Resolvendo problemas de design e fabricação no estágio inicial
Inspeção geométrica de pequenos componentes com tomógrafos computadorizados e o PolyWorks®
É necessária uma maneira completamente nova de pensar a inspeção e análise funcional de pequenos componentes e montagens moldadas por injeção. Atualmente, ferramentas não convencionais de hardware e software são usadas em uma combinação excepcional, produzindo resultados melhores e mais fáceis de compreender quando a inspeção dimensional é realizada em formas geométricas pequenas e complexas. Este artigo descreve como a Bolton Works usou a suite do PolyWorks® para realizar uma montagem virtual usando componentes digitalizados e modelos CAD, o que permitiu que os especialistas resolvessem os problemas de design e fabricação no estágio inicial. Por meio de um estudo de caso que examinou a Divisão de Pneutrônica da Parker Hannifin, fabricante de válvulas e bombas miniaturizadas, este artigo também explica como podem ser usados tomógrafos para medir pequenas entidades geométricas com eficiência e realizar diversas tarefas de controle de qualidade, como Dimensionamento geométrico e Toleranciamento.
Com o aparecimento de ferramentas e materiais de design melhores, os engenheiros procuram integrar várias funções em peças moldadas por injeção. Ao fazer isso, há um aprimoramento geral no custo, tempo de montagem e confiabilidade da montagem. Infelizmente, ferramentas de medição de "contato" como paquímetros, medidores ou CMMs (máquinas de medição por coordenadas) demonstraram que são ineficazes para medir componentes pequenos (<25 mm) com entidades geométricas menores que 1 mm.
Alguns dos motivos disso são:
Os apalpadores mecânicos por toque, devido à sua inércia, estabelecem limites para a velocidade em que podem operar e, portanto, limitam o número de pontos de dados que são amostrados.
A geometria criada com o uso de peças corrediças e inserções no molde de injeção geralmente cria entalhes, que não podem ser alcançados usando-se ferramentas convencionais em uma única configuração.
O tamanho de um apalpador limita o tamanho das entidades geométricas que podem ser medidas.
Uma CMM precisa ser programada como uma máquina-ferramenta CNC para levar o apalpador até a área de interesse, ao mesmo tempo que evita contato com o dispositivo que segura a peça.
Outras ferramentas, como medidores, comparadores ópticos, microscópios, etc., funcionam em 2 dimensões. Esses instrumentos funcionam em seções planas e não oferecem informações de como as entidades geométricas medidas se relacionam com outras entidades geométricas no espaço 3D, uma grande desvantagem sempre que um datum precisa ser usado.
Recorrendo a tomógrafos
A Pneutronics, uma divisão da Parker Hannifin Corporation (Hollis, NH), projeta e fabrica válvulas solenóides miniaturizadas, bombas de diafragma miniaturizadas e outras soluções de sistema para aplicações críticas de fluidos. A linha de produtos de válvulas da Pneutronics inclui válvulas solenóides digitais miniaturizadas, proporcionais e multimídia com tamanhos de furo de 0,003 pol a 0,250 pol, que são usadas em diversas tecnologias médicas e de instrumentação analítica.
Em 2003, a Pneutronics procurava uma tecnologia que permitisse analisar uma válvula de forma não destrutiva. Este produto, a XValve® é uma válvula pneumática miniatura de duas posições e três vias (24 mm x 8 mm x 9 mm) que consiste em uma camisa de válvula em polímero preenchida com vidro, um núcleo de aço inoxidável, um atuador de aço inoxidável, um acionador com uma vedação elastomérica e um solenóide.
Encontrar uma solução que pudesse medir com precisão tanto os componentes de plástico quanto os de borracha de silicone era um requisito importante para a decisão quanto à tecnologia. O engenheiro de desenvolvimento da Pneutronics, Drew Brenner, pesquisou muitas opções antes de recorrer à Bolton Works e seu serviço de tomografia computadorizada para gerar uma trilha de papel "digital" completa do processo de metrologia.
Os tomógrafos (usados em tomografia computadorizada) são utilizados em ambientes industriais e médicos para capturar informações de dentro e de fora de um objeto sendo estudado. Um tomógrafo consiste em uma fonte de raios-X, uma plataforma que segura o objeto e um detector. Um tomógrafo mede a atenuação dos feixes de raios-X que passam pelo objeto e cria um conjunto tridimensional completo de dados volumétricos. O modelo digitalizado consiste em nuvens de pontos muito densas que podem chegar a ter vários milhões de pontos.
Para lidar com essa grande quantidade de informações, a Bolton Works recorreu ao PolyWorks®, a solução de software de processamento de nuvens de pontos da InnovMetric. Após vários anos de processamento de nuvens de pontos nas indústrias automotiva e aeronáutica, o PolyWorks comprovou que é o pacote de software mais robusto e que é capaz de lidar com eficiência com grandes nuvens de pontos geradas por tomógrafos.
Usando a tecnologia de tomografia computadorizada e o PolyWorks, a Pneutronics reduziu o tempo de desenvolvimento de produtos, obteve ganhos significativos e agilizou seu processo de teste.
O fluxo de trabalho de inspeção
1) Digitalização da peças
Para trabalhar com a mistura de materiais contidos na montagem da X-Valve, a Bolton Works começou digitalizando a camisa de plástico (azul) separadamente, o que resultou em um conjunto de dados com 1500 imagens com uma distância de 20 μm entre as imagens. O tamanho total do conjunto de dados de imagens produzido foi de 1,8 GB. A partir dessa enorme quantidade de imagens, um modelo de nuvem de pontos 3D consistindo em aproximadamente 6 milhões de pontos de dados foi criado.
Os benefícios de amostrar tantos pontos de dados são significativos, especialmente quando comparados às técnicas tradicionais de medição.
Com uma tomografia computadorizada, a Pneutronics obteve todos os dados necessários para estudar a válvula, eliminando o tempo necessário para digitalizações adicionais a fim de fazer novas medições.
Mais importante, o grande número de pontos de dados melhorou muito a precisão e o detalhamento do modelo, resultando em dados de design mais precisos e uma análise de produto mais completa.
2) Comparação com o CAD
Depois de digitalizar e gerar o modelo 3D, o conjunto de dados da nuvem de pontos foi alinhado com o modelo CAD 3D usando o método "best-fit". O software compara cada ponto na nuvem de pontos com as informações de superfície do CAD, registra os desvios e exibe os desvios em um mapa de cores.
3) Dimensionamento Geométrico e Toleranciamento
O software PolyWorks permitiu que a Pneutronics realizasse dimensionamento geométrico e toleranciamento (GD&T) e desenvolvesse com eficiência um padrão de desenho mecânico por meio da definição de um sistema de coordenadas de referência baseado em datum para a montagem. Ele usa o modelo CAD 3D e extrai automaticamente da nuvem de pontos as primitivas, como planos, cilindros e cones. Para definir os planos de datums para a válvula pneumática, o plano no modelo CAD 3D foi identificado. PolyWorks então extraiu o plano correspondente da nuvem de pontos usando pontos ao redor desta entidade geométrica do CAD a uma distância de 0,25 mm. Ele também excluiu pontos cujas normais não estavam dentro da tolerância de 20 graus de faixa da normal da superfície. Por meio desse processo de filtragem, dos milhões de pontos de dados digitalizados, foi construído um datum correto. O ajuste best-fit, portanto, é usado apenas para alinhar os pontos próximos o suficiente para que o software encontre os pontos que formam os datums e outras entidades geométricas.
O desenho mostra como os datums extraídos, cilindros, planos, etc. se relacionam entre si. O desenho especifica as tolerâncias com condições máximas/mínimas de material. Esses relacionamentos são colocados no software de inspeção PolyWorks. Isso é essencial, porque se o desenho especifica que um cilindro deve ser posicionado nos datum A, B e C, o software deve alinhar virtualmente a nuvem de pontos de acordo com isso. Após extração das entidades geométricas desejadas e comparação com o que havia sido definido no desenho, as informações são geradas em formato Excel para fins de documentação.
4) Montagem virtual
A Pneutronics queria melhorar as características específicas de desempenho da X-valve e precisava de um relatório de GD&T preciso que destacasse o estado atual das dimensões críticas. Brenner decidiu avaliar a interação dos componentes de aço inoxidável e borracha com a camisa de plástico. O conjunto da válvula consiste em componentes com diferentes materiais, incluindo plástico, borracha, aço inoxidável e fiação de cobre. Todos esses materiais têm uma densidade diferente, o que significa que diferentes níveis de energia tiveram que ser usados pela tomografia computadorizada para cada componente. Não era viável segmentar os materiais para digitá-los individualmente, e depois tentar reconstruí-los de modo a obter um modelo preciso. Ficou decidido que seria empregada outra abordagem para visualizar a montagem.
As peças cilíndricas de aço inoxidável foram medidas com ferramentas convencionais, como comparadores e paquímetros. Após a confirmação de que estavam dentro da tolerância, a peça foi virtualmente montada no PolyWorks usando os modelos CAD dos cilindros de aço inoxidável e da válvula de borracha que, em seguida, foram sobrepostos em 3D aos dados digitalizados da camisa.
A montagem virtual validou o projeto geometricamente e confirmou que a válvula deveria fechar conforme projetada. Com o projeto agora validado, o foco da investigação voltou-se para o processo de montagem.
Um tomógrafo com tensão mais alta foi usado para visualizar apenas os componentes metálicos. As digitalizações revelaram que, quando o acionador era pressionado na camisa, ele podia tornar-se desalinhado. Portanto, foi necessária uma revisão do processo de montagem.
A inspeção geométrica e a montagem virtual foram fundamentais para compreender a interação dos componentes e permitir que a Pneutronics se concentrasse no processo de montagem, e não no processo de design, para aprimorar a válvula.
O PolyWorks oferece uma linguagem de elaboração de scripts poderosa que permite que os especialistas automatizem tarefas completas de inspeção. Todas as tarefas discutidas anteriormente neste artigo podem ser automatizadas e executadas com um clique do mouse. É apenas uma questão de carregar a próxima nuvem de pontos e enviar os resultados para uma planilha do Excel ou carregá-los em um servidor Web em formato HTML. Este nível de automação é especialmente útil ao se inspecionar ferramentas com várias cavidades. A Bolton Works usa o PolyWorks desde 2003 para criar relatórios de inspeção automaticamente a partir de dados de tomografia computadorizada.
Como visto pelos resultados da Pneutronics, a tomografia computadorizada demonstrou que é uma maneira econômica de implementar um processo de inspeção viável de válvulas miniaturizadas. Ficou demonstrado que é difícil o uso de ferramentas tradicionais de medição por "contato". O uso de um tomógrafo combinado com as ferramentas de software corretas permitiu o estabelecimento de um processo completo de inspeção digital na Pneutronics, aplicável em diferentes fases do processo de fabricação (design, protótipo, produção e montagem). Este método de inspeção comprovou que é muito eficaz na validação de peças por meio de análises globais, medições GD&T e montagem virtual.
O PolyWorks comprovou que é a ferramenta mais apropriada para lidar com dados de tomógrafos por vários motivos:
O PolyWorks lida de forma muito eficiente com os grandes conjuntos de dados (2 GB) produzidos por tomógrafos
O PolyWorks oferece uma análise global instantânea por meio de comparações de dados para CAD.
O PolyWorks tem um exclusivo mecanismo integrado de GD&T para verificar se as peças estão em conformidade com os padrões ASME Y14.5M-1994
O PolyWorks permite que os usuários "montem virtualmente" dados digitalizados com modelos CAD
O PolyWorks oferece uma linguagem de elaboração de scripts poderosa para automatizar processos de inspeção
Tomógrafos computadorizados requerem um investimento de capital substancial. Ao fornecer tomografia computadorizada como um serviço, a Bolton Works tornou essa tecnologia acessível e ainda permite que seus clientes façam suas análises internamente, com base na nuvem de pontos e com a ajuda da solução de software PolyWorks.