่มีเครื่องมือตรวจวัดพื้นผิวที่ทั้งครอบคลุมและรวดเร็ว วิธีที่ดีที่สุดที่มีก็คือการวัดแบบแตะสัมผัสด้วยเครื่องมือวัดสามมิติแบบโต๊ะอยู่กับที่ (CMM), การวิเคราะห์การไหล และการรังวัดด้วยภาพ อย่างไรก็ดี วิธีการเหล่านี้ยังทำไม่ได้ตามที่คาดหวัง

การวัดแบบแตะสัมผัส

การวัดแบบแตะสัมผัสทำให้พลาดส่วนนูน หลุมเล็ก รวมถึงจุดที่ Clark ชี้ว่าเป็น "การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย เช่น การบิดงอที่หลุดจากจุด X และ Y ซึ่งบิดไปจุดอื่นนอกเหนือจากระดับความคลาดเคลื่อนยินยอมที่ Z" นั่นเป็นเหตุผลที่การตรวจวัดพื้นผิวอย่างละเอียดต้องใช้จุดสามมิติ (3D) ถึง 500,000 จุด และบางครั้งอาจถึงล้านขึ้นไป แทนที่จะใช้เพียงไม่กี่ร้อยจุดเหมือนอย่างการวัดแบบแตะสัมผัส

นอกจากนี้ Clark เสริมว่า "CMM ใช้เวลา 7 วันทำการเพื่อตั้งค่างานหนึ่ง อีก 2 วันเพื่อตรวจวัด และคำนวณข้อมูลทั้งหมดในอีก 5 วันหลังจากนั้น เพราะว่า CMM ใช้งานอยู่ตลอด เราจึงอาจต้องรอไปอีก 7 วันเพื่อให้ได้คิว ดังนั้นเมื่อใช้วิธีแบบจุดต่อจุด เราจะมีโอกาสแค่สองครั้งเท่านั้นในการทำให้ถูกต้อง" 

การวิเคราะห์การไหลในแม่พิมพ์

การวิเคราะห์การไหลในแม่พิมพ์คือการจำลองในคอมพิวเตอร์ที่คาดการณ์ว่า เรซินจะหดและบิดงออย่างไร โดยอ้างอิงตำแหน่งและขนาดช่องของเครื่องมือ แต่วิธีนี้มีข้อเสียที่สำคัญ 3 ข้อ:

• ต้องใช้ขนาดที่กำหนด แทนที่จะใช้ข้อมูลการตรวจวัดจริงจากชิ้นงาน, ไม่รองรับการแก้ไขแม่พิมพ์ที่ตามมา
• การคาดการณ์การบิดงอเป็นไปในทางทฤษฎีและดิจิทัลเท่านั้น การออกแบบการไหลในแม่พิมพ์ในพื้นที่เสมือน มีความประณีตบรรจงที่ช่างทำแม่พิมพ์อาจทำให้ไม่ได้
• เช่นเดียวกับการทำแบบจำลองอื่น ๆ การวิเคราะห์การไหลในแม่พิมพ์มีสมมุติฐานโดยนัย และค่าตัวเลขที่อาจไม่ตรงกับโลกความเป็นจริง

"เราต้องการรู้ว่าในแม่พิมพ์เกิดอะไรขึ้นจริง ๆ ไม่ใช่สิ่งที่น่าจะเกิดขึ้น" Clark อธิบาย การวิเคราะห์การไหลในแม่พิมพ์ยังมีราคาสูง อาจถึง 12,000 เหรียญต่อเครื่องมือ และมักจะต้องทำ 2 ครั้ง ครั้งละ 4 สัปดาห์

การรังวัดด้วยภาพ

การรังวัดด้วยภาพเป็นวิธีการที่วัดค่าด้วยภาพถ่ายความละเอียดสูง การรังวัดด้วยภาพจับภาพพื้นผิวได้ใหญ่กว่าเครื่องสแกนเลเซอร์หลายเท่า แต่เป้าหมายที่นำมาประกอบกันต้องอาศัยการจัดเรียง เมื่อได้ภาพถ่ายดิจิทัลแล้ว ก็จะสามารถนำมาเปรียบเทียบกับไฟล์ CAD ที่ดาวน์โหลดมาได้ หรือจะอัปโหลดไปยังไฟล์ CAD เป็นการปะพื้นผิวก็ได้

การรังวัดด้วยภาพมีการทดลองใช้เป็นทางเลือกในการตรวจวัดอุปกรณ์จับยึดและเกจต่าง ๆ สำหรับชุดท่อสุญญากาศของเครื่องยนต์ "ปัญหาการตรวจวัดก็คือเครื่องยนต์แต่ละชุดมีความแตกต่างกันออกไป" Clark กล่าว "ตลอด 13 ปีที่ผมทำงานที่นี่ เราซื้อมาตรวัดกว่าพันเครื่องที่รวมแล้วน่าจะมูลค่าราว 3.5 ล้านเหรียญ ชิ้นงานเหล่านี้เป็นสีดำ ทำให้ที่ถ่ายภาพมาไม่ค่อยดี" เขาเสริม "และเรามีปัญหาเรื่องแสงโดยรอบและมุมมองความลึกในแกน Z เสมอ ๆ ด้วย"

การผสมผสานกันระหว่างความเร็วและการใช้งานง่ายของเครื่องสแกน  ทำให้เครื่องสแกนเข้าถึงผู้ใช้จำนวนมาก และลดเวลาในการตั้งค่าและการตรวจวัด ซึ่งลดต้นทุนการตรวจวัดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับวิธีอื่น ๆ

ข้อมูลที่ MPC ต้องการพร้อมใช้ได้ใน 15 นาที โดยไม่ต้องรอเวลาหลายวันอีกต่อไป

การตรวจวัดระบบ Point-cloud ใน PolyWorks

การตรวจวัดฝาครอบเครื่องยนต์ของ MPC ตอนนี้เสร็จแล้ว พร้อมแผนที่สีแสดงความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ใน PolyWorks|Inspector PolyWorks เปรียบเทียบจุดข้อมูลนับล้านจุดที่ได้จากเครื่องสแกนกับโมเดล CAD อ้างอิง ผู้เชี่ยวชาญ MPC ตั้งค่าความคลาดเคลื่อนยินยอมใน PolyWorks เพื่อกำหนดความเบี่ยงเบนที่ยอมรับได้และยอมรับไม่ได้ระหว่างจุดข้อมูลกับโมเดล CAD การแสดงผลใช้สเปกตรัมสีทั้งหมด ตั้งแต่สีแดง (ความคลาดเคลื่อนบวก, วัสดุมากเกินไป) จนถึงสีน้ำเงิน (ความคลาดเคลื่อนลบ, วัสดุน้อยเกินไป) เพราะว่าแถบความคลาดเคลื่อนยินยอมของแผนที่สีสามารถปรับได้  นี่จึงเป็นเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมสำหรับการวิเคราะห์ What-If "แผนที่สีช่วยให้เราเห็นว่าเกิดอะไรขึ้นกันแน่ภายในแม่พิมพ์ พื้นผิวตรงไหนที่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงค่าความคลาดเคลื่อน และได้รับผลกระทบเท่าไหร่" Clark อธิบาย "สิ่งที่แผนที่สีแสดงให้เราเห็นจริง ๆ" เขากล่าวเสริม "ก็คือ ชิ้นส่วนพลาสติกลอยอยู่ในแม่พิมพ์อย่างไร เรารู้ว่าวัสดุผลิตชิ้นส่วนจะหดเป็นขนาดที่ถูกต้อง และการบิดงอในระหว่างการคลายความร้อน จะทำให้เป็นรูปทรงที่นักออกแบบต้องการ"

หากวิศวกร MPC ต้องการตรวจสอบบางสิ่งบางอย่างที่ไม่ได้ระบุในเค้าโครงการตรวจวัดแต่แรก ก็แค่คลิกเมาส์ไปบนจุดในข้อมูล หรือเพิ่มจุดได้โดยการสแกนอีกครั้ง ไม่ว่าจะแบบไหน ก็ใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีเท่านั้น ในอดีต CMM จะต้องตั้งโปรแกรมใหม่ "ในการเพิ่มจุดวัดแบบแตะสัมผัสแม้แต่จุดเดียว เราต้องเริ่มใหม่ทั้งหมด" Clark กล่าว "ซึ่งนั่นใช้เวลาไม่น้อยกว่าสองวัน"

สำหรับผู้ใช้ที่ MPC และลูกค้าของ MPC เครื่อง ShapeGrabber และ PolyWorks เป็นระบบเดียวที่สามารถ:

• ทำงานได้รวดเร็วทันอัตราการผลิตและความถี่ในการตรวจวัด
• ผ่านมาตรฐานความสามารถในการทดสอบการทำซ้ำและความสามารถในการผลิตซ้ำ (R&R) ที่รับรองระบบการตรวจวัด

ในการทดสอบ R&R ผู้ปฏิบัติงานวัดเค้าโครงบนชิ้นส่วน 10 ชิ้น 3 ครั้ง จากนั้นผู้ปฏิบัติงานคนที่สองวัดเค้าโครงเดียวกันบนชิ้นส่วนเดียวกัน 10 ชิ้นอีก 3 ครั้ง จากนั้นจึงนำผลลัพธ์มาเปรียบเทียบกัน ซึ่ง PolyWorks และ ShapeGrabber ผ่านการทดสอบเหล่านี้

แนวทางอื่น ๆ ที่ใช้เลเซอร์นั้นช้าเกินไป ไม่มีวิธีใดเลยที่รวบรวมข้อมูลที่จำเป็นได้ในเวลาไม่เกิน 2 หรือ 3 ชั่วโมง

"แทนที่จะต้องใช้เวลา 2 หรือ 3 สัปดาห์ ภายในในไม่กี่นาที การสแกนก็ทำให้เรามีข้อมูลพื้นผิวทั้งหมดที่จำเป็นต่อการเลือกตัวเลือกการผลิตต่าง ๆ" Clark พูด "เราได้การจัดเรียงและการสร้างรูปแบบจาก PolyWorks ในเวลาที่เกือบจะเท่ากับเวลาจริงเลยครับ สุดท้าย เราจึงมีเวลาเพียงพอที่จะตัดสินเรื่องการผลิตที่ยากได้" เขาเสริมว่า "เพราะเราสามารถรวบรวมข้อมูลขนาดและความคลาดเคลื่อนยินยอมทั้งหมดที่ต้องการได้อย่างรวดเร็ว เราจึงมีเวลาเหลืออีกหลายวันในการออกแบบทางวิศวกรรมและวิเคราะห์แต่ละงาน การมีเวลาเพิ่มเติมนั้นช่วยเราได้อย่างมากในการตัดสินใจว่าจะผ่อนคลายความคลาดเคลื่อนยินยอม แก้ไขเครื่องมือ เปลี่ยนกระบวนการยังไง หรือสร้างอุปกรณ์จับยึดคลายความร้อน"

เวลาที่ได้มายังหมายความว่า วิศวกรสามารถกลับไปตรวจดูอีกครั้งได้ ซึ่งอาจรวมถึงบริเวณที่ยังไม่แน่ใจในตัวอย่างชิ้นส่วนชุดใหม่ “ShapeGrabber และ PolyWorks ช่วยเราตลอดกระบวนการตั้งค่าครับ” Clark ให้ข้อสังเกต

"เราเชื่อว่า MPC ได้รับผลตอบแทนจากการลงทุน (ROI) ใน 2 สัปดาห์เมื่อใช้ ShapeGrabber และ PolyWorks" เขาเสริม "ระบบนี้ช่วยให้เรามีข้อได้เปรียบในการแข่งขันเพิ่มมาอีก 2 ข้อ นั่นคือ การรับประกันคุณภาพที่เหนือชั้น และการเริ่มการผลิตได้อย่างรวดเร็ว ด้วยการสแกน 3 มิติและการตรวจวัดรูปแบบ Point-cloud เราจึงมีเวลาเพิ่มเติมหลายวันในการตัดสินใจทางธุรกิจที่สำคัญ ShapeGrabber และ InnovMetric ช่วยเราตลอดกระบวนการตั้งค่า ” Gregory Clark อธิบาย