Pneutronics

จัดการปัญหาการออกแบบและการผลิตตั้งแต่ขั้นเริ่มต้น

การตรวจสอบรูปทรงเรขาคณิตของส่วนประกอบขนาดเล็ก ด้วยเครื่องสแกน CT-Scanner และ PolyWorks^®

Aการตรวจสอบและวิเคราะห์การทำงานของส่วนประกอบและชุดชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ผลิตด้วยการฉีดขึ้นรูปต้องใช้กระบวนการคิดใหม่ทั้งหมด ปัจจุบันมีการใช้การผสมผสานกันของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์แบบใหม่ที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งให้ผลลัพธ์ดีขึ้นและดูเข้าใจง่ายขึ้นมากเมื่อทำการตรวจสอบเชิงมิติบนรูปทรงเรขาคณิตขนาดเล็กที่มีความซับซ้อน  บทความนี้อธิบายวิธีการที่ Bolton Works นำซอฟต์แวร์ PolyWorks ไปใช้จำลองการประกอบชิ้นส่วนแบบเสมือนจริงโดยใช้ข้อมูลสแกนชิ้นส่วนประกอบ และแบบโมเดล CAD ซึ่งทำให้ผู้เชี่ยวชาญสามารถจัดการปัญหาในการออกแบบและการผลิตได้ตั้งแต่ขั้นตอนเริ่มต้น นอกจากนี้ บทความนี้ยังอธิบายวิธีการใช้เครื่องสแกน CT-scanner เพื่อวัดคุณสมบัติขนาดเล็กอย่างมีประสิทธิภาพและการทำงานควบคุมคุณภาพแบบต่าง ๆ เช่น การคำนวณขนาดมิติเรขาคณิตและการวัดค่าภายใต้ค่าความคลาดเคลื่อนที่กำหนด โดยอธิบายผ่านกรณีศึกษาเรื่องการตรวจสอบวาล์วขนาดเล็กและผู้ผลิตปั๊มแผนก Pneutronics ของ Parker Hannifin

ความท้าทาย

ด้วยเครื่องมือและวัสดุออกแบบที่ดีขึ้น วิศวกรจึงมองหาทางรวมฟังก์ชันต่าง ๆ เข้ากับชิ้นส่วนที่ผลิตจากการฉีดขึ้นรูป การทำแบบนี้ ทำให้ต้นทุนโดยรวมทั้งหมด อาทิเช่น เวลาในการประกอบชิ้นส่วน และความน่าเชื่อถือของชุดประกอบพัฒนาดีขึ้น แต่น่าเสียดาย เครื่องมือวัดที่ต้องอาศัย "การแตะสัมผัส" เช่น caliper (คาลิปเปอร์) gauge (เครื่องมือวัดขนาด) หรือ CMM (เครื่องวัดพิกัดสามมิติ) ผ่านการพิสูจน์มาแล้วว่าไม่มีประสิทธิภาพในการวัดชิ้นส่วนขนาดเล็ก (เล็กกว่า 25 มม.) ที่มีขนาดของส่วนต่าง ๆ เล็กกว่า 1 มม. 

นี่คือเหตุผลบางประการ:

• เนื่องจากความเฉื่อยของเครื่องมือวัดด้วยหัวโพรบ ทำให้เกิดข้อจำกัดด้านความเร็วในการทำงานของเครื่อง ดังนั้นจึงจำกัดจำนวนจุดข้อมูลที่เก็บเป็นตัวอย่าง
• รูปทรงเรขาคณิตที่สร้างด้วยก้อน insert และ slide (ชิ้นส่วนของแม่พิมพ์ฉีดพลาสติก ที่จะสามารถเลื่อนในแนวนอนในระหว่างการเปิด และปิดแม่พิมพ์) ในการฉีดแม่พิมพ์มักมีจุด undercut หรือส่วนของชิ้นงานพลาสติก ที่ทำให้แม่พิมพ์เปิด-ปิด เพื่อถอดชิ้นงานไม่ได้ เกิดขึ้นหลายจุด การเข้าไปทำการวัดด้วยเครื่องมือทั่วไปโดยใช้การตั้งค่
• ข้อจำกัดของขนาดของหัวโพรบที่ใช้วัด ทำใ
• CMM ต้องตั้งโปรแกรมเช่นเดียวกับเครื่อง CNC เพื่อนำหัวโพรบวัดเข้าไปในพื้นที่ที่ต้องการ พร้อมกับต้องหลบตัวยึด
• gage ต่าง ๆ และเครื่องวัดออปติคัล กล้องจุลทรรศน์ ฯลฯ และอื่นๆที่ใช้งานในรูปแบบ 2 มิติ เครื่องมือเหล่านี้ทำงานในส่วนที่เป็นระนาบ และไม่ได้ให้ข้อมูลการวัดใด ๆ ที่เกี่ยวข้องกับส่วนอื่น ๆ ในรูปแบบพื้นผิว 3 มิติ ซึ่งเป็นข้อเสียหลักเมื่อต้องใช้จุดนั้นเป็น datum อ้างอิง

วิธีแก้ปัญหา

เปลี่ยนมาใช้เครื่องสแกน CT-scanner

Pneutronics ซึ่งเป็นแผนกหนึ่งของ Parker Hannifin Corporation (เมืองโฮลลิส รัฐนิวแฮมป์เชียร์) ทำหน้าที่ออกแบบและผลิตวาล์วโซลินอยด์ขนาดเล็ก ปั๊มไดอะแฟรมขนาดเล็ก และโซลูชันระบบสำหรับการใช้ของไหลที่สำคัญ กลุ่มผลิตภัณฑ์วาล์วของ Pneutronics ได้แก่ วาล์วโซลินอยด์แบบดิจิทัลขนาดเล็ก แบบสัดส่วน และแบบมัลติมีเดีย ที่มีขนาดช่องระบายตั้งแต่ .003 นิ้วถึง .250 นิ้ว ซึ่งใช้ในเทคโนโลยีการแพทย์และอุปกรณ์การวิเคราะห์ต่าง ๆ

ในปี 2003 Pneutronics ค้นหาเทคโนโลยีที่ช่วยในการวิเคราะห์วาล์วโดยไม่ทำให้เกิดความเสียหาย ผลิตภัณฑ์ XValve® นี้ คือ วาล์วนิวแมติกขนาดเล็ก 2 ตำแหน่ง 3 ทาง (24 มม. x 8 มม. x 9 มม.) ที่ประกอบด้วยตัวเรือนวาล์วโพลีเมอร์เสริมแก้ว แกนสแตนเลสสตีล แอคทูเอเตอร์สแตนเลสสตีล พลันเจอร์พร้อมผนึกอีลาสโตเมตริก และโซลินอยด์
 
การหาโซลูชันที่สามารถวัดได้ทั้งชิ้นส่วนพลาสติกและยางซิลิโคนได้อย่างแม่นยำเป็นข้อกำหนดสำคัญในการตัดสินใจเลือกเทคโนโลยี นาย Drew Brenner ซึ่งเป็นวิศวกรพัฒนาของ Pneutronics สำรวจตัวเลือกมากมายก่อนเลือก Bolton Works และบริการการสแกนด้วย CT-Scanner เพื่อสร้างเอกสารติดตาม "ดิจิทัล" ที่สมบูรณ์ของกระบวนการการวัด

ระบวนการตรวจสอบ
 

1) การสแกนชิ้นงาน 

เพื่อทำงานกับวัสดุหลายแบบในชุดวาล์ว X-Valve บริษัท Bolton Works จึงเริ่มต้นโดยสแกนตัวเรือนพลาสติก (สีฟ้า) แยกต่างหาก ซึ่งได้ชุดข้อมูลภาพมาทั้งหมด 1,500 รูป ซึ่งระยะห่างระหว่างแต่ละรูปคือ 20 μm ชุดข้อมูลรูปภาพที่สร้างขึ้นมามีขนาดทั้งหมด 1.8 กิกะไบต์ จากนั้นรูปภาพทั้งหมดนี้จะถูกนำมาสร้างเป็นโมเดลพอยต์คลาวด์ 3 มิติที่ประกอบด้วยจุดข้อมูลประมาณ 6 ล้านจุด

ข้อดี

• ประโยชน์ของการเก็บตัวอย่างจุดข้อมูลจำนวนมากนั้นสำคัญมาก โดยเฉพาะเมื่อต้องนำมาเปรียบเทียบกับเทคนิคการวัดแบบทั่วไป
• ด้วยเครื่องสแกน CT-scan หนึ่งเครื่อง Pneutronics สามารถเก็บข้อมูลทั้งหมดที่จำเป็นต่อการศึกษาวาล์ว ซึ่งย่นระยะเวลาที่ต้องใช้ในการสแกนเพิ่มเติมเพื่อทำการวัดใหม่
• ที่สำคัญที่สุดคือ จุดข้อมูลจำนวนมากเหล่านี้ช่วยเพิ่มความแม่นยำและรายละเอียดของโมเดลได้อย่างมหาศาล ส่งผลให้ข้อมูลออกแบบเที่ยงตรงขึ้น และทำให้การวิเคราะห์ผลิตภัณฑ์สมบูรณ์แบบยิ่งขึ้น

2) การเปรียบเทียบกับ CAD

หลังจากการสแกนและสร้างโมเดล 3 มิติ ชุดข้อมูลพอยต์คลาวด์จะถูกดึงเข้าหาโมเดล CAD 3D โดยใช้วิธีการแบบ “Best fit” ซอฟต์แวร์จะเปรียบเทียบทุก ๆ จุดบนพอยต์คลาวด์กับข้อมูลพื้นผิว CAD บันทึกความเบี่ยงเบน และแสดง

3) การคำนวณขนาดมิติเรขาคณิตและการวัดค่าภายใต้ค่าความคลาดเคลื่อนที่กำหนด

ซอฟต์แวร์ PolyWorks ช่วยให้ Pneutronics คำนวณค่ามิติเรขาคณิตและวัดค่าภายใต้ค่าความคลาดเคลื่อนที่กำหนดโดยใช้ (GD&T) ได้ และพัฒนามาตรฐานการเขียนแบบกลไก โดยกำหนดระบบพิกัดอ้างอิงฐานดาตัมสำหรับชุดประกอบ การวัดนี้ใช้โมเดล CAD 3D และดึงค่าการวัดต่าง ๆ ออกจาก CAD ออกมาแบบอัตโนมัติ เช่น ระนาบ รูปทรงกระบอก และรูปทรงกรวยที่ทำจากข้อมูลสแกนพอยต์คลาวด์ที่ได้ เพื่อกำหนดระนามดาตัมสำหรับวาล์วนิวแมติก ระบบจึงกำหนดระนาบในโมเดล CAD 3D ขึ้นมา จากนั้น PolyWorks แยกระนาบที่เหมือนกันจากพอยต์คลาวด์โดยใช้จุดล้อมรอบเค้าโครง CAD นี้ภายในระยะ 0.25 มม. จากนั้นซอฟต์แวร์จะคัดจุดอื่น ๆ ที่แนวฉากไม่อยู่ในค่าความคลาดเคลื่อนยินยอม 20 องศาของแถบแนวฉากของพื้นผิวออก ด้วยกระบวนการกรองแบบนี้ ดาตัมที่ถูกต้องจะถูกสร้างขึ้นจากจุดข้อมูลสแกนหลายล้านจุด ดังนั้นเทคนิค Best fit ขั้นต้นจึงถูกนำมาใช้เพื่อจัดเรียงจุดให้ใกล้พอที่ซ
 
การเขียนแบบแสดงให้เห็นว่าหาค่าดาตัมออกมาได้อย่างไร ไม่ว่าจะเป็น รูปทรงกระบอก ระนาบ ฯลฯ ร่างแบบจะกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนยินยอมพร้อมเงื่อนไขวัสดุสูงสุด/ต่ำสุดเอาไว้ ข้อมูลความสัมพันธ์เหล่านี้จะถูกป้อนเข้าไปในซอฟต์แวร์ตรวจสอบ PolyWorks ขั้นตอนนี้สำคัญมากเนื่องจากหาก แบบ drawing กำหนดว่าทรงกระบอกควรตั้งอยู่ที่ดาตัม A, B, และ C ซอฟต์แวร์จะทำการประกบพอยต์คลาวด์กับดาตัมเรียงตามแบบ หลังจากการแยกเค้าโครงที่ต้องการและเปรียบเทียบกับสิ่งที่กำหนดร่างแบบแล้ว ข้อมูลจะถูกส่งออกมาในรูปแบบ Excel เพื่อใช้ในการเป็นเอกส

4) การจำลองการประกอบเสมือนจริง

Pneutronics ต้องการเสริมคุณลักษณะประสิทธิภาพบางอย่างของ X-valve และต้องการรายงาน GD&T ที่แม่นยำ ซึ่งเน้นสถานะปัจจุบันของขนาดที่สำคัญ Brenner ตัดสินใจที่จะประเมินปฏิสัมพันธ์ของส่วนประกอบ สแตนเลสสตีลและยางกับตัวเรือนพลาสติก ชุดประกอบวาล์วประกอบด้วยส่วนประกอบที่มีวัสดุต่างกัน ได้แก่ พลาสติก ยาง สแตนเลสสตีล และลวดทองแดง วัสดุเหล่านี้มีความหนาแน่นต่างกันไป ซึ่งหมายความว่าเครื่องสแกน CT-Scanner ต้องใช้ระดับพลังงานต่างกันสำหรับสแกนในแต่ละส่วนประกอบ การแบ่งส่วนวัสดุเพื่อสแกนแยกกันและพยายามประกอบเข้าไปใหม่ให้เป็นโมเดลที่เที่ยงตรงนั้นไม่สามารถทำได้ จึงมีการตัดสินใจใช้กลยุทธ์อื่

ชิ้นส่วนสแตนเลสสตีลทรงกระบอกถูกวัดด้วยเครื่องมือทั่วไป เช่น คอมพาราเตอร์ และ คาลิปเปอร์ หลังจากยืนยันว่าค่าต่าง ๆ อยู่ในค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้แล้ว ชิ้นส่วนจะถูกนำมาจำลองประกอบแบบเสมือนจริงได้ใน PolyWorks โดยใช้โมเดล CAD ของกระบอกสแตนเลส และวาล์วยาง จากนั้นซ้อนทับ

การประกอบแบบเสมือนยืนยันความถูกต้องของการออกแบบทางเรขาคณิต และยืนยันว่าวาล์วปิดได้ตามที่ตั้งใจไว้ เมื่อการออกแบบได้รับการยืนยันแล้ว การตรวจสอบจะเน้นไปที่กระบวนการประกอบแทน

ซึ่งต้องใช้เครื่องสแกน CT ที่มีกำลังไฟฟ้าสูงมาสร้างภาพส่วนประกอบที่เป็นโลหะเท่านั้น การสแกนเผยว่าเมื่อแอคทูเอเตอร์ถูกกดในตัวเรือน ก็อาจเคลื่อนออกจากแนวได้ จึงมีการแก้ไขกระบวนการประกอบตามมา

การตรวจสอบเชิงเรขาคณิตและการจำลองการประกอบแบบเสมือนจริง คือเครื่องมือในการทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ของส่วนประกอบต่าง ๆ และช่วยให้ Pneutronics เน้นศึกษากับกระบวนการประกอบมากกว่ากระบวนการออกแบบในการเพิ่มประสิทธิภาพของวาล์ว

ระบบอัตโนมัติและการทำรายงาน

PolyWorks นำเสนอภาษาคำสั่งที่ทรงพลัง ซึ่งช่วยให้ผู้เชี่ยวชาญตั้งค่างานตรวจสอบทั้งหมดเป็นอัตโนมัติได้ งานทั้งหมดที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ในบทความนี้เป็นอัตโนมัติและทำงานด้วยการคลิกเมาส์เพียงครั้งเดียวเท่านั้น แค่โหลดพอยต์คลาวด์ถัดไป ก็จะได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นแผ่นงาน Excel หรืออัปโหลดไปยังเว็บเซิร์ฟเวอร์ในรูปแบบ HTML ก็ได้ ระบบอัตโนมัติในระดับนี้มีประโยชน์มากเป็นพิเศษเมื่อต้องตรวจสอบเครื่องมือที่มีหลายช่องเปิด Bolton Works ใช้ PolyWorks มาตั้งแต่ปี 2003 เพื่อสร้างรายงานตรวจสอบโดยอัตโนมัติจากข้อมูลสแกน CT

คุณประโยชน์

อย่างที่เห็นได้จากผลลัพธ์ของ Pneutronics การสแกน CT พิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีการที่คุ้มค่าที่จะนำไปใช้ในกระบวนการตรวจสอบวาล์วขนาดเล็ก การใช้เครื่องมือวัดที่อาศัย "การแตะสัมผัส" โดยทั่วไปพิสูจน์แล้วว่าใช้งานยาก การใช้เครื่องสแกน CT-Scanner ร่วมกับเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่เหมาะสม ช่วยสร้างกระบวนการตรวจสอบแบบดิจิทัลที่สมบูรณ์ให้แก่ Pneutronics ซึ่งนำไปใช้งานกับกระบวนการผลิตในระยะต่าง ๆ (การออกแบบ การสร้างต้นแบบ การผลิต และการประกอบ) วิธีการตรวจสอบนี้พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพสูงในการยืนยันความถูกต้องของชิ้นส่วนผ่านการวิเคราะห์ส่วนกลาง การวัด GD&T และการประกอบแบบเสมือนจริง
 
PolyWorks ได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นเครื่องมือที่เหมาะสมที่สุดในการจัดการข้อมูลจากเครื่องสแกน CT ด้วยหลายเหตุผล:

• PolyWorks จัดการชุดข้อมูลขนาดใหญ่ (2 กิกะไบต์) ที่สร้างจากเครื่องสแกน CT ได้อย่างมีปร
• PolyWorks มาพร้อมฟังก์ชันวิเคราะห์ส่วนกลางแบบได้ผลลัพธ์ทันทีโดยอาศัยการเปรียบเทียบข้อมูลกับ CAD
• PolyWorks มีคำสั่งการวัด GD&T ที่ไม่เหมือนใครเพื่อตรวจสอบชิ้นส่วนให้เป็นไปตามมาตรฐาน ASME Y14.5M-1994
• PolyWorks ช่วยให้ผู้ใช้สามารถทำการจำลอง "การประกอบเสมือนจริง" โดยใช้ข้อมูลที่สแกน ประกบเข้ากับโมเดล CAD
• PolyWorks นำเสนอภาษาคำสั่งที่ทรงพลังเพื่อทำ

เครื่องสแกน CT ต้องใช้เงินลงทุนสูง ด้วยการมอบบริการสแกน CT, Bolton Works ได้ทำให้เทคโนโลยีอยู่ในราคาที่จ่ายได้และยังช่วยให้ลูกค้าทำการวิเคราะห์ภายในองค์กรได้โดยใช้ระบบพอยต์คลาวด์และความช่วยเหลือจากโซลูชันซอฟต์แวร์ PolyWorks